超高速烟支切割系统综合分析与结构参数优化

超高速烟支切割系统综合分析与结构参数优化摘要:近几年，我国卷烟机械研究水平得到快速发展，但在超高速领域的研究与国外仍然有较大差距。为全面深入研究HUANI新概念卷接机组烟支切割系统的原理与特性，对PROTOSM8新概念卷接机组烟支切割系统进行原理、机构运动学与动力学分析，阐述了其烟支切割系统的切割过程和原理。对四连杆旋转式喇叭嘴机构进行机构动力学分析并获得其动力学特性。通过对刀盘、旋转式喇叭嘴机构在烟支切割过程中的运动建立精确的数学模型，并对四连杆旋转式喇叭嘴机构进行结构设计分析与运动学分析，获得四连杆旋转式喇叭嘴机构以及刀盘的机构运动方程以及结构运动参数。为新型超高速卷接机组烟支切割系统的研发提供参照和理论依据。关键词:卷接机组；烟支切割系统；机构运动分析；喇叭嘴；刀盘ComprehensiveAnalysisandStructuralParameterOptimizationonSuper-speedCigaretteCuttingSystemAbstract:Atpresent,TheresearchofcigarettemakingmechanicalwasdevelopedrapidlyinChina.Butinthefieldofsuper-speedcigarettemakingmechanicalthereisstillahugegapcomparedwithinternationalstandards.InordertolucubratetheprinciplesandcharacteristicsofthecigarettecuttingsysteminthenewconceptcigarettesmakermachinedesignedbyHAUNI.ThepaperanalyzesthetheoryandmechanismmotionofcigarettecuttingsystemonPROTOSM8andalsoexpoundsthecuttingprocessandtheoryofthecuttingsystem.Andthedynamicscharacteristicofparallelfour-barmechanismwasobtainedbykineticanalysis.Throughestablishtheaccuratemathematicalmodeloftheknifecarrierandrotationalledgermovementincigarettecuttingsystem,thepaperfindsthemechanismmotionequationandstructureparametersoftherotationalledgerandknifecarrier.Itprovidesreferenceandtheoreticalbasisforthecigarettecuttingsysteminthenewultrahighspeedcigarettemaker.Keywords:Cigarettemaker;Cigarettecuttingsystem;kinematicanalysisofmechanisms;ledger;knifecarrierPROTOSM8卷接机组是HUANI公司最新推出的新概念卷接机组，其生产能力可以确保800万支/班，最高生产速度超过20000支/分钟，为目前国际上生产速度最高的超高速卷接机组，国内仅引进少数几组。其烟支切割系统包括刀盘机构、磨刀机构、连杆旋转式喇叭嘴机构以及传动部分，烟支切割工作是由与烟条运动方向成一定夹角的刀盘带着刀片旋转和喇叭嘴的支撑运动共同完成的[1-3]。传统卷接机组如PROTOS2-2的烟支切割系统广泛采用振动片式的喇叭嘴机构[4]。资料和研究结果表明，烟支切割系统是成形机上的主要振动和噪音源之一[5]。