YB65A 型硬条包装机小盒烟包翻转装置的设计

陆宇桢，马 立，吕小波*，刀荣贵，周 波，张进武，吴 杰

1. 上海烟草机械有限责任公司，上海市浦东新区锦绣东路2555 号 201206

2. 红塔烟草（集团）有限责任公司玉溪卷烟厂，云南省玉溪市红塔区红塔大道118 号 653100

为了适应新的消费形势、满足卷烟市场个性化需求，烟草行业提出了构建中支卷烟[1-2]品类的发展方向。中支卷烟是介于常规卷烟与细支卷烟之间的一种卷烟品类，烟支周长20 mm（7 mm），比常规卷烟的24.5 mm（mm）圆周稍细，比细支卷烟的17 mm（mm）圆周稍粗，且在烟支长度上也有所变化。中支卷烟在降焦减害[3-4]、节能环保和降本增效等方面具有优势，并以其外观新颖别致、焦油释放量低获得广泛关注。在使用YB65A 型硬条包装机对中支卷烟进行包装时，小盒烟包按照传统的二五平包方式包装，条盒长度达333 mm，厚度只有30 mm，由此造成卷烟销售时陈列摆放不稳、消费者携带不便等问题。针对YB65A 包装机已有较多研究，杨本才等[5-6]利用压缩空气对YB65A 包装机送纸下通道进行改造，提高了设备对条盒纸的适应性及输送的稳定性；同时设计了长边定位装置，解决了条盒长边封口折叠时折叠定位容易散开等问题；万斌等[7]通过改变条盒纸库托架尺寸、增加润滑装置和光纤检测装置，及时剔除不合格条盒；罗文成等[8]针对FOCKE350S 硬盒包装机小盒烟包翻转机构设计了反向转动的圆锥齿轮机构和翻转垂直塔部件，解决了小盒烟包透明纸拉线搭口位置互换等问题。但对于YB65A 包装机小盒烟包翻转机构的研究则鲜见报道。为此，设计了一种小盒烟包翻转装置，将二五平包方式改进为立式包装，旨在提高中支卷烟外观包装质量，构建适应中支卷烟加工需求的多样化生产线。

1 问题分析

YB65A 包装机原采用二五平包包装方式，见图1。条盒包装过程为：将包裹好透明纸并排列成“五包平列、上下两层”的小盒烟包输送到包装位置，纸库内的条盒纸被吸取输送到输送装置，上胶器对条盒纸的封口折边进行涂胶，然后条盒纸被输送到包装位置等待小盒烟包推入，包装后的条盒纸打开方向为侧面，可以看到小盒烟包的底部或顶部。中支卷烟采用二五平包方式包装后，条盒长度达333 mm，厚度仅有30 mm，在卷烟销售陈列时容易摆放不稳，消费者也携带不方便，因此需要将二五平包方式改进为立式包装。

图1 二五平包包装方式示意图Fig.1 Schematic diagram of horizontal packet arrangement in cigarette carton

2 系统设计

改进后在YB55A 型盒外透明纸包装机与YB65A 型硬条包装机之间设计了一种烟包翻转装置[9]，使YB55A 透明纸包装机输出的小盒烟包翻转90°后进入YB65A 包装机输入通道，见图2。条盒立式包装过程为：从YB55A 透明纸包装机输出的2 盒平放的小盒烟包，由推杆推入小盒烟包翻转装置，装置夹持烟包翻转90°后，再依次对其他小盒烟包翻转90°，然后将10 包侧立的烟包推入条盒纸包装位置，完成条盒包装。改进后条盒纸打开方向为上方，可以看到烟包侧面。

图2 立式包装方式示意图Fig.2 Schematic diagram of vertical arrangement in cigarette carton

2.1 结构组成

烟包翻转装置主要由往复运动机构和翻转运动机构组成。其中，往复运动机构包括翻包凸轮、动力输出轴、导向杆、导轨、摆杆、滑座等部件，见图3。在YB55A 型盒外透明纸包装机的动力输出轴2 的带动下，翻包凸轮1 转动，进而带动摆杆5 摆动；滑座7 安装在导向杆3 上，沿着导向杆方向滑动；摆杆5 与滑座7 通过连杆8 连接，摆杆5 摆动带动滑座7 沿着导向杆3 滑动；滑座7 两边分别安装了导轨4，用于对滑座进行导向和支撑；翻包模盒6安装在滑座7 上，随滑座一起滑动。因此，通过翻包凸轮1 的转动最终实现翻包模盒6 的往复运动。

图3 往复运动机构示意图Fig.3 Schematic diagram of reciprocating motion mechanism

翻转运动机构包括轴、翻包模盒、连杆、支架、滚子、固定凸轮等部件，见图4。其中，连杆3 的一端安装有滚子5，滚子嵌在固定凸轮6 的轨迹槽内，连杆3 的另一端安装在轴1 上，轴1 安装在支架4 的孔内，支架4 固定在滑座上，可以随滑座做前后往复运动；翻包模盒2 安装在轴1 上，当支架4随滑座做往复运动时，连杆3 在固定凸轮6 的作用下摆动，进而带动翻包模盒2 转动，最终实现翻包模盒2 的翻转运动。

