（轻工技术与工程专业论文）分切机收卷轴摩擦力矩的研究.pdf

摘要 论文题目：分切机收卷轴摩擦力矩的研究 学科专业：轻工技术与工程 研究生：李百刚 指导教师：张海燕教授 刘育军高级工程师 摘要 签名： 签名： 签名： 分切机收卷轴的作用是在一根轴上将分切后的各种材料卷绕成多卷的卷筒材料，收卷 轴收卷力矩的大小和一致性决定了收卷质量。本课题主要对影响收卷轴输出力矩的因素进 行研究，采用理论分析和实验验证的方法确定输入压力与输出力矩的理想值，为分切机的 设计和应用提供依据，具有一定的理论和实际应用价值。 课题的主要研究内容： ( 1 ) 根据分切机的适用材料、料膜宽度、最小分切宽度、料卷直径等参数，得出每 个滑差环的输出力矩范围和精度要求，为确定滑差轴的参数提供依据。 ( 2 ) 通过滑差轴气囊基本要求的分析，对各种橡胶的拉伸强度、伸长率、减震、气 体渗透率和摩擦系数的比较，确定滑差轴气囊的最佳材料，并用实验的方法检测不同规格 气囊输入压力和输出压力的关系，确定最佳的气囊参数。 ( 3 ) 研究滑差轴滑差环材料与表面粗糙度与摩擦力矩的关系，用分析法确定滑差环 材料。对滑差环表面粗糙度与摩擦力矩的关系进行理论定性分析和实验验证，确定最适合 滑差环材料的粗糙度，以达到最理想的工作状态。 ( 4 ) 通过理论分析的方法确定滑差键的材料种类；采用实验验证的方法确定滑差键材 料的最佳配方，保留聚四氟乙烯良好的耐高、低温，耐腐蚀、自润滑、不粘等特性，对其 不耐磨、硬度低、易冷流的机械性能进行改善，满足滑差键输出力矩稳定并一致、耐磨等 要求，确保产品质量的一致性。 ( 5 ) 根据实际工作的要求，通过性能曲线的线性化，使滑差轴输入压力与输出力矩 的实际值接近理论值，达到所要求的精度，保证收卷的质量。 关键词：分切机；收卷轴；中心气控式滑差轴；滑差环；滑差键 a b s t l a c t t i t l e = s t u d yo nf r i c t i o nm o m e n to fr e w i n d i n gs h a f tf o r s l i t t e rm a c h i n e m a j o r = l i g h t i n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n d e n g i n e e r i n g n a m e ：l ib a i g a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gh a i y a n s e n o r e n g i n e e r fl i uy u j u n a b s t r a c t s i g n a t u r e = s i g n a t u r e = s i g n a t u r e = t h ea c t i o no ft h er e w i n d i n gs h a f tf o rs l i t t e rm a c h i n ei st ow i n dt h em u l t i r e e lm a t e r i a l so n o n es h a f t ；r e w i n d i n gq u a l i t yi sd e t e r m i n e db ym o m e n td e g r e ea n dc o h e r e n c eo ft h er e w i n d i n g s h a f t t h et h e s i ss t u d i e so nt h eo u t p u tm o m e n tt h a ta f f e c t st h er e w i n d i n gs h a f ta n dc o m b i n e st h e t h e o r yw i t hp r a c t i c et oc o n f i r mt h ei d e a lv a l u e so ft h ei n p u tp r e s s u r ea n do u t p u tm o m e n ti n o r d e rt op r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h es l i t t e rd e s i g na n da p p l i c a t i o n ，t h e r e f o r ei th a sa c e r t a i nt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a i ns t u d yf o rt h es u b je c t ： ( 1 ) i nt h el i g h to fp a r a m e t e r so ft h es l i t t i n gm a t e r i a l s ，w e bw i d t h ，m i n i m u ms l i t t i n gw i d t h a n dr e e ld i a m e t e r , w eg o tt h eo u t p u tm o m e n t r