垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

栗　慧　于青令　曹瀚心

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州450002）

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垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

栗慧于青令曹瀚心

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，鄭州450002）

摘要：在煙草機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，水松紙切割裝置是一個(gè)十分重要的設(shè)備。隨著科技的發(fā)展，煙草機(jī)械設(shè)備也在不斷更新，水松紙切割裝置也得到了相應(yīng)的發(fā)展?；诖?，本文研究垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置，著重分析切紙裝置的設(shè)計(jì)、切紙裝置的仿真以及切紙裝置的相關(guān)試驗(yàn)，從而為水松紙切割工藝提供了一種全新的方法。

關(guān)鍵詞：垂直高速旋轉(zhuǎn)水松紙切割裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

水松紙切割裝置作為煙草機(jī)械設(shè)備中一個(gè)十分重要的裝置，對(duì)于煙草生產(chǎn)來(lái)說(shuō)發(fā)揮著極大的作用。但是，在過(guò)去的生產(chǎn)當(dāng)中，我國(guó)所應(yīng)用的水松紙切割裝置都是依賴于國(guó)外進(jìn)口。然而，我國(guó)生產(chǎn)的卷接機(jī)組只能國(guó)內(nèi)使用，難以出口，從而極大限制了我國(guó)煙草機(jī)械設(shè)備的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種新型的水松紙切割裝置，以確保我國(guó)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1 水松紙切割裝置的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)規(guī)劃。設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，首先要對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)描述?；谙鄳?yīng)的技術(shù)參數(shù)和功能要求，對(duì)水松紙切割裝置的關(guān)鍵技術(shù)、基本原理等進(jìn)行研究，并且建立關(guān)鍵技術(shù)的理論模型［1］。裝置要求將膠水涂抹均勻的水松紙切割為27mm長(zhǎng)度的矩形，并確保能夠吸附水松紙的真空度，設(shè)計(jì)效率為5500片/min，同時(shí)應(yīng)確保清潔無(wú)污染的工作面。裝置應(yīng)當(dāng)確保滿足卷煙長(zhǎng)度的水松紙長(zhǎng)度和同步的粘結(jié)點(diǎn)線速度。水松紙寬度方向重點(diǎn)應(yīng)與墻板保持205mm距離，同時(shí)保持水松紙48～70mm的寬度。

（2）方案設(shè)計(jì)。水松紙切割由刀盤旋轉(zhuǎn)完成，因此對(duì)切紙輪和刀盤的相對(duì)位置應(yīng)當(dāng)加以考慮，同時(shí)將刀盤旋轉(zhuǎn)中心的位置確定。具體設(shè)計(jì)中，要根據(jù)不同的實(shí)際情況及生產(chǎn)要求，分為旋轉(zhuǎn)中心在切紙輪端面內(nèi)、旋轉(zhuǎn)中心與切紙輪端面齊平、旋轉(zhuǎn)中心在切紙輪端面外等情況進(jìn)行考慮。墻板擋住了切紙輪里端，因此在切紙輪外端安裝切紙刀盤［2］。具體地，可分為切紙刀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)等情況考慮。具體設(shè)計(jì)中，對(duì)其涉及到的變量和定量參數(shù)，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，選擇最優(yōu)的安裝結(jié)構(gòu)。

（3）技術(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)構(gòu)裝配空間、切紙?jiān)淼龋傮w結(jié)構(gòu)主要包括墻板、切紙刀盤、四根軸、齒輪箱、一次錐齒輪傳動(dòng)、兩次直齒輪傳動(dòng)、支架、切紙刀、切紙輪等零件。結(jié)合切紙刀和切紙輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，需要采取變換運(yùn)動(dòng)軸線方向的傳動(dòng)方式，因而采用了圓錐齒輪傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)這一功能。原有切紙結(jié)構(gòu)的切紙方向與切紙輪端面呈15°。本設(shè)計(jì)中，在切紙刀盤旋轉(zhuǎn)軸和豎直面之間保持15°夾角，以確保安裝切紙刀盤的位置與切紙輪端面之間也保持在15°。

