ZL29濾棒成型機(jī)組濾棒加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)

王志剛，劉鈺，金風(fēng)凱

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) 201206

ZL29濾棒成型機(jī)組濾棒加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)

王志剛，劉鈺，金風(fēng)凱

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) 201206

為滿足自主研發(fā)濾棒成型機(jī)組的需要，對(duì)ZL29濾棒成型機(jī)組濾棒加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)濾棒加速原理進(jìn)行歸納分析，對(duì)濾棒加速作了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算，得出了速度和加速度規(guī)律，并提出了一種加速輪輪廓參數(shù)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。以100，120和132 mm 3種濾棒長(zhǎng)度為例進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與德國(guó)Hauni公司提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照。結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)良好吻合，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性。該設(shè)計(jì)方法可用于濾棒成型機(jī)組的研發(fā)設(shè)計(jì)。

ZL29濾棒成型機(jī)組；濾棒加速；加速輪；輪廓參數(shù)；運(yùn)動(dòng)學(xué)

近年來(lái)隨著纖維濾棒成型技術(shù)的日臻成熟和完善，我國(guó)的濾棒成型設(shè)備也經(jīng)歷了從無(wú)到有、從低速到高速、自主開(kāi)發(fā)與引進(jìn)技術(shù)交替進(jìn)行的過(guò)程。伴隨著眾多項(xiàng)目的實(shí)施，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)濾棒成型機(jī)組中成型機(jī)部分進(jìn)行了較多研究，如成型槍?zhuān)?］、布帶輪［2］、紙盤(pán)架裝置［3］等。濾棒加速技術(shù)作為成型機(jī)濾棒傳輸?shù)闹匾M成部分，加速輪是實(shí)現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)所需的核心元件，其正確設(shè)計(jì)對(duì)于完成濾棒加速傳輸具有決定作用，而目前關(guān)于其設(shè)計(jì)方法的相關(guān)研究報(bào)道較少。ZL29濾棒成型機(jī)組是引進(jìn)德國(guó)Hauni公司AF-KDF4成型技術(shù)研發(fā)的一種新型濾棒生產(chǎn)設(shè)備，濾棒加速采用先進(jìn)的凸輪加速技術(shù)，其加速輪輪廓參數(shù)的確定是加速輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此，通過(guò)研究濾棒加速原理并分析濾棒加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，旨在為濾棒成型機(jī)組的自主研發(fā)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 濾棒加速原理

濾棒傳輸?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。濾條在切割位置處被切刀切割成等長(zhǎng)度L的濾棒后，通過(guò)兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的加速輪加速，濾棒被拉開(kāi)一定間隙，由連續(xù)相接變?yōu)殚g隔分離狀態(tài)進(jìn)入接收鼓輪輪槽中，經(jīng)次級(jí)傳遞系統(tǒng)輸出至下游機(jī)器。其中，加速輪外側(cè)分布著負(fù)壓吸孔，濾棒接觸到加速輪后，依靠負(fù)壓吸附在加速輪上，吸附負(fù)壓由負(fù)壓系統(tǒng)的真空風(fēng)機(jī)提供，采用伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，根據(jù)不同的生產(chǎn)速度V調(diào)節(jié)負(fù)壓值。加速輪輪廓為圓弧凸輪，濾棒在加速過(guò)程中由于負(fù)壓吸附作用，與加速輪輪廓表面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，通過(guò)加速輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，完成一次加速，濾棒獲得一個(gè)與行進(jìn)方向一致的縱向加速，以及與其行進(jìn)方向垂直的橫向加速。

圖1 濾棒傳輸機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

濾棒加速完成時(shí)，前端面到達(dá)接收鼓輪端面，并獲得最大的橫向速度。該橫向速度應(yīng)與接收鼓輪輪槽中心的圓周速度一致，避免由于速度不匹配造成濾棒和接收鼓輪輪槽壁碰撞而影響濾棒品質(zhì)，并將濾棒在恰當(dāng)?shù)奈恢脗魉椭两邮展妮喼?。生產(chǎn)不同長(zhǎng)度規(guī)格的濾棒應(yīng)選擇相應(yīng)輪廓參數(shù)的加速輪。