a n g ea n da c c u r a c yr e q u i r e m e n tf o re a c hs l i p r i n g i no r d e rt op r o v i d et h eb a s i sf o rc o n f i r m i n gt h ep a r a m e t e r so ft h e s l i p s h a f t ( 2 ) a n a l y z i n gt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fs l i p s h a f tb a l l o n e t ，c o m p a r i n gs t r a i n - s t r e n g t h ， e l o n g a t i o nr a t e ，s h o c ka b s o r p t i o na n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tf o rv a r i o u sr u b b e r s ，w ec o n f i r m e dt h e b e s tm a t e r i a lf o rs l i p s h a f tb a l l o n e t w ea l s od i dt h ee x p e r i m e n t st oc h e c kt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ni n p u ta n do u t p u tp r e s s u r e sf o rd i f f e r e n tb a l l o n e t si no r d e rt oc o n f i r mt h eb e s t p a r a m e t e r ( 3 ) s t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n gs l i p r i n gm a t e r i a la n di t ss u r f a c er o u g h n e s s ，a n d f r i c t i o nm o m e n t ，w eh a v ec o n f i r m e dt h es l i p - r i n gm a t e r i a lb ya n a l y t i c a lm e t h o d w ea l s od i d t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n tt e s tf o rs l i p r i n gr o u g h l ：l e s sa n df r i c t i o nm o m e n ti no r d e r t oc o n f i r mt h es u i t a b l er o u g h n e s sf o rt h es l i p r i n gm a t e r i a lf o r m a k i n gi tt h eo p t i m a ls t a t e ( 4 ) w ec o n f i r m e dt h es p e c i e sf o rt h es l i p k e ym a t e r i a lb yt h e o r e t i ca n a l y s i sa n dw eg o tt h e o p t i m a lr e c i p eb yd o i n ge x p e r i m e n t w et r yt or e s e r v et h eg o o dc h a r a c t e r so ft e f l o n ：h e a t r e s i s t a n c e ，c o l dr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s e l f - l u b r i c a t i o na n dn o n v i s c o s i t ya n di m p r o v e t h eo t h e rc h a r a c t e r sf o rt e f l o no fa b r a s i o n ，l o wh a r d n e s sa n d e a s yt oc o l d f l o wi no r d e rt om a k e t h es l i p k e ym o m e n ts t a b l e ，i d e n t i c a l ，w e a rr e s i s t a n c ea n dk e e pt h ep r o d u c ta tt h es a m eh i g h 西安理工大学工程硕士学位论文 q u a l i t y ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gr e q u i r e m e n t s ，w et r yt om a