解決ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤縮刀問題

摘要：為解決ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤縮刀問題，分別對原刀盤機構、壓輥結構改進后的刀盤機構以及壓輥結構改進且彈簧更換后的刀盤機構進行了壓力測試。結果表明，改進后的壓輥結構在使用一段時間后仍存在縮刀風險，對刀盤夾緊彈簧進行改進后，刀盤縮刀問題得以徹底解決。進而對刀盤夾緊彈簧進行穩定性分析與疲勞強度測算，以確保后續刀盤進刀的穩定性。

關鍵詞：濾棒成型機；縮刀；壓輥；刀盤夾緊彈簧；壓力測試

中圖分類號：TS43""""""""" 文獻標志碼：A

ZL26型纖維濾棒成型機組是國產第一種600m/min的高速纖維濾棒成型設備。該機組濾棒切割系統的主要任務是將濾棒成型系統卷制出來的濾條切割成符合要求的濾棒。濾條經過濾棒成型系統進入濾棒切割系統，通過喇叭嘴機構進行承托和輔助切割。刀盤通過法蘭盤與刀盤支承的半軸相連，其運動通過刀盤軸進行傳遞，是濾棒成型機不可或缺的一部分[1]。該系統的設計結構、運行穩定性直接關系到濾棒成品的切口質量與長度指標。ZL26型纖維濾棒成型機組在生產濾棒的過程中會產生濾棒切口毛茬、濾棒切不斷等問題，將磨刀系統進行清潔保養、更換刀片和調整喇叭嘴機構后，該問題仍未得到根本解決，最后拆下刀盤進行監測，發現刀盤存在縮刀問題。

1問題分析

刀盤縮刀，即刀盤在高速運轉過程中發生的切刀回縮問題，要找到刀盤縮刀的原因，就需要先了解刀盤的結構和工作原理。

刀盤裝置是完成濾棒切割的主要部件，如圖1所示。ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤機構采用虎克式刀盤的結構形式，主要由刀盤、半軸、刀盤支承半軸座和刀架等部件組成。刀盤上對稱安裝了2套刀架，即雙刀結構形式，刀盤每旋轉一周會切割出2支符合規定長度的濾棒。

進刀是指將壓縮空氣作為動力，推動進刀機構，進刀頻率可調，并根據濾棒長度規格，調整刀盤支撐座和傳動箱位置來轉換刀盤角度[2]。喇叭嘴裝置采用單個板簧支撐。磨刀砂輪有2個，一個磨刀砂輪安裝于刀盤外側，起主要的磨刀作用；另一個磨刀砂輪安裝于刀盤內側，起修光切刀的作用。兩者結構基本相同，各由一個電機單獨驅動。

用一字頭螺絲刀壓下切刀解鎖張緊銷即可抽出或裝入切刀。抽出工具，解鎖銷釘復位，刀架內的壓輥自動壓緊切刀。為了保證濾棒切割質量，切刀能自動進刀刃磨。自動進刀由進刀機構完成，刃磨由磨刀裝置完成。切刀的進刀量為每次0.06mm。進給時間與切割濾棒支數有關，可通過設置切割濾棒支數來調整進刀時間。每當刀盤轉動達到所設定的轉動次數時，便產生一個脈沖信號，脈沖信號控制氣動系統中的電磁閥動作，使進刀機構工作，從而完成一次進刀。約3s后，電磁閥換向并切斷氣路。切刀進給次數可預先設定，當切刀進給次數達到預先設定值后，顯示屏上出現報警信號，此時可更換新切刀。如果沒有更換切刀，當切刀進給達到最大次數后，就會出現程序控制停機。

刀盤主要由刀盤體、連接盤、十字軸、2個刀架以及進刀機構組成。刀盤通過十字軸與刀盤支承半軸座相連，其運動通過刀盤軸傳遞。當刀盤支承半軸座內的進刀頂桿推動棘爪時，棘爪推動棘輪，帶動進給齒輪軸轉動，進而帶動刀架內的蝸桿傳動蝸輪。刀架內滾輪與蝸輪共同作用，推動切刀向前運動，使對稱的2個切刀同時自動進給。

刀盒機構如圖2所示。在刀盒機構中，有一切刀壓緊裝置對刀盤切刀進行壓緊。在濾棒切割、刀盤高速運轉的過程中，刀盒夾緊彈簧提供預緊力，將壓輥緊壓在刀片上，與刀架的結構相配合，在刀盤高速運轉過程中，使刀片位置穩定不滑動，避免縮刀問題。

