基于動(dòng)力學(xué)仿真的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李秀偉

(湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠，吉林 四平 136000)

煙草行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)煙草包裝機(jī)械的包裝、傳送速度要求就會(huì)變得更高，而高包裝速度對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求也會(huì)相應(yīng)提高[1]。煙草包裝機(jī)在推煙包時(shí)，會(huì)多次與煙草接觸，而接觸不可避免地會(huì)產(chǎn)生沖擊力和擠壓力，從而增大煙草包裝機(jī)的故障率，影響使用壽命[2]。因此，對(duì)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)已是無法避免。目前已有學(xué)者對(duì)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成績(jī)：文獻(xiàn)[3]提出對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)的分煙隔板和攪動(dòng)棍進(jìn)行改進(jìn)，減少煙支摩擦力，確保煙支在下落過程可以順暢通過，成功提高了設(shè)備的運(yùn)行效率；文獻(xiàn)[4]使用有限元分析軟件，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析推煙包機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)，并在得出分析結(jié)果后將所有數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述方法雖然有一定優(yōu)化效果，但是在解決煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障率高、使用壽命短的問題上，效果并不明顯。

針對(duì)上述問題，本文基于動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過綜合分析煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的工作原理、故障原因、受力情況以及運(yùn)動(dòng)要求，提出優(yōu)化思路，對(duì)滑塊、導(dǎo)軌、連接裝置和潤(rùn)滑裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

1.1 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)組成示意圖如圖1所示，圖中x為推煙桿行程。

1—推煙桿；2—滑槽；3—滑塊；4—球形副；5—安裝座；6—連桿；7,12—螺釘；8—擺件；9，10—制動(dòng)電磁鐵；11—連接桿安裝座；13—推煙桿安裝座

觀察圖1可知，推煙桿和擺件通過連桿連接，連桿在推煙包機(jī)構(gòu)中起驅(qū)動(dòng)作用，擺件在推煙包機(jī)構(gòu)中不斷擺動(dòng)，為推煙桿推送煙支提供動(dòng)力，使推煙桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成推送工作。塑料滑塊支撐推煙桿安裝座，塑料滑塊在滑槽內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使推煙桿安裝座的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向轉(zhuǎn)動(dòng)受到約束。在煙草包裝機(jī)推煙包的工作過程中，滑塊對(duì)稱安裝在推煙桿安裝座上。為保證煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)工作過程的安全性，推煙桿的行程要小于安裝座的總長(zhǎng)。在設(shè)定距離之前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，確保滑塊滑動(dòng)的極限位置與滑槽端面有一段距離，以此擴(kuò)大運(yùn)行空間，防止出現(xiàn)碰撞。

1.2 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障原因分析

煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)在正常工作情況下，前端會(huì)保持水平狀態(tài)，前端的滑塊在反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)很容易出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致故障的出現(xiàn)，這也是煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)最薄弱的部分[5]。如果推煙包的上表面和下表面都出現(xiàn)磨損，整個(gè)滑塊厚度就會(huì)出現(xiàn)縮減，推煙桿前端的工作位置不再是預(yù)先設(shè)定的正確位置，會(huì)產(chǎn)生一定的變化，這一變化會(huì)對(duì)煙支推送結(jié)果造成很大影響[6]。煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障前后工作狀態(tài)分別如圖2、圖3所示。

圖2 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障前工作狀態(tài)

圖3 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障后工作狀態(tài)

2 基于動(dòng)力學(xué)仿真的推煙包機(jī)構(gòu)受力情況及運(yùn)動(dòng)要求

2.1 基于動(dòng)力學(xué)仿真的推煙包機(jī)構(gòu)受力情況分析

在分析了煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)工作原理及故障原因后，對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)受力情況如圖4所示。

圖4 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)受力情況

圖4中，擺桿不斷重復(fù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力，通過連桿將動(dòng)力傳給銷軸。在外界推力的作用下，推煙桿和連桿不斷做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[7]。因此可以將推煙桿、滑塊、銷軸、軸承看成一個(gè)構(gòu)件，在這一構(gòu)件中，滑塊以剛體的形式存在，其受力分析如圖5所示。

圖5中滑塊在同一時(shí)間內(nèi)受到3個(gè)力的作用，分別是推煙桿組件的重力G、使推煙包機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶矩M和推力F，其中交變載荷隨著擺桿的擺動(dòng)幅度變化而變化，推力F在交變載荷的影響下可以分為兩個(gè)分力，分別為水平方向的分力Fx及豎直方向的分力Fy。計(jì)算公式為：