k et h ei n p u tp r e s s u r ea n d o u t p u tm o m e n ta t t h ea p p r o a c h i n gv a l u ef o rt h es l i p s h a f ti no r d e rt og e tt h er e q u i r e d a c c u r a c ya n dg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fr e w i n d i n g r e e l k e yw o r d s ：s l i a e rm a c h i n e ；r e w i n ds h a f t ；c e n t r a lp n e u m a t i cs l i p s h a f t ；s l i p - r i n g ；s l i p k e y 独创性、j 声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：- - 本人所呈交的学位论文是我 _、， 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特另t l ；b n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。：与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 并已经在 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 曙年3 ，月f 日 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即；1 ) 己获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，+ 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签钕查斗号师躲至纽垒墼碍年3 ，月日 第一章绪论 1 绪论 分切机是软包装企业必备的设备，它的作用是将一卷的卷筒料分切成多卷的卷筒料， 应用十分广泛。不但原材料需要分切，而且印刷复合后的产品也需要分切，包装自动化的 发展对分切机的需求大大增加，对分切机的速度、收卷精度、自动化程度、准备时间的减 少、操作的人性化提出了更高的要求。特别是多种包装性能优良、抗拉伸性较差、厚度误 差大的流延材料的使用更增添了分切收卷的难度。 分切机一般由放卷部、牵引部、分切部、废边收集部、收卷部等组成。收卷部的作用 是在一根轴上将分切后的各种材料卷绕成多卷的卷筒材料。收卷的形式有表面卷绕、中心 卷绕、表面中心卷绕。表面卷绕是一较大直径的中心辊主动，收卷轴被动的紧贴在该中心 辊上，在摩擦力的作用下将材料卷绕在收卷轴上，此形式适合于摩擦系数较大的纸张等材 料；中心卷绕是收卷轴为主动，采用力矩控制或有滑差的速度控制方式将材料卷绕在收卷 轴上，此形式适合于较薄的、厚度误差较大的塑料等材料；表面中心卷绕是中心辊及收卷 轴同为主动，用同步的方式将材料卷绕在收卷轴上，此形式适合于纸张等材料；收卷的质 量及档次直接决定了分切机的档次和质量。 由于纸张的厚度误差较小，纸张运行过程中需要较大的张力和收卷压力，一般采用表 面卷绕、表面中心卷绕方式收卷；由于塑料薄膜的厚度误差较大，厚度较薄，料膜运行过 程中仅需要较小的张力和收卷压力，一般采用中心卷绕方式收卷。随着人们生活水平的提 高，科学技术的发展，对软包装产品提出了越来越高的要求，薄膜的延伸率要求越来越小， 收卷端面的整齐度越来越高，这就对料膜的张力控制提出了较高的要求。收卷轴的张力控 制精度直接决定了分切产品的延伸率及端面的整齐度，因此我们必须对收卷轴的结构进行 充分的了解，确保产品的质量。 1 1 分切机收卷轴的主要特点 分切机收卷轴不同于印刷机或复合机收卷轴，它的主要功能是在一根轴上将分切后的 各种材料卷绕成多卷的卷筒材料。由于材料厚度有误差，经过不断地卷绕，在直径上就会 有累积误差。在纸张的生产过程中，纸张的厚度主要由设备的精度决定，与生产的工艺参 数及工人的操作水平关系不大，纸张的厚度误差较小，纸张较容易卷绕在收卷轴上。在塑 料的生产过程中，将原料高温加热至熔融状态，用螺杆将原料挤压到一个密封的狭长腔内， 通过一个狭缝流出，再经过拉伸达到所需要的厚度，料膜的厚度受到原料质量、加热温度、 设备精度、运行速度、拉力大小等因素的影响，因此料膜的厚度误差较大，而且，塑料薄 膜延伸率较大，较大的张力容易产生料膜变形。因此，分切机收卷轴必须满足以下要求： ( 1 ) 一根轴上能同时卷绕多卷材料； 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 一根轴上能够产生多段张力，每段张力之间尽可能一致； ( 3 ) 端面整齐，不得有“锅底”现象； ( 4 ) 能适应厚度有偏差的材料； ( 5 ) 能实现恒张力或锥度张力控制； ( 6 ) 卸料方便。 1 2 收卷轴的结构形式 分切机收卷轴主要有气涨轴、机械滑差式收卷轴、气动滑差式收卷轴、中心气控滑差 式收卷轴四种形式。 