烟包纸箱折叠码垛机防脱防滑...双夹持拖箱装置的研究与应用_王明杰.pdf

现代制造技术与装备502023 年第 3 期总第 316 期烟包纸箱折叠码垛机防脱防滑平衡双夹持拖箱装置的 研究与应用王明杰袁春风任昌模马青峰刘鸿赵吕银冯志强张锐（贵州中烟工业有限责任公司遵义卷烟厂，遵义 563000）摘要：纸箱折叠码垛机是烟草制丝生产线上烟箱开包段的主要设备。FJ213型纸箱折叠码垛机拖箱装置，在夹箱和拖箱过程中常常因摩擦不平衡、夹具抓持力不足等产生纸箱拖偏卡箱或夹持脱落等现象，严重影响生产效率和质量。在原有拖箱装置夹紧机构的基础上，利用 Workbench 有限元仿真分析工具，应用新材料，创新设计夹具的结构和优化夹持方式，并在 FJ213 型纸箱折叠码垛机中成功应用，解决了该机型拖箱装置在夹箱和拖箱过程中出现的纸箱拉偏、卡箱以及夹持脱落等问题。关键词：卡箱；双夹持；自动抓钩；阻尼性聚氨酯Research and Application of Anti-skid and Anti-slip Balance Double Clamping and Towing Device for Folding and Palletizing Machine of Cigarette Packet CartonWANG Mingjie,YUAN Chunfeng,REN Changmo,MA Qingfeng,LIU Hong,ZHAO Lvyin,FENG Zhiqiang,ZHANG Rui(Zunyi Cigarette Factory,China Tobacco Guizhou Industrial Co.,Ltd.,Zunyi 563000)Abstract:Carton folding and palletifier is the main equipment of tobacco box opening section in tobacco silk production line.In the process of clamping and hauling boxes,FJ213 type carton folding and palletifier tow device often leads to the phenomenon of carton deflection or clamping off due to friction imbalance and insufficient gripping force,which seriously affects the production efficiency and quality.On the basis of the original clamping mechanism of the tow box device,using the Workbench finite element simulation analysis tool and the application of new materials,the structure of the innovative design of the fixture and the optimization of the clamping mode,and the successful application in FJ213 carton folding and palletifier.The problems such as carton deflection,carton clamping and gripper falling off occurred in the process of clamping and towing of the towing device of this model were solved.Keywords:card box;double clamping;automatic hook;damping polyurethane纸箱折叠码垛机是烟草制丝生产线上烟箱开包段的主要设备。FJ213 型纸箱折叠码垛机最常用，主要功能是配合纸箱开包机和其他种类的脱箱机械将开包处理后的空纸箱折叠成扁状并堆码成垛。该机型纸箱折叠码垛机主要由折叠机构、翻转装置、拖箱装置、码垛系统、接灰盘以及电控部分等组成。工作时烟包纸箱首先被折叠机构压平，压平后的纸箱为两层纸板叠放结构。拖箱装置先执行夹箱动作，后由拖拽气缸将空纸箱从折叠机构拽至辊道输送机。该拖箱装置为单夹结构，夹紧力仅仅依靠气缸推压力和夹具与纸板间的摩擦力夹紧纸箱。