包装机内衬纸送纸能力分析及改造

Analysis and Transformation of Inner Paper Feeding Capacity in Packaging Machines

摘要: 在生产直径Φ7.8烟支规格的GDX2包装机上实现Φ8.6烟支规格的包装，单张内衬纸长度增加。通过对内衬纸加速装置送纸能力的理论分析计算，发现原设备上的加速装置不能满足新规格烟支包装的内衬纸输送要求。经过对内衬纸加速装置传动系统的改造，改变加速辊内齿轮传动比，提高加速辊的转动速度，保证了在GDX2包装设备上生产Φ8.6烟支规格时，内衬纸输送稳定。

Abstract: Packaging of Φ8.6 cigarettes on a GDX2 packaging machine that produces cigarettes with a diameter of Φ7.8 requires an increased length of individual inner liner paper sheets. Theoretical analysis and calculation of the paper feeding capacity of the inner liner paper acceleration device revealed that the original device could not meet the feeding requirements of the new cigarette packaging. By modifying the transmission system of the inner liner paper acceleration device, changing the gear transmission ratio of the acceleration roller, and increasing the rotational speed of the acceleration roller, stable inner liner paper feeding was ensured when producing Φ8.6 cigarettes on the GDX2 packaging machine.

1. 引言

集团技术中心开发生产一款新产品，该产品烟支规格为Φ8.6 mm × 84 mm，硬盒包装。根据我厂设备配置情况，决定采用生产烟支规格为Φ7.8 mm × 84 mm GDX2包装机组通过改造来生产该规格的产品。在烟支规格为Φ7.8 mm的GDX2包装机上对Φ8.6 mm烟支进行包装，必须加长单张内衬纸的长度，同时对现有设备上的内衬纸加速装置组件的送纸能力进行分析，确定该装置是否能满足新长度内衬纸的快速稳定输送的要求，如果不能则要重新设计加速装置，保证内衬纸能正常输送。

2. 内衬纸供给系统工作原理

如图1所示，内衬纸带穿过滚筒13、过渡滚筒14，经钢对胶压印辊输送，压辊15在气缸作用下紧紧靠向钢辊11；内衬纸带随压印辊的转动向下输送内衬纸，内衬纸带穿过可调滚筒16，经过羊毛毡10

1. 单张内衬纸；2. 定位支架；3. 加速辊对；4. 吸风皮带；5. 切刀；6. 半圆刀送纸辊；7. 辊筒；8. 聚氨酯橡胶辊；9. 输送辊；10. 羊毛毡；11. 钢辊；12. 内衬纸带；13. 滚筒；14. 过渡滚筒；15. 压辊；16. 可调滚筒

Figure 1. Schematic diagram of inner lining paper supply and conveying

图1. 内衬纸供给输送示意图

涂抹石蜡油后，内衬纸在聚氨脂橡胶辊8与输送辊9作用下，经辊筒7输送到半圆刀送纸辊对6；内衬纸带经辊对压痕、半圆刀直向虚线切割后输送至切刀5处，两把切刀随刀轴的转动把内衬纸带切成单张内衬纸1；单张内衬纸1被负压吸风皮带4输送至加速辊对3，加速辊对3迅速将内衬纸快速拉下送到定位支架2上，等待与从一号轮输送过来的烟支组汇合并输送到二号轮模盒中，从而实现烟支的内衬纸包装[1]。

3. 单张内衬纸切割长度的实现

3.1. 内衬纸包装Φ7.8 mm烟支直径时，内衬纸侧边搭口重合长度的计算

GDX2包装机包装直径为Φ7.8 mm烟支时，内衬纸标准切割长度为154 mm。假设内衬纸包装后为如图2所示理想形状。

Figure 2. Schematic diagram of a cigarette pack with an inner lining paper packaging diameter of Φ7.8 mm

图2. 内衬纸包装直径Φ7.8 mm烟组示意图

单张内衬纸的长度：$154=2H+2L+4I+S$ ，

其中$L=6\times 7.8=46.8$ ，$I=\frac{1}{4}\times \pi D=\frac{1}{4}\times 3.14\times 7.8=6.13$ ，

重合长度：$S=154-2H-2L-4I=154-2H-2\times 46.8-4\times 6.13=35.9-2H$

$S=35.9-2H$ (1)

在图2示意图中左边实心圆部分，通过连接相邻三个圆的圆心，构成一个连长为7.8 mm的等腰三角形△ABC，如图3中的a图。

Figure 3. Isosceles triangle diagram

图3. 等腰三角形图

将ΔABC移出后，过C点作三角形的高CD，如图3中的b图。

在垂直ΔBCD中，通过勾股定理，

存在$C{D}^2+B{D}^2=B{C}^2$

$CD=\sqrt{B{C}^2-B{D}^2}=\sqrt{{7.8}^2-{\left(\frac{7.8}{2}\right)}^2}\approx 6.75\text{mm}$

