TOBSPIN 切絲機刀盤軸承間隙快速調整裝置的設計

謝真成，譚嘉樂，梁 岳，吳 鋼

廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區東沙環翠南路88 號 510385

TOBSPIN 切絲機是德國HAUNI 公司研制的一種新型切絲設備，與國內廣泛使用的滾刀切絲機不同，其采用的是旋轉式柔性切絲原理，能夠有效提高煙絲質量穩定性。生產中發現由于磨損造成TOBSPIN 切絲機刀盤軸承間隙增大，導致刀盤前后竄動，進而影響切絲質量。而采用HAUNI公司提供的調整工具需要反復拆卸調試和安裝設備，費時費力，且無法觀察調整效果，影響設備生產效率。近年來針對TOBSPIN切絲機已開展了大量研究，蔣卓芳等［1］設計了TOBSPIN 切絲機進刀電機拆卸工具，在不損傷設備的前提下實現了進刀電機的快速拆卸；李立勛等［2］設計了TOBSPIN切絲機氣動反吹式煙葉回收單元，解決了原除塵器濾棒使用壽命短、維修費用高等問題；陳雪梅等［3］對TOBSPIN 切絲機加工控制原理及特征進行了分析；李秀芳等［4］設計了一種用于解決TOBSPIN 切絲機揚塵的方法；楊秉宇等［5］研究了高轉速低料位技術在TOBSPIN 切絲機中的應用，但對于TOBSPIN切絲機刀盤軸承間隙調整的研究及改進則鮮見報道。為此，基于TOBSPIN切絲機研制了一種刀盤軸承間隙快速調整裝置，并運用SolidWorks simulation 軟件對其合理性進行驗證，以期提高切絲設備生產效率，保證卷煙產品質量。

1 問題分析

TOBSPIN 切絲機刀盤采用旋轉式結構，刀盤及刀盤電機分別通過7230 型和7228 型兩個軸承安裝在刀盤主軸上，同樣進刀電機也安裝在刀盤主軸上。隨著工作時間增加，刀盤軸承內鋼珠出現磨損，導致刀盤軸承間隙增大而引起刀盤竄動，進而影響切絲質量的穩定。采用HAUNI 公司提供的刀盤軸承間隙調整工具存在以下問題：①需要拆裝電氣線路、編碼器及相關防護罩、進刀電機等部件，并完成動平衡等操作，整個拆裝過程耗時27～30 h/臺，影響設備生產效率；②刀盤軸承間隙調整鎖緊螺釘位于進刀電機及相關防護罩后方，需借助叉車和專業搬運工才能完成拆卸，工作強度大、難度高；③通過扭力扳手的扭矩來控制軸承調整范圍，在操作中可能存在偏差；④主軸軸套內套位置及尺寸限制了軸承調整范圍。

2 系統設計

2.1 系統結構

TOBSPIN 切絲機刀盤軸承間隙快速調整裝置主要是由平端緊定螺釘（1）、平端調整螺釘（2）、刀盤軸承（3）、主軸軸套（4）以及刀盤主軸（5）等部分組成，見圖1。通過平端調整螺釘向內推動刀盤軸承的內圈，使其向主軸軸套的內套偏移，以減小刀盤軸承間隙；再利用平端緊定螺釘固定平端調整螺釘，實現從外部調整刀盤軸承間隙的目的。

圖1 刀盤軸承間隙快速調整裝置結構示意圖Fig.1 Structure of adjustment device for bearing clearance of cutting blade carrier

2.2 刀盤主軸

在刀盤主軸上加工4 個M16 的調整螺孔，螺孔外切角為40°，見圖2。采用螺釘進行調節，第一級為型號GB578M16的1.5 mm×25 mm平端緊定螺釘，采用8 mm內六角匙調整；第二級為型號GB578M16的1.5 mm×15 mm平端調整螺釘，采用10 mm內六角匙鎖緊。經塞尺檢測，通過平端調整螺釘調節刀盤軸承間隙后，刀盤軸承間隙由原來的0.35 mm 減小到設定值0.05 mm。

圖2 刀盤主軸結構示意圖Fig.2 Structure of main shaft of blade carrier

2.3 刀盤機架

重新設計了刀盤機架。以刀盤主軸上的4 個調整螺孔為基準，在機架上加工2 個直徑為13 mm 的圓孔，見圖3。利用工具通過圓孔對螺釘進行調節和鎖緊，可以實現刀盤軸承間隙的快速調整。

圖3 刀盤機架結構示意圖Fig.3 Structure of frame of blade carrier

2.4 主軸軸套

由于刀盤軸承內圈與主軸軸套內套相對位置固定，當軸承內鋼珠出現磨損時無法調整軸承間隙大小。因此，將內套長度由190 mm縮短為160 mm，見圖4。當軸承內鋼珠出現磨損時，推動刀盤軸承內圈向主軸軸套內套偏移，即可調整軸承間隙。

圖4 主軸軸套結構示意圖Fig.4 Structure of main shaft sleeve

2.5 刀盤軸承間隙

刀盤軸承間隙分為徑向間隙和軸向間隙，見圖5。由于主軸的徑向由刀盤軸承固定，故產生的是軸向間隙。為保證刀盤與機架相對位置固定，當刀盤軸承內鋼珠出現磨損時需要及時調整軸向間隙。

