謝明金,韓紅彬,李義端

中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司,上海市浦東新區(qū)金海路1000號(hào)10棟 201206

雙通道濾棒切割裝置設(shè)計(jì)及仿真分析

謝明金,韓紅彬,李義端

中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司,上海市浦東新區(qū)金海路1000號(hào)10棟 201206

為掌握雙通道濾棒切割技術(shù),分析了切割裝置的結(jié)構(gòu)原理,通過(guò)建立刀盤和旋轉(zhuǎn)喇叭嘴的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了濾棒長(zhǎng)度與刀盤傾斜角及喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑之間的關(guān)系,并進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明:①雙通道濾棒切割裝置的設(shè)計(jì)首先需確定雙通道中心間距、切刀寬度、刀盤直徑和刀盤旋轉(zhuǎn)中心位置;②濾棒長(zhǎng)度決定刀盤傾斜角;③濾棒長(zhǎng)度和刀盤傾斜角決定喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑;④在Matlab軟件中求解不同濾棒長(zhǎng)度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑,其計(jì)算值與G.D公司提供值偏差較小.以切刀、喇叭嘴和濾棒三者的空間交互運(yùn)動(dòng)建立的數(shù)學(xué)模型,其理論分析和計(jì)算結(jié)果是正確的,能夠用于計(jì)算和設(shè)計(jì)不同濾棒長(zhǎng)度規(guī)格的雙通道濾棒切割裝置.

濾棒成型機(jī)組;雙通道;刀盤;喇叭嘴;切割裝置

濾棒切割裝置是濾棒成型機(jī)組中的關(guān)鍵部件之一,主要用于將卷制成型后高速直線運(yùn)動(dòng)的濾棒條切割成長(zhǎng)度相等、切口平齊的濾棒[1].此前國(guó)內(nèi)使用的濾棒成型設(shè)備全部為單通道技術(shù),喇叭嘴一般安裝在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊上,工作時(shí)的沖擊和振動(dòng)較大[2-4].目前國(guó)內(nèi)正在引進(jìn)意大利G.D公司的雙通道濾棒成型機(jī)技術(shù),該成型機(jī)的切割裝置具有運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)小等特點(diǎn),現(xiàn)已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[5-8].雙通道濾棒成型機(jī)使用的濾棒切割裝置與單通道的濾棒切割裝置不同,雙通道濾棒切割技術(shù)采用虎克式刀盤對(duì)兩個(gè)通道中的濾棒在中心線兩側(cè)依次進(jìn)行切割,切割瞬間由連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴支撐濾棒.在技術(shù)引進(jìn)過(guò)程中,G.D公司只提供了幾組濾棒長(zhǎng)度規(guī)格的相關(guān)變換件圖紙,沒(méi)有提供設(shè)計(jì)依據(jù),當(dāng)需要生產(chǎn)其他長(zhǎng)度規(guī)格的濾棒時(shí),濾棒切割裝置上的許多部件還需進(jìn)口.為此,對(duì)雙通道濾棒切割裝置的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析,通過(guò)建立刀盤和旋轉(zhuǎn)喇叭嘴的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)濾棒長(zhǎng)度與刀盤傾斜角及喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑之間的關(guān)系,以期為盡快掌握和應(yīng)用雙通道濾棒切割技術(shù)提供依據(jù).

1 切割裝置的結(jié)構(gòu)原理

雙通道濾棒成型機(jī)切割裝置主要由刀盤、喇叭嘴、磨刀裝置、喇叭嘴升降裝置和刀盤電機(jī)等部分組成.其中,刀盤和喇叭嘴是切割裝置的關(guān)鍵部件[9].

1.1 虎克式刀盤

虎克式刀盤主要由刀盤軸、切刀、十字體和虎克軸組成,見(jiàn)圖1.其中,刀盤軸1安裝在刀盤上,與刀盤的傾斜角度相同,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng);虎克軸4安裝在機(jī)架上,保持水平;十字體3上的軸a套裝在刀盤軸1的軸叉上,十字體3上的軸b套裝在虎克軸4的軸叉上;切刀2安裝在十字體3上,隨十字體一起運(yùn)動(dòng).