a l ( a ) 图l 一1 气涨轴原理图 f i g 1 一ls c h e m a t i cf o rp n e u m a t i cs h a f t 1 一芯轴2 一气嘴3 一气囊4 一键条5 一支撑芯轴 如图1 1 所示，气涨轴收卷的工作原理是：压缩空气经气嘴2 进入气囊3 ，在压缩 空气的作用下气囊3 膨胀顶起键条4 ，键条4 将装在芯轴1 上的纸芯锁紧。通过力矩电机 驱动收卷轴或用电机与磁粉离合器的组合装置驱动收卷轴，使收卷轴上材料的表面线速度 与主机同步，完成多卷收卷功能。这种方式的优点在于结构简单、成本低、卸料方便，适 合于厚度误差较小、卷数较少、张力较大的材料，而不适合于厚度误差较大，卷数较多、 2 第一章绪论 张力较小的材料。 如图1 2 所示，机械滑差式收卷轴主要由芯轴及多个套在芯轴上的滑环、摩擦片组 成。它的工作原理是：滑环4 之间装有磨擦片6 ，通过锁紧螺母1 和压紧压簧2 将滑环4 与磨擦片6 依次紧贴在芯轴1 的端面上，芯轴l 在电机的驱动下旋转，在端面摩擦力作用 下依次带动滑环4 旋转，驱动固定在滑环4 上的收卷筒芯和料卷旋转，完成多卷收卷功能。 为减少摩擦生热，有直径检测装置，使收卷料卷表面的线速度比主机速度快5 1 0 ，在 滑差的作用，使材料以设定的张力值卷绕在收卷轴上。此收卷方式适合于低速、厚度误差 小、卷数较少、张力适中的材料卷取。缺点是只能实现恒力矩控制，张力误差较大，不能 适应高速，多卷收卷时张力的一致性较差，最大的缺点在于在收卷的过程不能实现张力调 整。 图1 2 机械滑差式收卷轴原理图 f i g 1 2s c h e m a t i cf o rm e c h a n i c a ls l i p s h a f t 1 一锁紧螺母2 一压紧弹簧3 一纸芯固定弹簧4 一滑差环5 一芯轴6 一摩擦片 如图1 3 所示，气动滑差式收卷轴的与结构和工作原理基本类同于机械滑差式收卷 轴，区别在于将压紧弹簧改为压紧气缸，压紧压力可以精确调整，配置电空变换器和p l c 即可实现恒张力或锥度张力控制。它虽然克服了机械滑差式收卷的一些缺陷，但没有克服 张力误差较大，中间如果有一个滑差环失效，将导致纸芯内后边滑环张力无法控制的缺陷。 图1 - 3 气动滑差式收卷轴原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cf o rp n e u m a t i cs l i p s h a f t 1 一锁紧螺母2 一压紧气缸3 一纸芯固定弹簧4 一滑差环5 一芯轴6 一摩擦片 3 西安理工大学工程硕士学位论文 如图1 4 所示，中心气控滑差式收卷轴由芯轴、滑差环、气囊、滑差键等组成。它 的工作原理是：压缩空气经芯轴1 左端的进气孔进入装在芯轴1 中的气囊2 ，气囊2 在气 压的作用下膨涨顶起装在芯轴1 中滑差键3 ，滑差键3 将压力传递给滑差环4 。通过电机 及传动装置驱动芯轴1 旋转，带动装在芯轴l 中的滑差键3 旋转，在摩擦力的作用下带动 滑差环4 旋转，通过装在滑差环中的定位键5 及定位珠6 带动纸芯及料卷旋转，完成多卷 收卷的功能。同样，为控制张力和减少摩擦生热，有直径检测装置，使收卷芯轴带动料卷 表面的线速度比主机速度快5 1 0 ，在滑差的作用下，使材料以设定的张力值卷取在收 料轴上。此收卷方式克服了以上几种收卷方式的缺陷，基本适应于高速、材料厚度误差大、 多段张力一致性好、张力控制精度高、端面收卷整齐的要求。 4 p - al ( a ) a a 2 ：1 ( b ) 图1 4中心气控滑差式滑差轴结构图 f i g 14 s t r u c t u r eo fc e n t r a lp n e u m a t i cs l i p s h a f t 1 一芯轴2 一气囊3 一滑差键4 一滑差环5 一定位键6 一定位珠7 一支撑：岱轴 第一章绪论 1 3 本课题的研究目的及意义 本课题研究的目的在于解决分切机在生产过程中产品质量不稳定的问题，由于生产过 程中没有数字量的检测标准，零件质量没有统一的验收标准，装配过程中也没有数字量的 验收标准，产品的验收标准是靠人的感觉来决定。通过本课题的研究，使滑差轴的零件加 工、装配检验整个生产过程建立数字量的生产流程，提高产品质量的一致性，确保产品的 质量。 由于我国的软包装行业还是一个新兴的行业，与国际发达国家相比较还有较大的差 距，制造行业基本处于测绘、仿制的模仿学习阶段，自己的设计开发体系还不完善，生产 过程没有建立数字化生产体系，通过本课题的研究，为建立数字化生产体系，提高设计水 平和产品质量提供依据，具有一定的理论意义和实际应用价值。 1 4 本课题的主要任务及内容 本课题的主要任务是针对影响滑差轴摩擦力矩的气囊参数、滑差环的粗糙度、滑差键 的材料进行分析研究，建立起数字化的生产体系，确保产品的质量。 具体研究内容如下： ( 1 ) 确定气囊的参数。对气囊材料的分析研究，采用计算、测试、列表、作图等手 段，用比较法寻找适合做气囊的材料及规格，建立气囊对输入气压与输出压力的关系。 ( 2 ) 确定滑差环对输出力矩的影响。通过分析确定滑差环的材料；通过不同粗糙度 对摩擦力影响的研究，采用计算、测试、列表、作图等手段，用比较法寻找满足摩擦力矩 的粗糙度，建立粗糙度与输出力矩的关系。 ( 3 ) 确定滑差键对输出力矩的影响。通过不同滑差键对摩擦力影响的研究，采用计 算、测试、列表、作图等手段，用比较法寻找满足摩擦力矩的滑差键，建立滑差键与输出 力矩的关系。 ( 4 ) 建立工作压力与输出力矩的工程曲线。通过计算绘制工作压力与输出力矩的理 论曲线，以理论曲线为依据测量压力与输出力矩的实际曲线，以理论曲线为目标修正实际 曲线，最终建立压力与输出力矩的线性关系，实现数字化的生产过程，确保产品质量。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 中心气控式滑差轴的工作要求 2 1 塑料分切机的主要技术要求 对于塑料薄膜型分切机，根据软包装对包装物的要求，一般的材料为0 0 1 2 0 1 2 毫米的b o p p 、聚脂、c p p 、尼龙膜或0 0 4 0 1 5 毫米厚的p e 、p v c 膜、各种材料的复合 膜，有些纸塑分切机还可分切2 8 5 0 克平方厘米的纸张。本课题研究的分切机主要技术 参数为： 放卷最大直径巾8 0 0 毫米 收卷最大直径由5 0 0 毫米 放卷宽度范围6 0 0 一1 3 0 0 毫米 收卷最小宽度5 0 毫米 收卷最大宽度1 3 0 0 毫米 收、放卷筒芯直径3 时 最高机械速度4 5 0 米分 最高分切速度4 0 0 米分 分切精度0 4 毫米 收卷精度0 3 毫米 张力设定范围3 3 0 公斤 张力控制精度0 5 公斤 主要分切材料0 0 1 2 一o 1 2 毫米薄膜及复合膜 0 0 4 0 1 5 毫米p e 、p v c 膜 2 8 5 0 克平方厘米薄纸 2 2 对每个滑差环输出力矩的要求 由于原料厚度存在不一致，料膜经过长时间运行的累积，每个小卷的直径也各不相同， 每个小卷的转速也必须不相同才能保证每个小卷的表面线速度与主机同步，因此要使每个 小卷都能够产生相同的张力，每个小卷至少有一个单独的滑差环。一般地，合格的薄膜产 品对厚度误差都必须达到一个标准，纸张、b o p p 、c p p 、聚脂膜的材料厚度误差小于2 ， p e 、p v c 等易拉件材料的厚度误差小于7 。中心气控式滑差轴是通过滑差环与芯轴的滑 差来实现转力控张的，因此，对每个滑差环的要求是： 滑差环的个数mm = 1 3 0 0 5 0 = 2 6 每个环的最小张力p m i np m i n = 3 2 6 = o 11 5 k g = 1 1 5 n 6 第二章 中心气控式滑差轴的工作要求 每个环的最大张力p m a x p m a x = 3 0 2 6 = 1 1 5 k g = l1 5 n 收卷的最小直径巾m in由m i n = 9 2 m m 收卷的最大直径巾m & x巾m a x = 5 0 0 m m 每个滑差环的最小力矩t m i n t m i n = 1 1 5 0 0 4 6 = 0 0 5 2 9 n m 每个滑差环的最大力矩t m a x t m a x = l1 5 0 2 5 = 2 8 7 5n m 考虑到安全系数1 0 5 ，则 每个滑差环的最小力矩t m i nt m i n = o 5 2 9x1 0 5 = 0 0 5 5 n m 每个滑差环的最大力矩t m a x t m a x = 2 8 7 5 1 0 5 = 3 0 2n m 即每个滑差环的力矩应保证o 0 5 5 3 0 2n 1 1 1 。 在实际工作中，分切机对张力的要求为o 5 公斤，张力的适用范围为3 3 0 公斤， 即根据张力大小的不同，张力控制精度的百分率在1 6 7 一1 6 7 的范围内变动，也就 是说允许每个环的输出力矩根据张力大小的不同可以在1 6 7 一1 6 7 的范围内变动。 2 3 对每个滑差环的转速要求 在所有分切的材料中，材料厚度最大误差为7 ，考虑到机械效率和安全系数，收卷 轴芯轴的线速度比其当量直径的线速度快1 0 。滑差速率过大可能会引起摩擦发热，加 大滑差键的磨损，滑差环发热还可能引起滑差环失效，滑差速率过小，可能导致料卷线速 度低于主机线速度引起张力不够的现象，在实际工作中根据不同的材料、不同的产品用途 设定不同的滑差率，在保证收卷精度的要求的情况下，使滑差率保持最小值。 收卷轴的最高转速n ln 1 = 4 0 0 0 0 9 2 3 1 4 = 1 3 8 5 r m i n 收卷轴最大转矩时转速n 2n 2 = 4 0 0 0 5 3 1 4 = 2 5 5r m i n 最高滑差速率n r l = 1 0 收卷轴轴芯的最高转速n 3 n 3 = 1 3 8 5 1 1 = 1 5 2 5r m i n 收卷轴芯最大转矩时转速n 4 n 4 = 2 5 5 1 1 = 2 8 0r m i n 收卷轴最高滑差转速n 5 n 5 = 1 5 2 5 - 1 3 8 5 = 1 4 0r m i n 收卷轴轴芯最大转矩时滑差转速n 6 n 6 = 2 8 0 - - 2 5 5 = 2 5r m i n 从结构已知，收卷轴轴芯的外径为5 0 毫米 则收卷轴轴芯的最高滑差线速度v l v 1 = 1 4 0 0 0 5 3 1 4 = 2 1 9 8m m i n = 0 3 6 6m s 收卷轴轴芯最大转矩时滑差线速度v 2v 2 = 2 5 0 0 5 3 1 4 = 3 9 3m m i n = 0 0 6 5m s 从以上分析可以看出，在滑差速度最大时，由于料卷处于最小卷，因此输出力矩最小； 在输出力矩最大时，由于料卷处于最大卷，因此滑差速度较小。