圖5 刀盤軸承間隙示意圖Fig.5 Schematic diagram of bearing clearance of blade carrier

2.6 強度校核

2.6.1 主軸受力計算

在生產中主軸同時受到刀盤壓力和切絲刀切削物料時的切削力。查閱TOBSPIN 切絲機相關資料，可知刀盤質量約為350 kg，主軸受到的刀盤壓力為：

根據文獻［6］的方法計算切削力：

式中：Ft為切削力，N；K況為切絲機的工況系數；a、b為物料截面的長和寬，mm；ξ力為單位切削力，N/mm2。

根據制絲工藝規范要求［7］以及TOBSPIN切絲機相關參數，可知刀門高度40 mm，寬度200 mm，切絲機工況系數在1.1～1.5 之間，單位切削力在0.01～0.04 N/mm2之間。取K況最大為1.5，ξ力最大為0.04 N/mm2，則：

主軸承受的最大作用力為：

2.6.2 主軸應力計算

主軸材質選用AISI 4340 鋼，由機械設計手冊［8］查得，材料的許用正應力為170 MPa，屈服強度σs≥835 MPa。已知主軸承受的最大作用力為3 910 N，作用力由刀盤軸承傳遞給主軸，主軸受力處直徑140 mm，受力長度90 mm，其受力面積為：

式中：S為主軸受力面積，mm2；d為主軸受力處直徑，mm；h為主軸受力處長度，mm。

主軸的內部應力為：

式中：σ為主軸的內部應力，MPa；F為主軸承受的最大作用力，N。

查閱相關資料可知，AISI 4340 鋼的抗疲勞系數為1.5～3.0，抗變形系數為1.2～3.0，抗斷裂系數為2.5～4.0。取最大系數進行計算，得到安全系數為：

主軸的最大應力［9］為：

計算結果表明，主軸的最大應力小于材料的許用正應力170 MPa 和屈服強度835 MPa，符合設計要求。

2.6.3 SolidWorks靜應力校核

利用SolidWorks simulation 軟件對主軸進行靜應力校核。對主軸施加刀盤壓力和最大切削力時，主軸受到的最大作用力為3 910 N，在此條件下主軸的網格劃分見圖6。由主軸的整體靜應力受力變形分布（圖7）可見，變形部分主要位于中間，最大變形量為1.242×10-6mm。由主軸的變形量分布（圖8）可見，主軸在Y 軸上的最大形變量為1.525×10-2mm。由主軸受到的靜應力分布（圖9）可見，主軸承受的最大應力為4.564×106Pa（約為4.56 MPa），遠小于材料的許用正應力170 MPa和屈服強度835 MPa。

圖6 主軸網格劃分圖Fig.6 Meshing diagram of main shaft

圖7 主軸整體靜應力應變圖Fig.7 Overall static stress-strain diagram of main shaft

圖8 主軸變形量分布圖Fig.8 Deformation distribution diagram of main shaft

圖9 主軸靜應力受力圖Fig.9 Static stress diagram of main shaft

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：A 牌號和B 牌號卷煙煙絲（由廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠提供）。

設備：兩臺TOBSPIN切絲機以及刀盤軸承拆卸工具（德國HAUNI公司）。

方法：選兩組工作人員，分別采用HAUNI 公司調整工具和快速調整裝置對兩臺切絲機刀盤軸承間隙進行調整并統計調整時間，重復測試2次，取平均值；取A 牌號和B 牌號卷煙煙絲各6 批次，依據企業相關工藝技術要求，統計快速調整裝置應用前后的切絲合格率。

3.2 數據分析

由表1可知，與HAUNI調整工具相比，采用快速調整裝置后刀盤軸承間隙調整時間由平均27.63 h/臺減少到0.30 h/臺，縮短27.33 h/臺，工作效率提高91.10%，有效解決了刀盤軸承間隙調整困難等問題。由表2可知，采用快速調整裝置后切絲平均合格率由81.69%提高到90.17%，增幅8.48 百分點。其中，A 牌號和B 牌號切絲合格率標準差分別降低77.02%和57.80%，表明切絲機運行穩定性得到顯著提升。

表1 切絲機刀盤軸承間隙調整時間對比Tab.1 Comparison of adjustment time of bearing clearance of blade carrier in tobacco cutter（h·臺-1）

表2 調整前后切絲合格率對比Tab.2 Comparison of qualified rate of cut tobacco before and after adjustiment （%）

4 結論

研制了一種TOBSPIN 切絲機刀盤軸承間隙快速調整裝置，通過調節平端調整螺釘可以快速將刀盤軸承間隙由0.35 mm減少到0.05 mm，有效解決了刀盤竄動及調整困難等問題。將HAUNI 調整工具與快速調整裝置進行對比測試，結果表明：采用快速調整裝置后，調整時間平均縮短27.33 h/臺，切絲平均合格率提高8.48 百分點，有效提升了切絲機維修保養工作效率，提高了切絲質量穩定性。