雙通道濾棒切割裝置設計及仿真分析

謝明金,韓紅彬,李義端

中煙機械技術中心有限責任公司,上海市浦東新區金海路1000號10棟 201206

雙通道濾棒切割裝置設計及仿真分析

謝明金,韓紅彬,李義端

中煙機械技術中心有限責任公司,上海市浦東新區金海路1000號10棟 201206

為掌握雙通道濾棒切割技術,分析了切割裝置的結構原理,通過建立刀盤和旋轉喇叭嘴的數學模型,推導了濾棒長度與刀盤傾斜角及喇叭嘴旋轉直徑之間的關系,并進行了仿真分析.結果表明:①雙通道濾棒切割裝置的設計首先需確定雙通道中心間距、切刀寬度、刀盤直徑和刀盤旋轉中心位置;②濾棒長度決定刀盤傾斜角;③濾棒長度和刀盤傾斜角決定喇叭嘴旋轉直徑;④在Matlab軟件中求解不同濾棒長度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉直徑,其計算值與G.D公司提供值偏差較小.以切刀、喇叭嘴和濾棒三者的空間交互運動建立的數學模型,其理論分析和計算結果是正確的,能夠用于計算和設計不同濾棒長度規格的雙通道濾棒切割裝置.

濾棒成型機組;雙通道;刀盤;喇叭嘴;切割裝置

濾棒切割裝置是濾棒成型機組中的關鍵部件之一,主要用于將卷制成型后高速直線運動的濾棒條切割成長度相等、切口平齊的濾棒[1].此前國內使用的濾棒成型設備全部為單通道技術,喇叭嘴一般安裝在曲柄滑塊機構的滑塊上,工作時的沖擊和振動較大[2-4].目前國內正在引進意大利G.D公司的雙通道濾棒成型機技術,該成型機的切割裝置具有運行穩定、振動小等特點,現已成為行業研究的熱點[5-8].雙通道濾棒成型機使用的濾棒切割裝置與單通道的濾棒切割裝置不同,雙通道濾棒切割技術采用虎克式刀盤對兩個通道中的濾棒在中心線兩側依次進行切割,切割瞬間由連桿式旋轉喇叭嘴支撐濾棒.在技術引進過程中,G.D公司只提供了幾組濾棒長度規格的相關變換件圖紙,沒有提供設計依據,當需要生產其他長度規格的濾棒時,濾棒切割裝置上的許多部件還需進口.為此,對雙通道濾棒切割裝置的結構原理進行分析,通過建立刀盤和旋轉喇叭嘴的數學模型,推導濾棒長度與刀盤傾斜角及喇叭嘴旋轉直徑之間的關系,以期為盡快掌握和應用雙通道濾棒切割技術提供依據.

1 切割裝置的結構原理

雙通道濾棒成型機切割裝置主要由刀盤、喇叭嘴、磨刀裝置、喇叭嘴升降裝置和刀盤電機等部分組成.其中,刀盤和喇叭嘴是切割裝置的關鍵部件[9].

1.1 虎克式刀盤

虎克式刀盤主要由刀盤軸、切刀、十字體和虎克軸組成,見圖1.其中,刀盤軸1安裝在刀盤上,與刀盤的傾斜角度相同,由伺服電機驅動;虎克軸4安裝在機架上,保持水平;十字體3上的軸a套裝在刀盤軸1的軸叉上,十字體3上的軸b套裝在虎克軸4的軸叉上;切刀2安裝在十字體3上,隨十字體一起運動.

當刀盤工作時,伺服電機驅動刀盤軸以角速度ω1轉動,虎克軸在機架上以角速度ω2轉動,十字體帶動切刀一邊隨虎克軸做圓周運動,一邊在虎克軸上以角速度ω3繞軸b擺動[10].切刀隨虎克軸的圓周運動用于對濾棒進行周而復始的切割,切刀在虎克軸上的擺動用于保障切割時切刀與濾棒軸向同步運動.當ω1恒定時,ω2和ω3的大小與刀盤軸的傾斜角和刀盤軸轉動的角度有關.因此,當濾棒長度規格發生變化時,需要調整刀盤軸的傾斜角.

