COMAS-A1 型切絲機(jī)下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

焦躍層，徐建燎，廖仲生，蔡志堅(jiān)，陳昆海，薛智勇，王昭焜

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽(yáng)路1 號(hào) 361022

A1 型切絲機(jī)是意大利COMAS 公司生產(chǎn)的水平直刃滾刀式切絲機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，在卷煙生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用廣泛［1］。A1 型切絲機(jī)的物料輸送系統(tǒng)采用的是銅排鏈輸送形式，所采用的銅排鏈屬于單鉸鏈?zhǔn)狡巾旀?，具有結(jié)構(gòu)緊湊、不易脫鉤等特點(diǎn)。銅排鏈分為上下兩部分，由于下排鏈的主動(dòng)輥與耐磨板之間存在設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)銅排鏈反轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生下排鏈卡滯故障，導(dǎo)致耐磨板變形和銅排鏈損壞等問(wèn)題。針對(duì)此，戴宇昕［2］設(shè)計(jì)了一種銅排鏈水霧潤(rùn)滑施加裝置，通過(guò)改善工作條件，降低銅排鏈與耐磨板之間的磨損；魯中甫［3］通過(guò)在銅排鏈上方設(shè)置具有專用潤(rùn)滑油進(jìn)口的噴嘴，實(shí)現(xiàn)銅排鏈的自潤(rùn)滑，降低切絲機(jī)送料機(jī)構(gòu)的故障率；王桂松［4］設(shè)計(jì)了一種采用平滑大圓角過(guò)渡的間隙補(bǔ)償支撐塊，對(duì)耐磨板與主動(dòng)輥的間隙進(jìn)行補(bǔ)償，防止銅排鏈在間隙處下垂，避免銅排鏈與耐磨板端面發(fā)生干涉；韋斌［5］通過(guò)改進(jìn)下排鏈托條材料，改善了下排鏈磨損情況。上述改進(jìn)方法雖在一定程度上降低了銅排鏈磨損程度，但仍未能解決耐磨板變形等問(wèn)題。有限元仿真分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，計(jì)算精度高且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，是解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，在工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、土木工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［6］。為此，以COMAS-A1 型切絲機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行有限元仿真分析驗(yàn)證，以期解決下排鏈卡滯問(wèn)題，減少設(shè)備故障次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高制絲設(shè)備生產(chǎn)效率。

1 問(wèn)題分析

1.1 存在問(wèn)題

COMAS-A1 型切絲機(jī)主要由進(jìn)料小車、輸送系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、切削與磨刀系統(tǒng)5 部分組成，見(jiàn)圖1。其中，輸送系統(tǒng)中的上下銅排鏈形成一個(gè)楔形通道，當(dāng)物料落入通道后，在上下銅排鏈的同步運(yùn)動(dòng)下，物料被輸送至刀門，升降氣缸帶動(dòng)上刀門對(duì)物料施加壓力，使物料被壓實(shí)形成具有一定密度的“煙餅”，便于切絲［7］。在生產(chǎn)中，A1 型切絲機(jī)因下排鏈卡滯容易引起耐磨板變形向上拱起，進(jìn)而造成耐磨板上螺栓被拉斷；變形后的耐磨板擠壓下排鏈，造成下排鏈拱起并擠壓兩側(cè)銅壓條，導(dǎo)致下排鏈兩端開(kāi)裂損壞。維修時(shí)需要停機(jī)更換銅排鏈、耐磨板等備件，且銅排鏈拆裝難度大，影響生產(chǎn)效率。

圖1 A1 型切絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of A1 tobacco cutter

1.2 原因分析

COMAS-A1 型切絲機(jī)下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主動(dòng)輥、弧度護(hù)板、支撐板、耐磨板、銅排鏈等部件組成，見(jiàn)圖2。運(yùn)行過(guò)程中，在主動(dòng)輥的嚙合帶動(dòng)下，銅排鏈正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)。為降低摩擦力，支撐板上設(shè)有耐磨板，兩者間采用沉頭螺栓連接。切絲機(jī)主體采用焊接件組合而成，在靠近主動(dòng)輥的一端安裝有弧度護(hù)板。分析可見(jiàn)，下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題：

