超高速煙支切割系統(tǒng)綜合分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

超高速煙支切割系統(tǒng)綜合分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化摘要:近幾年，我國卷煙機械研究水平得到快速發(fā)展，但在超高速領(lǐng)域的研究與國外仍然有較大差距。為全面深入研究HUANI新概念卷接機組煙支切割系統(tǒng)的原理與特性，對PROTOSM8新概念卷接機組煙支切割系統(tǒng)進行原理、機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)分析，闡述了其煙支切割系統(tǒng)的切割過程和原理。對四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)進行機構(gòu)動力學(xué)分析并獲得其動力學(xué)特性。通過對刀盤、旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)在煙支切割過程中的運動建立精確的數(shù)學(xué)模型，并對四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與運動學(xué)分析，獲得四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)以及刀盤的機構(gòu)運動方程以及結(jié)構(gòu)運動參數(shù)。為新型超高速卷接機組煙支切割系統(tǒng)的研發(fā)提供參照和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:卷接機組；煙支切割系統(tǒng)；機構(gòu)運動分析；喇叭嘴；刀盤ComprehensiveAnalysisandStructuralParameterOptimizationonSuper-speedCigaretteCuttingSystemAbstract:Atpresent,TheresearchofcigarettemakingmechanicalwasdevelopedrapidlyinChina.Butinthefieldofsuper-speedcigarettemakingmechanicalthereisstillahugegapcomparedwithinternationalstandards.InordertolucubratetheprinciplesandcharacteristicsofthecigarettecuttingsysteminthenewconceptcigarettesmakermachinedesignedbyHAUNI.ThepaperanalyzesthetheoryandmechanismmotionofcigarettecuttingsystemonPROTOSM8andalsoexpoundsthecuttingprocessandtheoryofthecuttingsystem.Andthedynamicscharacteristicofparallelfour-barmechanismwasobtainedbykineticanalysis.Throughestablishtheaccuratemathematicalmodeloftheknifecarrierandrotationalledgermovementincigarettecuttingsystem,thepaperfindsthemechanismmotionequationandstructureparametersoftherotationalledgerandknifecarrier.Itprovidesreferenceandtheoreticalbasisforthecigarettecuttingsysteminthenewultrahighspeedcigarettemaker.Keywords:Cigarettemaker;Cigarettecuttingsystem;kinematicanalysisofmechanisms;ledger;knifecarrierPROTOSM8卷接機組是HUANI公司最新推出的新概念卷接機組，其生產(chǎn)能力可以確保800萬支/班，最高生產(chǎn)速度超過20000支/分鐘，為目前國際上生產(chǎn)速度最高的超高速卷接機組，國內(nèi)僅引進少數(shù)幾組。其煙支切割系統(tǒng)包括刀盤機構(gòu)、磨刀機構(gòu)、連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)以及傳動部分，煙支切割工作是由與煙條運動方向成一定夾角的刀盤帶著刀片旋轉(zhuǎn)和喇叭嘴的支撐運動共同完成的[1-3]。傳統(tǒng)卷接機組如PROTOS2-2的煙支切割系統(tǒng)廣泛采用振動片式的喇叭嘴機構(gòu)[4]。資料和研究結(jié)果表明，煙支切割系統(tǒng)是成形機上的主要振動和噪音源之一[5]。傳統(tǒng)的振動片式喇叭嘴機構(gòu)由于其切割機理的限制，在速度上存在瓶頸，當(dāng)速度超過16000支/分時其產(chǎn)生的振動和噪音已很難滿足要求[6]。PROTOSM8卷接機組煙支切割系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)振動片式喇叭嘴機構(gòu)，率先采用四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)，利用四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴的連續(xù)圓周平動來動態(tài)跟隨支撐煙條[7-8]。以代替?zhèn)鹘y(tǒng)喇叭嘴機構(gòu)的往復(fù)運動，從而有效解決了傳統(tǒng)振動片式喇叭嘴機構(gòu)在震動噪音以及速度上的缺陷，是一種全新的設(shè)計理念[9]。