成摞紙張單張高速摩擦分離裝置工作過(guò)程分析

王沖，石航，李亞男

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

0 引言

紙是一種用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，其制成的紙張廣泛應(yīng)用于印刷、包裝、衛(wèi)生、銀行、郵政、醫(yī)療及印鈔等特種印制行業(yè)[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，各行業(yè)都需要從成摞紙張中分離成為連續(xù)、有順序的單張紙張，以備后續(xù)使用。目前，單張分離裝置存在分離速度低（一般20～300 張/min），分離過(guò)程中發(fā)生多張（大于2張）和少?gòu)垼ㄈ睆垼┑默F(xiàn)象，同時(shí)也存在分離不暢及對(duì)紙張有一定的損傷等現(xiàn)象發(fā)生[3-5]。

為解決單張摩擦分離裝置分離效率低及分離不暢等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種分離效率為15～20 張/s且對(duì)紙張磨損低的高速單張分離裝置，對(duì)整個(gè)裝置工作原理進(jìn)行介紹，并通過(guò)對(duì)2種摩擦分離過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，找出影響分離效率和質(zhì)量的因素，為單張分離裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要參考。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1、圖2所示，成摞紙張單張高速摩擦分離裝置主要包括機(jī)架、容紙箱、浮動(dòng)支撐組件、成摞紙張、過(guò)渡組件、分紙輪組件、捻紙輪組件、捻紙座組件、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、頂出機(jī)構(gòu)、單張紙張、同步帶、過(guò)渡同步帶輪、過(guò)渡齒輪、分紙齒輪、捻紙軸承座、捻紙輪、捻紙同步帶輪、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)安裝座、電動(dòng)機(jī)和捻紙軸等。

圖1 單張高速摩擦分離裝置結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 工作原理

結(jié)合圖1、圖2，單張高速摩擦分離裝置的工作過(guò)程如下：1）把成摞紙張放置在容紙箱內(nèi)部，成摞紙張底部由浮動(dòng)支撐組件和分紙輪組件支撐，當(dāng)需要暫停分紙或人工取出成摞紙張時(shí)，頂出機(jī)構(gòu)把成摞紙張向上頂起，確保成摞紙張與浮動(dòng)支撐組件和分紙輪組件脫離，暫停分紙。2）放置成摞紙張后，負(fù)壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，容紙箱內(nèi)部產(chǎn)生一定負(fù)壓，使成摞紙張底部與分紙輪組件接觸更加緊密，更利于分紙。3）啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器把動(dòng)力傳出，動(dòng)力分為2路，第1路直接傳送給捻紙輪組件，第2路通過(guò)捻紙輪組件中的捻紙同步帶輪和同步帶傳遞到過(guò)渡組件中的過(guò)渡同步帶輪，過(guò)渡組件通過(guò)過(guò)渡齒輪與分紙齒輪嚙合，把動(dòng)力傳送到分紙輪組件。4）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，分紙輪組件把成摞紙張底部的紙張通過(guò)摩擦從成摞紙張中分離出來(lái)；分紙輪組件分離出來(lái)的紙張同時(shí)被傳輸?shù)侥砑堓喗M件和捻紙座組件結(jié)合處，捻紙輪組件和捻紙座組件通過(guò)摩擦對(duì)紙張進(jìn)行二次分離，確保輸出單張紙張。

圖2 單張高速摩擦分離裝置傳送結(jié)構(gòu)圖

1.3 分紙輪組件

分紙輪組件用于把成摞紙張底部的紙張通過(guò)摩擦從成摞紙張中分離出來(lái)，并把分離出來(lái)的紙張傳輸?shù)侥砑堓喗M件和捻紙座組件結(jié)合處；其主要由分紙齒輪、分紙軸承座、分紙輪、分紙橡膠、振動(dòng)托板、偏心軸、連桿、夾緊桿和振動(dòng)托板軸等組成（如圖3）；分紙輪組件通過(guò)偏心軸兩端的分紙軸承座安裝在容紙箱左端，分紙齒輪安裝在偏心軸一端，連桿與偏心軸鉸接在另一端，夾緊桿一端與連桿鉸接，另一端夾緊振動(dòng)托板軸，振動(dòng)托板與振動(dòng)托板軸固定連接；分紙齒輪帶動(dòng)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心軸通過(guò)連桿、夾緊桿和振動(dòng)托板軸把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)托板上下擺動(dòng)，振動(dòng)托板上下擺動(dòng)可以起到減小紙張間摩擦力的作用。

圖3 分紙輪組件結(jié)構(gòu)圖

1.4 捻紙輪和捻紙座組件

捻紙輪組件用于與捻紙座組件配合，通過(guò)摩擦對(duì)分紙輪組件輸送過(guò)來(lái)的紙張進(jìn)行二次分離，確保輸出單張紙張；其主要由捻紙軸承座、捻紙輪、捻紙同步帶輪、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)安裝座、電動(dòng)機(jī)和捻紙軸等組成；捻紙輪組件通過(guò)捻紙軸兩端的捻紙軸承座安裝在機(jī)架左端，電動(dòng)機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)安裝座安裝機(jī)架左端，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與捻紙軸聯(lián)接，捻紙輪與捻紙軸固定連接，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)捻紙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)紙張進(jìn)行二次分離，捻紙同步帶輪通過(guò)同步帶把電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳送到分紙輪組件。

