烟草机械送烟机构设计与性能测试

李昊凯

（许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000）

过滤嘴香烟是目前烟草售卖的主要品种，将过滤嘴香烟规律排列成20支或10支是目前的主要包装形式。但是，因为过滤嘴香烟本身无法承受较高载荷，如果包装过程中产生的冲击力较大，就会造成香烟损坏[1]。一旦出现这种情况，不仅会产生整盒包装废品率，还会使生产线包装效率下降，严重时甚至可能引发停机[2]。所以提升烟草机械的包装效率的关键是进行合理的送烟机构设计[3]。该文以行星轮系为送烟机构的机械设计框架，通过柔性设计尽可能减少送烟过程中的刚性冲进，进而提升包装效率、降低包装过程中可能出现的废品率。

1 送烟机构的传动设计

1.1 行星轮系设计

该文设计的送烟机构是以行星轮系为结构主体的。这个行星轮系包括3个主要部件：第一个部件，行星轮；第二个部件，中间轮；第三个部件，底部轮。在这3个部件中，行星轮扮演着至关重要的作用。一方面，行星轮要收集来自上方烟库的过滤嘴香烟。另一方面，行星轮需要把过滤嘴香烟交接到中间轮上。中间轮再将香烟传递给底部轮，底部轮将香烟送到包装位进行排列，做好包装前的准备工作。在这一系列的动作中，行星轮的性能决定了送烟机构的整体柔性，也决定了香烟包装过程的柔性。

为了便于描述行星轮系的设计过程，该文分别用Z1表示中间轮、Z2表示行星轮、Z3表示内齿圈。送烟机构中的行星轮系要达到预定的工作性能，需要满足以下原则。

第一个原则，行星轮系中构成啮合关系的齿轮对要有一致的中心距大小，如公式（1）所示。

第二个原则，行星轮系中构成啮合关系的齿轮对要便于装配，如公式（2）所示。

式中：C为送烟机构中行星轮的总数；N为装配空间常数。

第三个原则，要确保不同的行星轮之间不能出现碰撞。根据经验，只有间距超过模数值0.5倍以上或者更高的倍数，才能避免碰撞出现。

1.2 齿轮齿数设计

行星轮系中3个齿轮齿数的设计是否合理关系到送烟机构能否正常工作。一方面，送烟过程要均匀适度，才能确保香烟整齐规律地排列在烟盒中，这就需要齿轮Z1的齿数是齿轮Z2齿数的整数倍。另一方面，从送烟机构安装的角度出发，行星轮系尺寸要适中，过大、过小都不适合安装。从这两点考虑出发，取齿轮Z1的齿数是齿轮Z2齿数的4倍。

在香烟传送过程中，送烟机构是通过吸附力保证香烟的位置控制的。如果行星轮的直径过大，就会导致其边缘传动速度增大，进而差生大于吸附力的离心力，进而使香烟脱离正确位置甚至掉落。从这一点考虑，行星轮系的尺寸不宜过大。

最终，该文设计出Z1为76齿，Z2为19齿，Z3为114齿。

1.3 行星轮个数设计

合理设计送烟机构中的行星轮个数也是一项非常重要的工作。行星轮的个数太多，不仅会增加送烟机构的自重，还会导致整个机构失衡。行星轮的个数过少，行星轮系则不稳定，且无法完成规定的动作。

如果行星轮回转中心O2的角速度为wH，Z1的角速度为w1，Z2的角速度为w3，那么这些参数之间形成的关系如公式（3）所示。

Z3表示的是内齿圈，在行星轮系的工作过程中并不产生动作，其角速度w3=0。将这个角速度值代入公式（3），可进一步得到公式（4）。

又因为存在、Z3=Z1+2Z2、Z1=4Z2，所以有至此，可确定送烟机构中行星轮的合理数量为

2 送烟机构的仿真装配

该文以行星轮系为主体方案设计出了送烟机构，但其装配过程比较烦琐，需要通过仿真手段分析完成该装配的可行性。

在行星轮系中，外啮合和内啮合同时存在，再加上行星轮数目较多，如果装配错误，就会导致行星轮系无法按照预期的规则运动，也就无法保证准确送烟和完成包装。该文根据理论分析和装配经验，先对第一个行星轮进行装配，即实现该行星轮和内齿圈、该行星轮和中间轮的装配，然后再对第二、三、四、五个行星轮进行装配，装配流程如下。