图4 翻转运动机构示意图Fig.4 Schematic diagram of turning motion mechanism

2.2 翻包凸轮的设计

改进后在YB55A 透明纸包装机与YB65A 包装机之间的拼接箱体内增加了一个翻包凸轮。凸轮通过摆杆带动滑座前后移动，实现翻包模盒的翻转运动，将平放的2 盒烟包翻转90°后，送入YB65A 包装机输入通道进行包装。

2.2.1 滑座滑动相位

由YB55A 透明纸包装机相位表可知，输出转盘双联推杆的推进相位是80°，因此滑座的停顿相位至少为80°。另外，根据双联推杆的行程及翻转装置卡口位置，得知滑座的位移行程为109 mm，由此可确定滑座滑动相位，见图5。

2.2.2 翻包凸轮运动轨迹

为确保翻包凸轮的工作性能，本设计中采用等跃度5 次项运动规律[10]对滑座运动轨迹进行优化，运动方程式为：

图5 滑座滑动相位图Fig.5 Diagram of sliding phase of sliding seat

式中：s 为从动件位移，mm；h 为从动件的最大运动距离，mm；φ 为角位移，（°），φ∈[0，φ]；φ 为推程角，（°）。回程段中，φ∈[0，140°]，h=109 mm，φ=140°；停顿段中，φ∈[0，80°]，h=109 mm，φ=80°；升程段中，φ∈[0，140°]，h=109 mm，φ=140°。

根据滑座运动轨迹数据（图6a），利用CREO软件的模拟分析功能，绘制出翻包凸轮运动轨迹曲线（图6b），并建立翻包凸轮模型。将翻包凸轮模型导入翻转装置，通过CREO 软件的仿真功能，对滑座的运动性能进行验证。结果表明：由翻包凸轮带动并控制的滑座位移行程及相位关系准确，能够满足烟包翻转装置的设计要求。

图6 翻包凸轮的轨迹曲线Fig.6 Trajectory curve of packet turning cam

2.3 动力机构设计

ZB45 型包装机组辅机部分的动力由安装在YB55A 型盒外透明纸包装机上的电机提供，输出轴将动力输出后通过万向联轴器及斜齿轮分别传递给YB65A 型硬条包装机和YB95A 型条外透明纸包装机。为了在YB55A 型盒外透明纸包装机与YB65A 型硬条包装机之间增加烟包翻转装置，重新设计了传动轴1，在传动轴1 上安装法兰2，翻包凸轮3 与法兰2 用螺钉连接，见图7。调整时，松开螺钉，转动凸轮即可调整起止相位。在传动轴1 的末端，安装有万向联轴器4，通过万向联轴器4，将动力传递给YB65A 型硬条包装机。

图7 改进后的动力传递图Fig.7 Diagram of power transmission after modification

2.4 进包通道的优化

小盒烟包由水平位置进入翻包模盒后，始终被左、右挡块夹持，防止烟包在翻转过程中掉落，见图8。为了使烟包从翻包模盒中顺利分离，对进包通道进行了优化设计。改进后烟包分离机构主要由上、下挂钩和左、右挡板组成，见图9。上、下挂钩的预紧力由弹簧提供。翻包模盒翻转90°后，在翻包凸轮的带动下继续沿水平方向运动，在此过程中，通过左、右挡板将夹持烟包的左、右挡块逐渐打开。当翻包模盒到达行程终点时，左、右挡块完全打开，再由下挂钩和上挂钩对烟包进行定位，保证烟包在终点处呈侧立状态。

图8 左右挡块安装位置图Fig.8 Installation location of left and right blocking blocks

图9 小盒烟包分离机构示意图Fig.9 Schematic diagram of cigarette packet separating mechanism

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“玉溪（中支阿诗玛）”、“玉溪（中支和谐）”牌卷烟[红塔烟草（集团）有限责任公司玉溪卷烟厂提供]。

设备：ZB45 包装机组（上海烟草机械有限责任公司）。

方法：根据卷烟企业对标指标计算公式及设备信息管理系统数据，包装设备运行效率=机组产量/（实际运行时间-停机时间）/理论台时×100%，其中外部原因停机时间=换号时间+日保养时间+试验时间+班前保养时间+水电气影响时间+吃饭停机时间，理论台时=6 箱/h（1 箱=50 000支）。ZB45 包装机组中YB65A 型硬条包装机烟包翻转装置安装调试完成后，按250 包/min 生产速度运行，分别统计改进前后各3 个月的设备运行效率。根据GB5606—2005《卷烟》系列国家标准[11]对条盒外观质量进行检测。

3.2 数据分析

改进后ZB45 包装机组实现了小盒烟包立式包装生产，条盒外观质量满足工艺要求。由表1可见，设备运行效率由改进前的76.86%提高到85.40%，改进后减少了设备实际运行时间和停机时间。机组运行平稳，保证了生产正常运行。

表1 改进前和改进后设备运行效率对比Tab.1 Comparison of equipment running efficiency before and after modification

4 结论

基于凸轮机构往复式运动特征，设计了一种小盒烟包翻转装置，利用翻包模盒携带小盒烟包实现翻转，将小盒烟包的包装方式由二五平包改为立式包装，解决了陈列销售时条盒摆放不稳、携带不方便等问题。以ZB45 包装机组生产的“玉溪”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：翻转装置可以准确地将两包水平放置的小盒烟包翻转90°，实现小盒烟包立式包装方式，条盒外观质量满足工艺要求，包装机组运行效率由76.86%提高到85.40%，有效提高了包装机组的生产适应性。