當(dāng)?shù)侗P工作時(shí),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤軸以角速度ω1轉(zhuǎn)動(dòng),虎克軸在機(jī)架上以角速度ω2轉(zhuǎn)動(dòng),十字體帶動(dòng)切刀一邊隨虎克軸做圓周運(yùn)動(dòng),一邊在虎克軸上以角速度ω3繞軸b擺動(dòng)[10].切刀隨虎克軸的圓周運(yùn)動(dòng)用于對(duì)濾棒進(jìn)行周而復(fù)始的切割,切刀在虎克軸上的擺動(dòng)用于保障切割時(shí)切刀與濾棒軸向同步運(yùn)動(dòng).當(dāng)ω1恒定時(shí),ω2和ω3的大小與刀盤軸的傾斜角和刀盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度有關(guān).因此,當(dāng)濾棒長(zhǎng)度規(guī)格發(fā)生變化時(shí),需要調(diào)整刀盤軸的傾斜角.

圖1 虎克式刀盤結(jié)構(gòu)圖

1.2 連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴

連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主動(dòng)盤、轉(zhuǎn)軸、從動(dòng)盤、連桿和喇叭嘴組成,見(jiàn)圖2.其中,主動(dòng)盤1與從動(dòng)盤4一起安裝在支撐架上,可繞各自中心軸轉(zhuǎn)動(dòng);主動(dòng)盤和從動(dòng)盤上都設(shè)有均布的4個(gè)孔,孔內(nèi)分別安裝轉(zhuǎn)軸2和轉(zhuǎn)軸3,8根轉(zhuǎn)軸之間由4根連桿5進(jìn)行連接,并用螺釘鎖緊,每根轉(zhuǎn)軸2上安裝有兩個(gè)喇叭嘴6(相當(dāng)于安裝在連桿5上).由于孔的中心到轉(zhuǎn)盤中心的距離均相等,主動(dòng)盤1和從動(dòng)盤4等同于8根長(zhǎng)度相同的曲柄,與4根長(zhǎng)度相等的連桿5構(gòu)成4個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu).平行四邊形機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是連桿自身的角速度為零[11].

圖2 連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)喇叭嘴工作時(shí),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)盤以角速度ω4轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸2帶動(dòng)喇叭嘴6一邊隨主動(dòng)盤以角速度ω4公轉(zhuǎn),一邊繞自身旋轉(zhuǎn)中心以角速度-ω4自轉(zhuǎn).喇叭嘴的公轉(zhuǎn)用于保障濾棒切割時(shí)喇叭嘴與濾棒縱向同步運(yùn)動(dòng);喇叭嘴的自轉(zhuǎn)用于保障喇叭嘴一直保持豎直,使濾棒切割時(shí)不與刀盤發(fā)生干涉,并使濾棒切口平齊.喇叭嘴在濾棒切割時(shí)的水平分速度與主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速和曲柄長(zhǎng)度有關(guān),當(dāng)濾棒長(zhǎng)度規(guī)格發(fā)生變化時(shí),需要調(diào)整曲柄長(zhǎng)度.

2 切割裝置的數(shù)學(xué)模型

單通道濾棒切割裝置的刀盤和喇叭嘴通常采用一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),其間通過(guò)齒輪和蝸桿傳動(dòng)保持同步.而雙通道濾棒切割裝置的刀盤和喇叭嘴采用兩個(gè)獨(dú)立的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),由電氣檢測(cè)和控制系統(tǒng)保持同步.刀盤上對(duì)稱安裝兩把切刀,刀盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈共切割出4支濾棒,每個(gè)通道兩支,刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與濾棒生產(chǎn)速度和濾棒長(zhǎng)度有以下關(guān)系:

式中:ω1為刀盤驅(qū)動(dòng)軸角速度,rad/s;V為單通道濾棒直線速度,m/min;L為生產(chǎn)的濾棒長(zhǎng)度,mm.

