新型煙草切絲機磨刀系統分析與穩定性研究

李強，楊先威，高亮，李鵬飛，楊娜，王浩

(1. 湖北中煙工業責任有限公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北新業煙草薄片開發有限公司，湖北 武漢 430056；3. 重組煙葉應用技術研究湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040；4. 中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引言

隨著新型煙草的發展，各煙廠對煙草制品的要求越來越高。在煙草生產加工中，煙絲制作工藝較為成熟，其中影響薄片和煙絲產品質量的因素有多方面，包括切絲機刀組的剪切方式、刀具磨損情況等。不同剪切方式和刀具磨損狀況對產品質量具有很大影響。傳統切絲機在切絲過程中，切絲刀片很容易磨損和黏附煙垢，刀片刃口變鈍，易造成煙絲并絲和連絲等現象，嚴重影響切絲質量。此外傳統切絲機能耗高、工序繁瑣；刀具更換頻繁，切絲成本高。因此，需要開發磨刀裝置對刀片的刃口及時地進行磨礪修復，以保證切絲質量滿足新型煙草制絲要求。

當前國內專家針對煙草行業切絲機設備及工藝研究較多，但針對傳統切絲工藝中刀具磨損等問題的深入研究還比較缺乏。楊光露等對SQ3X型切絲機進行了深入研究，設計了銅排鏈自動拆裝設備[1]；劉廣洲、劉志翎等對切絲機刀具進行了系統研究，分析了滾刀式切絲機切削角度對切絲的影響規律[2-3]；而在切絲機磨刀結構設計方面，邵偉等針對SQ3X型切梗絲機砂輪磨削區域增溫減黏裝置進行了系統設計[4]；李忠壽等對切絲機新型磨刀裝置進行了系統開發與研制[5]；楊德來等對我國薄片生產設備進行了技術分析并提出了改進方向[6]；楊曉春對切絲機結構進行改進優化，對KTC切絲機液壓系統提出改造升級方案[7]；在對切絲刀輥進一步研究后，陳貴吉等提出QG-1型切絲機砂輪傳動部分的改進措施[8]。大多專家都是研究切絲機工藝和切絲機基本功能，而忽略了切絲刀輥磨損后影響切絲質量等問題。郭飚等針對這一問題，提出了一種滾刀式切絲機切削力及切削功率的計算方法[9]；周玉生等針對滾刀式切絲機上排鏈運動對切絲寬度穩定性的影響進行了系統分析[10]。

以上研究多數都是研究切絲機工藝和切絲機基本功能，而忽略了切絲刀輥磨損后影響切絲質量等問題。李忠壽等針對這一問題，提出了煙草切絲機磨刀裝置及其改進設計[11]。本文針對切絲刀輥磨損修復問題，提出了一種新型磨刀系統，并對其運行可靠性進行了分析研究。基于傳統切絲機結構特點，開發一套磨刀裝置，通過三維建模和磨刀工況的動力學仿真，重點分析磨刀砂輪與刀輥接觸角度的不同對磨刀穩定性的影響，可為磨刀裝置的設計和應用提供理論參考。

1 切絲機與磨刀系統結構設計

1.1 切絲機結構設計

為了保證新型切絲機滿足工藝要求，本文基于傳統切絲機設備及切絲工藝，進行了切絲機工藝的改進。傳統切絲機一組刀輥的幅寬是90mm，一套切絲機的縱切絲刀具由多組刀輥組合拼接。可根據制絲生產線的產量和工藝要求，調整切絲機切絲幅寬。本文以50kg制絲生產線切絲機為例，幅寬為450mm。但考慮到傳統切絲機在刀具磨損后更新頻繁，一定程度上增加了制絲成本，故本文提出一種新型切絲工藝，改變切絲刀輥幅寬，每組刀輥幅寬設計為30mm，避免了傳統切絲刀輥因某一刀齒受損而需要更換一個刀輥的問題，節約了刀具成本。

1) 傳統切絲機結構

圖1為傳統切絲機結構示意圖。

1—縱切刀組；2—橫切刀組；3—減速電機；4—電機鏈輪；5—減速電機；6—鏈條。

2)新型切絲機結構

圖2所示新型煙草薄片切絲機結構包括機架、縱、橫切刀減速電機、橫切刀組、縱切刀組、磨刀裝置、接料盒、護罩和門框。圖3所示磨刀裝置組件包括直流電機、砂輪組件、絲杠導軌、手動移動平臺和磨削量檢測裝置。該切絲機結構簡單，操作方便，可對煙草進行切絲，保證切絲寬度在0.5～1mm，在切絲刀輥磨損的同時對刀輥進行離線磨刀，磨削量在0.1～0.5mm之間，保證了刀輥的使用壽命，提高切絲機的切絲效率。

