周斌，陳文，趙朝陽，盛浩然

1.中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000號(hào)10號(hào)樓 201206

2.常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長(zhǎng)庚路99號(hào) 415000

PROTOS M8卷接機(jī)組煙支切割系統(tǒng)原理分析與參數(shù)研究

周斌1，陳文1，趙朝陽1，盛浩然2

1.中煙機(jī)械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000號(hào)10號(hào)樓 201206

2.常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長(zhǎng)庚路99號(hào) 415000

為研究新型卷接機(jī)組煙支切割系統(tǒng)的原理與特性，基于數(shù)學(xué)解析方法建立了PROTOS M8卷接機(jī)組四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)煙支切割系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。綜合考慮了煙支切割系統(tǒng)的理論誤差，分析計(jì)算出刀盤、喇叭嘴在切割時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并對(duì)煙支切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：煙支切割系統(tǒng)中刀片與喇叭嘴之間的偏差不應(yīng)超過0.05 mm；在設(shè)計(jì)中應(yīng)精確計(jì)算并校準(zhǔn)不同煙支長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的刀盤傾角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑，系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為喇叭嘴設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)直徑=［理論值+（0.2～0.4）］mm，刀盤設(shè)計(jì)傾角=（理論值+0.1）°。該計(jì)算結(jié)果可為新型煙支切割系統(tǒng)的研發(fā)提供理論參考。

卷接機(jī)組；煙支切割；旋轉(zhuǎn)式；喇叭嘴；刀盤

PROTOS M8是德國(guó)HUANI公司最新推出的新概念卷接機(jī)組，最高生產(chǎn)速度超過20000支/分鐘［1］，目前國(guó)內(nèi)已有少數(shù)卷煙廠引進(jìn)使用。其煙支切割系統(tǒng)包括刀盤機(jī)構(gòu)、磨刀機(jī)構(gòu)、四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)部分，煙支切割工作主要由與煙條運(yùn)動(dòng)方向成一定夾角的刀盤和刀片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及喇叭嘴的支撐運(yùn)動(dòng)共同完成［2］。傳統(tǒng)卷接機(jī)組如PROTOS 2-2的煙支切割系統(tǒng)普遍采用的是振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)［3］。有研究表明，煙支切割系統(tǒng)是卷接機(jī)組中的主要振動(dòng)和噪聲源之一［4-6］。傳統(tǒng)的振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)由于受切割原理的限制，在速度上存在瓶頸，當(dāng)速度超過16000支/分鐘時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲已影響生產(chǎn)正常進(jìn)行［7］。PROTOS M8卷接機(jī)組煙支切割系統(tǒng)采用四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴代替了傳統(tǒng)的振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴的連續(xù)圓周平動(dòng)以動(dòng)態(tài)跟隨支撐煙條，代替?zhèn)鹘y(tǒng)喇叭嘴機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有效解決了振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)在振動(dòng)噪聲以及速度上的缺陷［8］。為此，對(duì)PROTOS M8煙支切割系統(tǒng)的原理和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，以獲得該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性并精確計(jì)算出系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，為新型卷接機(jī)組的研發(fā)提供理論參考。

1 煙支切割系統(tǒng)組成

PROTOS M8煙支切割系統(tǒng)采用獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)度煙支，見圖1。該切割方式能有效降低刀盤的轉(zhuǎn)速，減小振動(dòng)和磨損。其傳動(dòng)部分由PROTOS 2-2傳統(tǒng)的同步帶傳動(dòng)改為齒輪傳動(dòng)，分為一個(gè)主傳動(dòng)箱和兩個(gè)副傳動(dòng)箱，并且每級(jí)齒輪傳動(dòng)都設(shè)計(jì)有齒輪間隙消除機(jī)構(gòu)，以提高其傳動(dòng)精度。取消了刀盤傾角調(diào)節(jié)裝置，避免主傳動(dòng)與刀盤弧齒輪傳動(dòng)箱之間因采用萬向聯(lián)軸器而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。但當(dāng)調(diào)整煙支生產(chǎn)長(zhǎng)度時(shí)，需要整體更換相應(yīng)規(guī)格的喇叭嘴機(jī)構(gòu)和刀盤傳動(dòng)模塊。

圖1 PROTOS M8煙支切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 行星輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