根據刀盤自動進給原理，刀盤縮刀可能原因有3個。一是切刀壓緊裝置設計不合理，切刀壓緊角度過小，導致壓輥對切刀的壓緊力不足；二是刀盤使用時間過長，蝸輪處金剛砂磨損脫落，壓縮彈簧達到疲勞極限，壓刀效果下降；三是刀盒夾緊彈簧設計不合理，不能滿足壓刀所需壓力。

對多個刀盤的切刀進行壓力檢測。根據設計調試經驗，當壓輥對切刀的壓緊力≥50N的時候，不會發生縮刀現象。

運用控制變量法，對未改進的刀盤進行壓力測試，以此來確認切刀壓緊裝置和刀盒加緊彈簧的設計是否合理。未改進時切刀壓入刀盤所需力量見表1。

壓力測試顯示，新刀盤壓輥對切刀的壓緊力≤50N，也存在縮刀的可能性，并且隨著使用時間增加，縮刀問題日益明顯，說明切刀壓緊裝置和刀盒夾緊彈簧設計本身存在不合理之處。隨著使用時間增加，該問題逐漸放大，因此需要對切刀壓緊裝置和刀盒夾緊彈簧進行改進。

2改進方法

2.1結構改進

對切刀壓緊裝置的結構進行更改，將刀盒夾緊彈簧的數量由2個增加為3個，并將壓緊角度由25°增至33°，以此來解決切刀壓緊角度過小導致的壓輥對切刀壓緊力不足的問題。

運用控制變量法，維持刀盤其他部件不變，僅對壓輥進行更換。彈簧采用原刀盤彈簧，調整后再對刀盤切刀進行壓力檢測。壓輥結構改進后切刀壓入刀盤所需力量見表2。

新的刀盤壓輥結構有效解決了新刀盤縮刀問題，但對于長時間工作刀盤機構，仍存在縮刀風險，說明刀盒夾緊彈簧本身預緊力不足，需要對刀盒夾緊彈簧進行改進。

2.2零件改進

重新設計刀盤夾緊彈簧，需要考慮彈簧尺寸、剛度、材質和彈簧端部形式等方面。考慮刀盤的結構特性和零件更換的便捷程度，彈簧外輪廓尺寸不做更改。彈簧剛度如公式（1）所示。

式中：G為剪切彈性模量；d為彈簧絲直徑；D為彈簧中徑；n為有效圈數。

ZL26原使用刀盒夾緊彈簧材質為65Mn，其彈性模量G=7.85×104MPa，彈簧絲直徑d=0.8mm，彈簧中徑D=4mm，選用端部不并緊，磨平彈簧，有效圈數為n=9。

帶入公式（1）進行計算，可得彈簧剛度，如公式（2）所示。

則彈簧的力如公式（3）所示。

Fmax=P'x=6.977×4.7=32.7919N（3）

受力分析如公式（4）所示。

F0=n0Fmaxsinα（4）

式中：F0為刀片壓緊力；n0為彈簧數量；α為壓緊角度。

計算可得原設計刀盒夾緊彈簧的刀片壓緊力F0的值為F0≈27.717N，單個彈簧壓緊力為13.86N。

彈簧材質方面，65Mn強度高，淬透性較好，但具有過熱敏感性，易產生淬火裂紋，并有回火脆性，適于做尺寸較大的彈簧。而60Si2MnA在高溫回火后具有良好的綜合力學性能，適用于高應力下工作的重要彈簧，并可作為耐熱（lt;250℃）彈簧[3]，因此選用60Si2MnA作為新設計刀盒夾緊彈簧材質。

外輪廓尺寸不變，彈簧絲直徑為0.8mm時，如果要Fmax≥100N，節距就無法滿足t≈～，因此選用d=1mm的彈簧，取節距為1.8mm，有效圈數為8圈，第一系列彈簧的彈簧中徑為4mm，則根據公式（1）可得新設計刀盒夾緊彈簧的彈簧剛度，如公式（5）所示。

端部不并緊，磨平的彈簧形式一般用于彈簧絲dgt;8mm。當d≤8mm時，應選用端部并緊，磨平，支撐圈數為1圈的彈簧[4]。此時，彈簧總圈數為n1=n+2=10圈。壓并高度為Hb=（n+1.5）d=（8+15）×1=9.5mm，彈簧壓縮量為x=H0-Hb=15-9.5=5.5mm（H0為彈簧自由高度）。