十字體傳動(dòng)關(guān)系如圖3所示,當(dāng)?shù)侗P的傾斜角為θ時(shí),假設(shè)點(diǎn)A0為十字體上軸a中心線上的一點(diǎn),點(diǎn)B0為十字體上軸b中心線上的一點(diǎn),且十字體上軸a和軸b的交點(diǎn)到A0和B0的距離相等,則A0繞刀盤軸的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)圓,B0繞虎克軸的運(yùn)動(dòng)軌跡也是一個(gè)圓,B0的運(yùn)動(dòng)軌跡在A0的運(yùn)動(dòng)軌跡所在平面上的投影為一個(gè)橢圓.當(dāng)A0轉(zhuǎn)動(dòng)角度α1到達(dá) A1點(diǎn)時(shí),B0轉(zhuǎn)動(dòng)角度α2到達(dá) B1點(diǎn),B2點(diǎn)為 B1點(diǎn)的投影點(diǎn),由于OA0與OB0始終垂直,則∠B0OB2=∠A0OA1=α1;B3點(diǎn)為B1點(diǎn)繞OB0軸線旋轉(zhuǎn)角度θ后的點(diǎn),則∠B0OB3=α2.由圖3可得以下關(guān)系式[12]:

將式(2)簡(jiǎn)化并兩邊平方后可得:

將式(2)中的 α1和α2對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得:

聯(lián)立求解式(3)和式(4)可得:

式中:ω2為刀盤虎克軸角速度,rad/s;θ為刀盤軸與虎克軸的夾角,(°);α1為刀盤軸的轉(zhuǎn)角,(°).

圖3 十字體傳動(dòng)關(guān)系圖

由此可見(jiàn),虎克軸的角速度做周期性變化,當(dāng)α1等于0或180°時(shí),ω2max=ω1/cos θ;當(dāng)α1等于90°或270°時(shí),ω2min=ω1cos θ.

假設(shè)當(dāng)?shù)侗P軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度α1時(shí),十字體繞其上的軸b擺動(dòng)角度α3,投影距離B1B2隨α3變化而變化,則 sin α3=B1B2/OB1.由于 B1B2/B1B0=sin θ,B1B0/OB1=CB2/OB2=sin α1,整理后可得:

將式(6)中的α1和α3對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得:

式中:ω3為十字體擺動(dòng)時(shí)的角速度,rad/s.

十字體在相對(duì)虎克軸的坐標(biāo)系下為來(lái)回?cái)[動(dòng)狀態(tài),但當(dāng)擺動(dòng)半個(gè)周期后,虎克軸正好帶動(dòng)十字體翻轉(zhuǎn)180°,致使十字體在絕對(duì)坐標(biāo)系下一直保持向一個(gè)方向擺動(dòng).因此式(7)中,當(dāng)90°≤α1≤270°時(shí)取負(fù)號(hào);當(dāng)-90°lt;α1lt;90°時(shí)取正號(hào);當(dāng)α1等于0或180°時(shí),ω3max=ω1sin θ.

雙通道濾棒切割裝置如圖4所示,喇叭嘴轉(zhuǎn)盤上均布安裝4套喇叭嘴,轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈共切割出8支濾棒,每個(gè)通道4支,喇叭嘴轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與濾棒生產(chǎn)速度和濾棒長(zhǎng)度有以下關(guān)系:

式中:ω4為喇叭嘴驅(qū)動(dòng)盤的角速度,rad/s.

圖4 雙通道濾棒切割裝置示意圖

設(shè)計(jì)時(shí)首先確定兩個(gè)成型腔的中心距離為41 mm,刀盤虎克軸與成型腔中心的垂直距離為235 mm,切刀寬度為60 mm.為使切刀從切入喇叭嘴到轉(zhuǎn)至垂直位置的時(shí)間與從垂直位置脫開(kāi)喇叭嘴的時(shí)間相等,應(yīng)使切入和脫開(kāi)時(shí)切刀與垂直方向的夾角同為β.因此,將刀盤虎克軸由兩個(gè)成型腔的中心向脫開(kāi)側(cè)偏移一定距離,偏移后與切入側(cè)的水平距離為25 mm.在將切刀形狀和高度調(diào)整至預(yù)設(shè)值后,可測(cè)量得到切刀切入濾棒時(shí)β1=11.5°,切刀切入喇叭嘴時(shí)β2=12.9°.當(dāng)切刀由零點(diǎn)位置轉(zhuǎn)到切入位置時(shí),α2=90°-β,再轉(zhuǎn)過(guò)角度β到達(dá)豎直位置,在此過(guò)程中刀盤軸轉(zhuǎn)角由式(2)可知tan(90°-α1)/tan(90°-β)=cos θ,則α1=arctan(tan β/cos θ).