第二種是以德國(guó)HAUNI公司的PROTOS M系列以及意大利GD公司的DF10和GD121P 2000為代表的四連桿式旋轉(zhuǎn)喇叭嘴機(jī)構(gòu)，其基本原理為平行四邊形機(jī)構(gòu)的變異，平行四邊形機(jī)構(gòu)是雙曲柄機(jī)構(gòu)的特例［11］，見圖3a。機(jī)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的桿相互平行且桿長(zhǎng)相等，構(gòu)成平行四邊形。主動(dòng)曲柄1和從動(dòng)曲柄3的運(yùn)動(dòng)相同，轉(zhuǎn)速相等，連桿2作平動(dòng)，其角速度ω始終為0。根據(jù)剛體平動(dòng)特性，桿的每一瞬時(shí)方位彼此平行，將喇叭嘴切煙槽放置在連桿2上，則能保證其在切割過程中保持平動(dòng)，從而動(dòng)態(tài)跟隨煙條并為其提供支撐。為降低轉(zhuǎn)速，將平行四邊形機(jī)構(gòu)變換成旋轉(zhuǎn)軸心平行偏置的兩個(gè)半徑相等的圓盤，在圓周上均勻分布多根連桿，形成多個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)組合，見圖3b。這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)精度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且對(duì)潤(rùn)滑要求低，可以在高轉(zhuǎn)速條件下保持喇叭嘴支撐的穩(wěn)定性，適用于超高速煙支切割系統(tǒng)。

圖3 平行四桿機(jī)構(gòu)及其變異機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 切割過程運(yùn)動(dòng)分析

振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)煙支切割系統(tǒng)，采用切割中點(diǎn)時(shí)刻瞬時(shí)速度相等的概念確定切割過程基本參數(shù)，即沿?zé)煑l方向V煙條=V喇叭嘴=。根據(jù)此條件，計(jì)算出該煙支切割系統(tǒng)的兩個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的理論值：

式中：DL為喇叭嘴機(jī)構(gòu)理論旋轉(zhuǎn)直徑，mm；L為雙倍煙支長(zhǎng)度，mm；θ為刀盤理論傾角，o；Dd為刀盤的旋轉(zhuǎn)直徑，mm。M8設(shè)計(jì)直徑為480 mm。

旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)煙支切割系統(tǒng)中，喇叭嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧B1BB2，見圖4a。由此會(huì)產(chǎn)生沿?zé)煑l水平方向的速度和位移誤差以及豎直方向的高度誤差δ。考慮到旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴的運(yùn)動(dòng)原理，δ始終存在，并隨喇叭嘴個(gè)數(shù)和輪體直徑的增大而略減小，不會(huì)影響煙條和刀片的運(yùn)動(dòng)。因此，在整個(gè)切割時(shí)間段內(nèi)僅分析喇叭嘴和刀片關(guān)于煙條方向的運(yùn)動(dòng)。

刀片、喇叭嘴以及煙條在切割過程中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系見圖4。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(yùn)行的速度和方向，B1為切割始點(diǎn)，B2為切割終點(diǎn)。單次切割過程喇叭嘴輪體的轉(zhuǎn)角為α，角速度為ω，則刀盤轉(zhuǎn)角為2α，角速度為2ω。令切割中點(diǎn)時(shí)刻t0=0，則切割起點(diǎn)時(shí)刻t0=-α/2ω，切割終點(diǎn)時(shí)刻t1=α/2ω。

對(duì)刀片和喇叭嘴進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可獲得其關(guān)于煙條方向的分速度理論函數(shù)：

式中：V1，V2為喇叭嘴、刀片沿?zé)煑l方向的分速度，m/s。

通過分速度理論函數(shù)可獲得其關(guān)于煙條方向的位移函數(shù)：

式中：S0，S1，S2為煙條、喇叭嘴、刀片在單次切割時(shí)間段內(nèi)沿?zé)煑l方向的位移，mm；L為雙倍煙支長(zhǎng)度，mm。

圖4 切割過程原理示意圖

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

3.1 切割理論誤差分析

由刀片、喇叭嘴以及煙條的分速度函數(shù)曲線（圖5），可以確定三者分速度僅在t0時(shí)刻相等，在其他切割時(shí)間內(nèi)刀片和喇叭嘴的速度都明顯小于煙條速度。以雙倍煙支長(zhǎng)度L=128 mm，煙支生產(chǎn)速度16000支/分鐘為例，研究單次切割時(shí)間段內(nèi)刀盤的轉(zhuǎn)角2α與前后煙道距離、刀片寬度以及刀盤傾角的關(guān)系。超高速煙支切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)中前后煙道距離為38 mm，刀片寬度為60 mm，通過等效弧長(zhǎng)計(jì)算得到2α=25.6/cosθ。由于刀盤傾角通常在±2°內(nèi)改變，對(duì)α的影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取2α=26°為刀盤對(duì)應(yīng)任意煙支長(zhǎng)度單次切割的轉(zhuǎn)角。

計(jì)算可得喇叭嘴沿?zé)煑l方向與刀片沿?zé)熤Х较虻奈灰破罘謩e為：S0-S1=0.05 mm，S0-S2=0.12 mm?？梢?，煙支切割系統(tǒng)經(jīng)過精確調(diào)校，其刀片與喇叭嘴之間的間隙不應(yīng)超過0.05 mm。在整個(gè)切割時(shí)間段內(nèi)，刀片、喇叭嘴以及煙條之間產(chǎn)生的位移偏差，在一定程度上會(huì)影響煙支的切割品質(zhì)。因此，傳統(tǒng)的剪切式煙支切割方式不再適用于旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)的煙支切割系統(tǒng)。