而且，由于最高的滑差线 速度为0 3 6 6 米秒，在输出力矩最大时，滑差线速度仅为0 0 6 5 米秒，属于低速摩擦。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 滑差环的材料为钢件，收卷轴轴芯也为钢件，均为热的良导体。综上所述，滑差环工作过 程中摩擦生热可以不考虑，在实际工作中，滑差环的温度仅为1 5 3 0 。 2 4 对输入气压的要求 中心气控式滑差轴的输出力矩是通过气囊加压，使滑差环与滑差键摩擦传递力矩，因 此气压必须得到精确的控制。在工厂现场，气压有两种提供方式，一种是工厂集中供气， 这种供气的特点是成本低，气压波动较小，气体中含有的水、油等杂质较少，但这种供气 方式仅适用于大型工厂。在一些小工厂是靠小型的空气压缩机供气，这种供气特点是，气 压的压力较大，可以达到1 0 一- 1 2 大气压，供气方便，但这种供气方式气压波动较大，气 体中含有的水、油等杂质较多。一般情况下，气压的供给气源能够保证七个大气压。 为了精确的控制气压，我们将气源供给的气体再经过一个精密调压阀，使气压的波动 范围控制在o 1 个大气压。考虑到两端波动，气压不稳定，我们将气压工作区定为0 3 6 个大气压，即0 0 3 - - - 0 6 m p a ，满足我们的控制要求。 在实际工作中，气囊的气压是这样控制的，通过测量出收卷的即时卷径，根据设定的 张力值，通过p l c 计算出料卷的收卷力矩即滑差轴输出力矩，通过p l c 中已输入压力与滑 差轴输出轴输出力矩的工程曲线关系式，计算此输出力矩对应气囊的气压值，通过电空转 换器控制气源的气压，满足输出力矩对压力的要求。 在p l c 的计算过程中，将p l c 的输出值o 一2 5 0 0 对应0 6 公斤平方厘米的气压，要 使气囊得到某一设定值的气压，只要p l c 输出对应的值给电空转换器，电空转换器就会将 气源的压力转换成设定气压的压力送给气囊。 2 5 滑差轴输出力矩的计算方法 如图2 1 所示，如纸芯外径处的拉力为f 1 ，纸芯外径为9 2 毫米，则纸芯外径处的 力矩t 1 = f 1x 9 2 2 牛米。 滑差键与滑差环的摩擦力为f 2 ，滑差键与滑差环接触处的直径为5 0 毫米，滑差键与 滑差环的摩擦力矩t 2 = f 2x5 0 2 牛米。 由力矩传递原理可知，t i = t 2 。 滑差键与滑差环的摩擦系数为f ，滑差键与滑差环的压力为n ，则滑差键与滑差环的 摩擦力f 2 = f x n 。 如已测得纸芯外径处的拉力为f 1 ，则滑差键与滑差环的摩擦力为f 2 = f 1 9 2 2 ( 5 0 2 2 ) 。 根据2 2 中每个滑差环的力矩应保证0 0 5 5 3 0 2 牛米，则纸芯外径处的拉力应保证 1 2 6 6 牛。 8 第二章中心气控式滑差轴的工作要求 图2 1滑差轴结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f s l i p - s h a f t 1 一纸芯2 一滑差环3 一滑差键4 一芯轴5 一气囊6 一支撑芯轴 2 6 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置，是利用分切机的收料装置来测量。图2 2 是 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置的结构原理图。其装置的实物如图2 - - 3 所示，其中 图( a ) 是管型测力计，图( b ) 是电空转换器，图( c ) p l c 。所使用设备的配置和参数 如表2 - 1 所示。 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置的工作原理如图2 2 所示，纸芯6 安装在收卷 滑差轴4 上，将固定带7 缠绕在纸芯6 上，不能有打滑现象，软绳9 固定在机架3 上，管 型测力计8 用固定带7 和软绳9 连接，收卷滑差轴4 用轴承、套杯安装在机架3 上，通过 传动带轮、传动带与电机相连，进入滑差轴的气体压力采用由p l c 精密控制的电空转换器 l 调节。 表2 一l中心气控式滑差轴输出力矩测量装置主要配置和参数 c h a r t2 - 1m a i nc o l l o c a t i o na n dd a t ao ft h em e a s u r e ro fc e n t r a lp n e u m a t i cs l i p s h a f t o u t p u tm o m e n t 序号名称型号主要精度生产厂商 1 电空转换器 i t v 2 0 5 0 312 c l 输出气压0 0 0 5 0 9 m p a日本s m c 2分切机q f z l3 0 0 n收卷精度士0 3 m m陕西北人印刷机械 有限公司 3 管型测力计 l t z - 1 02 n江苏常熟宇杰 4p l cc 2 0 0 h x c p u 4 4 z输出精度0 2 