通過研究與實驗，對傳統的切絲機設備進行優化改進，結合現有切絲方式的特征以及縱切刀刀組在運行過程中刀面刃口磨損影響切絲后煙絲的并絲率和連絲率，研發的新型帶磨刀裝置切絲機可完成切絲功能和磨刀功能，分別有如下特點。

1)切絲機可完成切絲功能，切絲流量為50kg/h。切絲機由縱切刀組、橫切刀組、減速電機、電機鏈輪、鏈條等組成，驅動減速電機啟動橫切刀組和縱切刀組，煙葉經過縱切刀組完成切絲步驟，經過切絲后的煙絲通過橫切刀組完成斷絲步驟。其中縱切刀組由兩副刀輥組組成，每組刀輥組由15個刀輥軸向組合成一副長450mm的刀輥組，刀輥采用T8工具鋼，切絲寬度為1mm。圖4所示縱切刀組，兩副刀輥組通過齒輪機構進行動力傳動，其中一副刀輥組連接鏈輪和減速電機驅動完成動力輸出。煙草薄片完成切絲步驟后，由圖5所示橫切刀組完成煙絲斷絲工藝步驟。橫切刀組由螺旋刀和定刀組成，驅動減速電機啟動螺旋刀，使得煙絲在螺旋刀和定刀的作用下完成斷絲步驟，經過縱切刀組切絲和橫切刀組斷絲后的煙絲通過下料板收集進入下一道工序。

1—縱切刀組；2—磨刀裝置；3—橫切刀組；4—縱切刀減速電機；5—切絲機機架；6—橫切刀電機鏈輪。

1—砂輪；2—直流電機；3—精密手動移動平臺；4—平臺固定板；5—滾珠絲杠導軌。

圖4 縱切刀組

圖5 橫切刀組

在線磨刀裝置組件(圖3)對縱切刀組進行磨刀，該磨刀裝置由滾珠絲杠。驅動帶有直流電機、B12夾頭、砂輪組件的精密手動移動平臺構成。其中：直流電機轉速可調，直流電機與砂輪組件通過B12夾頭固定連接，且直流電機通過電機固定架固定在精密手動移動平臺上，精密手動移動平臺完成砂輪與縱切刀刀組之間的x方向進給與對刀動作；然后驅動直流電機與縱切刀刀組使得砂輪組件在滾珠絲杠導軌的作用下對縱切刀刀組進行y軸向磨刀。滾珠絲杠導軌帶限位裝置，砂輪移動到一定位置自動限停，達到在線磨刀效果，以期提高煙絲的并絲率與連絲率，并有效延長了切絲刀組的使用壽命，在降低了切絲成本的同時保證切絲質量。

2)對比原有切絲機，新型切絲機縱切刀調節裝置采用滑動軸承結合螺桿手動在線調節刀組之間的間隙，利用在線磨刀裝置進行磨刀，這不僅進一步滿足新型煙草切絲率的新工藝要求，提高煙草切絲質量穩定性，而且設備操作簡單、成本低。

3)磨刀組件在對縱切刀刀組的一組刀輥完成一個磨刀動作周期后，通過縱切刀組軸承座上的定位螺釘，對縱切刀刀組的另一組刀輥進行磨刀,節約磨刀組件成本。

1.2 磨刀裝置受力穩定性分析

由前面對新型切絲機結構特點分析可知，磨刀裝置進行磨刀作業時，高速旋轉的砂輪與刀輥接觸的一瞬間，會發生碰撞抖動現象，這必然對磨刀作業造成影響。情況嚴重時，甚至會導致刀輥磨削不均勻，凹凸不齊，進而影響刀具切絲精度和質量。所以砂輪進行磨刀作業時，與刀輥接觸點的選取至關重要。不同角度的接觸受力點，導致接觸時的碰撞力與摩擦力方向不同，結合砂輪與刀具的固定點位置，計算分析可以得到不同的彎矩，導致磨刀裝置的抖動程度也有差異。此處對磨刀裝置的工況進行受力分析，為找到最佳接觸點位置，分別選取具有代表性的三處位置(圖6)，與水平方向成30°、45°和60°進行分析。

圖6 不同角度工況下磨刀裝置示意圖

根據磨刀裝置與刀輥接觸不同位置的受力分析，初步可得到分力F1和F2與合力F合之間的關系，此處不再展開分析。

2 磨刀受力擾動的動力學仿真

2.1 磨刀砂輪轉軸強度分析

因對磨刀裝置分析時需要考慮砂輪轉軸在高速旋轉的同時受到摩擦碰撞力，極可能導致砂輪轉軸發生變形，進而影響磨刀質量。為驗證砂輪轉軸的強度是否滿足工況要求，這里對砂輪轉軸進行了應力仿真分析，如圖7所示。