圖5 刀片、喇叭嘴和煙條的水平分速度曲線

3.2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算

由于喇叭嘴、刀片以及煙條三者之間始終存在速度偏差，為減小切割誤差，使整個(gè)切割時(shí)間段內(nèi)三者沿?zé)煑l方向位移相等，即S0=S1=S2，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可獲得旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)直徑和刀盤設(shè)計(jì)傾角計(jì)算式：

式中：DL′為喇叭嘴實(shí)際設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)直徑，mm；θ′為刀盤實(shí)際設(shè)計(jì)傾角，°。

計(jì)算得到雙倍煙支長(zhǎng)度為100～140 mm時(shí)喇叭嘴的部分實(shí)際設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)直徑DL′以及刀盤實(shí)際設(shè)計(jì)傾角值θ′，見表1。

表1 喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑DL′和刀盤傾角θ′優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

傳統(tǒng)振動(dòng)片式喇叭嘴機(jī)構(gòu)煙支切割系統(tǒng)中，喇叭嘴行程和刀盤傾角均可調(diào)。在調(diào)試過程中，先精確校準(zhǔn)喇叭嘴的行程，再用喇叭嘴與刀片的切割位置關(guān)系確定刀盤的實(shí)際傾角。所以對(duì)于振動(dòng)片式煙支切割系統(tǒng)，刀盤的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的煙支切割系統(tǒng)，無法對(duì)喇叭嘴的位置進(jìn)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，調(diào)試過程較復(fù)雜。另外，考慮到傳動(dòng)精度等因素，PROTOS M8卷接機(jī)組采用的是刀盤傾角不可調(diào)結(jié)構(gòu)，不同煙支長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同的刀盤傳動(dòng)模塊，由弧齒傳動(dòng)箱的加工精度保證刀盤傾角精度，可有效降低調(diào)試難度。因此，在煙支切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)精確計(jì)算并校準(zhǔn)不同煙支長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的刀盤傾角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑。由表1數(shù)據(jù)可見，切割系統(tǒng)基本參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果為DL′=［DL+（0.2～0.4）］mm，θ′=（θ+0.1）°。

4 結(jié)語

基于數(shù)學(xué)解析方法建立了PROTOS M8卷接機(jī)組四連桿旋轉(zhuǎn)式喇叭嘴機(jī)構(gòu)煙支切割系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮了煙支切割系統(tǒng)的理論誤差，其刀片與喇叭嘴之間的偏差不應(yīng)超過0.05 mm。通過分析并計(jì)算出刀片、喇叭嘴在切割時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)煙支切割系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在設(shè)計(jì)中應(yīng)精確計(jì)算并校準(zhǔn)不同煙支長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的刀盤傾角和喇叭嘴旋轉(zhuǎn)直徑，系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為DL′=［DL+（0.2～0.4）］mm，θ′=（θ+ 0.1）°。該計(jì)算結(jié)果可為新型煙支切割系統(tǒng)的研發(fā)提供理論參考。

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Principle Analysis and Parameter Research of Cutoff System in PROTOS M8 Cigarette Maker

ZHOU Bin1，CHEN Wen1，ZHAO Zhaoyang1，and SHENG Haoran2
1.China Tobacco Machinery Technology Center Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China
2.Changde Tobacco Machinery Co.，Ltd.，Changde 415000，Hunan，China

In order to study the principle and characteristics of the cutoff system in new type cigarette makers，a mathematical model of the four-linkage rotary ledger mechanism in the cutoff system in PROTOS M8 cigarette maker was derived on the basis of mathematical analysis.The movement relationship between cutoff knife and ledger during cutting was analyzed and calculated，the theoretical errors of the system were taken into account，and the design parameters of the cutoff system were optimized.The results showed that the deviation between knife and ledger should not exceed 0.05 mm；and the inclination angle of cutoff knife carrier and the rotation diameter of ledger corresponding to cigarette length should be accurately calculated and corrected in design，the optimized rotation diameter of ledger should be：theoretical value+（0.2-0.4）mm and the optimized inclination angle of cutoff knife carrier should be：theoretical value+0.1°.The calculation results provide a theoretical reference for the development of new type cutoff system.

Cigarette maker；Cigarette cutting；Rotary type；Ledger；Cutoff knife carrier

TS433

B

1002-0861（2014）11-0014-04

國(guó)家煙草專賣局資助項(xiàng)目“超高速卷接包機(jī)組應(yīng)用技術(shù)研究”(110200602001)。

周斌(1985—)，學(xué)士，工程師，主要從事煙草機(jī)械設(shè)計(jì)工作。E-mail：zhoubin_ctmtc@163.com

2014-05-14

責(zé)任編輯：曹娟E-mail:cj254@126.com

電話：0371-67672669