4 m v日本0 m r o n 9 西安理工大学工程硕士学位论文 幽2 一z 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置 f i g2 2 m e a s u r e r f o r t e s t i n g t h eo u t p u t n l o i l l c n t o f e e n w a lp n e u m a t i cs l i p - s h a f t l 乜空转换器2 一传动带轮3 一机架d 一滑差轴5 一滑差环6 一纸芯 7 一同定带8 一管型测力计9 一软绳 ( a )( b )( c ) 图23 中心气控式滑著轴输出力矩测量驻置实物照片 f i g2 3p r a c t i c a l i t y p i c t i i r e o f m e 越u r e r f o r t e s t i n g t h e o u t p u t m o m e n t o f c e n t m lp n e u m a t i cs l i p s h a f t 中心气控式滑差轴输出力矩测量装置的工作原理：将分切机的控制屏设定为调试画 面，在p l c 巾给定个0 - - 2 5 0 0 的任意值，p l c 中的给定值0 - - 2 5 0 0 对应气源气压的0 6 公斤平方厘米，通过p l c 计算出对应的压力值将计算的结果传输给电空转换器1 输出对应的压力经过调压的气体传送至滑差轴4 的气囊，气囊通过滑差键、滑差环传送 给纸芯，肩动电机，使电机以设定的转速运转，通过传动带驱动措差轴4 的轴芯旋转，经 1 0 第二章中心气控式滑差轴的工作要求 过滑差键、滑差环带动纸芯6 旋转，纸芯6 带动固定带7 旋转拉紧由固定带7 、弹簧秤8 、 软绳9 、机架3 组成的软连接系统，如果软绳9 、弹簧秤8 的拉力与纸芯外径的力矩等于 或超过滑差键、滑差环产生的摩擦力矩，滑差键与滑差环就会打滑，此时弹簧秤8 的读数 与纸芯6 外径的半径之积等于滑差键、滑差环产生的摩擦力矩。 由于本课题研究的是滑差轴的输出力矩值，而输出力矩值不易测量，但我们可以通过 测量纸芯外径处的拉力，计算出输出力矩值，为简化计算，在后面所有进行图表比较的测 量数据中用测量的拉力值代替输出力矩值。 2 7 本章小结 通过本章的研究分析，滑差环与滑差键由于滑差速度较小，发热较少，可不考虑摩擦 生热对滑差环与滑差键的摩擦力的影响。气源的气压应满足0 - - 6 个大气压，供给气囊的 气压应经过精度误差为0 1 个大气压的精密调压阀，确保供给气压的稳定性，减小因为气 压的波动影响气囊的气压。在0 3 6 公斤平方厘米的压力下每个滑差环能够产生 0 0 5 5 , - - , 3 0 2 牛米的输出力矩，在纸芯外径处的拉力应保证1 2 - - 一6 6 牛，满足不同料卷、 不同料膜对不同输出力矩的要求。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 气囊对输出力矩影响的研究 3 1 滑差轴对气囊的要求 在滑差轴中，气囊的作用是将经过电空转换器精密控制气体的压力传递给滑差键，再 由滑差键与滑差环在该压力的作用下通过摩擦传递给滑差环，最后由滑差环传递给纸芯控 制料膜的张力。在收卷的过程中，料膜的张力是一个恒张力或锥度张力，料膜的卷径是线 性变化，因此，料膜的力矩是一个关于料膜张力与料卷直径的函数。滑差环的输出力矩是 在气体压力的作用下由滑差键与滑差环产生的摩擦力与滑差键与滑差环的接触半径之积。 由于滑差环与滑差键的接触半径与摩擦系数都近似的看作不发生变化，因此要求滑差环与 滑差键上的压力能完全与电空转换器控制的气体压力完全一致或成线性关系，气囊虽然是 一个弹性体，由于材料、结构、厚度的原因，在压力的传递过程中要消耗一定的压力能量。 因此，对气囊的要求是： 1 、气囊要有较大的弹性，有较大的拉伸率； 2 、能够耐5 0 以上的高温； 3 、有较强的抗压强度； 4 、有较强的抗剪强度； 5 、在总长范围内，各项指标的一致性要强； 6 、有较强的抗疲劳强度。 3 2 气囊材料对输出力矩的影响 3 2 1 天然橡胶 天然橡胶由橡胶植物的提取物经加工制成，它是以顺式聚异戊二烯为主要成分的天然 高分子化合物，结构式为 c h 2 c ( c h 3 ) = c h c h 2 n ，n 为1 0 0 0 0 左右，分子量分布在1 0 万一1 8 0 万，平均分子量为7 0 万左右。天然橡胶一般指固体天然橡胶，可分为普通固体 天然橡胶，特制固体天然橡胶、改性天然橡胶。“3 1 ( 1 ) 天然橡胶的物理常数 相对密度( 2 0 ) ( g c m 3 ) 0 9 4 折射率( 2 0 ) 1 5 2 2 溶解热( k j k g ) 4 4 7 4 5 1 0 比热容( 2 5 ) ( k j k g k ) 1 8 8 燃烧值( m j k g ) 4 4 1 6 4 4 8 1 2 第三章气囊对输出力矩影响的研究 热导率 w ( a m ) 1 3 4 1 0 一3 ( 2 ) 天然橡胶无一定的熔点，在1 3 0 。c 一1 4 0 c 时软化，1 5 0 一1 6 0 c 时显著黏软， 2 0 0 。