圖5 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)內(nèi)部滑塊受力情況

Fx=Fcosα

(1)

Fy=Fsinα

(2)

式中：α為因連桿運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生的角度，連桿不斷變化時(shí)，產(chǎn)生的角度α也不同。在推力F作用下的內(nèi)部滑塊受力情況如圖6所示。

圖6 內(nèi)部滑塊受力情況

根據(jù)圖6可知，重力G、連桿分力Fy為豎直方向的力，力偶矩M為旋轉(zhuǎn)作用力，這些作用力的存在使得推煙包機(jī)構(gòu)滑塊更容易磨損，因此它們都屬于無效作用力，要降低滑塊的磨損程度，必須消除這3個(gè)無效作用力[8]。

2.2 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求

在分析推煙包機(jī)構(gòu)的工作原理及故障原因、確定推煙包機(jī)構(gòu)的受力情況后，根據(jù)推煙包機(jī)構(gòu)的功能要求就能確定其運(yùn)動(dòng)要求。

煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了保證煙包推送位置準(zhǔn)確、防止碰到下一個(gè)被推送的煙包，必須要滿足如下兩個(gè)要求：執(zhí)行端從工位A向工位B移動(dòng)的過程中必須要保持直線運(yùn)動(dòng)；而在回程過程中，則進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)[9-11]。煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

3 基于動(dòng)力學(xué)仿真的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法

3.1 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)優(yōu)化思路

根據(jù)確定的推煙包機(jī)構(gòu)故障原因、受力情況及運(yùn)動(dòng)要求，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1)根據(jù)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的故障原因可知，在推煙包機(jī)構(gòu)中，滑塊發(fā)揮著重要作用，一旦滑塊出現(xiàn)磨損，整個(gè)機(jī)構(gòu)就很容易出現(xiàn)故障，因此在滑塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以使用滾動(dòng)方法取代傳統(tǒng)的滑動(dòng)方法，使推煙桿組件在運(yùn)行過程中受到更小的摩擦力，減小滑塊垂直方向上的受力，進(jìn)而減小推煙包機(jī)構(gòu)鉸鏈?zhǔn)艿降姆醋饔昧Γ?/p>

2)在1)中滑塊基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)發(fā)揮約束作用的新滑塊，確保推煙包機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，使導(dǎo)軌中的滑塊運(yùn)行更穩(wěn)定；

3)在滾動(dòng)軸中加入潤(rùn)滑系統(tǒng)，提高煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性[12]。

優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式示意圖如圖8所示。

圖8 煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式

3.2 基于動(dòng)力學(xué)仿真的煙草包裝機(jī)推煙包結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)提出的優(yōu)化思路，對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滑塊裝置部分，使用滾動(dòng)摩擦取代原來的滑動(dòng)摩擦[13]。同時(shí)增大滑塊和導(dǎo)軌的安裝高度(H)和安裝寬度(b)，并在滑塊前端設(shè)定虛約束，因?yàn)樵诤罄m(xù)改造過程中后滑塊可能要承受更大的載荷，所以前端選擇的是小滑塊，后端選擇的是大滑塊。這種組合方式可以提高動(dòng)載荷，使煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)在高速情況下也可以保持穩(wěn)定運(yùn)行?；瑝K和導(dǎo)軌之間的關(guān)系如圖9所示，對(duì)圖9中的大滑塊結(jié)構(gòu)和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大，得到大滑塊結(jié)構(gòu)示意圖以及滑軌側(cè)面結(jié)構(gòu)圖，其中L為大滑塊的長(zhǎng)度，B為導(dǎo)軌寬度。

在對(duì)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的滑塊進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。在煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的左右兩側(cè)加入兩個(gè)滑塊，這兩個(gè)滑塊在運(yùn)行過程中起到固定作用。為了防止滑塊在運(yùn)行過程中出現(xiàn)碰撞，增加10 mm的余量空間，因?yàn)橥茻煱鼨C(jī)構(gòu)的軸承需要進(jìn)行潤(rùn)滑操作，所以選擇的導(dǎo)軌要有潤(rùn)滑孔，如圖10所示，圖中S為導(dǎo)軌行程。

圖9 滑塊與導(dǎo)軌的關(guān)系圖

圖10 優(yōu)化后的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

為了將煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的各零件連接到一起，本文加入了連接桿，使得推煙包機(jī)構(gòu)在不改變推煙桿原有位置的基礎(chǔ)上，就能夠連接新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，加入的連接桿如圖11所示。

