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1、 44. PASSIM80 卷烟机自动进刀装置气动推杆机构的改进探索和实践卷烟机自动进刀装置气动推杆机构的改进探索和实践 徐 国 伟 (上海烟草（集团）公司 高扬国际烟草有限公司) (上海浦东新区外高桥区高特北路88号 邮编：200131 Email：) 摘要摘要 PASSIM80卷烟机自动进刀装置气动推杆机构在运行过程中，故障频率较高。通过对PASSIM80卷烟机自动进刀装置气动推杆机构的结构和故障原因分析，选用FESTO (JSI32110型)标准气缸替代原气动机构；设计新的推杆机构；采用推杆与标准气缸组成二个独立单元的改进设计，简化了原结构，增强了自动进刀装置气动推杆机构的工作可靠性，降
2、低了维修成本。 关键词关键词 自动进刀装置 气动推杆机构 气缸 推杆 1.1. 引言 PASSIM80 卷烟机是英国 MOLIMS 公司在 SUPER9 机型的基础上发展的新一代高速卷烟机。 但是卷烟机烟条切割系统中的自动进刀装置的气动推杆机构却未作根本性的改进，还是以气动推杆带动棘轮，由棘轮带动丝杆螺母机构的进刀形式来补偿刀片在珩磨过程中的损失。但是在实际生产过程中，由于气动推杆机构稳定性欠佳造成的的故障发生频率较高，影响了卷烟质量和设备效率，增加了维修成本。其主要原因是：单作用气动活塞机构与刀盘右半轴端连接的轴肩小平面过窄容易磨损，推杆回复弹簧容易疲劳断裂，推杆的支承铜套磨损后，造成自动进
3、刀稳定性欠佳甚至进刀失效。 2、改进前 PASSIM80 自动进刀装置气动推杆机构工作原理 PASSIM80 卷烟机自动进刀装置的结构见图 1 所示，主要由：I、丝杆螺母机构（包括图中 1、2、3）II、棘轮棘爪机构（包括图中 4、5） ；III 、气动推杆机构（包括图中 6 16 等）三部分组成。 进刀装置的工作循环是：由 PLC 发出的脉冲信号控制进刀气路中的电磁阀。当电磁阀打开时，高压空气进入气动推杆机构的压缩空气进气口 13，克服弹簧 9 的作用力推动活塞 10 和推杆 6 作轴向移动13mm，推杆 6 推动棘爪 5 运动，由棘爪 5 推动棘轮 4 径向转动一齿，棘轮带动进刀螺杆 3
4、旋转。位于刀架导槽内的进刀螺母 2 与刀片 1 相连，在丝杆螺母相对运动下，螺母 2 带动刀片 1 向前运动，刀片完成进给一次。电磁阀关闭时，活塞 10 在弹簧 9 的作用下和棘爪复位弹簧作用下同时复位，以备下一次进给，见图 1 所示。 图 1 改进前的自动进刀装置气动机构结构示意图 3、PASSIM80 自动进刀装置中气动推杆机构的故障原因分析 针对气动推杆机构存在的故障，运用摩擦和磨损理论，分析气动推杆机构故障发生的原因。 3.1 气动推杆机构与刀盘右半轴端联接的轴肩小平面磨损 在 PASSIM80 自动进刀装置中，气动机构是一个独立单元，见图 1 所示，它是依靠刀盘轴 7 上的一个轴肩小
5、平面 8， 通过与其配对的传动盘上的小突肩 14 来传递整个气动推杆机构的转矩， 运动速度与刀盘轴速度相等。刀轴以 2000 转/分钟的速度运转，轴肩小平面 8 为 0.5mm10mm 的一个平面，与传动盘14 可拆联接，轴端用轴档圈 15 定位。在高速运转状态下轴肩小平面 8 和与其配对的传动盘上的小突肩14 因为接触面过窄在接触应力的影响下，较容易产生表面疲劳磨损，造成机械性能下降甚至失效。 3.2 推杆回复弹簧断裂 气动推杆机构在失去刀轴传递的动力后，图 1 所示中的推杆 6 中的回复弹簧 9 在工作载荷情况下同时受到径向和轴向的交变载荷产生交变应力，当所承受载荷超出其弹性限度时，弹簧的