在對(duì)雙通道濾棒進(jìn)行切割過(guò)程中,切刀和喇叭嘴在濾棒運(yùn)動(dòng)方向的分速度都是先逐漸增大,在豎直位置達(dá)到最大值,再逐漸減小,因此無(wú)法與濾棒運(yùn)動(dòng)速度保持同步.為使濾棒切口平齊,切刀切入濾棒時(shí)的刀刃和切刀脫開(kāi)濾棒時(shí)的刀背在濾棒前進(jìn)方向的線速度應(yīng)等于濾棒線速度,即:

將式(7)和式(1)代入式(9)后整理可得:

由式(10)可求解不同濾棒長(zhǎng)度時(shí)的刀盤傾斜角度.同時(shí),切割時(shí)喇叭嘴在濾棒運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)的總長(zhǎng)度應(yīng)等于該段時(shí)間內(nèi)濾棒前進(jìn)的距離,即:

式中:D為喇叭嘴的旋轉(zhuǎn)直徑,mm;t為切刀切入喇叭嘴位置轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直位置所需的時(shí)間,s.

因此,切刀切入時(shí)間與刀盤軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系:

由式(8)可知,α4=α1/2,再聯(lián)立式(11)和式(12)可得:

由式(13)可求解不同濾棒長(zhǎng)度和刀盤傾斜角時(shí)喇叭嘴的旋轉(zhuǎn)直徑.依據(jù)式(10)和式(13)在Matlab軟件中求解不同濾棒長(zhǎng)度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑[13],并將計(jì)算值與G.D提供值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1.可見(jiàn),計(jì)算值與G.D提供值偏差較小.

表1 不同濾棒長(zhǎng)度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑的計(jì)算值與G.D提供值對(duì)比

3 切割裝置的仿真分析

在Creo Parametric軟件中建立簡(jiǎn)化的切割裝置參數(shù)化三維模型,以Parasolid格式輸出并導(dǎo)入至ADAMS軟件中[14-15],仿真模型見(jiàn)圖5.

當(dāng)濾棒長(zhǎng)度L=126 mm,單通道生產(chǎn)速度V=500 m/min時(shí),根據(jù)式(1)可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)軸角速度ω1,將此運(yùn)動(dòng)定義到切割裝置仿真模型(反方向旋轉(zhuǎn)),測(cè)得的虎克軸和十字體角速度隨時(shí)間變換曲線見(jiàn)圖6.可見(jiàn),仿真結(jié)果與式(5)和式(7)的計(jì)算結(jié)果相同,表明切割裝置數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)是正確的.

圖5 切割裝置仿真模型

圖6 虎克軸和十字體角速度隨時(shí)間變換曲線

在切刀和喇叭嘴的切割濾棒處添加marker點(diǎn),仿真時(shí)測(cè)量這兩個(gè)點(diǎn)沿濾棒前進(jìn)方向的線速度,見(jiàn)圖7.仿真結(jié)果顯示,在切割濾棒前后,切刀和喇叭嘴在濾棒運(yùn)動(dòng)方向的分速度都是先逐漸增大,在豎直位置達(dá)到最大且大于濾棒前進(jìn)速度時(shí),再逐漸減小,表明切割裝置數(shù)學(xué)模型的分析是正確的.

圖7 喇叭嘴、切刀和濾棒線速度隨時(shí)間變換曲線

在切刀和喇叭嘴之間定義接觸力,然后建立對(duì)該接觸力進(jìn)行測(cè)量的函數(shù),最后定義監(jiān)視測(cè)量函數(shù)的傳感器,由此對(duì)切割裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè).按表1中計(jì)算值逐個(gè)進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示,切割裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,切刀和喇叭嘴不會(huì)發(fā)生碰撞,表明切割裝置數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果是正確的.