夹取烟包纸箱有两种规格，分别符合复烤片烟包装瓦楞纸箱包装 （YC/T 137.12004）（长宽高为1 136 mm720 mm 725 mm）和国际通用C48标准（长宽高为1 115 mm 690 mm735 mm），纸板厚度为 10 mm，纸箱质量为 19.8 kg1。夹取过程中，纸箱状态和夹紧机构无法达到中心对称，在拖拽的过程中纸箱因受力不均发生单侧偏移。夹持烟箱使用钳形加装齿形尼龙垫式夹具。该夹具虽具有较为良好的夹紧性能和防滑措施，但在生产过程中烟包烟箱体积和质量较大，多次发生烟箱夹持脱落和烟箱滑移后跑偏卡死等现象，造成生产线频繁停机，需要人工手动干涉，严重影响生产效率，严重时可损坏设备。1夹持方式优化FJ213 型纸箱折叠码垛机为单夹式拖箱装置，夹箱拖箱受力示意图如图 1 所示。在实际生产中，纸箱受折叠机构折叠压平后，折叠机构撑杆被纸箱的两层纸板包夹。在夹持机构取出纸箱的过程中，两层纸板的内侧会与撑杆间产生摩擦力f1、f2。为方便分析，将左、右侧的摩擦力集中于B和C两点。正常情况下拖箱装置拖动拉力F拉只需要克服摩擦力f1、f2，即F拉f1+f2（1）实际生产中纸板与撑杆间摩擦力f1、f2为不平衡力，此时夹持机构夹紧点A相当于“铰链机构”。拉拽过程中纸箱会绕着A点向较大摩擦的一侧旋转偏移，直至纸箱侧面顶住撑杆，纸箱卡于C、D两点，DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0143设 计 与 研 究51设偏移角度为 90-，此时纸箱侧面会受到撑杆新的接触正压力F压。F压随着F拉变化而变化，其关系式为F压=F拉cos（2）图 1单夹式脱箱装置夹箱受力示意图C、D点F压大小近似相等，方向相反，产生的分力刚好抵消，但新的接触压力产生了新的摩擦力f3、f，摩擦力方向与接触面相切。由于C和D点撑杆结构不同，导致接触时产生的摩擦力方向不同。C点接触面法向与纸箱拉出方向的角度设为，D点接触面法向刚好垂直于纸箱拉出方向，设撑杆与纸板间的摩擦系数为，C点受力分析如下。接触面正压力F 为F=F压cos(-)=F拉coscos(-)（3）切向摩擦f3为f3=F=F拉coscos(-)（4）对拖拽拉力F拉阻碍能力f 为f=f3cos(90-)=F拉coscos(-)sin（5）对D点的受力分析如下。接触面正压力F为F=F拉coscos(90-)=F拉cossin（6）对拖拽拉力F拉阻碍能力即切向摩擦力f 为f=F=F拉cossin（7）在该状态下，拖箱装置成功将纸箱拉出需满足的条件为122212cossin2sin22sin2FffffffF+=+|拉拉（8）通过以上分析，当纸箱发生偏移时，纸箱受撑杆的摩擦阻力明显大于纸箱正常拉出时的摩擦力。若拖箱装置的驱动拉力F拉小于总摩擦之和，纸箱不能成功拉出，即出现卡箱现象。解决单点夹持拖箱装置拉偏卡箱问题的关键是解决因单点夹持不平衡摩擦产生“铰链”旋转的问题。通过分析单点夹持的纸箱运动，发现纸箱还存在绕夹点的旋转自由度，因此需要在纸箱夹持后进一步约束自由度。现对纸箱夹持增加第二个夹持点，两夹持点均匀分布于纸箱左右侧（如图 2 所示），该状态下纸箱被完全约束，消除了单点夹持产生的“铰链”现象，摩擦力f1、f2不相等的情况下A、B两点会产生纸箱偏移的约束力，稳定纸箱状态。图 2双点平衡夹持受力示意图2防脱机构设计2.1自动抓钉机构设计为有效解决纸箱在拖箱过程中脱落的问题，对原有夹具进行优化，设计一套自动抓钉机构，如图 3 所示。自动抓钉机构按结构分由抓钩、转动铰链以及复位弹簧组成。抓钩前端结构为倒钩尖针，用于纸板的刺穿并抓紧。中部设计了铰链孔，为抓钉的旋转轴线。后端设计为圆形压力球，主要用于抓钉工作时和纸板的压力接触，利用“杠杆原理”推动抓钉刺入纸板，完全刺入后抓钉呈倒钩状态，钩角为 10，纸箱被紧紧抓牢。夹紧完成后，夹具在驱动装置带动下与纸箱移动至码垛区域，开始执行脱箱动作。上夹在气缸的作用下向上运动，释放夹紧力。抓钩在复位弹簧的推动下回到初始位置，抓钉针尖逐渐脱出纸板，直至纸板完全脱离。2.2材料选择和分析抓钩尺寸较小，工作过程中会受到压力和侧向拉力，因此该零件的材质应选硬度较大且有一定韧性的铬（Cr）合金结构钢。本方案选用材料为 35CrMo，密度为 7 750 kgm-3，弹性模量为 2.131011 Pa，泊松比为 0.3，屈服强度为 835 MPa2。结合抓钩在抓取纸板现代制造技术与装备522023 年第 3 期总第 316 期的使用工况，利用 Workbench 仿真工具对抓钩进行静态结构分析，设置 35CrMo 材料参数，网格划分单元为 0.5 mm3，求解等效应力。纸箱折叠码垛机拖箱装置在工作过程中设计的气缸最大工作压强为 1.0 MPa。假如该压强最终全部传递至抓钩，在仿真环境对抓钩抓取面施加压强 1.0 MPa。