劉丕群

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瓦線橫切機(jī)刀軸偏心質(zhì)量對切刀磨損影響的研究

劉丕群

（廣州賽寶認(rèn)證中心服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510610）

瓦線橫切機(jī)的刀軸結(jié)構(gòu)由于存在偏心質(zhì)量，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或者徑向振動(dòng)。通過ANSYS有限元計(jì)算和ADAMS仿真分析分別得到了刀軸的徑向最大變形和振動(dòng)幅值，通過比較兩組數(shù)據(jù)的大小，得到分析刀軸偏心質(zhì)量對切刀磨損的影響時(shí)可忽略其引起的刀軸振動(dòng)，只考慮刀軸徑向變形的影響。

瓦線橫切機(jī)；刀軸結(jié)構(gòu)；徑向變形；刀軸振動(dòng)

當(dāng)今社會(huì)，越來越多的商品要用到瓦楞紙包裝[1-2]，橫切機(jī)作為瓦楞紙板生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能、功能受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外許多專家學(xué)者也對此開展了大量的研究。而切刀刀軸作為其最重要的功能性部件也具有重大研究價(jià)值[3]。

目前生產(chǎn)中廣泛使用的瓦楞紙板生產(chǎn)線橫切機(jī)如圖1所示，其刀軸結(jié)構(gòu)主要由刀軸1、刀座2和切刀3組成。每臺(tái)橫切機(jī)具有上下平行安裝的兩組刀軸結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩刀軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，瓦楞紙板在兩切刀之間的縫隙穿過，通過兩把切刀對瓦楞紙板共同作用的剪切力進(jìn)行瓦楞紙板的裁切[4]。刀軸在橫切機(jī)上安裝時(shí)兩切刀之間的間隙很小，如果兩刀刃不平行，則兩切刀在裁切紙板時(shí)可能會(huì)發(fā)生接觸，并受到較大接觸力而加快切刀磨損，使得切刀壽命變短、失效快，需要經(jīng)常換刀維修，生產(chǎn)成本加大。圖1可以看出該刀軸存在不對稱結(jié)構(gòu)，具有偏心質(zhì)量，工作過程中由于離心力的作用，刀軸結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或者徑向振動(dòng)，有可能導(dǎo)致切刀在工作過程中出現(xiàn)接觸或碰撞加劇，這將大大加速切刀的磨損甚至導(dǎo)致其直接失效。

圖1 橫切機(jī)上下刀軸安裝結(jié)構(gòu)圖

本文將分別研究由偏心質(zhì)量引起的刀軸彎曲變形和徑向振動(dòng)，進(jìn)而對這兩種現(xiàn)象對切刀磨損影響的大小作出判定，并提出相應(yīng)的改善意見。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刀軸應(yīng)變的有限元計(jì)算

根據(jù)瓦楞紙板生產(chǎn)線橫切機(jī)刀軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，考慮實(shí)際工況，以求解過程所需的時(shí)間及結(jié)果精度等為基本尺度[5]，在進(jìn)行刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)工況下彎曲應(yīng)變計(jì)算時(shí)的要求為：①由于刀軸結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，有限元建模時(shí)以不影響其結(jié)構(gòu)動(dòng)特性為原則進(jìn)行簡化；②有限元模型的網(wǎng)格密度要求適中，在保證計(jì)算結(jié)果精度的前提下，盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

1.1 刀軸有限元模型的建立

橫切機(jī)刀軸結(jié)構(gòu)的刀軸、刀座和裁紙飛刀是通過螺栓鏈接安裝的，在建立有限元模型時(shí)認(rèn)為其是剛性連接的，同時(shí)，可以忽略結(jié)構(gòu)中的倒角、螺孔以及相對整體結(jié)構(gòu)而言尺寸很小且對計(jì)算結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)。刀軸和刀座的材料類型設(shè)定為45號(hào)鋼，裁紙飛刀的材料類型為合金鋼，計(jì)算時(shí)彈性模量統(tǒng)一設(shè)定為2.1×1011N/m2，泊松比為0.29.

由于該刀軸模型較大，計(jì)算時(shí)網(wǎng)格劃分不宜過小，所以，設(shè)定全局單元邊界長度為20 mm進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后得到節(jié)點(diǎn)總數(shù)7 328個(gè)，劃分單元總數(shù)21 953個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 刀軸有限元網(wǎng)格劃分

1.2 約束和加載

根據(jù)刀軸結(jié)構(gòu)的實(shí)際安裝特點(diǎn)，刀軸兩端的支撐條件可認(rèn)為是一端固定鉸支，一端滑動(dòng)鉸支。在ANSYS中施加邊界條件時(shí)，約束一端的移動(dòng)自由度X，Y，Z以及另一端的移動(dòng)自由度X，Y即可。

本文研究刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心質(zhì)量引起的刀軸應(yīng)變大小，則其載荷即為離心力。在ANSYS中，利用施加角速度的功能直接將刀軸的轉(zhuǎn)速施加在模型上，ANSYS可以自動(dòng)計(jì)算離心力的大小。

根據(jù)生產(chǎn)要求，=300 m/min=5 m/s，取裁切長度=1 m，則可計(jì)算得刀軸角速度=31.415 rad/s，將該轉(zhuǎn)速施加在已經(jīng)劃分好網(wǎng)格的模型上即可進(jìn)行計(jì)算。