捻紙座組件作用在于保證紙張與捻紙輪組件中捻紙輪柔性接觸，配合捻紙輪對(duì)紙張進(jìn)行二次分離；其主要由支座、安裝本體、塑料托輪、托紙器和托紙器彈簧等組成（如圖4）；捻紙座組件通過(guò)支座安裝在機(jī)架最左端，安裝本體與支座固定連接，托紙器安裝在安裝本體中部，托紙器底部有托紙器彈簧浮動(dòng)支撐，塑料托輪安裝在安裝本體左右兩端。

圖4 捻紙座組件結(jié)構(gòu)圖

2 摩擦分離過(guò)程分析

把成摞紙張放置在容紙箱內(nèi)部后，單張摩擦分離裝置對(duì)成摞紙張進(jìn)行2次摩擦分離，分別為分紙輪組件分離和捻紙組件分離。現(xiàn)對(duì)2次摩擦分離過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行受力分析，找出有利于提高分離效率和效果各個(gè)參數(shù)之間關(guān)系，也為優(yōu)化設(shè)計(jì)單張摩擦分離裝置提供依據(jù)。

2.1 分紙過(guò)程受力分析

成摞紙張底部的紙張通過(guò)分紙輪組件分紙輪的摩擦從成摞紙張中分離出來(lái)，現(xiàn)對(duì)分紙輪進(jìn)行受力分析：

式中：Fn為分紙輪所受摩擦力，N；Fn′為分紙輪對(duì)底張紙張摩擦力，N；Gn為成摞紙張重力，N；n為成摞紙張數(shù)；m為單張紙張重量，kg；μ為紙張與分紙輪橡膠摩擦因數(shù)；μ0為紙張間摩擦因數(shù)；Fn-1為底張間摩擦力，N；Gn-1為除底張外所有紙張重力，N；tn為底張加速分離時(shí)間，s；an為底張紙張加速度，m/s2；ωn為分紙輪角速度，rad/s；rn為分紙輪半徑，m；Vn為分紙輪線速度，m/s。

由式（1）和式（2）聯(lián)立可得底張加速分離時(shí)間：

由式（3）可知，加速時(shí)間tn、分紙輪角速度ωn和分紙輪半徑rn成正比，而與成摞紙張數(shù)量n和摩擦因數(shù)差μ-μ0成反比。當(dāng)分紙輪轉(zhuǎn)速和半徑一定時(shí)，隨著成摞紙張數(shù)量減少，分離時(shí)間增大，即分離效率降低。

通過(guò)以上分析，為保證分離速度保持穩(wěn)定，必須在保證分離過(guò)程中成摞紙張數(shù)量逐漸減少的情況下設(shè)計(jì)輔助加力裝置，彌補(bǔ)因?yàn)榧垙垟?shù)量減少導(dǎo)致的分離時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題；同時(shí)減少紙張間的摩擦因數(shù)，增加分紙輪與紙張間的摩擦因數(shù)，增大摩擦因數(shù)差以減少分離時(shí)間，保證生產(chǎn)效率。

圖5 分紙過(guò)程受力簡(jiǎn)化圖

2.2 捻紙過(guò)程受力分析

捻紙輪組件與捻紙座組件配合，通過(guò)摩擦對(duì)分紙輪組件輸送過(guò)來(lái)的紙張進(jìn)行二次分離，現(xiàn)對(duì)捻紙輪進(jìn)行受力分析：

式中：Fm為捻紙輪所受摩擦力，N；Fm′為捻紙輪對(duì)與其接觸紙張摩擦力，N；m為單張紙張質(zhì)量，kg；Gn為成摞紙張重力，N；μ為紙張與分紙輪橡膠摩擦因數(shù)；μ0為紙張間摩擦因數(shù)；Ft為彈簧支撐力，N；tm為底張加速分離時(shí)間，s；Fm-1為紙張間摩擦力，N；am為底張紙張加速度，m/s2；ωm為捻紙輪角速度，rad/s；rm為捻紙輪半徑，m；Vm為捻紙輪線速度，m/s。

式（4）和式（5）聯(lián)立，可得底張加速分離時(shí)間計(jì)算公式為

圖6 捻紙過(guò)程受力簡(jiǎn)化圖

由式（6）可知：加速時(shí)間tm與分紙輪角速度ωm和分紙輪半徑rm成正比，而與彈簧支撐力Ft和摩擦因數(shù)差μ-μ0成反比。當(dāng)捻紙輪轉(zhuǎn)速和半徑一定時(shí)，為保證分離速度保持穩(wěn)定，必須在保證彈簧支撐力Ft始終保持一定的預(yù)緊力。

在單張摩擦分離裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，分紙輪與捻紙輪傳動(dòng)比為1，即ωm和ωn大小相等、方向相反，半徑rn和rm大小相等；當(dāng)成摞紙張數(shù)量n遠(yuǎn)大于1時(shí)，式（3）中n（μ－μ0）＋μ0簡(jiǎn)化為n（μ－μ0）。

為保證單張摩擦分離裝置順暢工作，防止分紙輪組件與捻紙輪組件工作過(guò)程中發(fā)生堵塞等情況，捻紙輪組件分離時(shí)間tm必須不大于分紙輪組件的分離時(shí)間tn，即

由式（8）可知，為防止單張摩擦分離裝置工作過(guò)程中發(fā)生堵塞，必須滿足Ft/Gn≥1。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)2種摩擦分離情況分離過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，找出影響分離效率和質(zhì)量的因素，并找出不發(fā)生堵塞的簡(jiǎn)化條件為Ft/Gn≥1。

2）通過(guò)對(duì)整個(gè)裝置工作原理及設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹，并對(duì)2種摩擦分離情況分離過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，為單張摩擦分離裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。