2 濾棒加速運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算

2.1 加速輪幾何模型

兩加速輪幾何輪廓完全相同，由兩段相切圓弧構(gòu)成，見(jiàn)圖2。其中，基圓圓弧半徑為Rb；單圓弧凸輪半徑為R，圓心角為φ，升程角為β；偏心距e=R-Rb，O為轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

圖2 加速輪幾何模型

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算

根據(jù)濾棒加速原理，單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)多少支濾棒則加速輪相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈，故加速輪轉(zhuǎn)速為：

式中：V為生產(chǎn)速度，m/min；L為生產(chǎn)濾棒的長(zhǎng)度，mm。

那么，加速輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω為：

加速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。其中，V合為濾棒運(yùn)動(dòng)速度，V橫為濾棒橫向加速的速度，V縱為濾棒縱向加速的速度。

圖3 濾棒加速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.1 橫向加速

橫向加速為平底直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，加速輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ(圖3)時(shí)，濾棒橫向運(yùn)動(dòng)行程S［4-5］為：

式（3）兩端對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得濾棒橫向加速的速度V橫為：

式（4）兩端對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得濾棒橫向加速的加速度a橫為：

2.2.2 縱向加速

因?yàn)V棒在加速過(guò)程中與加速輪表面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，故加速輪與濾棒接觸點(diǎn)處的圓周速度即為濾棒運(yùn)動(dòng)速度V合。圖3可見(jiàn)，濾棒橫向加速的速度V橫與縱向加速的速度V縱滿足下式：

又有：

故由式(4)、式(6)和式(7)可得濾棒縱向加速的速度V縱為：

式（8）兩端對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得濾棒縱向加速的加速度a縱為：

2.2.3 加速度

由式（5）和式（9）可得，濾棒加速度a為：

由式（10）可知，對(duì)于一定長(zhǎng)度規(guī)格的濾棒，加速度α的大小僅與生產(chǎn)速度V有關(guān)，且與V的平方成正比。為避免濾棒加速過(guò)程中吸附力過(guò)小而脫離加速輪表面，或吸附力過(guò)大而產(chǎn)生變形，造成濾棒圓度［6］不合格等問(wèn)題，吸附力應(yīng)盡量與濾棒脫離加速輪表面的力F（F=m濾棒a，m濾棒為濾棒質(zhì)量）平衡或稍大。因此，加速過(guò)程中所需負(fù)壓吸附力僅與生產(chǎn)速度V有關(guān)，這與前述原理中負(fù)壓大小根據(jù)生產(chǎn)速度V變化而相應(yīng)調(diào)節(jié)是相符的。

3 加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械設(shè)置

在確定加速輪輪廓前，首先設(shè)定機(jī)械設(shè)置條件：

（1）加速輪與接收鼓輪應(yīng)調(diào)整到確定的機(jī)械位置，見(jiàn)圖4。將兩加速輪的中心距設(shè)置為L(zhǎng)/2，加速輪2轉(zhuǎn)動(dòng)中心至接收鼓輪端面的距離為（L/2-δ）。其中，δ為預(yù)先設(shè)定的加速完成后濾棒尾端至后加速輪加速段輪廓邊緣的距離。預(yù)留距離δ的目的是為了保證濾棒脫離加速輪進(jìn)入接收鼓輪時(shí)得到充分的橫向加速。

1.加速輪1 2.加速輪2 3.接收鼓輪4.加速開(kāi)始位置的濾棒5.加速結(jié)束位置的濾棒

（2）加速輪與接收鼓輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足確定的匹配關(guān)系。接收鼓輪模數(shù)［7］m=5.5 mm，輪槽數(shù)Z=42，每生產(chǎn)一支濾棒轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)輪槽位置，那么接收鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω鼓輪為：