第一个环节，在三维建模和仿真软件Pro/E平台上确定轴架的初始位置，这个位置一定要在布局、视角等方面具有合理性，这是后续装配过程的基础。

第二个环节，在三维建模和仿真软件Pro/E平台上以轴架为基础确定各个齿轮的回转轴线位置。因为是行星轮系，所以这些轴线应该是平行的。从便于装配的角度考虑，要避免这些轴线出现遮挡。

第三个环节，在三维建模和仿真软件Pro/E平台上确定内齿圈、中间轮、第一个行星轮的约束，根据这些约束条件完成第一个行星轮的装配。

第四个环节，重复上述3个环节，依次实现第二、第三、第四、第五个行星轮的安装，进而完成整个送烟机构行星轮系的装配，装配结果如图1所示。

图1 送烟机构行星轮系的仿真装配

3 送烟机构的动态特性测试

为了验证该文设计的基于行星轮系的送烟机构的合理性，尤其是其送烟过程中的柔性性能，接下来进行动态特性测试。测试针对的是图1中的仿真结果，并在三维建模和仿真软件Pro/E平台下的Mechanism单元中完成。

先设定测试环境和测试条件。因为送烟机构自身并不配置动力装置，所以对其进行回转运动的控制时需要以伺服电机为动力源，而三维建模和仿真软件Pro/E平台下即有伺服电机单元。关于送烟机构的条件，设定其中心轴每回转1周，可以完成120根香烟下放，底部包装则正好完成6盒香烟的包装。根据这些设定，可以推算出送烟机构行星轮系中的中间轮的转速为600度/秒，这也表明带动这个中间轮的伺服电机的转速也应该设定为600度/秒。

传统送烟机构之所以会存在一定比例的包装破损、烟支折断的现象，就是因为送烟过程中存在刚性冲击。刚性冲击是由瞬时所受的力极大甚至无限大导致的。该文采用的行星轮系结构的送烟机构就是要变刚性冲击为柔性冲击，所以接下来的动态特性分析主要是测试送烟过程中加速度变化、力变化、力矩变化是否为柔性。

该文设计的送烟机构送烟过程中的加速度变化曲线如图2所示。

图2 该文送烟机构送烟过程中加速度的变化

图2中，横轴为送烟机构的送烟时间，单位是s；纵轴为送烟过程中加速度的变化，单位是m/s2。从图2可以看出，在行星轮系的作用下，送烟机构在送烟过程中的加速度呈现出正弦曲线的变化。而冲击力的变化和加速度成正比，冲击力也将呈现正弦曲线变化。即使在速度变向的极端情况下，也不会产生大的冲击力，确保了送烟过程中所受冲击的柔性。

该文设计的送烟机构送烟过程中的径向力变化曲线如图3所示。

图3中，横轴为送烟机构的送烟时间，单位是s；纵轴为送烟过程中径向冲击力的变化，单位是N。从图3可以看出，在行星轮系的作用下，送烟机构送烟过程中的径向冲击力也呈现出正弦曲线的变化，冲击为柔性。

图3 该文送烟机构送烟过程中径向冲击力的变化

该文设计的送烟机构送烟过程中的径向力矩变化曲线如图4所示。

图4中，横轴为送烟机构的送烟时间，单位是s；纵轴为送烟过程中径向冲击力矩的变化，单位是N·m。从图4可以看出，在行星轮系的作用下，送烟机构送烟过程中的径向冲击力矩也呈现出正弦曲线的变化，冲击为柔性。

图4 该文送烟机构送烟过程中径向冲击力矩的变化

为了进一步明确该文所设计的送烟机构的合理性，将其和连杆送烟机构、凸轮送烟机构完成100盒包装的烟支破损率进行对比，结果见表1。

从表1中的结果可以看出，对10种类型的香烟进行包装，该文送烟机构的包装破损率大大低于另外两种送烟机构。

表1 3种送烟机构形成包装后的烟支破损率

4 结论

烟草包装中的主要问题是送烟机构的冲击力过大，容易造成烟支折断、破损，甚至会导致包装失效和包装过程停机。为了将包装过程中的刚性冲击转变为柔性冲击，该文采用行星轮系设计出一种柔性的送烟机构，该机构包括行星轮、中间轮和内齿圈。并在结构设计的基础上，进一步采用ProE进行了三维建模和装配。最后进行了两组试验，对该文设计的送烟机构进行性能测试。第一组试验测试了包装过程中的动态特性，加速度曲线、径向力曲线、径向力矩曲线都表现为正弦曲线，冲击是柔性的。第二组试验测试了该文送烟机构和连杆送烟机构、凸轮送烟机构完成包装的破损率，结果显示该文设计的送烟机构完成包装的破损率大大低于另外两种机构，优势十分明显。