圖1 虎克式刀盤結構圖

1.2 連桿式旋轉喇叭嘴

連桿式旋轉喇叭嘴傳動系統主要由主動盤、轉軸、從動盤、連桿和喇叭嘴組成,見圖2.其中,主動盤1與從動盤4一起安裝在支撐架上,可繞各自中心軸轉動;主動盤和從動盤上都設有均布的4個孔,孔內分別安裝轉軸2和轉軸3,8根轉軸之間由4根連桿5進行連接,并用螺釘鎖緊,每根轉軸2上安裝有兩個喇叭嘴6(相當于安裝在連桿5上).由于孔的中心到轉盤中心的距離均相等,主動盤1和從動盤4等同于8根長度相同的曲柄,與4根長度相等的連桿5構成4個平行四邊形機構.平行四邊形機構的特點是連桿自身的角速度為零[11].

圖2 連桿式旋轉喇叭嘴傳動系統結構圖

當喇叭嘴工作時,伺服電機驅動主動盤以角速度ω4轉動,轉軸2帶動喇叭嘴6一邊隨主動盤以角速度ω4公轉,一邊繞自身旋轉中心以角速度-ω4自轉.喇叭嘴的公轉用于保障濾棒切割時喇叭嘴與濾棒縱向同步運動;喇叭嘴的自轉用于保障喇叭嘴一直保持豎直,使濾棒切割時不與刀盤發生干涉,并使濾棒切口平齊.喇叭嘴在濾棒切割時的水平分速度與主動盤轉速和曲柄長度有關,當濾棒長度規格發生變化時,需要調整曲柄長度.

2 切割裝置的數學模型

單通道濾棒切割裝置的刀盤和喇叭嘴通常采用一個伺服電機驅動,其間通過齒輪和蝸桿傳動保持同步.而雙通道濾棒切割裝置的刀盤和喇叭嘴采用兩個獨立的伺服電機進行驅動,由電氣檢測和控制系統保持同步.刀盤上對稱安裝兩把切刀,刀盤每轉動一圈共切割出4支濾棒,每個通道兩支,刀盤轉動角速度與濾棒生產速度和濾棒長度有以下關系:

式中:ω1為刀盤驅動軸角速度,rad/s;V為單通道濾棒直線速度,m/min;L為生產的濾棒長度,mm.

十字體傳動關系如圖3所示,當刀盤的傾斜角為θ時,假設點A0為十字體上軸a中心線上的一點,點B0為十字體上軸b中心線上的一點,且十字體上軸a和軸b的交點到A0和B0的距離相等,則A0繞刀盤軸的運動軌跡為一個圓,B0繞虎克軸的運動軌跡也是一個圓,B0的運動軌跡在A0的運動軌跡所在平面上的投影為一個橢圓.當A0轉動角度α1到達 A1點時,B0轉動角度α2到達 B1點,B2點為 B1點的投影點,由于OA0與OB0始終垂直,則∠B0OB2=∠A0OA1=α1;B3點為B1點繞OB0軸線旋轉角度θ后的點,則∠B0OB3=α2.由圖3可得以下關系式[12]:

將式(2)簡化并兩邊平方后可得:

將式(2)中的 α1和α2對時間t求導可得:

聯立求解式(3)和式(4)可得:

式中:ω2為刀盤虎克軸角速度,rad/s;θ為刀盤軸與虎克軸的夾角,(°);α1為刀盤軸的轉角,(°).

圖3 十字體傳動關系圖

由此可見,虎克軸的角速度做周期性變化,當α1等于0或180°時,ω2max=ω1/cos θ;當α1等于90°或270°時,ω2min=ω1cos θ.