则$H=2CD=2\times 6.75=13.5$ ，

将H代入公式1，

内衬纸重合长度：$S=35.9-2H=35.9-2\times 13.5=8.9\text{mm}$ 。

3.2. 内衬纸包装Φ8.6 mm直径烟支时，所需内衬纸长度的计算

假设包装Φ8.6 mm直径烟支后形状如图4所示。

Figure 4. Schematic diagram of a cigarette pack with an inner lining paper packaging diameter of Φ8.6 mm

图4. 内衬纸包装直径Φ8.6 mm烟组示意图

根据包装Φ7.8 mm直径烟支时，内衬纸搭口的工艺要求，即搭口重合长度S保持不变。

则$���箔��度=2H^{\prime }+2L^{\prime }+4I^{\prime }+S^{\prime }$ ，

其中$L^{\prime }=6\times 8.6=51.6$ ，$I^{\prime }=\frac{1}{4}\times \pi D=\frac{1}{4}\times 3.14\times 8.6\approx 6.75$ ，$S^{\prime }=S=8.9$

$���箔��度=2H^{\prime }+2\times 51.6+4\times 6.75+8.9=2H^{\prime }+139.1$ (2)

在图4示意图中左边实心圆部分，通过连接相邻三个圆的圆心，构成一个连长为8.6 mm的等腰三角形△A'B'C'，如图5中的a图。

Figure 5. Isosceles triangle

图5. 等腰三角形

将ΔA'B'C'移出后，过C'点作三角形的高C'D'，如图4中的b图。

在垂直ΔB'C'D'中，通过勾股定理，

存在$C^{\prime }{D^{\prime }}^2+B^{\prime }{D^{\prime }}^2=B^{\prime }{C^{\prime }}^2$

$C^{\prime }{D}^{\prime }=\sqrt{B^{\prime }{C^{\prime }}^2-B^{\prime }{D^{\prime }}^2}=\sqrt{{8.6}^2-{\left(\frac{8.6}{2}\right)}^2}\approx 7.45\text{mm}$

则$H^{\prime }=2C^{\prime }{D}^{\prime }=14.9\text{mm}$ ，

将$H^{\prime }$ 代入公式2，

$���箔��度=2H^{\prime }+139.1=2\times 14.9+139.1=168.9\text{mm}$ ，取整数为169 mm。

即包装Φ8.6 mm直径烟支时，单张内衬纸长度为169 mm。

4. 内衬纸加速装置输送能力分析

4.1. 内衬纸加速装置输送的要求

内衬纸加速装置的功能是将内衬纸快速拉下送到包装位置。如果加速装置与内衬纸长度不匹配，与GDX2小盒包装机的整体运行相位、内衬纸供给系统其它装置运行相位不协调，将造成内衬纸输送的故障及包装质量，影响设备的效率。因此，根据GDX2小盒包装机的包装原理分析[2] [3]，内衬纸加速装置输送能力是否满足要求主要有两条：

A、内衬纸输送相位要求：加速装置的运转必须与机器同步，也就是机器运转一周(360˚)，加速装置也要完成一个工作循环，而且与机器及内衬纸其它部件的相位保持协调。

B、内衬纸输送长度要求：加速装置在一个输送周期内输送的内衬纸长度应大于单张内衬纸的长度。

4.2. 内衬纸加速装置传动原理

传动系统图如图6所示。图中是动力输入轴，与机器运转速度同步，即机器运转360˚，该轴也转过

1. 主传动齿轮Z₁；2. 齿轮Z₂；3. 齿轮Z₃；4. 齿轮Z₄；5. 共轭分度凸轮B₅；6. 从动转盘C₆；7. 内齿轮Z₇；8. 外齿轮Z₈；9. 齿轮Z₉；10. 齿轮Z₁₀；11. 加速主动辊D₁；12. 加速从动辊D₂

Figure 6. Transmission system diagram of the inner lining paper acceleration device

图6. 内衬纸加速装置传动系统图

一周[4]。轴I的转动，通过齿轮Z₁、Z₂、Z₃、Z₄的传递，带动轴II旋转，固定在轴II上共轭分度凸轮B₅也随之作连续旋转运动，进而带动从动转盘C₆作间歇转动。内齿轮Z₇与从动转盘C₆固联在一起，内齿轮Z₇也作间歇旋转运动。外齿轮Z₈、Z₉都固定在同一根轴上，外齿轮Z₈与内齿轮Z₇啮合传动，可以通过齿轮Z₉、Z₁₀的传动，带动加速主动辊及加速从动辊做间歇旋转运动。