通过仿真得出抓钩上的应力主要集中在抓钩折弯根部（如图 4 所示），等效应力最大值为 2.84 MPa。依据实际工况选取安全系数S为 1.5，满足强度要求下的许用应力为 556.7 MPa。可以看出，转轴上的应力情况符合强度准则。lim835556.71.5S=（9）1.抓钩；2.铰链；3.复位弹簧；4.压力球。图 3自动抓钉机构结构图为进一步防止针尖磨损变形和冲击断裂，抓钩在制造过程中还需进一步进行热处理。借鉴“鱼钩”加工的热处理工艺，首先进行淬火后高温回火，淬火温度设定为 860 10，回火温度为 400，使芯部硬度达到 40 45 HRC，保证良好的强度，同时具有良好的韧性。回火后再对抓钩进行碳氮共渗工艺处理，渗透深度为 0.6 mm，硬度控制在 52 57 HRC4，使其表面具有较高的硬度，提高抓钩的耐磨性。复位弹簧的作用是夹具在抓取纸板后脱箱时，抓钩在弹力作用下推动后端恢复到初始位置。复位弹簧需要有足够弹力，弹力应大于抓钩与纸板间的摩擦力，否则不能脱箱。因弹簧型号较小，回弹力要求较大，可选择 60Si2Mn、60CrMnA 等高硬度弹簧钢5。3压力缓冲和防滑设计由于烟包纸箱体积和质量较大，拖拽过程中有冲击载荷，为减小纸板对抓钩的冲击以及设备对纸箱的损坏，在拖箱装置夹具前端设计辅助夹紧防滑块，夹紧纸箱的同时分散拖拽拉力，缓解启动时的冲击力。防滑块的结构设计如图 5 所示。压紧块采用了高阻尼性聚酯型聚氨酯材料。该材料成分通过改变不同的聚合物二元醇、异氤酸酯、扩链剂以及热处理温度调控聚氨酯材料的力学性能，使其硬度达到 90 HA，拉伸强度达到 53 MPa，阿克隆磨耗低于 0.015 cm3/1.61 km，可承载力为 10.5 MPa6，具有硬度较大、抗拉、耐磨以及耐腐蚀的特性，性能远高于橡胶和硅胶材质。图 4等效应力求解云图设 计 与 研 究531.纸板；2.摩擦防滑压紧块；3.自动抓钩；4.上夹臂；5.下夹臂。图 5夹紧装置结构图夹箱过程中压紧块受压会产生一定的弹性变形，同时具有较大的硬度，能够有效传递压紧力，使得压紧块与纸板间形成一定的吸合力，增大了夹具与纸板的摩擦系数。压紧块与纸板的贴合面积设计较大，可以有效防止纸板与夹具间的相对滑动和脱落。4防脱防滑平衡双夹持拖箱装置的应用防脱防滑平衡双夹持拖箱装置基本结构如图 6 所示，由自动抓钩机构、上夹轴、夹紧气缸、拖箱机架、上夹机构、防滑块以及下夹机构组成。1.抓钉机构；2.上夹轴；3.夹紧气缸；4.拖箱机架；5.上夹机构；6.压紧块；7.下夹机构。图 6烟包纸箱平衡力双夹持拖箱装置结构图该设计方案经制造安装后，将其应用于 FJ213型纸箱折叠码垛机，对符合复烤片烟包装瓦楞纸 箱 包 装 （YC/T 137.12004）（长 宽 高 为 1 136 mm720 mm725 mm）和国际通用 C48 标准（长 宽 高为 1 115 mm690 mm735 mm）的两种烟包纸箱进行测试。拖箱气缸气源压强经调压阀控制在 0.3 1.0 MPa 内；夹紧纸板的咬合量通过下夹机构的固定条孔调节，纸板咬合深度控制在 3 6 mm；夹 紧 气 缸 气 源 压 强 经 调 压 阀 控 制 在0.4 0.6 MPa。夹箱过程中，若纸箱上层纸板与上夹机构出现干涉现象，可通过调整夹紧气缸的仰角或拖箱气缸的行程让位。每批次烟大约有 25 个烟包，将多个批次烟应用在防脱防滑平衡双夹持拖箱装置后，该机生产异常脱箱故障率从 35%下降至 1%，效果显著。5结语纸箱折叠码垛机拖箱装置在夹箱和拖箱过程中，常常因摩擦不平衡、夹具抓持力不足等产生纸箱拖偏卡箱或夹持脱落等问题。第一，通过夹持方式的优化，双点夹持方式解决了纸箱夹持状态自由度约束的问题，消除了夹持点“铰链”现象。第二，借鉴“猫爪”抓紧原理设计自动抓钉机构，结合鱼钩的材料和热处理工艺，并通过 Workbench 有限元分析对抓钩的等效应力屈服能力进行验证，保证纸箱在夹取和拖拽过程中不会脱落。第三，对夹持点的辅助安全防护，设计了压强缓冲防滑块，有效分散了拖拽时在抓钩处的拉力和拖拽启动的动力缓冲，降低了设备损耗。FJ213型纸箱折叠码垛机在应用平衡双夹持装置后，生产过程中未出现以上问题。该段生产线生产效率显著提升，运行效果好，具有推广价值。参考文献1 国家烟草专卖局.卷烟工艺规范 M.北京：中国轻工业出版社，2016.2 朱中平.简明金属材料手册 M.北京：化学工业出版社，2019.3 周炬，苏金英.ANSYS Workbench 有限元分析实例详解 M.北京：人民邮电出版社，2017.4热处理手册编委会.热处理手册 M.第 4 册.北京：机械工业出版社，20085 成大先.机械设计手册 M.北京：化学工业出版社，2016.6 刘鹏征，李登峰AO-2246 对聚氨酯阻尼及力学性能影响 J.材料开发与应用，2019（1）：92-96