王征

（云南中烟工业有限责任公司,昆明 650000）

0 引言

Passim卷接机组是我国20世纪90年代引进英国莫林斯公司的高速卷烟设备，该机组具有自动化程度高、稳定性好、卷烟外观质量好等优点[1]。烟条切割装置是卷烟机上的核心部件，主要由切割刀盘和喇叭嘴烟条支撑装置组成。

烟条切割支撑装置目前主要有3种形式：1）曲柄滑块连杆式喇叭嘴支撑装置，该装置广泛应用于国产化的YJ17、YJ112，德国HAUNI的PROTOS系列，意大利GD公司的GD121系列机型，以及英国莫林斯PASSIM7K上；2）多平行四边形连杆式旋转喇叭嘴支撑装置，该装置广泛运用于德国HAUNI公司的PROTOS M系列及意大利GD公司的DF10和GD121P-2000；3）行星轮系式喇叭嘴支撑装置，该装置广泛运用于Passim8000以上机型及许昌烟机公司生产的ZJ19A、ZJ19E卷烟设备中[2]。

多平行四边形连杆式旋转喇叭嘴支撑装置与行星轮系式喇叭嘴支撑装置中的喇叭嘴均做圆周回转平动，但实现结构原理不同，多平行四边形连杆式旋转喇叭嘴支撑装置主要采用平行四边形机构平动原理，而行星轮系式喇叭嘴支撑装置主要通过行星齿轮在围绕太阳轮公转的同时，通过齿轮的齿数比使喇叭嘴在围绕太阳轮圆周运动的同时保持平动。

1 喇叭嘴的作用

喇叭嘴支撑装置作为烟支切割系统的一部分，它的主要功能是对烟条进行引导，并在切割过程中给烟条提供支撑，保证烟支切口整齐，符合卷接质量要求。由于烟条在切割过程中以很高的速度向前运动，因此在切割位置时喇叭嘴在烟条轴线方向的速度应与烟条速度一致[3]，即V烟支=V喇叭嘴。

烟条切割过程如图1所示。如图1所示，喇叭嘴与行星轮4固定在一起，太阳轮与行星轮箱体主轴固定，不转动，行星轮箱体通过轴承与主轴连接，通过同步带驱动旋转，过渡轮3与行星轮4通过轴承与箱体连接，当行星轮箱体1旋转时，带动过渡轮3和行星轮4绕太阳轮2公转，同时自转，由于齿轮存在一定的齿数比关系，因此使喇叭嘴5在围绕太阳轮2公转的同时，始终保持平动状态。

图1 切条切割过程

喇叭嘴中间留有间隙，切刀7从喇叭嘴中间的间隙通过时，在喇叭嘴的支撑下，将烟条切断，切刀水平方向的运行分速度与喇叭嘴运行速度一致，保证烟条切割质量较高而不损坏切刀与喇叭嘴装置。由于每种长度的烟支所匹配的喇叭嘴的速度是不同的，因此在烟支切割长度改变时，喇叭嘴的公转半径需要改变。

2 行星轮系式喇叭嘴工作原理

喇叭嘴固定在齿轮3上，齿轮1固定，行星架旋转的同时，带动喇叭嘴围绕齿轮1旋转，齿轮1与齿轮3存在一定的齿数比关系，因此喇叭嘴在旋转的同时，方向保持不变，如图2所示，喇叭嘴在公转的过程中，方向1～4始终竖直向下，保持不变。

图2 行星轮系式喇叭嘴机构原理图[4]

喇叭嘴旋转平动机构属于周转轮系，周转轮系传动比公式为：

式中：n1为太阳轮的转速，n1=0；n3为行星轮的转速；Z1为太阳轮的齿数；Z3为行星轮的齿数；nH为行星架的转速。

为了使喇叭嘴在旋转的同时保持平动，行星轮在跟随行星架围绕太阳轮圆周旋转平动的同时，其相对旋转速度为0，即i3H=0，因此齿数Z1=Z3，即Z1/Z3=1。

行星轮相对行星架旋转速度为0，说明两者相对于世界坐标系的旋转速度相等，方向相反。行星轮在围绕太阳轮公转的同时自转，实时调节喇叭嘴的姿态，使喇叭嘴在圆周运动的同时，始终保持方向不变。