（1）為防止雜物進(jìn)入耐磨板與弧度護(hù)板間的空隙，弧度護(hù)板表面向上翹起1.5°，導(dǎo)致安裝在弧度護(hù)板上的耐磨板長(zhǎng)度較短（25 mm）；為使銅排鏈與主動(dòng)輥嚙合脫離后順利滑入耐磨板上方，將耐磨板頭部倒角18.5°，導(dǎo)致耐磨板厚度變?。ㄗ畋√帪? mm）。上述情況造成弧度護(hù)板與耐磨板之間無(wú)法用螺栓進(jìn)行連接固定，使耐磨板前段固定強(qiáng)度降低，當(dāng)下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，耐磨板前段容易產(chǎn)生變形。

圖2 改進(jìn)前下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of bottom band transmission system before modification

（2）由于耐磨板長(zhǎng)度較短，在銅排鏈運(yùn)行方向上，主動(dòng)輥與耐磨板間會(huì)形成一個(gè)長(zhǎng)約32 mm，深約10 mm 的空隙。因空隙長(zhǎng)度大于銅排鏈鏈節(jié)的圓弧直徑（18 mm），在銅排鏈自重和物料壓力作用下，銅排鏈會(huì)在空隙區(qū)域產(chǎn)生下垂，下垂高度30～35 mm。當(dāng)切絲機(jī)處于生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下排鏈將物料送至刀門，此時(shí)銅排鏈逆時(shí)針與主動(dòng)輥輥齒進(jìn)行嚙合，嚙合狀況良好，無(wú)卡滯現(xiàn)象；當(dāng)切絲機(jī)處于退料狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)下排鏈將物料運(yùn)離刀門，銅排鏈順時(shí)針與主動(dòng)輥輥齒脫離后進(jìn)入空隙區(qū)域，在此過(guò)程中下垂的銅排鏈與耐磨板產(chǎn)生摩擦，并容易造成下排鏈卡滯，對(duì)耐磨板產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致耐磨板變形、銅排鏈和銅壓條組件損壞等問(wèn)題。

2 改進(jìn)方法

為消除主動(dòng)輥與耐磨板間的空隙，提高耐磨板的固定強(qiáng)度，對(duì)主動(dòng)輥、弧度護(hù)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并將耐磨板前段由直線型改為直齒型，通過(guò)增加主動(dòng)輥輥齒的寬度，為緊固螺栓提供安裝空間。改進(jìn)后下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 改進(jìn)后下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of bottom band transmission system after modification

2.1 主動(dòng)輥

2.1.1 輥齒的失效方式

在嚙合傳動(dòng)過(guò)程中，輥齒可能存在輥齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損等失效方式［8］。由于銅排鏈與輥齒嚙合屬于開(kāi)式低速傳動(dòng)，且輥齒為硬齒面（硬度＞350 HBS），不易出現(xiàn)齒面點(diǎn)蝕和齒面膠合現(xiàn)象［9-10］。但嚙合面間容易落入非金屬等磨料性物質(zhì)，因此可能出現(xiàn)齒面磨損和輥齒折斷現(xiàn)象。針對(duì)齒面磨損，一般近似認(rèn)為其約束條件為輥齒的彎曲疲勞強(qiáng)度。

2.1.2 輥齒的受力分析

主動(dòng)輥輥齒由銅排鏈緊邊進(jìn)入嚙合，因此進(jìn)行嚙合的第一個(gè)輥齒承受的作用力最大，隨后作用力逐步減少直至脫離嚙合［11-12］。在銅排鏈與輥齒嚙合過(guò)程中，可近似地認(rèn)為發(fā)生嚙合的銅排鏈鏈節(jié)緊貼輥齒表面，將鏈節(jié)簡(jiǎn)化為二力桿，在不計(jì)摩擦力及自身重力情況下，可知緊邊側(cè)與輥齒嚙合的第一節(jié)鏈節(jié)受到的作用力有緊邊拉力P0、第二節(jié)鏈節(jié)拉力P1以及齒面法向作用力N，其中P0、P1與主動(dòng)輥圓心（O 點(diǎn)）連線的夾角相同，P0與P1反向延長(zhǎng)線的夾角為360°/z，見(jiàn)圖4。根據(jù)鏈節(jié)在O 點(diǎn)的受力情況，可得：

在不考慮摩擦力、構(gòu)件重力和慣性力情況下，輥齒壓力角可近似等于驅(qū)動(dòng)力N 和運(yùn)動(dòng)方向v 之間的夾角α：

式（1）～式（3）中：P0—鏈節(jié)受到的緊邊拉力，N；P1—第二節(jié)鏈節(jié)拉力，N；N—齒面法向作用力，N；z—主動(dòng)輥齒數(shù)；θ—P1與N 反向延長(zhǎng)線的夾角，（°）；α—輥齒壓力角，（°）。

