1. 引言
GDX500包装机是G.D.公司生产的高速软盒卷烟包装设备，生产速度最高达500包/分钟，是目前我厂生产软盒卷烟产品的主要机型之一。其包装成型存在税票的自动粘贴，税票的输送通过同步带轮和同步带配合输送至封签分气盘，当设备运行时同步带之间发生相互干涉，将导致封签输送不良，阻塞输送通道，降低同步带使用寿命，造成设备效率下降。
2. 存在问题
同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带．带的内周制成齿状．使其与齿形带轮啮合的传动带[1]，同步带实际传动中，刚进入完全啮合状态的带齿受力会产生弯曲和压缩变形，而带基受拉产生拉伸变形，带的节距与带轮的节距产生节距差[2]，并且同步带在工艺上的差距会造成混炼胶料性能不均匀，质量不稳定会造成产品质量波动[3]，同步带张紧空间有限下相互摩擦易导致其寿命显著下降，需要定期更换。但税票同步带频繁保养更换不仅费时费工、成本高昂，而且无法解决同步带相互干涉的问题。为此我们研发了一种税票同步带隔板，结构简单、操作方便，避免同步带运动中发生干涉，延长使用寿命，提高设备运行的稳定性和设备的生产效率。
3. 方案选择
税票同步带受限于安装空间小，张紧时间长易发生相互干涉，增设的隔板装置须满足小空间下的固定和分离同步带需求，隔板的关键结构和材料需进行相应比选。首先对隔板的主体尺寸进行确定，依据GDX500包装机税票同步带宽度15 mm及安装空间宽度25 mm (一侧存在限位凹槽，为5 mm)，同步带间隙12 mm，因此需要税票同步带隔板具有一定可伸缩功能，便于安装及拆卸，并且整体宽度小于25 mm。
税票同步带隔板外伸板作为分离同步带主要部件须进行材料的选择。在确定的25 mm宽度下，材料满足耐磨及自润条件，采用铁基固体自润滑复合材料具有经济性较好，强度、硬度高，并有一定的高温性能等特点[4]，但加工难度高，对于小批量定制成本较大，并且应用于税票同步带隔板外伸板材料发生断裂时易导致相关铝制部件，如税票分气盘，税票运输模盒等发生破坏；采用3D打印材料PLA-CF可对具体设计角度进行打印，PLA材料填充不同碳纤维填充量将获得最佳摩擦性能[5]，其自润性能满足使用工况，并且现有民用3D打印设备可实现自主制造，成本低，加工难度小，因此税票同步带隔板外伸板材料为PLA-CF。
税票同步带隔板外伸板确定其材料为PLA-CF，选择3D打印材料厂商为Bambu PLA-CF，3D打印设备为Bambu P1S，外伸板厚度设置为5 mm，并对外伸板进行不同角度试验，如图1所示，每次试验更换全新同批次税票同步带，并在A3机组的GDX500包装机分别进行3个月税票同步带齿高磨损量进行统计，外伸板角度a设计范围：15˚~45˚，税票同步带平均尺高磨损量见表1。
试验数据得到，税票同步带隔板外伸板角度在35˚~45˚可获得较低同步带磨损量，低于该角度磨损量较高则因为设计角度较小，外伸板边缘处材料厚度薄，磨损较快；为保证税票同步带隔板外伸板耐用需求，选择税票同步带隔板外伸板角度为45˚。
Figure 1. Angle of the extending plate of the tax invoice synchronous belt partition
图1. 税票同步带隔板外伸板角度
Table 1. Experiment on average height wear loss of tax invoice synchronous belt
表1. 税票同步带平均尺高磨损量实验
外伸板角度a/˚ |
15 |
25 |
35 |
45 |
税票同步带平均尺高磨损量/mm |
2.2 |
1.8 |
1.5 |
1.5 |
4. 方案设计
4.1. 税票同步带隔板的组成
该税票同步带隔板，结构简单，操作方便，主要包括锁定盒1、锁定块2、外伸块3、弹簧4及调节螺钉5，如图2所示。
Figure 2. Composition of separator for tax voucher synchronous belts
图2. 税票同步带隔板组成
4.1.1. 锁定盒
如图3所示，锁定盒1为长方形盒体结构，其左部未封闭，其顶部和底部均设有第一滑槽11，其右部设有第二滑槽12，第一滑槽11和第二滑槽12的结构相同，均为腰型孔结构。