1.3 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可得裁切紙板長度為1 m時(shí)，刀軸在方向的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，可見最大應(yīng)變發(fā)生在刀軸中點(diǎn)處，其值為0.053 6 mm，可見工作時(shí)由偏心質(zhì)量引起的刀軸應(yīng)變比較大，對切刀的磨損影響不容忽視。

同時(shí)，計(jì)算裁切一系列不同長度的瓦楞紙板所對應(yīng)的刀軸轉(zhuǎn)速和刀軸的最大應(yīng)變?nèi)绫?所示，可見當(dāng)紙板長度為0.2 m時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?.339 mm，這對切刀的磨損影響非常大，甚至有可能直接造成切刀的破壞。當(dāng)紙板長度由0.2 m增加至0.5 m時(shí)，刀軸的最大應(yīng)變快速減小至0.214 mm，之后最大應(yīng)變值隨裁切紙板的長度變化較為緩慢。此時(shí)，最大應(yīng)變雖然相對較小，但是其對裁紙切刀磨損失效的影響仍然不容忽視。

表1 裁切不同長度的瓦楞紙板對應(yīng)的刀軸轉(zhuǎn)速和向最大應(yīng)變

裁切紙板長度L/m0.20.51.01.52.02.5 刀軸角速度ω/（rad/s）157.0862.8331.4220.9415.7112.57 Y向最大應(yīng)變/mm1.3390.2140.536E-010.238E-010.134E-010.857E-02

2 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刀軸徑向振動(dòng)的仿真分析

橫切機(jī)安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，刀軸1以軸承3支撐在軸承套2上面，進(jìn)而通過軸承套安裝在機(jī)架上。在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)條件下刀軸徑向振動(dòng)的分析時(shí)，需要考慮軸承套的彈性作用對橫切機(jī)刀軸的振動(dòng)的影響，軸承套的彈性影響是通過兩個(gè)軸承傳遞到刀軸的。模型簡化時(shí)刀軸機(jī)構(gòu)與實(shí)際一樣，只是在原來剛性支撐的兩軸承處代以兩個(gè)彈性支撐以模擬中間軸承套的彈性對刀軸支撐的影響，假設(shè)每個(gè)彈性支撐均由四個(gè)均布的彈簧組成[6-7]，如圖5所示，1為刀軸，2為四個(gè)均布彈簧。

圖4 橫切機(jī)安裝結(jié)構(gòu)圖

圖5 彈簧的分布示意圖

此時(shí)，橫切機(jī)刀軸的安裝結(jié)構(gòu)可以簡化為如圖6所示結(jié)構(gòu)，刀軸與支撐之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，給其賦裁切1 m長瓦楞紙板時(shí)刀軸的轉(zhuǎn)速值=31.415 rad/s，支撐與ground之間添加固定副，彈簧剛度和阻尼根據(jù)文獻(xiàn)分別設(shè)定為2.0E8 N/m和1.0E7 N/m/s和，設(shè)定仿真時(shí)間和步長分別為5.0 s和0.01 s。振動(dòng)幅值為3.6E-0.4 mm。同時(shí)，計(jì)算裁切一系列不同長度的瓦楞紙板所對應(yīng)的刀軸轉(zhuǎn)速和刀軸的振動(dòng)幅值如表2所示。裁切1 m長瓦楞紙板時(shí)刀軸振動(dòng)曲線如圖7所示。

圖6 刀軸安裝結(jié)構(gòu)簡化模型

圖7 裁切1 m長瓦楞紙板時(shí)刀軸振動(dòng)曲線

表2 裁切不同長度的瓦楞紙板對應(yīng)的刀軸振動(dòng)幅值

裁切紙板長度L/m0.20.51.01.52.02.5 刀軸振動(dòng)幅值/mm1.4E-038.0E-043.6E-042.1E-041.4E-049.4E-05

3 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元分析和ADAMS動(dòng)態(tài)仿真分別得到了由偏心質(zhì)量引起的刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的徑向最大變形以及刀軸振動(dòng)幅值。對比表1和表2的兩組數(shù)據(jù)可知，裁切相同長度的瓦楞紙板時(shí)，刀軸的徑向最大變形比刀軸的振動(dòng)幅值大3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，在分析刀軸偏心質(zhì)量對切刀磨損的影響時(shí)可將其引起的刀軸振動(dòng)的影響忽略，只考慮其引起的刀軸徑向最大變形的影響。

由表1可以看出，刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)徑向變形較大，其對刀軸磨損的影響不容忽視，另外，裁切長度短的紙板時(shí)，比如紙板長度為0.2 m時(shí)，轉(zhuǎn)速較大，這時(shí)刀軸徑向變形可以達(dá)到1.339 mm，這一變形有可能直接導(dǎo)致切刀破壞失效。因此，在刀軸設(shè)計(jì)安裝時(shí)，應(yīng)盡量減小或消除偏心質(zhì)量的存在；在生產(chǎn)使用時(shí)，應(yīng)盡量減小偏心質(zhì)量的影響。

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2095－6835（2019）03－0055－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.055

劉丕群（1989—），男，山東聊城人，科研工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃旒肮I(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

〔編輯：張思楠〕