假設當刀盤軸轉動角度α1時,十字體繞其上的軸b擺動角度α3,投影距離B1B2隨α3變化而變化,則 sin α3=B1B2/OB1.由于 B1B2/B1B0=sin θ,B1B0/OB1=CB2/OB2=sin α1,整理后可得:

將式(6)中的α1和α3對時間t求導可得:

式中:ω3為十字體擺動時的角速度,rad/s.

十字體在相對虎克軸的坐標系下為來回擺動狀態,但當擺動半個周期后,虎克軸正好帶動十字體翻轉180°,致使十字體在絕對坐標系下一直保持向一個方向擺動.因此式(7)中,當90°≤α1≤270°時取負號;當-90°lt;α1lt;90°時取正號;當α1等于0或180°時,ω3max=ω1sin θ.

雙通道濾棒切割裝置如圖4所示,喇叭嘴轉盤上均布安裝4套喇叭嘴,轉盤每轉動一圈共切割出8支濾棒,每個通道4支,喇叭嘴轉動角速度與濾棒生產速度和濾棒長度有以下關系:

式中:ω4為喇叭嘴驅動盤的角速度,rad/s.

圖4 雙通道濾棒切割裝置示意圖

設計時首先確定兩個成型腔的中心距離為41 mm,刀盤虎克軸與成型腔中心的垂直距離為235 mm,切刀寬度為60 mm.為使切刀從切入喇叭嘴到轉至垂直位置的時間與從垂直位置脫開喇叭嘴的時間相等,應使切入和脫開時切刀與垂直方向的夾角同為β.因此,將刀盤虎克軸由兩個成型腔的中心向脫開側偏移一定距離,偏移后與切入側的水平距離為25 mm.在將切刀形狀和高度調整至預設值后,可測量得到切刀切入濾棒時β1=11.5°,切刀切入喇叭嘴時β2=12.9°.當切刀由零點位置轉到切入位置時,α2=90°-β,再轉過角度β到達豎直位置,在此過程中刀盤軸轉角由式(2)可知tan(90°-α1)/tan(90°-β)=cos θ,則α1=arctan(tan β/cos θ).

在對雙通道濾棒進行切割過程中,切刀和喇叭嘴在濾棒運動方向的分速度都是先逐漸增大,在豎直位置達到最大值,再逐漸減小,因此無法與濾棒運動速度保持同步.為使濾棒切口平齊,切刀切入濾棒時的刀刃和切刀脫開濾棒時的刀背在濾棒前進方向的線速度應等于濾棒線速度,即:

將式(7)和式(1)代入式(9)后整理可得:

由式(10)可求解不同濾棒長度時的刀盤傾斜角度.同時,切割時喇叭嘴在濾棒運動方向移動的總長度應等于該段時間內濾棒前進的距離,即:

式中:D為喇叭嘴的旋轉直徑,mm;t為切刀切入喇叭嘴位置轉動至豎直位置所需的時間,s.

因此,切刀切入時間與刀盤軸的轉角和轉速有以下關系:

由式(8)可知,α4=α1/2,再聯立式(11)和式(12)可得:

由式(13)可求解不同濾棒長度和刀盤傾斜角時喇叭嘴的旋轉直徑.依據式(10)和式(13)在Matlab軟件中求解不同濾棒長度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉直徑[13],并將計算值與G.D提供值進行對比,結果見表1.可見,計算值與G.D提供值偏差較小.

表1 不同濾棒長度下刀盤傾斜角和喇叭嘴旋轉直徑的計算值與G.D提供值對比

3 切割裝置的仿真分析

在Creo Parametric軟件中建立簡化的切割裝置參數化三維模型,以Parasolid格式輸出并導入至ADAMS軟件中[14-15],仿真模型見圖5.