齿轮2属于过渡轮，如下式所示：

式中：R为喇叭嘴公转半径，mm；ω为喇叭嘴公转角速度，rad/s；m为模数。

在切割时，由于不同的烟支长度对应不同的刀盘角度，即喇叭嘴水平最大速度不相同，从式（7）可以看出，在所有烟支长度范围内，Z2+Z3的值必定会存在小数，而齿轮的齿数为整数，因此只能通过调整两齿轮之间的中心距来匹配不同的烟支切割长度，即行星轮系式喇叭嘴齿轮箱的齿轮中心距不是按标准中心距来设计的，为了保证齿轮能连续传动，在设计行星轮系式喇叭嘴齿轮箱的齿轮时，除了调整3个齿轮的安装中心距外，还需要验证齿轮的重合度，确保重合度：

式中：α′为啮合角，α′=20°；a为标准中心距；z1、z2及αa1、αa2分别为齿轮1、2的齿数及齿顶圆压力角。

3 行星轮系式喇叭嘴运动学仿真分析

在多体动力学软件中建立行星轮系式喇叭嘴简化机构仿真分析模型，太阳轮齿数z2=30，过渡轮齿数z3=17，行星轮齿数z4=30，齿轮模数为2 mm，如图3所示。

图3 行星轮系原理仿真模型

太阳轮2与大地建立固定副，行星架1与太阳轮2建立旋转副，过渡轮3、行星轮4与行星架1建立旋转副，喇叭嘴5与行星轮4采用固定副连接，让喇叭嘴跟随行星轮一起运动，行星架施加旋转驱动，值为7200°/s=125.66 rad/s，齿轮之间采用齿轮副建立传动比，仿真时间设置为1 s，仿真步数为200 步，仿真结果如下所示。

行星架的转速如图4所示。

从图4可以看出，行星架的转速为125.66 rad/s。

图4 行星架的转速

喇叭嘴（行星轮4）的转速如图5所示。

图5 喇叭嘴的转速

从图5可以看出，喇叭嘴的转速为-125.66 rad/s，与行星架的转速相等，方向相反。

从图4、图5可以看出，相对于世界坐标系，喇叭嘴的转速与行星架的转速相等，方向相反，才能使喇叭嘴围绕太阳轮旋转的同时，方向保持不变，图6所示为喇叭嘴在初始位置至0.03 s时的位置姿态，每隔0.01 s截取喇叭嘴的一种姿态。

图6 喇叭嘴位置

从图6中喇叭嘴的4种姿态可以看出，在喇叭嘴围绕太阳轮公转的同时，喇叭嘴始终竖直向下，方向没有改变。

喇叭嘴的最大水平速度v=Rω=（17+30）×2×125.66=11812 mm/s。

提取出喇叭嘴水平方向的速度，如图7所示。

从图7可以看出，喇叭嘴的速度为三角函数曲线，喇叭嘴在最下端和最上端水平速度达到最大，为11 812 mm/s，此时垂直方向上的速度为0。

图7 喇叭嘴速度曲线图

4 结论

1）行星轮系式喇叭嘴支撑装置结构采用太阳轮固定不转，过渡轮和行星轮与行星架相连接，由行星架带动过渡轮和行星轮围绕太阳轮公转的同时，保持自转，实时调节喇叭嘴的姿态，使喇叭嘴围绕太阳轮公转的同时，保持平动。

2）太阳轮的齿数与行星轮的齿数相等，喇叭嘴的转速与行星架转速相对于世界坐标系相等，方向相反，才能保证喇叭嘴在围绕太阳轮转动的同时保持平动，过渡轮的齿数不影响喇叭嘴的方向位置。

3）行星轮系式喇叭嘴齿轮箱中的齿轮中心距按非标准中心距设计时，需要校核齿轮的重合度，以保证齿轮能连续传动。