3.2 加速輪輪廓參數(shù)的確定

3.2.1 計(jì)算方法

需要確定的加速輪輪廓參數(shù)有Rb，R和β，3個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，彼此滿足一定的約束關(guān)系?，F(xiàn)結(jié)合加速原理、運(yùn)動(dòng)分析結(jié)論及機(jī)械設(shè)置條件，對(duì)輪廓參數(shù)進(jìn)行分析求解。

（1）滿足加速輪基圓圓周速度稍大于或等于生產(chǎn)速度V的條件，使濾棒平穩(wěn)過(guò)渡到加速輪上，可得：

計(jì)算時(shí)先取邊界條件等式：

（2）加速完成時(shí)，θ=β。根據(jù)加速原理，此時(shí)應(yīng)滿足條件：

接收鼓輪輪槽中心處的半徑r鼓輪為：

則由式（11）和式（15）可得接收鼓輪輪槽中心處圓周速度V鼓輪為：

由式（4）、式（15）和式（16）可得：

（3）如圖2所示，在ΔOO1P中，依正弦定理有：

即：

（4）如圖4所示，濾棒自加速開(kāi)始至加速結(jié)束沿前進(jìn)方向的位移，應(yīng)與加速輪加速段的弧長(zhǎng)相等，即：

（6）聯(lián)立式（13）、式（17）、式（19）、式（20）和式（21）得方程組：

式（22）為非線性方程組，需借助數(shù)值解法，利用MATLAB軟件的fsolve函數(shù)［8-10］編程求解，可得到Rb，R，β，e，φ的值。

（7）選用基圓半徑Rb為優(yōu)先數(shù)，取R80系列［4］，將上述計(jì)算所得的Rb值按式（12）的要求圓整為R80系列中的優(yōu)先數(shù)；由式（17）可知e≥2.75，將解得的偏心距e規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)值，供選值是以0.05 mm為公差的等差數(shù)列［2.75，2.80，2.85，2.90，2.95，3.00，…］，按就近原則選?。辉儆墒剑?7）計(jì)算β。由此可最終確定輪廓參數(shù)Rb，R，β的值。

3.2.2 計(jì)算驗(yàn)證

分別取濾棒長(zhǎng)度100，120和132 mm，預(yù)先設(shè)定δ為5 mm，按上述計(jì)算方法求解得出加速輪輪廓參數(shù)，并與德國(guó)Hauni公司提供的加速輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，求解結(jié)果與Hauni公司設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)良好吻合，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性。

表1 加速輪輪廓參數(shù)求解結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)ZL29濾棒成型機(jī)組濾棒加速原理進(jìn)行了歸納分析，并對(duì)濾棒加速作了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算，得出了速度和加速度規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究總結(jié)了加速輪輪廓參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。以常用的3種濾棒長(zhǎng)度為例進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與德國(guó)Hauni公司提供的原始設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比，結(jié)果良好吻合，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)計(jì)算方法的正確性。該方法可用于濾棒成型機(jī)組的自主研發(fā)設(shè)計(jì)或設(shè)備改造。

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

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Design for Profile Parameters of Filter Rod Accelerating Wheel in Filter Rod Maker ZL29

WANG Zhigang，LIU Yu，and JIN Fengkai
China Tobacco Machinery Technology Center Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China

In order to develop a new filter rod maker，the design method for the profile parameters of filter rod accelerating wheel in filter rod maker ZL29 was studied.By kinematics analysis，the velocity and accelerated velocity were obtained，and the calculation method for profile parameters of filter rod accelerating wheel was summarized.By taking the filter rods of 100，120 and 132 mm in length as examples，the calculated results were compared with the design data provided by Hauni.They were well agreed，it verified the correctness of the calculation method.

Filter rod maker ZL29；Filter rod accelerating；Accelerating wheel；Profile parameter；Kinematics

TS457

B

1002-0861（2014）11-0018-04

王志剛（1973—），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：13585681916@163.com

2014-04-29

責(zé)任編輯：曹娟E-mail：cj254@126.com

電話：0371-67672669