6、切应力增大，就产生塑性变形乃至疲劳断裂。 3.3 刀盘上的推杆支承铜套磨损 图 1 所示中，刀盘上的推杆支承铜套 16 在随刀盘高速运转过程中和推杆 6 产生相对的高速运动，铜套 16 和推杆 6 之间出现径向表面摩擦而产生发热，导致粘着磨损和滑动磨损，当推杆 6 处于自由状态和工作状态时都会出现咬死或铜套滑动磨损造成支承失效。 3.4 活塞环磨损和气腔端随动轴承损坏 图 1 所示中，因为铜套 16 和推杆 6 之间出现的磨损，直接影响到与推杆螺纹联接的活塞 10 和活塞 环 11，活塞环 11 在推杆 6 的作用下与气腔内壁产生相对运动，由磨擦导致活塞环磨损，造成有杆腔和无杆腔窜气而进刀失效
7、；气腔端随动轴承 12 也因为气动推杆机构在失去刀轴传递的转矩而处于自由状态的情况下，在受冲击载荷和接触应力的反复作用下，容易产生疲劳磨损，导致轴承损坏。 综上所述，气动推杆机构故障的产生不是孤立的，它们之间存在必然的因果关系，因此正确运用摩擦和磨损理论，来分析气动推杆机构故障频发的原因，对下一步切实有效地解决问题和实施技术改进有着十分重要的意义。 4、PASSIM80 卷烟机自动进刀装置气动推杆机构的改进原则和改进方案 4.1 改进原则 改进需考虑到原刀轴的传动精度和配合精度， 在现有的维修条件许可的情况下， 作简洁有效的改进；改进件需便于安装和试验，不作大范围的拆卸和调整，不破坏原刀盘的动
8、平衡和静平衡精度；在保持原刀盘轴加工精度不变的前提下配制零部件，同时需考虑到改进的零件和组件结构尽量设计紧凑、合理，便于维修操作。 4.2 改进方案 在改进原则的指导下，总结归纳出以下 5 点作为研究对象和改进方案。 序号 研究对象 改进方案 1 轴肩小平面易磨损 在保持原刀轴加工精度和配合精度不变的情况下， 放弃放放弃轴肩小与其配对的传动盘的联接形式。用。设设计一种新的机构取代老的传2 刀盘上的推杆支承铜套易磨损 推杆采用二端支承并与刀盘轴同速运动， 减少推杆与支承铜套的相对运动而产生的磨损。 3 气动机构结构复杂 用标准气缸取代原来复杂的气动机构。 4 工作状态下气缸头和下推杆的接触磨损
9、将连杆和气动结构分离，下推杆；气缸头和下推杆接触端配以活动钢珠以减少接触磨损。 5 维修空间小，维修操作不便 新结构需结构设计紧凑，增加维修空间，便于维修操作。 5、PASSIM80 卷烟机自动进刀装置气动推杆机构的改进和实施 5.1 解决轴肩小平面易磨损的问题 在保持原刀轴加工精度和配合精度的情况下，放弃轴肩小平面和与其配对的传动盘的联接形式。利用原空心刀盘轴16 mm 的内孔，用粉末冶金材料（含油轴承）加工一铜套与刀盘轴16 mm 孔过渡配合，作为推杆支承的定位基准，上推杆一端与刀盘铜套活动配合。铜套内有一回复弹簧，克服推杆在铜套内的轴向间隙，上推杆和下推杆用螺纹联接，这样就组合成一套紧凑
10、、独立的推杆回复机构。 5.2 解决刀盘上的推杆支承铜套易磨损的问题 上推杆和下推杆联成一体，采用二端支承、滑动配合的形式，这样既保证了位置精度又能使推杆与刀盘轴同速运动。在非进刀状态时，下推杆和气缸头保持有 2mm 的间隙，只有在进刀状态下下推杆和气缸头接触，推杆和两端支承铜套有瞬间的径向和轴向的复合运动，减少了推杆与支承铜套因为相对运动而产生的磨损。 5.3 解决气动机构结构复杂的问题 用标准气缸取代原来复杂的气动机构。选用气缸要能够克服弹簧的作用力，推动连杆作轴向移动13mm，在非进刀状态时，下推杆和气缸头保持有 2mm 的间隙，所以选用气缸的工作行程应该为 15mm；气缸活塞的横截面积
