垂直高速旋轉式水松紙切割裝置設計及試驗研究

栗　慧　于青令　曹瀚心

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，鄭州450002）

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垂直高速旋轉式水松紙切割裝置設計及試驗研究

栗慧于青令曹瀚心

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，鄭州450002）

摘要：在煙草機械設備當中，水松紙切割裝置是一個十分重要的設備。隨著科技的發展，煙草機械設備也在不斷更新，水松紙切割裝置也得到了相應的發展。基于此，本文研究垂直高速旋轉式水松紙切割裝置，著重分析切紙裝置的設計、切紙裝置的仿真以及切紙裝置的相關試驗，從而為水松紙切割工藝提供了一種全新的方法。

關鍵詞：垂直高速旋轉水松紙切割裝置設計及試驗

水松紙切割裝置作為煙草機械設備中一個十分重要的裝置，對于煙草生產來說發揮著極大的作用。但是，在過去的生產當中，我國所應用的水松紙切割裝置都是依賴于國外進口。然而，我國生產的卷接機組只能國內使用，難以出口，從而極大限制了我國煙草機械設備的國際市場競爭力。因此，應當設計一種新型的水松紙切割裝置，以確保我國的自主知識產權。

1 水松紙切割裝置的設計

（1）設計規劃。設計規劃階段，首先要對設計任務進行詳細描述?；谙鄳募夹g參數和功能要求，對水松紙切割裝置的關鍵技術、基本原理等進行研究，并且建立關鍵技術的理論模型［1］。裝置要求將膠水涂抹均勻的水松紙切割為27mm長度的矩形，并確保能夠吸附水松紙的真空度，設計效率為5500片/min，同時應確保清潔無污染的工作面。裝置應當確保滿足卷煙長度的水松紙長度和同步的粘結點線速度。水松紙寬度方向重點應與墻板保持205mm距離，同時保持水松紙48～70mm的寬度。

（2）方案設計。水松紙切割由刀盤旋轉完成，因此對切紙輪和刀盤的相對位置應當加以考慮，同時將刀盤旋轉中心的位置確定。具體設計中，要根據不同的實際情況及生產要求，分為旋轉中心在切紙輪端面內、旋轉中心與切紙輪端面齊平、旋轉中心在切紙輪端面外等情況進行考慮。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，可分為切紙刀逆時針旋轉和順時針旋轉等情況考慮。具體設計中，對其涉及到的變量和定量參數，應建立相應的數學模型，選擇最優的安裝結構。

（3）技術設計。根據機構裝配空間、切紙原理等，總體結構主要包括墻板、切紙刀盤、四根軸、齒輪箱、一次錐齒輪傳動、兩次直齒輪傳動、支架、切紙刀、切紙輪等零件。結合切紙刀和切紙輪相對運動的方向，需要采取變換運動軸線方向的傳動方式，因而采用了圓錐齒輪傳動的方式實現這一功能。原有切紙結構的切紙方向與切紙輪端面呈15°。本設計中，在切紙刀盤旋轉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）施工設計。刀片設計中，根據計算確定了65Mn的刀片材料彈簧鋼，其材料與原切紙刀相同。切紙輪較為復雜，具有送紙、安裝調試、切紙、配齊系統等作用。采用12個鑲塊和1個輪體組成切紙輪，同時設計相應的切紙輪凹槽。切紙刀是在刀盤上安裝刀片，然后在刀座上進行安裝，最后安裝到旋轉軸上。設計中，單盤中心挖空，刀盤上刀片安裝面凸起，用三個腰圓形槽與軸固定刀座。最后在設計總裝圖的過程中，將23個軸承、螺釘，30個零件圖等納入其中。

