丁彩紅，楊 柳

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院, 上海 201620)

化妝棉裁切機將卷狀的化妝棉原料(簡稱“棉布”)裁切成方型棉片的工藝過程如圖1所示。棉布通過第一牽引輥的滾壓沿輸送方向按一定間隔形成壓痕。當(dāng)棉布被輸送至縱切刀處時,由等間隔布置的多組縱切圓刀片將整幅棉布剖分成寬度相等的條狀棉布,再經(jīng)第二牽引輥的接力輸送,由橫切刀將條狀棉布橫向切斷,從而得到一行長60 mm、寬50 mm的方形化妝棉片,棉片的上下切口處具有壓點。

圖1 化妝棉裁切工藝過程簡圖Fig.1 The diagram of cosmetic pad cutting process

棉布為柔性薄物料,由于牽引輸送過程中的牽拉作用,其在長度方向會產(chǎn)生一定的縱向伸長量。同時,由于牽引對輥的軸向壓力分布不均勻[1-2],導(dǎo)致沿幅寬方向不同位置處棉布的縱向伸長量不相等,尤其對于寬幅(幅寬超過1 m)裁切機,這種現(xiàn)象更為突出,將直接導(dǎo)致生產(chǎn)的棉片產(chǎn)品不合格。為此,有必要對寬幅裁切機的牽引輥組系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計,以減小棉布縱向伸長量的分布不均,保證棉片生產(chǎn)質(zhì)量。

左永強[3]對牽引輥組進(jìn)行差速設(shè)計,使輸送的棉布保持一定的張緊拉伸。李杰超[4]分析了衛(wèi)生紙復(fù)卷機輥組間物料的伸長率變化規(guī)律,從而指導(dǎo)輥組送料系統(tǒng)的設(shè)計。翁崇濱[5]利用對輥輸送產(chǎn)生的張力使鋁帶材產(chǎn)生一定的延伸率,進(jìn)而確保鋁帶材的矯直效果。

成對輥組對物料的軋制可使物料狀態(tài)發(fā)生變化[6-7],然而軋制壓力的分布情況將影響物料狀態(tài)變化程度的一致性,因此需考慮輥組的壓力均勻性。Kang等[8]通過輸送對輥的輥型設(shè)計以保障物料受對輥擠壓后的應(yīng)變均勻。張云錦等[9]為解決帶鋼軋制邊緣減薄的問題,采用錐度工作壓輥使帶鋼的厚度更均勻。馬曉寶[10]分析了硅鋼板橫向厚度不均勻產(chǎn)生的原因,提出工作輥端部錐輥型補償策略,一定程度上解決硅鋼板邊緣減薄問題。羅星[11]應(yīng)用ANSYS軟件設(shè)計工具對輸送輥進(jìn)行兩端錐度優(yōu)化設(shè)計,解決了編織袋輸送過程中壓力不勻的問題。借鑒上述研究的思路,本文首先通過拉伸試驗得到化妝棉原料的拉伸特性,并分析化妝棉在輸送過程中的縱向伸長情況,然后應(yīng)用有限元分析方法對牽引輥的壓力分布特性進(jìn)行分析,并完成輥組結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和改進(jìn),使棉布被牽引輸送時沿幅寬方向不同位置處的伸長率更均勻,保證棉片產(chǎn)品的尺寸基本保持一致。

1 化妝棉原料的拉伸特性

材料的參數(shù)一般由試驗數(shù)據(jù)分析得出[12]。化妝棉原料為三層鋪網(wǎng)的脫脂棉布,采用HD026 N型電子織物強力儀對多組長條狀脫脂棉布試樣進(jìn)行拉伸試驗,如圖2(a)所示,得到多組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(b)所示。

圖2 試樣拉伸試驗與應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile test and stress-strain curve of the sample

由圖2(b)可知,棉布伸長率小于8%時,其內(nèi)部纖維未被拉伸破壞。因此將伸長率為8%作為裁切機送料系統(tǒng)傳動牽引輥組速比設(shè)計和第一牽引輥輥型優(yōu)化的依據(jù)。

2 裁切機送料系統(tǒng)設(shè)計

2.1 棉布輸送伸長對成品棉片尺寸的影響

棉布在輸送和縱切的時候需保持張緊拉伸,而第一牽引輥的壓點對棉布產(chǎn)生壓延作用,因此,張緊拉伸和壓延的共同作用使棉布有一定的伸長率。條狀棉布被橫切刀橫向切斷時,棉布處于上端夾持、下端自由的狀態(tài)(見圖1所示)。裁切機的門幅越寬,牽引輥組的橫向壓力不勻越明顯,棉布沿幅寬方向不同位置處的伸長率不一致,伸長率越大處的棉布被橫向切斷后,棉片的伸長回復(fù)量也越大,因此,橫切得到的一行棉片產(chǎn)品的長度存在一定程度的差異。