4.1.2. 锁定块
如图4所示，锁定块2和弹簧4位于锁定盒1的内部，锁定块2位于弹簧4的上方，且两者接触连接。锁定块2为横截面为直角梯形的块体结构，其左部为斜面，其右部设有第二凸起21，其顶部和底部均设有沉头孔。第二凸起21为圆柱体结构，通过螺纹与锁定块2安装固定。第二凸起21能够于第二滑槽12内滑动，使得第二滑槽12对锁定块2的上下移动起导向作用。弹簧4的顶部卡置于锁定块2底部设置的沉头孔中，弹簧4的底部与锁定盒1的内壁抵靠压紧，弹簧4始终处于压缩状态。
Figure 3. Locking box
图3. 锁定盒
Figure 4. Locking block
图4. 锁定块
4.1.3. 外伸块
如图5所示，外伸块3的右部分位于锁定盒1的内部，其右端面和锁定块2的左端面之间为斜面接触。与锁定块2的结构相适应，外伸块3为横截面为直角梯形的块体结构，其右部为斜面，其顶部和底部均设有第一凸起31。第一凸起31为圆柱体结构，通过螺纹与外伸块3安装固定。第一凸起31能够于相应的第一滑槽11内滑动，使得第一滑槽11对外伸块3的左右伸缩起导向作用。
4.2. 税票同步带隔板的安装
该税票同步带隔板时，先逆时针拧动调节螺钉5，锁定块2在弹簧4的作用下向上移动。然后将该隔板放置于相互作用的税票同步带之间，且隔板的前侧和后侧分别朝向两个同步带，隔板的左侧(外伸块的左部)和隔板的右侧(锁定盒的右部)位于机架之间。然后顺时针拧动调节螺钉5，锁定块2向下移动压缩弹簧4，外伸块3向左移动直至隔板的左侧和右侧均顶紧机架，从而将隔板稳定地固定于机架上，将同步带隔离，避免同步带之间产生摩擦。
Figure 5. Extending block
图5. 外伸块
5. 应用效果
税票同步带使用寿命依据车间GDX500包装机维修保养手册说明，即税票同步带更换保养标准，设备工作时间1000小时后，税票同步带平均尺高磨损量高于3 mm即进行更换，未达额定磨损量则每设备工作时间100小时进行检查，达到额定磨损量则进行更换。
小组对本税票同步带隔板进行测试实验，重点测试有无隔板同步带的使用寿命，对7套GDX500包装机设备进行税票成型组件保养后的税票同步带使用时间对比，见表2及图6：
Table 2. Separator for tax voucher synchronous belts testing experiment
表2. 税票同步带隔板测试实验
同步带安装 机台号 |
无隔板 |
有隔板 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
A6 |
A7 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
A6 |
A7 |
使用时间/month |
3.5 |
3.6 |
3.2 |
3.1 |
3.3 |
3.4 |
3.7 |
9.2 |
9.5 |
9.6 |
9.7 |
9.5 |
9.4 |
9.5 |
Figure 6. Bar chart
图6. 柱状图
通过上述图表可知，7组GDX500包装机税票同步带未使用隔板情况下其使用寿命在3~4个月内，均发生3 mm以上的同步带平均尺高磨损，部分机台则出现同步带相互干涉引起的跳齿及封签输送不良情况；在使用隔板后，税票同步带更换周期延长，实现9个月以上的使用寿命，在观察过程中无同步带相互干涉情况，仅存在税票同步带齿高达到3 mm磨损量的更换标准。经过对使用了隔板和不使用情况下的税票同步带使用时间实验数据调查，得到7组设备均在实验税票同步带隔板后使用寿命大幅延长。
6. 应用前景及局限性
税票同步带隔板的应用可扩展至卷烟包装机械空间局限的同步带分隔场景，利用隔板实现同步带齿间分离，避免出现同步带干涉情况，延长同步带使用寿命，降低企业成本投入。但该隔板的使用须满足局限空间下的完全定位，存在设备的改造，打孔等情况，仍受制于设备空间的限制。由于该税票同步带隔板仍处于长期有效性测试环节，未能得到相关卷烟企业包装设备采纳后的数据支撑，还需要较长时间的验证。
7. 结论
由测试结果可以看出，采用本隔板其税票同步带使用寿命明显提升，避免同步带干涉磨损。用该税票同步带隔板在实验中降低修理人员维护频率，降低生产成本，提高设备运行效率，具有较好的推广应用价值。