内衬纸加速装置的传动路线表达式如图7所示。

Figure 7. Expression of the transmission path of the inner liner paper acceleration roller

图7. 内衬纸加速辊传动路线表达式

4.3. 内衬纸加速装置的传动关系

根据内衬纸的传动路线可以得到加速主动辊、从动辊的转速、传动比及输送长度计算公式：

(1) 加速主动辊转速n₁、输送长度S₁

$\begin{array}{c}{n}_1=n_0\left(Z_1\times Z_2\times Z_3\times B_5\times Z_7\right)/\left(Z_2\times Z_3\times Z_4\times C_6\times Z_8\right)\\ =n_0\left(Z_1\times B_5\times Z_7\right)/\left(Z_4\times C_6\times Z_8\right)\end{array}$ (3)

机器旋转一周(360˚)，加速主动辊输送长度为

$S_1=\pi D_1{n}_1/n_0=\pi D_1\left(Z_1\times B_5\times Z_7\right)/\left(Z_4\times C_6\times Z_8\right)$ (4)

式中D₁表示加速主动辊送纸部分的直径。

(2)加速从动辊转速n₂、输送长度S₂

$n_2=n_1\times Z_9/Z_{10}$ (5)

机器旋转一周(360˚)，加速从动辊输送长度为

$S_2=\pi D_2{n}_2/n_0$ (6)

式中D₂表示加速从动辊送纸部分的直径。

4.4. 原机设备内衬纸加速装置的传动参数计算

对于原机设备(产品规格为Φ7.8 mm烟支)来说，内衬纸长度为154 mm，各个齿轮的齿数如表1。

Table 1. Gear parameters of the transmission system for the inner liner paper accelerator

表1. 内衬纸加速装置传动系统齿轮参数表

齿轮及输送辊	Z1	Z2	Z3	Z4	B5	C6	Z7	Z8	Z9	Z10	D1 (mm)	D2 (mm)
齿数或直径	50	25	25	50	2	4	81	18	19	17	23.75	21.25

根据公式3、4、5、6可以得到

(1) 加速主动辊

$n_1=n_0\left(Z_1\times B_5\times Z_7\right)/\left(Z_4\times C_6\times Z_8\right)=n_0\left(50\times 2\times 81\right)/\left(50\times 4\times 18\right)=2.25n_0$

$S_1=\pi D_1{n}_1/n_0=2.25\pi D_1=2.25\times 3.14\times 23.75=167.79\text{mm}$

(2) 加速从动辊

$n_2=n_1\times Z_9/Z_{10}=2.25n_0\times 19/17=2.51n_0$

$S_2=\pi D_2{n}_2/n_0=2.51\pi D_2=2.51\times 3.14\times 21.25=167.79\text{mm}$

4.5. 内衬纸加速装置输送能力分析

从以上计算结果可以看出，S₁与S₂相等为167.79 mm，并且大于Φ7.8 mm烟支规格单张内衬纸的长度154 mm，比单张内衬纸多送了13.79 mm，这样就保证了内衬纸加速输送的稳定和可靠。

而对于Φ8.6 mm烟支规格包装来说，单张内衬纸长度为169 mm，比原内衬纸长度增加了15 mm，比S₁与S₂还长1.21 mm，所以目前的加速装置不能满足要求，必须重新进行设计改造。

5. 改造思路及总体方案

提高加速装置输送能力的思路及方案

通过对内衬纸加速装置传动系统及结构的进行分析，如图6所示，在从动转盘C₆之前的传动，主要是保证从动转盘的运动与机器同步，即机器运转一周(360˚)，从动转盘C₆转过一个工位，内衬纸加速辊就转动一个周期，为了保证加速辊的运行相位不发生改变，只能在从动转盘C₆之后来寻找提高内衬纸输送长度的方法[5]。如图8所示，主要有两种方法：

Figure 8. Schematic diagram of the inner liner paper accelerating roller pair structure

图8. 内衬纸加速辊对结构示意图

方法一：保持加速辊对D₁、D₂及齿轮Z₉、Z₁₀不变，通过改变内齿轮Z₇与外齿轮Z₈之间的传动比，来提高外齿轮Z₈及加速辊对的转速，进而提高内衬纸输送长度。

方法二：保持内齿轮Z₇、Z₈不变，通过加大加速辊D₁、D₂的直径，提高加速辊对的线速度，进而提高内衬纸输送长度。D₁、D₂直径的变化，会导致两个齿轮中心距的变化，由于齿轮Z₈与齿轮Z₉同轴，为了保证齿轮Z₈与Z₇的良好啮合，齿轮Z₈也要作相应的改变。