c 左右开始降解，达2 7 0 则急剧分解，天然橡胶拉伸时放热，收缩时吸热，因此受 拉伸的橡胶，加热时收缩，冷却时则伸长，但受小负荷拉伸时，加热反而伸长，拉伸7 0 以上，则会引起结晶。 ( 3 ) 天然橡胶具有很好的弹性，在0 1 0 0 的范围内，回弹率可达7 0 - - 8 0 ，温度 达1 3 0 时，仍能保持正常的使用性能，当低于一7 0 时，则会失去弹性变成硬脆性物体。 弹性伸长率最大可达1 0 0 0 ，在3 5 0 范围内伸缩时，其回弹率达8 5 以上，即永久变形在 1 5 以上。 ( 4 ) 天然橡胶是一种结晶橡胶，自补性较大，故具有非常好的机械强度。纯胶的拉 伸强度为1 6 7 2 8 4 m p a ，用炭黑补强的硫化胶可以提高到2 4 5 3 4 3m p a ，在9 3 c 的 高温下，强度损失3 5 左右。 天然橡胶的耐屈挠性也很好，到出现裂口时为止可达到2 0 万次以上，这是因为天然 橡胶的滞后损失小，在多次变形时生热低的原因。 ( 5 ) 天然橡胶的透气速度因气体种类的不同而不同，这是因为气体除扩散外，气体 对橡胶的溶解性也有助于气体透过天然橡胶的耐透气性如表3 1 所示。 表3 一l天然橡胶耐耐透气性表 c h a r t3 - 1a i rp e r m e a b i l i t yf o rn a t u r a lr u b b e r 透过速度( 1 5 c ) 气体品种溶解度系数扩散系数透过系数 c m 3 ( c m 2 d ) 氦 o 0 1 12 1 0 02 3l 氢 0 0 3 81 0 5 03 91 1 2 氧 0 1 0 21 7 51 84 5 氮 0 0 5 61 1 56 61 3 空气 2 5 甲烷o 2 58 8 2 2 一氧化碳 1 8 8 二氧化碳 0 9 71 0 51 0 22 8 ( 6 ) 将粉状硫黄均匀混于天然橡胶中，在1 3 0 一1 5 0 c 温度下，橡胶与硫黄进行反应， 经过一段时间，橡胶分子由线性结构转化为网状结构，成为硫化橡胶。 ( 7 ) 耐气、热、臭氧、辐射、屈挠变形和铜、锰等金属都能促进橡胶的老化。不加 西安理工大学工程硕士学位论文 防老剂的橡胶在阳光下曝晒时，一般4 7 天就发生龟裂，不耐老化是天然橡胶的最大缺 陷，通过增添防老剂可以大大延长这种现象的发生。 一般地，天然橡胶不能单独使用，通过硫化、添加防老剂、抗降解剂等其它化合物来 稳定，增强天然橡胶的性能。 3 2 2 合成橡胶 合成橡胶是相对于天然橡胶而言，与天然橡胶一样，合成橡胶也是低分子单体通过生 物合成和化学合成反应制得的；天然橡胶的单体来自于天然植物，而合成橡胶的单体来自 于石油、煤炭及农副产品，目前用量最大的单体为烯烃、二烯烃及芳烃。 合成橡胶一般可分为通用合成橡胶和半通用合成橡胶，通用合成橡胶主要有丁苯橡 胶、聚丁乙烯橡胶、聚异戊二烯橡胶三种。它们的物理机械性能和加工工艺性能比较均衡 协调，主要用于制造轮胎，也用于制造胶带、胶管和其它的橡胶制品。与天然橡胶相比较， 用通用合成橡胶制造的轮胎寿命更长、行驶安全和节约燃料等优点，但它们在整体性能的 匹配上仍有些不足，尚不能完全替代天然橡胶。半通用合成橡胶主要有氯丁橡胶、丁晴橡 胶、乙丙橡胶、丁基橡胶四种，它们除具有通用合成橡胶的优点外，又有其突出的特性， 在耐油性、耐溶剂性、耐热性、耐化学稳定性、耐老化性、耐密气性等方面都比较突出， 用于橡胶工业的整个领域，如轮胎、胶带、胶管和其它工业橡胶制品，也应用于电线电缆、 胶黏剂、建筑材料、塑料改性等非橡胶工业领域。d 7 ， 3 2 3 丁基橡胶 在半通用合成橡胶中，丁基橡胶的性能比较特殊，它是1 一3 的异戊二烯和异丁 烯单体在a i c i 。的氯化甲烷溶液催化下共聚而得，它的分子结构为 ch 1ch 3 ch 厂e i ch ：一邑一ch ch ：毫 l ch 3 丁基橡胶中聚异丁烯长链段间不饱和度的分子特性使其产生了独特的弹性性质，具有 一些特殊的性能。 ( 1 ) 低气体的渗透率，弹性体薄膜的气体渗透性有气体分子通过隔膜的扩散和气体 在橡胶中的溶解二种方式。丁基橡胶分子中聚异丁烯组分使丁基橡胶具有低气体渗透性， 这个特性使它几乎专用于内胎和用于密封的气囊，丁基橡胶内胎和天然橡胶的内胎空气保 持率的差别，可以由汽车每天以每小时6 0 英里的速度行速1 0 0 英里控制路段的测试结果 得到反映。 1 4 第三章气囊对输出力矩影响的研究 表3 2 天然橡胶与丁基橡胶内胎的空气损失 c h a r t 3 2a i rl o s s e sf o ri n n e r t u b e sm a d eo fn a t m a lr u b b e ra n db u t y lr o b b e r 空气压力损失p s i 内胎初始压力p s i 1 周2 周3 周 天然橡胶 2 84 o8 01 6 5 丁基橡胶 2 8 o 51 o2 o 1 p s i = l b f i n 2 = 6 8 9 4 7 6 p 。 从表3 2 可以看出，丁基橡胶的空气保持率最少是天然橡胶的8 倍。丁基气囊还能 很好的保留其它气体，如氦气、氢气、氮气、二氧化碳。 ( 2 ) 耐臭氧性 与聚二烯烃橡胶相比，聚合物中较低的化学不饱和度大大提高了橡胶的抗臭氧性，最 低不饱和度(