羅攀峰++方敏杰+++梁添才

摘要： 針對薄片介質(zhì)在金融自動處理設(shè)備中傳動和堆疊過程中常見的卡阻故障，采用RecurDyn計算薄片介質(zhì)的力學(xué)特性，獲得薄片介質(zhì)的彈性模量與彎曲撓度之間的關(guān)系曲線，以用于確定不同新舊程度薄片介質(zhì)的彈性模量；基于票券自動處理設(shè)備中的堆疊模塊，對介質(zhì)在傳動過程中的變形和運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行仿真，計算支撐固件的不同長度所對應(yīng)的介質(zhì)彎曲撓度.結(jié)果表明：支撐固件長度越大，介質(zhì)產(chǎn)生的彎曲撓度越大，有利于避免介質(zhì)堆疊時發(fā)生卡阻問題.

關(guān)鍵詞： 金融自動處理設(shè)備； 薄片介質(zhì)； 傳動； 可靠性； 動態(tài)力學(xué)

中圖分類號： TH113.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

薄片介質(zhì)自動處理設(shè)備，如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)及ATM等產(chǎn)品是一種高度精密的機(jī)電一體化智能裝置.隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們使用此類設(shè)備越來越頻繁，因此對該類自動處理設(shè)備的功能、性能和體驗等方面提出越來越高的要求.金融自動處理設(shè)備，如ATM，VTM和清分機(jī)等，日常處理票券的數(shù)量巨大，且所處理的票券物理屬性不一，因此金融自動處理設(shè)備應(yīng)具有較高的精確性和較好的票券適應(yīng)性.薄片介質(zhì)自動處理設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)的分離、傳動和堆疊等功能，其利用的原理主要包括介質(zhì)的摩擦分離和介質(zhì)變形控制.接觸理論的創(chuàng)始人HERTZ于1882年在德國一家雜志上發(fā)表關(guān)于彈性固體的接觸的開創(chuàng)性論文，然而當(dāng)時的HERTZ理論并不完善，只有當(dāng)摩擦表面滿足理想光滑的前提條件時才成立，因此該理論具有一定的局限性.[1]1990年，世界著名接觸力學(xué)學(xué)者KALKER[2]發(fā)表專著《三維彈性體的滾動接觸》，闡述彈性理論中的4個摩擦滾動接觸理論：線性理論、沈志云赫德里克埃爾金斯理論、簡化理論和變分理論.這些理論對人們解決當(dāng)時的車輛動力學(xué)問題起到非常重要的作用.近20多年，眾多學(xué)者[37]對紙張與送紙輥之間的摩擦分離問題進(jìn)行許多研究，這些研究對介質(zhì)自動處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者具有實(shí)際指導(dǎo)意義.

薄片介質(zhì)傳輸單元是金融自動處理設(shè)備的重要組成部分，其性能設(shè)計需要考慮介質(zhì)在傳輸單元中的動力學(xué)行為，因此仿真計算是一種非常有效的研究手段.BENSON在1995年研究發(fā)表了光滑片體在空氣層支撐下的運(yùn)動方程，舉例紙張在空氣層的支撐下給定初始速度至運(yùn)動停止所需要的時間，得到紙張的彎曲程度對結(jié)果產(chǎn)生的影響，為片體的自由滑動分析提供理論依據(jù).[8]國內(nèi)學(xué)者陳雪峰等[9]運(yùn)用板殼單元對紙張的力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析，利用小波有限元理論分析辦公紙張定影過程的運(yùn)動邊界條件，建立紙張定影過程的二維穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)非線性溫度場數(shù)值模型.YANABE等[10]等利用有限元模型對紙張走紙過程進(jìn)行仿真分析，研究非平衡預(yù)載荷、非一致摩擦因數(shù)和前端拉伸力對紙張走偏的影響規(guī)律.