2 水松紙切割裝置的仿真

（1）虛擬樣機裝配驗證。在裝置仿真過程中，首先建立三維模型，確保模型的精確度，然后將其導入動力學仿真軟件中，將約束和力添加上，從而形成系統虛擬樣機，最后對其進行動力學仿真試驗［3］。需要利用正確的數據交換格式確保模型精度。結合模型導入的幾何特征，利用Parasolid是一種良好的數據交換標準格式，能夠確保轉動慣量、體積質量等物理信息的完整。利用該數據交換標準格式能夠提供精確的幾何表達，同時發揮良好的容錯效果。導入過程中，為了使仿真更加方便，將切紙結構分成5個部分，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）切紙原理驗證。軸向上，將切紙輪初始切紙工作刃進行7等分，然后利用刀刃曲線方程對得到的8個初始點進行計算。在將水松紙切斷的過程中，切紙刀刃與切紙輪工作刃分別有8個相應的點依次重合。在虛擬樣機的切紙輪和切紙刀上，將這16個點分別添加到虛擬樣機中。在進行仿真計算的過程中，對兩個點之間的x坐標、y坐標、z坐標之間的差值分別進行測量和計算。如果得到了為0的差值，則說明在t時刻中，兩個點發生了重合。經過計算得出，在空間三個方向的坐標中，差值都為0，證明理論推導的結果與仿真得到的結果相同，說明了刀刃曲線方程的正確性以及設計參數的合理性。

（3）切紙直線度分析。垂直高速旋轉式水松紙切割裝置屬于非接觸式切紙。在切紙過程中，鑲塊刃口和切紙刀片之間保留了0.06mm的間隙，保證不會有彈性形變發生。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，對水松紙切口的直線度有很大的影響［4］。因此，可根據中心距、刀片刃口曲線、刀片安裝面、刀盤軸向移動等方面，分析直線度受到切紙刀精度的影響。在切紙過程中，根據切紙方程，確定刀片的切入點和切出點坐標。在切入的瞬間，確定水松紙的切開起始點坐標和終止點坐標。在切入過程中，刀片切入點和水松紙切開起始點重合；在切出過程中，刀片切出點和水松紙切開終止點重合，從而確保切出一條直線。

3 水松紙切割裝置的試驗

（1）切紙試驗。進行裝置試驗的過程中，首先根據裝配圖進行正確裝配，然后安裝調試切紙刀，確保切紙輪旋轉軸與切紙刀旋轉軸的垂直，并且與豎直方向保持15°角。安裝刀片時，刀尖和旋轉軸的距離為98.82mm，刀尾和旋轉軸距離為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下，用手盤動切紙輪對鑲塊工作刃、切紙刀片的嚙合情況進行觀察。然后開機運行，對切紙結構的振動噪聲、刀刃的嚙合情況等進行觀察。通過試驗證明，鑲塊和刀片符合設計要求，嚙合情況良好。正反轉時，傳動間隙很小，非接觸切紙噪聲很低，鑲塊和刀片也沒有磨損。

（2）試驗分析。經過試驗能夠得知，在垂直高速旋轉式水松紙切割裝置的設計中，各個零部件能夠準確進行安裝，同時達到了設計的傳動精度要求，且切紙輪和切紙刀在運動過程中不會相互干涉。刀片遠點切入、近點切出的軌跡，能夠準確嚙合切紙輪鑲塊［5］。刀片在切紙過程中，從里向外刮，并向凹槽里切。對于能夠影響到切紙效果的參數，如刀片、間隙、負壓等進行適當選取，使得切紙結構能夠沿著直線進行切割，得到切口光滑的水松紙片。長度為27mm，寬度為48mm，能夠滿足實際卷煙的需求。

4 結論

在卷煙設備中，水松紙的切割是一道十分重要的工序。隨著工業技術水平的不斷提高，我國已經能夠自行設計和制造水松紙切割裝置。本文結合水松紙切割當中的各種問題和要求，設計了垂直高速旋轉式水松紙切割裝置，并根據相關的影響因素確定了具體的設計參數和設計方案。經過仿真、試驗等步驟，發現設計的水松紙切割裝置能夠發揮出良好的效果，并且能夠切割出符合卷煙要求的水松紙片。

參考文獻

［1］王玉芳，高衛軍.PASSIM卷接機組水松紙夾沫問題的改進方法探討［J］.安陽工學院學報，2011，（2）：13-16.

［2］劉子建，謝宗敏，呂程.新型垂直旋轉式切紙裝置設計研究［J］.中國機械工程，2011，（24）：2953-2957.

［3］劉子建，薛鋒，謝明金.旋轉式切紙刀設計機理研究［J］.現代制造工程，2009，（10）：108-111.

［4］謝明金.垂直高速旋轉式水松紙切割裝置設計及試驗研究［D］.長沙：湖南大學，2009.

［5］萬曉文.超高速卷接機HMI研究與設計［D］.長沙：湖南大學，2013.

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