一种香烟包装机折叠转塔板的优化设计

吴功柱

（上海烟草机械有限责任公司，上海 201206）

一种香烟包装机折叠转塔板的优化设计

吴功柱

（上海烟草机械有限责任公司，上海 201206）

本文通过转动惯量的计算原理，优化设计折叠转塔板的结构，减少转动惯量，从而满足实用需求。

折叠转塔 转动惯量 结构设计

在FOCKE香烟包装机中，折叠转塔是小盒烟包包装的重要部分。它有8个工位，如图1所示。通过弧面分度凸轮驱动折叠转塔板做间隙旋转运动，在不同的工位上进行商标纸的折叠，完成小盒烟包的折叠。由于在商标纸折叠的过程中，商标纸仅仅依靠模盒进行固定，使其在高速装动包装的过程位置发生了变化，从而影响香烟的包装质量。因此，在折叠转塔板上增加吸风装置，保证商标纸在折叠转塔的包装过程中固定位置［1-3］。

图1 折叠转塔板

改进设计的烟包折叠转塔板，如图2所示。设计中正面没有改变，而在折叠转塔板背面增加了气孔，即原来斜凹面槽中增加了16个筋。经实物机器上测试后发现，图中的螺钉发生了弯曲现象。由此可见，转塔板在间隙转动过程中，产生了巨大的冲击扭矩。究其原因，在于质量增加和质量分布发现了变化，促使改进设计的折叠转塔板的转动惯量大大增加。现要满足装配需求，而螺钉在有限的空间位置无法改变其大小，因而需对折叠转塔板进行优化设计，使其转动惯量符合螺钉的许用应力。

图2 改进设计折叠转塔板

1 折叠转塔板转动惯量的影响因素

1.1 转动惯量的计算方法

转动惯量J是指定轴转动时的惯性大小；而惯性张量I是指定点转动时的惯性大小。其次，当转轴取定后，转动惯量是一个常数；而当刚体转动的定点取定时，由于通过该点可以建立许多坐标系，所以惯性张量的分量还与所取的坐标系有关。惯性张量在某点取定的坐标系上各分量的大小是一定的，但在同一点的不同坐标系上各分量的相应值不同，但它们满足张量的变换关系。可以证明，在有的坐标系中，惯性张量I的表示较简单，只有对角元素，这时的坐标轴称为惯性主轴。另外，转动惯量J是一常数，动量矩的方向与角速度的方向一致；而惯性张量I是二阶张量，动量矩的方向一般与角速度的方向不一致。由于定点转动包括了瞬时定轴转动，因此它与转动惯量J有一定的内在联系，可以由惯性张量求得转动惯量，而转动惯量就是Izz，即惯量张量沿转轴z方向的主值［4-7］。

1.1 .1 矩阵表示

对于三维空间中任意一参考点K，与以此参考点为原点的直角坐标系Kxyz，一个刚体的惯性张量I可以表示为3×3矩阵。这里，矩阵的对角元素Ixx、Iyy、Izz分别为对于x轴、y轴、z轴的转动惯量。

1.1 .2 转动惯量方程

设定（x，y，z）为微小质量dm对于点K的相对位置，则这些转动惯量以方程式定义为：

1.1 .3 惯量积方程

矩阵的非对角元素，称为惯性积，以方程式定义为（在计算中通常将惯性积取负值）：

1.2 转动惯量的影响因子

根据上述计算公式，影响转动惯量的主要因子为总体质量大小及其分布。因此，此次优化设计的主要方向为减轻重量，及在不影响使用的前提下合理进行结构设计，优化质量分布。

1.3 折叠转塔板的转动惯量计算

根据前文提到的计算方法，在此利用PRO/E软件中的质量属性模块建模，分别可得其质量及惯性张量。如图3所示，为改进设计的折叠转塔板的质量属性图。可以看出，它的质量约为9.31kg。

2 折叠转塔板的优化设计方案研究

根据前文叙述转动惯量的影响要素对折叠转塔板进行分析发现，主要影响因素为质量增加及分布。针对这两个要素对折叠转塔上的非功能结构进行优化设计，具体方案如下。

图3 改进折叠转塔质量属性

2.1 方案1

对折叠转塔板进行去重挖槽设计。为保证其工作强度，在离边缘一定距离处进行挖槽，大小直径分别为400mm、200mm，并保证板的最低厚度为5mm，如图4所示。

2.2 方案2

设计如图5所示，将原来的斜凹面设计为阶梯槽，且距离中心越远，槽深度越大，保证板厚6mm，上阶梯面板厚11mm，阶梯处直径为350mm。

图4 方案2的设计模型图

图5 方案2的设计模型图

3 结果分析

根据设计方案对模型进行质量属性分析，测量结果如表1所示。由表1可以看出，方案1的质量最小，但其转动惯量无明显减少；方案2质量较方案1略多，但其转动惯量减少明显，故采用方案2设计方案。

4 实验验证及结论

为了测试优化设计效果，验证方案2设计的折叠转塔板对螺钉的冲击是否在器承受范围内，现场搭建了如图6所示的实验平台。在平台上安装折叠转塔板实际工作情况下所涉及的零部件，然后在电机的驱动下做间隙运动。实验表明，螺钉无歪曲现象，故此优化方案合理实用。

表1 优化结果分析

图6 实验平台

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Optimized Design of Folding Turnplate for a Cigarette Packaging Machine

WU Gongzhu
(Shanghai Tobacco Machinery Co., Ltd., Shanghai 201206)

In this paper, the principle of rotating inertia is used to optimize the structure of the folding turret to reduce the moment of inertia, so as to meet the practical needs.

folding turret, moment of inertia, structural design