（4）施工設(shè)計(jì)。刀片設(shè)計(jì)中，根據(jù)計(jì)算確定了65Mn的刀片材料彈簧鋼，其材料與原切紙刀相同。切紙輪較為復(fù)雜，具有送紙、安裝調(diào)試、切紙、配齊系統(tǒng)等作用。采用12個(gè)鑲塊和1個(gè)輪體組成切紙輪，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的切紙輪凹槽。切紙刀是在刀盤上安裝刀片，然后在刀座上進(jìn)行安裝，最后安裝到旋轉(zhuǎn)軸上。設(shè)計(jì)中，單盤中心挖空，刀盤上刀片安裝面凸起，用三個(gè)腰圓形槽與軸固定刀座。最后在設(shè)計(jì)總裝圖的過(guò)程中，將23個(gè)軸承、螺釘，30個(gè)零件圖等納入其中。

2 水松紙切割裝置的仿真

（1）虛擬樣機(jī)裝配驗(yàn)證。在裝置仿真過(guò)程中，首先建立三維模型，確保模型的精確度，然后將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，將約束和力添加上，從而形成系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，最后對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)［3］。需要利用正確的數(shù)據(jù)交換格式確保模型精度。結(jié)合模型導(dǎo)入的幾何特征，利用Parasolid是一種良好的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式，能夠確保轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積質(zhì)量等物理信息的完整。利用該數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式能夠提供精確的幾何表達(dá)，同時(shí)發(fā)揮良好的容錯(cuò)效果。導(dǎo)入過(guò)程中，為了使仿真更加方便，將切紙結(jié)構(gòu)分成5個(gè)部分，分別是齒輪箱、支架、墻板；大齒輪、軸、切紙輪；中間齒輪、軸；錐齒輪、小齒輪、軸；錐齒輪、切紙刀、軸。

（2）切紙?jiān)眚?yàn)證。軸向上，將切紙輪初始切紙工作刃進(jìn)行7等分，然后利用刀刃曲線方程對(duì)得到的8個(gè)初始點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。在將水松紙切斷的過(guò)程中，切紙刀刃與切紙輪工作刃分別有8個(gè)相應(yīng)的點(diǎn)依次重合。在虛擬樣機(jī)的切紙輪和切紙刀上，將這16個(gè)點(diǎn)分別添加到虛擬樣機(jī)中。在進(jìn)行仿真計(jì)算的過(guò)程中，對(duì)兩個(gè)點(diǎn)之間的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)、z坐標(biāo)之間的差值分別進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。如果得到了為0的差值，則說(shuō)明在t時(shí)刻中，兩個(gè)點(diǎn)發(fā)生了重合。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，在空間三個(gè)方向的坐標(biāo)中，差值都為0，證明理論推導(dǎo)的結(jié)果與仿真得到的結(jié)果相同，說(shuō)明了刀刃曲線方程的正確性以及設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

（3）切紙直線度分析。垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置屬于非接觸式切紙。在切紙過(guò)程中，鑲塊刃口和切紙刀片之間保留了0.06mm的間隙，保證不會(huì)有彈性形變發(fā)生。在這種非接觸式的切紙裝置中，切紙刀的安裝精度和加工精度，對(duì)水松紙切口的直線度有很大的影響［4］。因此，可根據(jù)中心距、刀片刃口曲線、刀片安裝面、刀盤軸向移動(dòng)等方面，分析直線度受到切紙刀精度的影響。在切紙過(guò)程中，根據(jù)切紙方程，確定刀片的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)坐標(biāo)。在切入的瞬間，確定水松紙的切開(kāi)起始點(diǎn)坐標(biāo)和終止點(diǎn)坐標(biāo)。在切入過(guò)程中，刀片切入點(diǎn)和水松紙切開(kāi)起始點(diǎn)重合；在切出過(guò)程中，刀片切出點(diǎn)和水松紙切開(kāi)終止點(diǎn)重合，從而確保切出一條直線。

3 水松紙切割裝置的試驗(yàn)