本文對薄片介質(zhì)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，獲得薄片介質(zhì)在自身重力作用下的彎曲撓度與彈性模量之間的對應(yīng)關(guān)系.采用多體動力學(xué)仿真軟件Recurdyn對介質(zhì)在金融自動處理設(shè)備的堆疊機(jī)構(gòu)和傳輸運(yùn)動中產(chǎn)生的變形和運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行仿真分析，提出通過控制介質(zhì)兩側(cè)彎曲變形實(shí)現(xiàn)避免前后介質(zhì)發(fā)生卡阻的有效方法.

1薄片介質(zhì)材料模型

薄片介質(zhì)的特點(diǎn)是質(zhì)量輕、剛度小，在介質(zhì)自動處理設(shè)備中一般用導(dǎo)板引導(dǎo)介質(zhì)的走向，所以導(dǎo)板必須光滑無毛刺，否則介質(zhì)會受到毛刺的阻礙而引發(fā)設(shè)備卡阻故障.目前的介質(zhì)自動處理設(shè)備中導(dǎo)板傳輸模塊設(shè)計技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而介質(zhì)堆疊模塊的設(shè)計卻仍然是一大難題，精確地將傳輸?shù)慕橘|(zhì)隊列依次控制停留在前一張介質(zhì)上面，需要克服介質(zhì)本身質(zhì)軟、易彎曲的特性.

RecurDyn/MTT3D是三維媒介傳輸動力學(xué)計算軟件，用于仿真媒體傳送的三維運(yùn)動，可計算剛體與柔性體之間的接觸碰撞問題，多用于打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和ATM等設(shè)備紙張介質(zhì)傳輸?shù)姆抡?

RecurDyn/MTT3D的紙張采用SHELL單元，其彈性本構(gòu)模型為ε11

ε22

ε12=1E-vE0

-vE1E0

001Gσ11

σ22

σ12（1）式中：E為彈性模量；v為泊松比；G為剪切模量.

2接觸碰撞算法

在多體動力學(xué)計算中，物體間的相互接觸碰撞是動態(tài)力學(xué)行為的關(guān)鍵算法.RecurDyn/MTT3D中的接觸模型見圖1.

圖 1紙張與輥輪的接觸模型

Fig.1Model for contact between paper sheet and roller

輥輪與紙張單元的接觸是線接觸.首先監(jiān)測輥輪上與紙張網(wǎng)格相交的、平行于輥輪長度方向的直線是否發(fā)生接觸，若沒有發(fā)生接觸，則無須更新接觸力；若發(fā)生接觸，則根據(jù)二者的穿透量計算接觸力.

正向接觸力被定義為穿透量和穿透量速率的函數(shù)，即Fn=-kδm-cδ·δm2（2）式中：k和c分別為接觸剛度系數(shù)和阻尼系數(shù).

介質(zhì)與橡膠輥輪之間的摩擦力ff=μ（ν-νnα|Fn|）Fn（3）式中：vn為輥輪的線速度，α為考慮橡膠彈性特性的參數(shù).

3薄片介質(zhì)彈性模量的確定方法

紙張類薄片介質(zhì)是由纖維、填料、膠料等不同化學(xué)組成和物理性狀組分構(gòu)成的固體材料.流通薄片介質(zhì)一般具有不同的新舊程度.新舊程度的本質(zhì)是介質(zhì)表面或內(nèi)部含有微觀損傷的表現(xiàn).從宏觀唯象角度考慮，介質(zhì)的彈性模量可表征介質(zhì)損傷的程度：介質(zhì)損傷越嚴(yán)重，其彈性模量越小.在金融自動處理設(shè)備的傳輸通道設(shè)計過程中，一般需要考慮傳輸通道結(jié)構(gòu)對各種新舊程度不同的介質(zhì)的適應(yīng)性.因此，確定不同新舊程度介質(zhì)的彈性模量非常重要.