圖4 鏈節(jié)受力分析圖Fig.4 Load analysis diagram of band

2.1.3 輥齒的強(qiáng)度計(jì)算

由圖5 可見(jiàn)，在嚙合過(guò)程中輥齒受到與作用力N 方向相反、大小相等的壓力N′。其中，懸臂梁高度為h（即BD），寬度為b（即齒寬b，圖中未示出），長(zhǎng)度為L(zhǎng)（即AC），σN為輥齒彎曲應(yīng)力。

圖5 輥齒載荷及應(yīng)力分析圖Fig.5 Load and stress analysis diagram of roller tooth

將輥齒所受壓力N′分解為切向力和徑向力，前者對(duì)輥齒形成彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，后者使其產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于剪應(yīng)力和壓應(yīng)力比彎曲應(yīng)力小得多，故輥齒的彎曲疲勞強(qiáng)度按危險(xiǎn)截面拉伸側(cè)的彎曲應(yīng)力計(jì)算［13］：

式中：σN—輥齒彎曲應(yīng)力，Pa；N′—齒面法向作用力的反力，N；L—懸臂梁長(zhǎng)度，m；b—齒寬，m；h—懸臂梁高度，m。

將式（2）代入式（4），可得：

圖6 改進(jìn)前后主動(dòng)輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of drive roller before and after modification

2.1.4 主動(dòng)輥的有限元仿真分析

已知：①切絲機(jī)下排鏈減速電機(jī)最大輸出扭矩為9 780 Nm；②銅排鏈在主動(dòng)輥上的包角接近半個(gè)輥輪，輥輪齒數(shù)為15 齒，受力齒數(shù)選定為7齒；③主動(dòng)輥材料為3Cr13，屈服強(qiáng)度為735 MPa。根據(jù)已知條件對(duì)改進(jìn)后主動(dòng)輥進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，結(jié)果（圖7）顯示：①改進(jìn)后主動(dòng)輥所受最大應(yīng)力為6.878×107N/m2，小于屈服強(qiáng)度，最小安全系數(shù)為73.5÷6.878=10.69，應(yīng)變情況能夠滿足使用需求；②主動(dòng)輥所受最大應(yīng)變量為2.288×10-4mm，應(yīng)變量非常小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 主動(dòng)輥的有限元應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果Fig.7 FEA results of stress and strain on drive roller

2.2 弧度護(hù)板

2.2.1 護(hù)板結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后將弧度護(hù)板的平滑圓弧面改為凹槽面，使之能夠嵌入主動(dòng)輥輥齒的橫向空間，并在嵌入部分的上端面增加螺栓孔用于固定耐磨板，提高耐磨板前段的固定強(qiáng)度，見(jiàn)圖8。

2.2.2 弧度護(hù)板的有限元仿真分析

切絲機(jī)的物料壓實(shí)裝置主要由上下排鏈組成，上排鏈在氣缸的作用下向下運(yùn)動(dòng)，在上下排鏈的共同作用力下物料在料倉(cāng)內(nèi)被壓實(shí)為“煙餅”，因此下排鏈?zhǔn)艿降淖饔昧Π飧桩a(chǎn)生的壓實(shí)力以及物料自重。A1 型切絲機(jī)使用的氣缸直徑為250 mm，氣缸最大壓強(qiáng)為0.4 MPa，單個(gè)氣缸產(chǎn)生的壓實(shí)力F=PS=4×105×3.14×0.1252=19 625 N，上排鏈產(chǎn)生的壓實(shí)力F上=2F=2×19 625=39 250 N。

圖8 改進(jìn)前后弧度護(hù)板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of arc guard plate before and after modification

分析可見(jiàn)，下排鏈?zhǔn)艿降膲簩?shí)力主要分布在銅排鏈輥輪、弧度護(hù)板和下排鏈支撐板上。假設(shè)壓實(shí)力全部施加在弧度護(hù)板上，弧度護(hù)板所用材料為3Cr13，對(duì)弧度護(hù)板進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果（圖9）顯示：①弧度護(hù)板所受最大應(yīng)力為1.6×107N/m2，小于屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為7÷1.6=4.375，應(yīng)變情況能夠滿足使用需求；②弧度護(hù)板所受最大應(yīng)變量為6.18×10-3mm，應(yīng)變量非常小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 弧度護(hù)板的有限元應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果Fig.9 FEA results of stress and strain on arc guard plate