（1）切紙?jiān)囼?yàn)。進(jìn)行裝置試驗(yàn)的過(guò)程中，首先根據(jù)裝配圖進(jìn)行正確裝配，然后安裝調(diào)試切紙刀，確保切紙輪旋轉(zhuǎn)軸與切紙刀旋轉(zhuǎn)軸的垂直，并且與豎直方向保持15°角。安裝刀片時(shí)，刀尖和旋轉(zhuǎn)軸的距離為98.82mm，刀尾和旋轉(zhuǎn)軸距離為69.75mm，刀座底端和支架底端距離為75.93mm。在水松紙未接入的狀態(tài)下，用手盤動(dòng)切紙輪對(duì)鑲塊工作刃、切紙刀片的嚙合情況進(jìn)行觀察。然后開(kāi)機(jī)運(yùn)行，對(duì)切紙結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲、刀刃的嚙合情況等進(jìn)行觀察。通過(guò)試驗(yàn)證明，鑲塊和刀片符合設(shè)計(jì)要求，嚙合情況良好。正反轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)間隙很小，非接觸切紙?jiān)肼暫艿?，鑲塊和刀片也沒(méi)有磨損。

（2）試驗(yàn)分析。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌虻弥?，在垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置的設(shè)計(jì)中，各個(gè)零部件能夠準(zhǔn)確進(jìn)行安裝，同時(shí)達(dá)到了設(shè)計(jì)的傳動(dòng)精度要求，且切紙輪和切紙刀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)相互干涉。刀片遠(yuǎn)點(diǎn)切入、近點(diǎn)切出的軌跡，能夠準(zhǔn)確嚙合切紙輪鑲塊［5］。刀片在切紙過(guò)程中，從里向外刮，并向凹槽里切。對(duì)于能夠影響到切紙效果的參數(shù)，如刀片、間隙、負(fù)壓等進(jìn)行適當(dāng)選取，使得切紙結(jié)構(gòu)能夠沿著直線進(jìn)行切割，得到切口光滑的水松紙片。長(zhǎng)度為27mm，寬度為48mm，能夠滿足實(shí)際卷煙的需求。

4 結(jié)論

在卷煙設(shè)備中，水松紙的切割是一道十分重要的工序。隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)已經(jīng)能夠自行設(shè)計(jì)和制造水松紙切割裝置。本文結(jié)合水松紙切割當(dāng)中的各種問(wèn)題和要求，設(shè)計(jì)了垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置，并根據(jù)相關(guān)的影響因素確定了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)仿真、試驗(yàn)等步驟，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的水松紙切割裝置能夠發(fā)揮出良好的效果，并且能夠切割出符合卷煙要求的水松紙片。

參考文獻(xiàn)

［1］王玉芳，高衛(wèi)軍.PASSIM卷接機(jī)組水松紙夾沫問(wèn)題的改進(jìn)方法探討［J］.安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：13-16.

［2］劉子建，謝宗敏，呂程.新型垂直旋轉(zhuǎn)式切紙裝置設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2011，（24）：2953-2957.

［3］劉子建，薛鋒，謝明金.旋轉(zhuǎn)式切紙刀設(shè)計(jì)機(jī)理研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009，（10）：108-111.

［4］謝明金.垂直高速旋轉(zhuǎn)式水松紙切割裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.

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Design and Experimental Study on the Equipment of Vertical High Speed Rotary Tipping Paper Cutting

LI Hui,YU Qingling,CAO Hanxin
（collaboration of the State Intellectual Property Office of patent examination center of Henan, Zhengzhou 450002）

Abstract:In the middle of the tobacco machinery and equipment, the tipping paper cutting device is a very important device, with the development of science and technology, tobacco machinery and equipment also in constantly update, tipping paper cutting device has also been a corresponding development. Based on this, this paper studies the vertical high-speed rotary tipping paper cutting device, with the emphasis on the analysis of the simulation design of paper cutting device and cutting device and cutting device test the, tipping paper cutting technology provides a new method.

Key words:high speed vertical rotary tipping paper cutting device, design and test