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)雙通道濾棒切割裝置時(shí),首先應(yīng)確定雙通道中心間距、切刀寬度、刀盤直徑和刀盤旋轉(zhuǎn)中心位置;然后以切刀刀刃切入濾棒和刀背脫開(kāi)濾棒時(shí),切刀水平方向線速度等于濾棒線速度為原則,計(jì)算不同濾棒長(zhǎng)度時(shí)的刀盤傾斜角度;最后以切刀刀刃進(jìn)入喇叭嘴至刀背脫開(kāi)喇叭嘴過(guò)程中,喇叭嘴在水平方向前進(jìn)的距離等于濾棒前進(jìn)距離為原則,計(jì)算不同濾棒長(zhǎng)度和刀盤傾斜角度時(shí)的喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑.仿真結(jié)果顯示,建立的切割裝置數(shù)學(xué)模型的理論分析和計(jì)算結(jié)果是正確的.以切刀、喇叭嘴和濾棒三者的空間交互運(yùn)動(dòng)建立的數(shù)學(xué)模型,能夠用于計(jì)算和設(shè)計(jì)不同濾棒長(zhǎng)度規(guī)格的雙通道濾棒切割裝置.

[1] 吉地股份公司.一種用于煙草制品的切割裝置:中國(guó),200710006367.4[P].2007-08-15.

[2] 常紀(jì)恒,趙榮,余振華,等.濾棒成型工藝參數(shù)與質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)系[J].煙草科技,2007(1):5-8.

[3] 南通醋酸纖維有限責(zé)任公司.KDF4濾棒成型機(jī)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流材料[G].2010.

[4] 韓紅彬.KDF2濾棒成型機(jī)紙盤架裝置的改進(jìn)[J].煙草科技,2011(12):23-25.

[5]HAUNI公司.PROTOS M8操作手冊(cè)[G].2010.

[6] 周斌,陳文,趙朝陽(yáng),等.PROTOS M8卷接機(jī)組煙支切割系統(tǒng)原理分析與參數(shù)研究[J].煙草科技,2014(11):21-23.

[7] 陳文,吳磊,趙朝陽(yáng),等.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J].煙草科技,2011(10):20-23.

[8] 段紹偉,黃蘭英.改造后YJ19卷煙機(jī)刀頭與喇叭嘴同步問(wèn)題的解決[J].煙草科技,2007(7):24-26.

[9]G.D公司.DF10 Filter Maker Adjustment Manual[G].2011.

[10]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].7版.北京:高等教育出版社,2003.

[11]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[12]晉萍,聶宏.運(yùn)用CATIA和ADAMS的虎克軸萬(wàn)向聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真[J].現(xiàn)代制造工程,2011(2):25-28.

[13]張智星.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[14]鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[15]倪進(jìn)鋒,徐誠(chéng).Pro/E與ADAMS的復(fù)雜模型傳遞方法[J].機(jī)械工程師,2004(9):15-16.

責(zé)任編輯 曹 娟

Design and Simulation Analysis of Cutoff Device for Twin Filter Rods

XIE Mingjin,HAN Hongbin,and LI Yiduan
China Tobacco Machinery Technology Center Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China

In order to master the cutoff device for twin filter rods in filter rod maker,the structure of the device was analyzed.The relationships of filter plug length with the inclination angle of cutoff blade carrier and the rotational diameter of ledgers were derived and a mathematic model was developed,simulation analysis was conducted as well.The results showed that:1)The center-to-center distance between the twin filter rods,blade width and the diameter and rotary center location of blade carrier should be decided before designing.2)Filter plug length decided the inclination angle of blade carrier.3)Filter plug length and the inclination angle of blade carrier decided the rotational diameter of the ledgers.4)The inclination angles of blade carrier and the rotational diameter of ledgers corresponding to various filter plug lengths were calculated with Matlab software,the calculated results were close to the values provided by G.D Corporation.The theoretical analysis and calculation results of the mathematic model were proved to be correct and applicable to designing the cutoff device for twin filter rods.

Filter maker;Twin filter rods;Cutoff blade carrier;Ledger;Cutoff device

TS457

B

1002-0861(2015)10-0084-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151015

2015-02-25

2015-07-08

中國(guó)煙草總公司科技重點(diǎn)項(xiàng)目quot;1 000米/分鐘濾棒成型機(jī)組引進(jìn)技術(shù)消化吸收quot;(110201202020).

謝明金(1983-),碩士,工程師,主要從事濾棒成型機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).E-mail:95400243@qq.com

謝明金,韓紅彬,李義端.雙通道濾棒切割裝置設(shè)計(jì)及仿真分析[J].煙草科技,2015,48(10):84-88.XIE Mingjin,HAN Hongbin,LI Yiduan.Design and simulation analysis of cutoff device for twin filter rods[J].Tobacco Scienceamp;Technology,2015,48(10):84-88.