传统的振动片式喇叭嘴机构由于其切割机理的限制，在速度上存在瓶颈，当速度超过16000支/分时其产生的振动和噪音已很难满足要求[6]。PROTOSM8卷接机组烟支切割系统摒弃了传统振动片式喇叭嘴机构，率先采用四连杆旋转式喇叭嘴机构，利用四连杆旋转式喇叭嘴的连续圆周平动来动态跟随支撑烟条[7-8]。以代替传统喇叭嘴机构的往复运动，从而有效解决了传统振动片式喇叭嘴机构在震动噪音以及速度上的缺陷，是一种全新的设计理念[9]。为此，对PROTOSM8烟支切割系统做原理和机构运动分析，以获得其系统的运动学、动力学特性以及关键结构参数。结构与原理PROTOSM8烟支切割系统采用独立伺服驱动，切割方式为双轨双刀双切，即刀盘每转一周切割两次，每次切割两支双倍长度烟支，见图1。这种方式能有效降低刀盘的转速，减小振动和磨损。其传动部分由PROTOS2-2传统的同步带传动改为齿轮传动，分为一个主传动箱和两个副传动箱，并且每级齿轮传动都设计有齿轮间隙消除机构，以提高其传动精度。取消了刀盘倾角调节装置，避免主传动与刀盘弧齿轮传动箱之间因采用万向联轴器而带来的传动误差。不过，当整机烟支生产长度变更时，需要整体更换相应规格的喇叭嘴机构和刀盘传动模块。PROTOSM8切割系统运动简图，见图2,Z2、Z5为具有偏心轴齿轮间隙调节机构的过桥齿轮，Z1=Z3=85，Z7=Z8=34Z6=2Z4=80，喇叭嘴与刀盘的传动比i68=2。Z6驱动喇叭嘴主动盘并通过四根连杆驱动喇叭嘴从动盘转动，四连杆式旋转喇叭嘴机构为平行四边形机构的一种变异机构，见图3，平行四杆机构的双曲柄平行且相等，杆1和杆3的运动也完全相同，连杆2作圆周平动，它的角速度ω始终为图1PROTOSM8烟支切割系统结构布局图fig.1PROTOSM8Cigarettecuttingsystemarchitecturelayout1.刀盘2.半轴配气支座3.刀片4.喇叭嘴5.四连杆喇叭嘴机构6.切割前双烟枪7.盘车手轮8.偏心调节过渡齿轮9.前支撑臂10.喇叭嘴传动箱11.齿轮12.主传动箱13.过渡齿轮14.双偏心盘调节机构15.伺服驱动电机16.电机支座17.切割后双烟支18.齿轮19.刀盘定位装置20.联轴器21.弧齿轮22.刀盘传动箱图2PROTOSM8烟支切割系统运动简图fig.2PROTOSM8cigarettecuttingsystemkinematicdiagram（a）（b）图3平行四边形机构及其变异机构简图fig.3Parallelogrammechanismandit'svariabilitymechanismdiagram平行四杆机构动力学分析对四杆机构进行动力学分析，见图4。m1、m2、m3表示各杆的质量，x1表示杆1的质心的支座的距离，x3表示杆3的质心的支座的距离，图4平行四边形机构示意图fig.4Parallelogrammechanismschematicdiagram（a）（b）（c）图5各连杆受力分析图fig.5ThestressanalysisdiagramofeachbarF1x、F3x表示连架杆1和3受到的x方向的支座反力,F1y、F3y表示连架杆1和3受到的y方向的支座反力,M由图5(a)有：F1x+f1F1y+f1sinθ+F=0(3)由图5(b)有：F3x+f3cosθ+F32xF3y+f3sinθ+F32ylcosθ-由图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同样，由式(1)、(2)、(7)、(8)可以得出：F12m2g+xF1y=m1平面任意机构摆动力为：FX=i=1nmFY=i=1nm从而推导出改平行四边形机构的摆动力为：Fx=(m1Fy=-由式(12)、(13)、(14)、(15)可知，当角度θ→0°或180°时，ctgθ→∞，而12m2g+x3lm3g为一定值，使得F1x、F3x→∞，这就使得机构在运动过程中产生刚性冲击，增大了机构运动的噪音和振动。