當濾棒長度L=126 mm,單通道生產速度V=500 m/min時,根據式(1)可計算出驅動軸角速度ω1,將此運動定義到切割裝置仿真模型(反方向旋轉),測得的虎克軸和十字體角速度隨時間變換曲線見圖6.可見,仿真結果與式(5)和式(7)的計算結果相同,表明切割裝置數學模型的理論基礎是正確的.

圖5 切割裝置仿真模型

圖6 虎克軸和十字體角速度隨時間變換曲線

在切刀和喇叭嘴的切割濾棒處添加marker點,仿真時測量這兩個點沿濾棒前進方向的線速度,見圖7.仿真結果顯示,在切割濾棒前后,切刀和喇叭嘴在濾棒運動方向的分速度都是先逐漸增大,在豎直位置達到最大且大于濾棒前進速度時,再逐漸減小,表明切割裝置數學模型的分析是正確的.

圖7 喇叭嘴、切刀和濾棒線速度隨時間變換曲線

在切刀和喇叭嘴之間定義接觸力,然后建立對該接觸力進行測量的函數,最后定義監視測量函數的傳感器,由此對切割裝置進行動態碰撞檢測.按表1中計算值逐個進行仿真,結果顯示,切割裝置在運動過程中,切刀和喇叭嘴不會發生碰撞,表明切割裝置數學模型的計算結果是正確的.

4 結語

在設計雙通道濾棒切割裝置時,首先應確定雙通道中心間距、切刀寬度、刀盤直徑和刀盤旋轉中心位置;然后以切刀刀刃切入濾棒和刀背脫開濾棒時,切刀水平方向線速度等于濾棒線速度為原則,計算不同濾棒長度時的刀盤傾斜角度;最后以切刀刀刃進入喇叭嘴至刀背脫開喇叭嘴過程中,喇叭嘴在水平方向前進的距離等于濾棒前進距離為原則,計算不同濾棒長度和刀盤傾斜角度時的喇叭嘴旋轉直徑.仿真結果顯示,建立的切割裝置數學模型的理論分析和計算結果是正確的.以切刀、喇叭嘴和濾棒三者的空間交互運動建立的數學模型,能夠用于計算和設計不同濾棒長度規格的雙通道濾棒切割裝置.

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責任編輯 曹 娟

Design and Simulation Analysis of Cutoff Device for Twin Filter Rods

XIE Mingjin,HAN Hongbin,and LI Yiduan
China Tobacco Machinery Technology Center Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China

In order to master the cutoff device for twin filter rods in filter rod maker,the structure of the device was analyzed.The relationships of filter plug length with the inclination angle of cutoff blade carrier and the rotational diameter of ledgers were derived and a mathematic model was developed,simulation analysis was conducted as well.The results showed that:1)The center-to-center distance between the twin filter rods,blade width and the diameter and rotary center location of blade carrier should be decided before designing.2)Filter plug length decided the inclination angle of blade carrier.3)Filter plug length and the inclination angle of blade carrier decided the rotational diameter of the ledgers.4)The inclination angles of blade carrier and the rotational diameter of ledgers corresponding to various filter plug lengths were calculated with Matlab software,the calculated results were close to the values provided by G.D Corporation.The theoretical analysis and calculation results of the mathematic model were proved to be correct and applicable to designing the cutoff device for twin filter rods.

Filter maker;Twin filter rods;Cutoff blade carrier;Ledger;Cutoff device

TS457

B

1002-0861(2015)10-0084-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151015

2015-02-25

2015-07-08

中國煙草總公司科技重點項目quot;1 000米/分鐘濾棒成型機組引進技術消化吸收quot;(110201202020).

謝明金(1983-),碩士,工程師,主要從事濾棒成型機的設計與開發.E-mail:95400243@qq.com

謝明金,韓紅彬,李義端.雙通道濾棒切割裝置設計及仿真分析[J].煙草科技,2015,48(10):84-88.XIE Mingjin,HAN Hongbin,LI Yiduan.Design and simulation analysis of cutoff device for twin filter rods[J].Tobacco Scienceamp;Technology,2015,48(10):84-88.