針對圖1中所示的方形棉片產(chǎn)品,長度尺寸誤差需控制為-1～1 mm,而棉布在裁切機中的輸送過程對棉片的長度尺寸產(chǎn)生主要影響,故需對棉布輸送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,確保棉布在輸送過程中的伸長率合理且均勻,以保證橫向各個位置裁出的成品化妝棉片的長度均滿足生產(chǎn)要求。

2.2 差速輥組間物料輸送的伸長率分析

柔性物料在兩對輥組之間輸送時的張力和伸長率通過廣義胡克定理的演變公式計算,如式(1)和(2)所示。

式中:T為物料張力,N;E為物料彈性模量,MPa;A為物料截面積,m2;L為兩對輥組間距離,m;v1為第一牽引輥的線速度,m/s;v2為第二牽引輥的線速度,m/s;t為輥組送料時間,s;ε為物料伸長率。

輥組送料在每一周期都有物料進(jìn)出輥組,式(2)僅適用于物料從開始引料到伸長率穩(wěn)定時的伸長率計算,因此,當(dāng)伸長率穩(wěn)定后,棉布在輥組間輸送時的伸長率計算公式需進(jìn)行修正。

棉布從原料卷中拉出后經(jīng)過輥組完成穿料操作,然后啟動裁切機開始引料,輥組間物料的伸長率穩(wěn)定后才能正式開始裁切成品。棉布從穿料到伸長率穩(wěn)定的3個階段在兩對牽引輥組之間的物料拉伸情況示意如圖3所示,其中將相距L的兩對輥組間的物料劃分為n段。

圖3 不同階段時輥組間物料的伸長情況示意圖Fig.3 Sketch of material elongation between roller groups in different stages

如圖3(a)所示,穿料完成時兩對牽引輥組之間的物料伸長量為0。如圖3(b)所示,兩對輥組夾緊棉布開始引料,將引料時間劃分為多個時間段,t1時間段第一牽引輥將v1×t1=L/n長的物料送入輥組間,第二牽引輥將L/n+Δs=v2×t1長的物料送出輥組間,假定物料在t1時間段的伸長量Δs全部施加在輥間物料劃分的第1段,以此類推tn時間段物料的伸長量Δs全部施加在第n段,由此分析可得,在經(jīng)過一段時間引料后,每段物料的伸長率都為(n×Δs)/L=(v2-v1)/v1,故輥組間物料的伸長率為(v2-v1)/v1,此時可以正式開始裁切成品。正式裁切的第一個周期如圖3(c)所示,第一牽引輥將長度為v1×t=60mm的物料送入輥組,第二牽引輥將長度為v2×t的物料送出輥組,故第一個周期送入的物料在輥組間的伸長率為(v2-v1)t/60=(v2-v1)/v1,此時輥組間整體物料的伸長率仍不變,輥組間物料受輥組拉伸的伸長率將恒定為

上述僅分析了棉布受差速輥組張緊時的伸長率,還需進(jìn)一步考慮棉布受第一牽引輥壓延作用對其伸長率的影響。設(shè)第一牽引輥壓延作用后棉布的原長率為ξ,ξ為棉布原長度與壓延伸長后長度的比值,則正式裁切時的每個周期第一牽引輥送入物料的原長度實際為60ξmm。故綜合考慮第一牽引輥的壓延作用和輥組間的張緊拉伸,得到棉布在裁切機中輸送時的總伸長率[4]為

2.3 裁切機送料輥組傳動速比設(shè)計

設(shè)計裁切機送料輥組的傳動簡圖如圖4所示,其中:第一牽引輥組的兩個輥上下豎直布置,線速度為v1;第二牽引輥組的兩個輥前后水平布置,線速度為v2。

圖4 裁切機傳動簡圖Fig.4 The transmission diagram of the cutting machine

為保證棉布被拉伸后既保持一定的張緊力又不會斷裂損壞,設(shè)置棉布在輸送時受輥組張緊拉伸的伸長率為4%。設(shè)計送料輥組速度的關(guān)系為

式中:D1為第一牽引輥的直徑,mm;Z1為第一牽引輥上同步帶輪的齒數(shù);D2為第二牽引輥的直徑,mm;Z2為第二牽引輥上同步帶輪的齒數(shù)。實際設(shè)計時取D1=191mm,Z1=51,D2=74mm,Z2=19。

3 第一牽引輥結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

第一牽引輥組主要用于對棉布的牽引輸送和壓點軋制,作用在輥組表面的壓力較大,由于棉布鋪網(wǎng)不勻、長輥的變形等因素,容易導(dǎo)致輥組在輸送棉布時軸向的壓力不均勻。為此,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對第一牽引輥進(jìn)行接觸變形仿真,以分析棉布沿幅寬方向不同位置處的壓延情況。