2.3 耐磨板

改進(jìn)后將耐磨板前段由直線型改為直齒型，新增直齒延伸至主動(dòng)輥輥齒的橫向空間，并在此部分增加螺栓孔，利用緊固螺栓將耐磨板固定在弧度護(hù)板上，提高耐磨板前段的固定強(qiáng)度，見(jiàn)圖10。改進(jìn)后耐磨板受力情況未發(fā)生改變，機(jī)械性能穩(wěn)定，運(yùn)行不受影響。

圖10 改進(jìn)前后耐磨板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of wear strip before and after modification

2.4 銅排鏈

假設(shè)銅排鏈所受最大拉力為P0，銅排鏈在主動(dòng)輥上的包角接近半個(gè)滾輪，受力齒數(shù)為7 齒。改進(jìn)前以相鄰兩節(jié)銅排鏈嚙合處為分析點(diǎn)，則銅排鏈所受最大拉力P0均勻分布在整個(gè)銅排鏈長(zhǎng)度L1=446 mm 范圍內(nèi)，單位長(zhǎng)度銅排鏈所受拉力F1=P0/L1，此時(shí)銅排鏈可正常運(yùn)行；改進(jìn)后以主動(dòng)輥輥齒與銅排鏈嚙合處為分析點(diǎn)，理想狀態(tài)下拉力P0均勻分布在主動(dòng)輥與銅排鏈的嚙合總長(zhǎng)度上，此時(shí)主動(dòng)輥與7 根銅排鏈同時(shí)嚙合，單根銅排鏈與主動(dòng)輥的嚙合長(zhǎng)度b=206 mm，即P0均勻分布在L2=7b=7×206=1 442 mm 范圍內(nèi)，嚙合處單位長(zhǎng)度銅排鏈所受拉力F2=P0/L2。分析可見(jiàn)，L1＜L2，故F1＞F2，當(dāng)下排鏈反轉(zhuǎn)時(shí)，避免了鏈節(jié)脫離嚙合后出現(xiàn)下排鏈卡滯問(wèn)題。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（藍(lán)）”“七匹狼（軟紅）”“金橋（軟混）”等卷煙煙絲（由廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：COMAS-A1 型切絲機(jī)6 臺(tái)（意大利COMAS 公司）。其中，1#～4#設(shè)備未進(jìn)行下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)，5#和6#設(shè)備進(jìn)行了下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)。

方法：分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后6 臺(tái)切絲機(jī)在不同生產(chǎn)批次下出現(xiàn)的下排鏈卡滯故障頻次，取平均值。下排鏈卡滯故障較輕時(shí)僅需調(diào)整或更換耐磨板，下排鏈卡滯故障嚴(yán)重時(shí)需更換銅排鏈、耐磨板、銅壓條等備件，故統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后6 臺(tái)切絲機(jī)因下排鏈卡滯故障產(chǎn)生的更換備件及維修費(fèi)用，取平均值。采用每天兩班制生產(chǎn)，每班工作8 h，測(cè)試周期為2 年。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，改進(jìn)后切絲機(jī)出現(xiàn)下排鏈卡滯故障頻次由改進(jìn)前的0.55 次/百批次減少為0，即改進(jìn)后切絲機(jī)未再出現(xiàn)下排鏈卡滯問(wèn)題，節(jié)約備件及維修費(fèi)用約3.40 萬(wàn)元/年，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)效率。

表1 改進(jìn)前后切絲機(jī)下排鏈卡滯頻次、備件及維修費(fèi)用對(duì)比Tab.1 Frequency of bottom band stagnation and costs of spare parts and maintenance before and after modification

4 結(jié)論

通過(guò)分析COMAS-A1 型切絲機(jī)下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)下排鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)輥、弧度護(hù)板、耐磨板等部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并進(jìn)行了有限元仿真分析驗(yàn)證。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼”等卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后COMAS-A1 型切絲機(jī)下排鏈發(fā)生卡滯故障頻次由改進(jìn)前的0.55 次/百批次降低為0，節(jié)約備件及維修費(fèi)用約3.40 萬(wàn)元/年，有效解決了下排鏈卡滯故障及相關(guān)構(gòu)件損壞等問(wèn)題，降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)備安全性和工作效率。