根據公式（3）計算新設計的彈簧軸向彈力，即Fmax=P'x=19. 165×5.5=105.408N。

根據公式（4）可得改進后的切刀所受壓緊力，即F0=n0Fmaxsinα=3×105.408×sin33=172.228N。單個彈簧壓緊力為57.41N。刀盒加緊彈簧改進前、后彈簧的參數見表3。

改進后對刀盤再一次進行壓力測試，見表4。

改進切刀壓緊裝置結構和刀盒夾緊彈簧后，使用3年以上的刀盤壓入切刀所需壓力為50N以上，刀盤工作時不會出現縮刀現象，表明本文設計合理。

3改進效果

3.1穩定性驗算

濾棒切割系統刀盤具有精密度高、自身重、造價高昂且不易拆裝等特點，因此，刀盒夾緊彈簧必須經過穩定性驗算和疲勞強度驗算[5]，以減少刀盤的維保次數，并延長刀盤壽命。

彈簧不穩定系數與細長比的關系圖如圖3所示。

彈簧細長比為彈簧自由高度與彈簧中徑的比值，即b===3.75gt;3.7，需要進行穩定性驗算且滿足公式（6）。

Pe=CbP'H0gt;Pn（6）式中：Pe為穩定性臨界負荷；Pn為最大工作負荷。

刀盤夾緊彈簧一端固定，一端回轉，不穩定系數值Cb根據圖3可取值0.7，代入公式（7）～公式（9），可得C=4，κ=1.40，Pe=201.23，Pn=33.03，Pegt;Pn，彈簧穩定性可以保證。

式中：[τp]為彈簧許用切應力；κ為曲度系數；C為旋繞比。

3.2疲勞強度驗算

當彈簧受變負荷作用次數gt;103時，應進行疲勞強度驗算，如公式（10）所示。

式中：[s]為許用安全系數；τmax為最大工作負荷產生的最大切應力；τmin為最小工作負荷產生的最小切應力；τ0為彈簧材料的脈動循環剪切疲勞強度。

需要先算出τ0、τmin和τmax的值，以此計算出該彈簧的安全系數。當彈簧安全系數大于等于許用安全系數時，該彈簧的疲勞強度合格。當彈簧設計計算與材料試驗數據準確性高時，許用安全系數[s]=1.3～1.7。

3.2.1計算τ0值

人機界面設置濾條切割3500次進行一次進刀，ZL26纖維濾棒成型機組的額定生產能力為6000支濾棒/min，則1min需要進刀60/35次刀。根據使用經驗，當ZL26型纖維濾棒成型機組一天工作16h、一年工作300d時，刀盤使用壽命為3～6年，預計彈簧所受變負荷作用次數為104～105。

彈簧材料的脈動循環剪切疲勞強度與變載荷作用次數的關系見表5，根據下表可選取τ0=0.45σb，其中σb為抗拉強度。

3.2.2計算τmin值

彈簧所受變負荷作用次數為104～105時，采用Ⅱ類彈簧，則有公式（11）。

τj≤1.25[τp]（11）式中：τj為極限工作負荷產生的極限切應力。

Ⅱ類彈簧許用切應力τp=0.4σb，帶入公式（10）可得τj≤0.5σb，取最大值τj=0.5σb，代入公式（12）～公式（14），可得。

式中：P1為最小工作負荷；Pj為工作極限負荷；τj為極限工作負荷所產生的極限切應力。

3.2.3計算τmax值τmax值如公式（15）所示。

根據公式（7）和公式（15）可得τmax=[τp]=0.4σb：

將τ0、τmin和τmax的值代入公式（10）綜合計算可得新設計彈簧疲勞強度s=1.438～1.594≥[s]，滿足彈簧疲勞強度驗算，該彈簧可以作為新的刀盒夾緊彈簧使用。

4結論

本文對刀盤壓輥進行了改進，增大了切刀壓緊角度，增加了彈簧數量。通過3組對照試驗，分別測算了原機構刀盤、結構改進后的刀盤、零件改進后的刀盤拉出不同使用年限的切刀時所需要的力量，有效地證明了壓輥結構和零件的改進對解決刀盤縮刀問題的作用，并進行了穩定性驗算與疲勞強度驗算，確保該問題得到徹底解決。

參考文獻

[1]劉可金.ZL26濾棒成型機喇叭嘴及切刀調校工裝：201920222324.8[P].2020-01-17.

[2]劉輝. 一種ZL26濾棒成型機刀盤角度快速調節裝置：202320977814.5[P].2023-11-07.

[3]成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2003.

[4]秦大同. 謝里陽. 現代機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

[5]馬保振. 機械基礎知識[M]. 北京：冶金工業出版社，2005.