圖11 連接座示意圖

觀察圖11可知，在推煙桿安裝支架的上下方位都加入了連接桿，連接桿的加入可以使推煙桿安裝支架和滑塊緊緊固定在一起，再采用釘子固定連接推煙桿安裝支架和連接桿[15]。

為了使導(dǎo)軌能夠更好地被安裝在煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)中，對(duì)原有的導(dǎo)軌安裝座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：增大安裝座與推煙桿之間的距離，并在后部安裝座上設(shè)定一個(gè)新的滑軌，使導(dǎo)軌能有足夠的移動(dòng)空間。

在完成滑塊、導(dǎo)軌和連接裝置優(yōu)化后，為了使摩擦力降到最低，在煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)中加入潤(rùn)滑裝置。在油嘴上安裝兩個(gè)孔，潤(rùn)滑油從這兩個(gè)孔中流入導(dǎo)軌，當(dāng)滑塊在導(dǎo)軌中反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以取得潤(rùn)滑的效果。潤(rùn)滑裝置示意圖如圖12所示。

圖12 潤(rùn)滑裝置示意圖

通過上述對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)滑塊、導(dǎo)軌、連桿及潤(rùn)滑裝置的優(yōu)化，完成了對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。

4 優(yōu)化效果實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于動(dòng)力學(xué)的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)優(yōu)化效果，對(duì)優(yōu)化前裝置和優(yōu)化后裝置的故障情況和使用壽命進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。

4.1 仿真模型建立

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比之前，首先建立推煙包機(jī)構(gòu)的仿真模型。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的基于動(dòng)力學(xué)仿真的煙草包裝機(jī)推煙包結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)推煙包機(jī)構(gòu)的滑塊、導(dǎo)軌、連桿及潤(rùn)滑裝置進(jìn)行優(yōu)化，并在仿真平臺(tái)中構(gòu)建優(yōu)化后的推煙包機(jī)構(gòu)模型，如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的推煙包機(jī)構(gòu)模型

4.2 故障率測(cè)試

選取采用本文方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)和采用文獻(xiàn)[3]方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)，在仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，故障率測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

圖14 故障率測(cè)試結(jié)果

分析圖14可知，當(dāng)工作時(shí)間為30 h時(shí)，采用文獻(xiàn)[3]方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障率達(dá)到17.37%，而采用本文方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障率僅為4.28%；當(dāng)工作時(shí)間為60 h時(shí)，采用文獻(xiàn)[3]方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障率達(dá)到27.21%，而采用本文方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)故障率僅為8.47%。上述數(shù)據(jù)表明，采用本文方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用文獻(xiàn)[3]方法優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的故障率。由此可知，基于動(dòng)力學(xué)仿真的優(yōu)化方法可以很好地起到降低機(jī)械故障的作用，提高煙草包裝機(jī)的工作效率。

4.3 傳送速度測(cè)試

測(cè)試推煙包機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的煙草包裝機(jī)的傳送速度，采用文獻(xiàn)[4]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，得到的傳送速度測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖15所示。

圖15 傳送速度測(cè)試結(jié)果

分析圖15可知，當(dāng)傳送量為2 000包時(shí)，采用文獻(xiàn)[4]方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)傳送速度為1 000 mm/s，而采用本文方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)的傳送速度為2 000 mm/s；當(dāng)傳送量為6 000包時(shí)，采用文獻(xiàn)[4]方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)傳送速度為1 300 mm/s，而采用本文方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)的傳送速度為3 100 mm/s；當(dāng)傳送量為10 000包時(shí)，采用文獻(xiàn)[4]方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)傳送速度為2 000 mm/s，而采用本文方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)的傳送速度為3 800 mm/s。上述數(shù)據(jù)表明，在相同轉(zhuǎn)速下，采用本文方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)的傳送速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用文獻(xiàn)[4]方法優(yōu)化的煙草包裝機(jī)的傳送速度，本文方法大大提升了煙草包裝機(jī)的傳送效率。

5 結(jié)束語

本文引用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)，能夠有效提高煙草包裝機(jī)的傳送速度，降低推煙包機(jī)構(gòu)的故障率，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，為提高煙草包裝機(jī)的傳送速度以及降低煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)的故障率，提供了一種新的解決方法。但受時(shí)間限制，目前僅針對(duì)煙草包裝機(jī)推煙包機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，后續(xù)將結(jié)合相關(guān)包裝機(jī)部件對(duì)本文的研究進(jìn)行深化。