圖7 磨刀砂輪與轉軸受力分析圖

從仿真結果可知，當砂輪轉速達到7000r/min時，磨刀裝置進行磨刀作業的轉軸變形量為9.958×10-8mm,可忽略不計，故可排除轉軸因變形而影響磨刀效果的情況。

2.2 磨刀角度對系統穩定性的仿真分析

磨刀裝置工作時，砂輪與刀輥接觸，會產生摩擦力與反作用碰撞力，導致磨刀裝置抖動，進而影響磨刀穩定性和磨刀質量，本文為了研究方便，特將其復雜的結構進行簡化建模，并模擬具體工況進行動力學仿真分析。由于砂輪與刀輥之間的空間接觸角度不同，碰撞力也會不同，砂輪因為碰撞力會有輕微抖動，致使接觸力不規則變化，加劇砂輪抖動，最終影響磨刀效果。本文為了探究砂輪與刀輥的接觸角度對磨刀工況穩定性的動態影響，運用Solidworks軟件對切絲機及其磨刀裝置進行三維建模，搭建一個磨刀工作平臺，并運用Solidworks軟件的Motion插件進行動力學仿真。為了準確反映出磨刀工況中砂輪與刀輥間的接觸力，對磨刀裝置砂輪添加不同角度的干擾力代替現實工況下的碰撞力，分析砂輪中心在不同角度干擾力下線性加速度的擾動情況。

為探究砂輪與刀輥不同角度接觸力對穩定性影響，本文選取了三組角度：30°、45°、60°分別進行建模和動力學仿真。接觸力依據具體工況模擬大小為100N+20sin(πt)N的正弦波干擾力，碰撞力波動范圍控制在20N以內，仿真時間設定為0～8s。仿真分析結果如圖8-圖10所示。

圖8 30°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

圖9 45°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

圖10 60°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

通過對砂輪與切絲輥接觸點水平角度30°情況下的動態仿真，從圖8可以很清晰地反映磨刀砂輪進行磨刀作業情況下的動態響應。由砂輪線質心性加速度曲線可知，砂輪初始啟動0～0.5s下抖振明顯，隨后趨于平緩；當磨刀裝置移動到另一側達最大距離處3～4.5s后反向運動。此時抖振最劇烈；當磨刀裝置運動到初始位置時抖振又非常明顯，可初步得到砂輪工作穩定性最差的時刻為磨刀裝置水平y方向移動速度改變明顯的時刻。在砂輪一個往返運動周期內，砂輪運動隨著時間的增加，其穩定性先減小后增大，然后再減小再增大。抖振最嚴重的時刻為y方向速度和方向均改變的時刻，達到1033mm/s2。因為y方向速度改變的同時受到x方向的干擾力，導致砂輪抖振明顯，極大地降低了磨刀質量。

通過對砂輪與切絲輥接觸點水平角度45°情況下的動態仿真，從圖9可得到，砂輪作業抖振規律同30°情況下一樣，但各時刻的抖振程度有明顯區別，其在速度改變和方向改變時刻的抖振程度比30°時小，砂輪磨刀作業工況穩定性更好，砂輪磨刀質量較高。

圖10為砂輪與切絲輥接觸點水平角度60°情況下的動態仿真，分析得到砂輪運動抖振規律依然與30°和45°情況一致。但各時刻的抖振程度有明顯區別，其在速度改變和方向改變時刻的抖振程度比45°大，砂輪磨刀作業工況穩定性較差，砂輪磨刀質量降低。

3 結語

本文從切絲機磨刀裝置在磨刀過程中受碰撞力影響的動力學角度進行分析，重點探索磨刀角度對磨刀裝置穩定性的影響規律，仿真研究表明：

1)經過初步分析，當磨刀系統裝配的電機轉速達到7000r/min時，砂輪轉軸強度經過應力分析，其受力變形很小，幾乎可忽略不計，不會對磨刀作業產生影響，保證了磨刀效果達到工藝標準；

2)經過對不同接觸角度下，砂輪磨刀工況的動態仿真可知，砂輪運動抖振情況具有一定的規律，磨刀裝置在y方向速度改變和方向改變時刻，其抖振明顯，當速度趨于平穩時刻，磨刀裝置運動狀態較平穩；

3)采用控制變量法分析可知，在保證磨刀碰撞力一定時，改變砂輪與切絲棍接觸角度，由砂輪質心在磨刀運行時的線性加速度變化曲線得到磨刀系統抖振的變化規律，接觸角度由30°、45°～60°逐漸增大時，砂輪抖振整體情況呈先減小后增大的趨勢。在45°時，砂輪穩定性相對較好，磨刀狀態達到最佳。