11、为r23.14172 907.46mm2 ， 推杆回复弹簧的钢丝直径 d1.2mm， 中径 D29mm，自由高度 h30mm，经过计算，弹簧的作用力约为 32.71N。气缸在工作气压 0.32Mpa 的条件下即：由公式 1Mpa1N/mm2 ， 计算出气缸的作用力为 907.460.32=290.38N， 因为气缸的作用力 290.38N弹簧的作用力 32.71N，能够克服推杆回复机构弹簧的反作用力。 所以，所选用的 FESTO (JSI32110 型)单作用气缸完全能够满足上述二个条件，可以替代原气动机构。 5.4 解决工作状态下下推杆和气缸头的接触磨损的问题 考虑到气动推杆机构在进刀状态时
12、，下推杆和气缸头接触，存在瞬间的径向和轴向的复合运动，所以将推杆机构和气动机构推杆设计成二个独立的单元， 在非进刀状态时， 下推杆和气缸头有 2mm 的间隙，下推杆和气缸头处于非接触状态。在进刀状态下，下推杆和气缸头接触存在瞬间的径向和轴向的复合运动，为增强耐磨性和接触疲劳强度，气缸头和上推杆均选用 GCr15 轴承钢材料，并在气缸头和下推杆接触工作面上配以活动钢珠以减少接触磨损。 （见图二 b、c、e） 5.5 维修空间小，维修操作不便 改进后的气动推杆机构其外型尺寸上比原结构的长度方向减少了近 25mm，符合改进原则，增加了维修空间，便于维修操作。 6、改进后 PASSIM80 自动进刀装
13、置气动推杆机构工作原理 改进后的自动进刀装置气动机构结构如图 2 所示：主要包括 FESTO-JS32110 气缸 16、气缸头 15、铜套 14、上推杆 6、下推杆 11、钢珠 12、弹簧 10，其中气缸 16 固定于一支架 13 上，其气缸头在铜套14 中滑动配合，在原刀盘轴 7 的端面通孔上安装了内含回复弹簧 10 的铜套 9。上推杆 6 一端有刀盘铜套 17 支承，另一端与下推杆 11 螺纹联接并与铜套 9 滑动配合。弹簧力作用在铜套 9 与上推杆 6 之间，克服推杆的轴向窜动。 当机构得到进刀信号后，气路开通，气缸 16 的活塞杆推动上、下推杆作轴向移动 13mm，再由下推杆 11
14、通过销推动棘爪 5，由棘爪 5 推动棘轮 4 转动，棘轮带动进刀螺杆 3 转动，进刀螺母 2 和刀片 1在螺杆 3 的带动下向前运动。刀片 1 进给一次，气路闭合，上推杆 6 在弹簧的作用下回复。如此循环动作，实现刀片稳定可靠的自动进给。 图 2 改进后的自动进刀装置气动机构结构示意图 7、PASSIM80 卷烟机自动进刀装置气动推杆机构改进前后效果对比 改进前后的故障次数、停机时间和质量缺陷数量的统计，见表 1： 表 1 改进前后 7 台 PASSIM80 卷烟机自动进刀装置全年故障对比统计表 状态 故障部位 故障类型 故障次数停机时间（小时） 不合格产品数量总计弹簧断裂 轴肩小平面磨损 刀
15、盘支承铜套磨损 活塞环磨损 改进前 气动推杆机构 随动轴承损坏 25 次 62.85 小时 50.5 件 弹簧断裂 轴肩小平面磨损 刀盘支承铜套磨损 活塞环磨损 改进后 气动推杆机构 随动轴承损坏 0 次 0 小时 0 件 从表 1 中可以看到，改进前卷烟机自动进刀装置气动推杆机构全年故障发生 25 次，停机维修累计62.85 小时；进刀装置故障引发的卷烟外观质量缺陷达到 18 批次（共计 50.5 件） 。改进后 PASSIM 卷烟机自动进刀装置气动推杆机构全年未发生故障。 8、结束语 新的自动进刀装置气动推杆机构已在公司 7 台 PASSIM80 卷烟机推广使用。改进后的气动推杆机构， 简化了结构，增强了机构的工作可靠性，提高了设备效率和卷烟质量、降低了维修成本。目前该项目已经申请专利，专利申请号为 200620044765.6。 参考文献参考文献 PASSIM80卷烟机维修手册英国莫林斯公司 PASSIM80卷烟机零件图英国莫林斯公司 机械零件课程设计 高等教育出版社 机械原理与机械零件 高等教育出版社 工程力学成人中等专业学校教材 金属工艺学 高等教育出版社