平行四边形支撑装置是多个平行四边形机构的组合，由于多个平行四边形机构相互间的对称性，由式切割过程运动分析传统振动片式喇叭嘴机构烟支切割系统中(如PROTOS2-2)，采用的是切割中点时刻瞬时速度相等的概念来确定切割过程基本参数，即喇叭嘴、刀片和烟条在切割过程中沿烟条方向分速度相等[1]。而基于旋转式喇叭嘴机构的烟支切割系统中，喇叭嘴的运动轨迹为圆弧B1BB2，见图6，必然产生其沿烟条的水平方向的速度和位移误差以及竖直方向的高度误差分析刀片、喇叭嘴以及烟条在切割过程中的运动关系,见图6。其中，O1、O2分别为喇叭嘴和刀片的旋转中心,V0为烟条A运行的速度和方向,B1为切割始点，B2为切割终点，单次切割过程喇叭嘴轮体的转角为α、角速度为𝜔，则刀盘的转角为2α、角速度为2𝜔图6切割过程原理图fig.6Cuttingprocessschematics对刀片和喇叭嘴进行运动分析,可获得其各自关于烟条方向的分速度理论函数：V1=12V2=ω式中：V1、V2—喇叭嘴、刀片沿烟条方向的分速度；DL—喇叭嘴的旋转直径；θ—刀盘设计倾角；Dd—刀盘的旋转通过分速度理论函数可获得其各自关于烟条方向的位移函数：S0=2Lα/πS(23)S=Ddsinα·sin式中：S0、S1、S2—烟条、喇叭嘴、刀片在单次切割时间段内沿烟条方向的位移；结构参数优化喇叭嘴、刀片以及烟条三者的速度偏差始终存在，见图7，为减小切割误差，使整个切割时间段内三者沿烟条方向位移相等,即S0DL=2Lαπsinθ=arcsin2LαπDd单次切割过程喇叭嘴轮体的转角α可以通过等效弧长的方法近似求出，由于刀片的运动为三维复合运动，不同的刀盘倾角θ对应的α传统振动片式喇叭嘴机构烟支切割系统中，喇叭嘴行程以及刀盘倾角均为可调的结构。在调试过程中，通过先精确校准喇叭嘴的行程，用喇叭嘴与刀片的切割位置关系来确定刀盘的实际倾角，所以对于振动片式喇叭嘴机构的烟支切割系统，刀盘的设计倾角通常只作为调试过程中的参考。而采用旋转式喇叭嘴机构的烟支切割系统中，无法先对喇叭嘴的位置进行精确校准，喇叭嘴与刀片的相互位置关系需要经过反复调校，其调试过程相对比较复杂。另外基于传动精度等方面的考虑，M8采用的是刀盘倾角不可调的结构，不同的烟支生产长度对应不同的刀盘传动模块，刀盘倾角由弧齿传动箱加工精度保证，从而极大降低了调试难度。为此，需要精确计算并校准不同烟支长度对应的刀盘倾角和喇叭嘴旋转直径。图7各水平分速度曲线fig.7Eachspeedcurveonlevel结束语基于平行四边形变异机构的旋转式喇叭嘴机构的应用，从原理上摒弃了传统振动片式的结构，对四连杆旋转式喇叭嘴机构的动力学分析表明，连续旋转的运动结构符合超高速烟支切割系统对于机械振动以及和平衡受力的要求，且无需配重块，有效降低了整个切割系统的振动和噪音，从而克服了传统振动片式喇叭嘴机构对于速度上的缺陷。研究中基于数学解析方法建立M8四连杆旋转式喇叭嘴机构烟支切割系统的数学模型，综合考虑烟支切割支撑系统理论误差，分析并计算出刀片、喇叭嘴在切割时间段内的运动关系，对烟支切割系统进行结构设计分析和运动学分析，获得了全面可信的技术参数，作为装置研发的理论依据和类似新型烟支切割系统研发的参照。参考文献YJ17-YJ27卷接机组编写组.YJ17-YJ27卷接机组[M].北京:中国科学技术出版社,2001:156-162YJ17-YJ27CigaretteMakerWritingGroupYJ17-YJ27CigaretteMaker[M].Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2001:156-162肖登红,王俊元,杜文华,等.基于等效静态载荷法的平面四杆机构的结构动态优化设计[J].机械设计与制造,2011,25(10):54-56XiaoDeng-hong,WangJun-yuan,DuWen-hua,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