方法一涉及两个基础件0P20401、0P20402的改动，但只需改动两个零件就可以满足要求。方法二不但涉及基础件，也涉及专用件，而且还要对加速辊轮对的支座进行改造，工作量较大，比较繁琐。对比两种方法，我们决定采用方法一。

6. 改造的实施

6.1. 加速辊轮对传动系统设计

由公式1可以看出，要提高加速辊轮对的转速，必须提高内齿轮Z₇与外齿轮Z₈之间的传动比，方法有三：一是增加齿轮Z₇的齿数，保持齿轮Z₈齿数不变；二是减少齿轮Z₈的齿数，保持齿轮Z₇齿数不变；三是同时减少齿轮Z₇、Z₈的齿数。

前两种方法都涉及到齿轮中心距的改变及调整，第三种方法如果保持两个齿轮减少的齿数相同，两个齿轮中心距可以保持不变，因此选择第三种方法。

根据公式1、2、3、4，可得到：

$\begin{array}{c}{n^{\prime }}_1=n_0\left(Z_1\times Z_5\times Z_7\right)/\left(Z_4\times Z_6\times Z_8\right)\\ =n_0\left(50\times 2\times Z_7\right)/\left(50\times 4\times Z_8\right)\\ =n_0{Z}_7/\left(2\times Z_8\right)\end{array}$ (7)

${n^{\prime }}_2=n_1\times Z_9/Z_{10}=n_0{Z}_7\times 19/\left(2\times Z_8\times 17\right)$ (8)

${S^{\prime }}_1={S^{\prime }}_2=\pi D_1{n}_1/n_0=\pi D_1\times Z_7/\left(2\times Z_8\right)$ (9)

我们将齿轮Z₇、Z₈依次减少1、2、3齿，根据公式7、8、9得到表2：

Table 2. Gear parameter comparison table

表2. 齿轮参数对照表

参数	原机	少1齿	少2齿	少3齿
齿轮Z7的齿数	81	80	79	78
齿轮Z8的齿数	18	17	16	15
主动辊转速${n^{\prime }}_1$	2.25n0	2.35n0	2.47n0	2.6n0
从动辊转速${n^{\prime }}_2$	2.51n0	2.63n0	2.76n0	2.91n0
输送长度${S^{\prime }}_1$ 、${S^{\prime }}_2$ (mm)	167.79	175.25	184.20	193.90

对照表2，由于新的内衬纸长度为169 mm，三种方法的输送长度都比新的内衬纸长度长。

1. 若采用少1齿的方法，输送长度比要求的长度169 mm长6.25 mm；

2. 若采用少2齿的方法，输送长度比要求的长度169 mm长15.20 mm，与包装Φ7.8 mm烟支规格时输送能力相近(加速轮能够多送13.79 mm)；

3. 若采用少3齿的方法，输送长度过长，内衬纸输送速度过快，容易引起内衬纸歪斜及触皱，而且内衬纸消耗增大。相比较采用少2齿的方法比较合适。

虽然小齿轮Z₈齿数小于17，加工时会有根切，对齿轮的强度产生一定的影响，但由于内衬纸加速辊的负载较小，通过选择强度较高的材料也可以保证使用要求。

6.2. 改进后中心距的验证

内齿轮传动的中心距为

$L=m\left(Z_7-Z_8\right)/2$ (10)

齿轮Z₇、Z₈的模数m = 1，齿顶高系数ha* = 1，由公式10得到改造前后的齿轮Z₇、Z₈之间的中心距为：

$L_1=1\times \left(81-18\right)/2=31.5\text{mm}$

$L_2=1\times \left(79-16\right)/2=31.5\text{mm}$

可见两者的中心距保持不变。图9是改造前后两齿轮的工作示意图。

Figure 9. Schematic diagram of gear operation

图9. 齿轮工作示意图

7. 结束语

设备改造完成后，内衬纸加速装置经运行检查，内衬纸供给输送稳定，包装质量稳定，而且内衬纸装置的齿轮传动平稳，有效保证了设备有效作业率和设备性能。

此次内衬纸加速装置改造中，采用同时减少两个齿轮的齿数的方法来提高齿轮的传动比及从动齿轮的转速，其最大优点是保持了内外齿轮中心距不变，从而避免对内衬纸加速辊支架等相关零部件的改造，大大减少了改造工作量。