對第一牽引輥組的上、下輥均只創(chuàng)建四分之一模型,利用對稱算法來簡化模型的仿真計算。下輥兩端軸承處施加圓環(huán)約束,只保留其沿著軸向轉(zhuǎn)動的自由度,上輥兩端軸承處施加遠(yuǎn)端位移約束,限制自由度使其只能向下移動和沿著軸向轉(zhuǎn)動,并在上輥軸承位置處施加軸承載荷,模型整體施加向下的重力加速度,輥子材料定義為模具鋼材料。網(wǎng)格劃分采用掃掠網(wǎng)格劃分方法,第一牽引輥組整體模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示。通過仿真分析,得到第一牽引輥組上、下輥的接觸變形情況如圖6所示。

圖6 第一牽引輥組接觸變形云圖Fig.6 Contact deformation cloud map of the first traction roller group

由圖6可知,第一牽引輥受重力和壓力的作用,上輥出現(xiàn)上凸的趨勢,下輥出現(xiàn)下凹的趨勢,并且輥子中間的變形最大,上輥最大上凸量為0.036 mm,下輥最大下凹量為0.116 mm,導(dǎo)致輥組的中間間隙大而兩邊間隙小,且軸向接觸間隙差異明顯,間隙均勻性差,這將導(dǎo)致棉布沿軸向受輥組壓延作用不均勻。為使棉布受壓均勻,保證在不同位置處裁切出的成品化妝棉片尺寸盡量一致,根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計了兩端為錐形的下輥,其尺寸示意如圖7所示,尺寸單位為mm。

圖7 第一牽引下輥尺寸圖Fig.7 The dimensions of the first traction lower roller

根據(jù)前述分析得到的輥子變形情況,改進(jìn)設(shè)計下輥兩端的錐度尺寸:D=190.2 mm,Ls=972 mm。對改進(jìn)設(shè)計后的第一牽引輥組進(jìn)行ANSYS軟件仿真分析,得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 改進(jìn)設(shè)計后的第一牽引輥組接觸變形云圖Fig.8 Contact deformation cloud map of the first traction roller group after improvement

在上、下輥接觸線處定義路徑,查看下輥輥型改進(jìn)設(shè)計后第一牽引輥組上、下輥接觸線處的變形情況,并提取沿接觸線的變形分布,如圖9所示。將圖9中軸向?qū)?yīng)位置處上輥接觸線的變形量減去下輥接觸線變形量并增加上輥錐部對應(yīng)的間隙值,得到改進(jìn)后的第一牽引輥組在輸送棉布時兩輥接觸面的間隙分布情況,如圖10所示。

圖9 上、下輥接觸線處的變形數(shù)據(jù)Fig.9 Deformation data of upper and lower roller contact lines

圖10 改進(jìn)設(shè)計后輥組的接觸間隙Fig.10 Contact deformation gap of the improved roller group

由圖10可知,第一牽引輥組的下輥進(jìn)行兩端錐形設(shè)計后,對輥接觸變形后產(chǎn)生的最大間隙為0.147 mm,最小間隙為0.090 mm,間隙差距較小,其間隙均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于下輥改進(jìn)設(shè)計前,從而驗證了改進(jìn)方案的可行性。棉布的厚度為3.000 mm,采用改進(jìn)后的第一牽引輥組輸送棉布,輥組間隙差異性導(dǎo)致第一牽引輥輸入棉布的厚度差值為0.057 mm,由于第一牽引輥組上輥上凸起的壓點高度為2.500 mm,因此原長率最大處的棉布厚度為2.647 mm,棉布的最大原長率為ξmax=2.647/3=88.23%,同理得出棉布的最小原長率為ξmin=2.590/3=86.33%,由式(6)可知,v2/v1=1.04。根據(jù)上述數(shù)值由式(4)可算得棉布在輸送過程中軸向不同位置處總伸長率的最大差值為

由圖1可知,棉布經(jīng)送料系統(tǒng)輸送至橫向切斷工位時,棉布處于上端被夾持的自由下垂?fàn)顟B(tài),通過棉布材料拉伸回復(fù)模型計算可知,此時棉布的伸長量可回復(fù)80%左右,由此可計算沿橫向不同位置處裁出的成品棉片長度的最大差值約為60mm×(1-80%)×2.59%=0.311mm<1.000mm,滿足成品棉片生產(chǎn)的長度誤差要求。

4 結(jié) 語

對化妝棉裁切機輥組送料時棉布的總伸長率情況進(jìn)行了分析,并在此基礎(chǔ)上對裁切機的送料輥組和輥型進(jìn)行了設(shè)計,提高了現(xiàn)有化妝棉裁切機的裁切質(zhì)量,主要結(jié)論如下:

(1)通過試驗得到了棉布的材料特性,用于指導(dǎo)裁切機輥組牽引送料系統(tǒng)的設(shè)計;

(2)理論分析確定了裁切機輥組送料時棉布總伸長率的計算公式;

(3)基于ANSYS軟件仿真分析裁切機第一牽引輥組的改進(jìn)設(shè)計,使棉布在裁切機中輸送時沿軸向不同位置處的總伸長率基本均勻,且使裁切后成品棉片的長度誤差控制在允許范圍內(nèi),保證了成品化妝棉片尺寸符合生產(chǎn)要求。