為此，對PROTOSM8煙支切割系統(tǒng)做原理和機構(gòu)運動分析，以獲得其系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)特性以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)構(gòu)與原理PROTOSM8煙支切割系統(tǒng)采用獨立伺服驅(qū)動，切割方式為雙軌雙刀雙切，即刀盤每轉(zhuǎn)一周切割兩次，每次切割兩支雙倍長度煙支，見圖1。這種方式能有效降低刀盤的轉(zhuǎn)速，減小振動和磨損。其傳動部分由PROTOS2-2傳統(tǒng)的同步帶傳動改為齒輪傳動，分為一個主傳動箱和兩個副傳動箱，并且每級齒輪傳動都設(shè)計有齒輪間隙消除機構(gòu)，以提高其傳動精度。取消了刀盤傾角調(diào)節(jié)裝置，避免主傳動與刀盤弧齒輪傳動箱之間因采用萬向聯(lián)軸器而帶來的傳動誤差。不過，當(dāng)整機煙支生產(chǎn)長度變更時，需要整體更換相應(yīng)規(guī)格的喇叭嘴機構(gòu)和刀盤傳動模塊。PROTOSM8切割系統(tǒng)運動簡圖，見圖2,Z2、Z5為具有偏心軸齒輪間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)的過橋齒輪，Z1=Z3=85，Z7=Z8=34Z6=2Z4=80，喇叭嘴與刀盤的傳動比i68=2。Z6驅(qū)動喇叭嘴主動盤并通過四根連桿驅(qū)動喇叭嘴從動盤轉(zhuǎn)動，四連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴機構(gòu)為平行四邊形機構(gòu)的一種變異機構(gòu)，見圖3，平行四桿機構(gòu)的雙曲柄平行且相等，桿1和桿3的運動也完全相同，連桿2作圓周平動，它的角速度ω始終為圖1PROTOSM8煙支切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖fig.1PROTOSM8Cigarettecuttingsystemarchitecturelayout1.刀盤2.半軸配氣支座3.刀片4.喇叭嘴5.四連桿喇叭嘴機構(gòu)6.切割前雙煙槍7.盤車手輪8.偏心調(diào)節(jié)過渡齒輪9.前支撐臂10.喇叭嘴傳動箱11.齒輪12.主傳動箱13.過渡齒輪14.雙偏心盤調(diào)節(jié)機構(gòu)15.伺服驅(qū)動電機16.電機支座17.切割后雙煙支18.齒輪19.刀盤定位裝置20.聯(lián)軸器21.弧齒輪22.刀盤傳動箱圖2PROTOSM8煙支切割系統(tǒng)運動簡圖fig.2PROTOSM8cigarettecuttingsystemkinematicdiagram（a）（b）圖3平行四邊形機構(gòu)及其變異機構(gòu)簡圖fig.3Parallelogrammechanismandit'svariabilitymechanismdiagram平行四桿機構(gòu)動力學(xué)分析對四桿機構(gòu)進行動力學(xué)分析，見圖4。m1、m2、m3表示各桿的質(zhì)量，x1表示桿1的質(zhì)心的支座的距離，x3表示桿3的質(zhì)心的支座的距離，圖4平行四邊形機構(gòu)示意圖fig.4Parallelogrammechanismschematicdiagram（a）（b）（c）圖5各連桿受力分析圖fig.5ThestressanalysisdiagramofeachbarF1x、F3x表示連架桿1和3受到的x方向的支座反力,F1y、F3y表示連架桿1和3受到的y方向的支座反力,M由圖5(a)有：F1x+f1F1y+f1sinθ+F=0(3)由圖5(b)有：F3x+f3cosθ+F32xF3y+f3sinθ+F32ylcosθ-由圖5(c)有：F21x+F21y+fF23ys由式（9）且F12x和F21x、F12y和F21y、F23x和FF21y=由式(4)、(5)、(6)有：F32x=12F3x=12m2F3y=m3g+12同樣，由式(1)、(2)、(7)、(8)可以得出：F12m2g+xF1y=m1平面任意機構(gòu)擺動力為：FX=i=1nmFY=i=1nm從而推導(dǎo)出改平行四邊形機構(gòu)的擺動力為：Fx=(m1Fy=-由式(12)、(13)、(14)、(15)可知，當(dāng)角度θ→0°或180°時，ctgθ→∞，而12m2g+x3lm3g為一定值，使得F1x、F3x→∞，這就使得機構(gòu)在運動過程中產(chǎn)生剛性沖擊，增大了機構(gòu)運動的噪音和振動。平行四邊形支撐裝置是多個平行四邊形機構(gòu)的組合，由于多個平行四邊形機構(gòu)相互間的對稱性，由式切割過程運動分析傳統(tǒng)振動片式喇叭嘴機構(gòu)煙支切割系統(tǒng)中(如PROTOS2-2)，采用的是切割中點時刻瞬時速度相等的概念來確定切割過程基本參數(shù)，即喇叭嘴、刀片和煙條在切割過程中沿?zé)煑l方向分速度相等[1]。而基于旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)的煙支切割系統(tǒng)中，喇叭嘴的運動軌跡為圓弧B1BB2，見圖6，必然產(chǎn)生其沿?zé)煑l的水平方向的速度和位移誤差以及豎直方向的高度誤差分析刀片、喇叭嘴以及煙條在切割過程中的運動關(guān)系,見圖6。其中，O1、O2分別為喇叭嘴和刀片的旋轉(zhuǎn)中心,V0為煙條A運行的速度和方向,B1為切割始點，B2為切割終點，單次切割過程喇叭嘴輪體的轉(zhuǎn)角為α、角速度為??，則刀盤的轉(zhuǎn)角為2α、角速度為2??圖6切割過程原理圖fig.6Cuttingprocessschematics對刀片和喇叭嘴進行運動分析,可獲得其各自關(guān)于煙條方向的分速度理論函數(shù)：V1=12V2=ω式中：V1、V2—喇叭嘴、刀片沿?zé)煑l方向的分速度；DL—喇叭嘴的旋轉(zhuǎn)直徑；θ—刀盤設(shè)計傾角；Dd—刀盤的旋轉(zhuǎn)通過分速度理論函數(shù)可獲得其各自關(guān)于煙條方向的位移函數(shù)：S0=2Lα/πS(23)S=Ddsinα·sin式中：S0、S1、S2—煙條、喇叭嘴、刀片在單次切割時間段內(nèi)沿?zé)煑l方向的位移；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化喇叭嘴、刀片以及煙條三者的速度偏差始終存在，見圖7，為減小切割誤差，使整個切割時間段內(nèi)三者沿?zé)煑l方向位移相等,即S0DL=2Lαπsinθ=arcsin2LαπDd單次切割過程喇叭嘴輪體的轉(zhuǎn)角α可以通過等效弧長的方法近似求出，由于刀片的運動為三維復(fù)合運動，不同的刀盤傾角θ對應(yīng)的α傳統(tǒng)振動片式喇叭嘴機構(gòu)煙支切割系統(tǒng)中，喇叭嘴行程以及刀盤傾角均為可調(diào)的結(jié)構(gòu)。在調(diào)試過程中，通過先精確校準(zhǔn)喇叭嘴的行程，用喇叭嘴與刀片的切割位置關(guān)系來確定刀盤的實際傾角，所以對于振動片式喇叭嘴機構(gòu)的煙支切割系統(tǒng)，刀盤的設(shè)計傾角通常只作為調(diào)試過程中的參考。而采用旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)的煙支切割系統(tǒng)中，無法先對喇叭嘴的位置進行精確校準(zhǔn)，喇叭嘴與刀片的相互位置關(guān)系需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)校，其調(diào)試過程相對比較復(fù)雜。另外基于傳動精度等方面的考慮，M8采用的是刀盤傾角不可調(diào)的結(jié)構(gòu)，不同的煙支生產(chǎn)長度對應(yīng)不同的刀盤傳動模塊，刀盤傾角由弧齒傳動箱加工精度保證，從而極大降低了調(diào)試難度。為此，需要精確計算并校準(zhǔn)不同煙支長度對應(yīng)的刀盤傾角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑。圖7各水平分速度曲線fig.7Eachspeedcurveonlevel結(jié)束語基于平行四邊形變異機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)的應(yīng)用，從原理上摒棄了傳統(tǒng)振動片式的結(jié)構(gòu)，對四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)的動力學(xué)分析表明，連續(xù)旋轉(zhuǎn)的運動結(jié)構(gòu)符合超高速煙支切割系統(tǒng)對于機械振動以及和平衡受力的要求，且無需配重塊，有效降低了整個切割系統(tǒng)的振動和噪音，從而克服了傳統(tǒng)振動片式喇叭嘴機構(gòu)對于速度上的缺陷。研究中基于數(shù)學(xué)解析方法建立M8四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機構(gòu)煙支切割系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮煙支切割支撐系統(tǒng)理論誤差，分析并計算出刀片、喇叭嘴在切割時間段內(nèi)的運動關(guān)系，對煙支切割系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和運動學(xué)分析，獲得了全面可信的技術(shù)參數(shù)，作為裝置研發(fā)的理論依據(jù)和類似新型煙支切割系統(tǒng)研發(fā)的參照。參考文獻YJ17-YJ27卷接機組編寫組.YJ17-YJ27卷接機組[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2001:156-162YJ17-YJ27CigaretteMakerWritingGroupYJ17-YJ27CigaretteMaker[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2001:156-162肖登紅,王俊元,杜文華,等.基于等效靜態(tài)載荷法的平面四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2011,25(10):54-56XiaoDeng-hong,WangJun-yuan,DuWen-hua,etal.StructuralDynamicOptimizationofaPlanarFour-barLinkageBasedonEquivalentStaticLoadMethod(ELSM).MachineryDesign&manufacture,2011,19(10):54-56劉子建,李珍珠,趙世宜.基于GA-ANN的高速煙支切割支撐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,34(3):62-66LiuZi-jian,LiZhen-zhu,ZhaoShi-yi.StructuralOptimizationofHigh-SpeedCigarette-CuttingSupportSystemBasedonGAandANN[J].JournalofHunanUniversity(NaturalSciences),2007,34(3):62-66陳文,吳磊,趙朝陽,等.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴機構(gòu)的運動分析與仿真[J].煙草科技,2011,26(10):20-23ChenWen,Wulei,ZhaoChao-yang,etal.Pro/EandAdamsBasedMovementAnalysisandSimulationofLedgerMechanism.TobaccoScience&Technology,2011,15(10):20-23HAUNI.PROTOSM8Opreatingmanuel.[G].2010吉地股份公司.一種用于煙草制品的切割裝置:中國,200710006367.4[P].2007-08-15GDSocietaperAzi