紙張介質(zhì)表面或內(nèi)部已存在損傷，不宜采用材料拉伸試驗機(jī)測量其彈性模量，因為拉伸會使原本的損傷擴(kuò)大，使測量得到的彈性模量不準(zhǔn)確.本文采用仿真計算方法確定不同新舊程度的薄片介質(zhì)的彈性模量.紙張介質(zhì)在重力作用下的彎曲仿真模型見圖2.endprint

圖 2紙張介質(zhì)在重力作用下的彎曲仿真模型

Fig.2Bending simulation model of paper sheet medium under gravity

利用圖2的模型分別計算彈性模量為100， 200， 300， …， 2 300， 2 400， 2 500 MPa時的彎曲撓度，獲得紙張介質(zhì)彈性模量與彎曲撓度之間的關(guān)系，見圖3.對關(guān)系曲線進(jìn)行6次多項式擬合，紙張彈性模量可表示為E=A0+A1δ2+A2δ2+A3δ3+A4δ4（4）式中：A0=7 064.98；A1=-951.60；A2=64.19；A3=-2.40；A4=0.05.圖 3紙張介質(zhì)彈性模量與彎曲撓度之間的關(guān)系

Fig.3Relation between elastic modulus and bending

deflection of paper medium

通過實(shí)際測量紙張介質(zhì)在重力作用下的彎曲撓度，根據(jù)式（4）可計算紙張介質(zhì)的彈性模量.

利用上述方法確定實(shí)際不同新舊程度紙張的彈性模量，具有無須裁剪試樣、測試過程無損的優(yōu)點(diǎn)，而且重復(fù)性好、準(zhǔn)確性高.

4薄片介質(zhì)傳輸模型

薄片介質(zhì)傳輸堆疊裝置模型見圖4.介質(zhì)在金融自動處理設(shè)備中的傳輸過程為：介質(zhì)進(jìn)入自動處理設(shè)備入口后，在分離裝置中逐張被分離，然后依次在傳輸通道中運(yùn)動，最后被運(yùn)輸至弧形堆疊板上，形成整齊的一沓介質(zhì).在堆疊裝置中，每張介質(zhì)在輥輪對的動力驅(qū)動下，沿著導(dǎo)板傳輸通道向前運(yùn)動，經(jīng)過一段懸空距離后，介質(zhì)運(yùn)動至弧形堆疊板上.上部傳輸通道由凹凸銜接的導(dǎo)板構(gòu)成，其作用是使介質(zhì)在傳輸過程中產(chǎn)生彎曲變形，增加介質(zhì)剛度.在傳輸通道出口處，伸出一段具有一定長度的支撐固件，其作用是在介質(zhì)離開傳輸通道后保持一定的彎曲剛度，使介質(zhì)在重力的作用下不會過早地下落到裝置底部位置.介質(zhì)最終達(dá)到弧形堆疊板的姿態(tài)由介質(zhì)的彈性模量與支撐固件的長度決定.

圖 4薄片介質(zhì)的傳輸堆疊裝置模型

Fig.4Model of transmission and stacking device for

laminated dielectric

在實(shí)際的介質(zhì)傳輸過程中，所傳輸?shù)慕橘|(zhì)新舊程度不一，側(cè)邊開裂的介質(zhì)對堆疊效果影響最嚴(yán)重.介質(zhì)傳輸示意見圖5.圖5a中，介質(zhì)A側(cè)邊開裂，其裂邊大部分以上翹的形式存在，對后一張傳輸進(jìn)來的介質(zhì)B形成阻礙，后一張介質(zhì)B會撞到前一張介質(zhì)A的裂邊，結(jié)果發(fā)生卡阻故障.因此，為避免介質(zhì)在堆疊過程中發(fā)生卡阻，需控制介質(zhì)的姿態(tài)，盡量使其保持兩側(cè)翹起近似“V”型狀態(tài)，從而避免撞到裂口介質(zhì)的裂邊，見圖5b.

a）介質(zhì)傳輸?shù)目ㄗ?/p>

b）介質(zhì)“V”型傳輸

圖 5介質(zhì)傳輸示意

Fig.5Schematic of medium transmission

為使介質(zhì)兩側(cè)保持翹起的“V”型狀態(tài)，在堆疊裝置的出口處設(shè)置支撐固件，介質(zhì)兩側(cè)翹起程度與支撐固件的長度相關(guān)，因此需對支撐固件的長度與介質(zhì)翹起程度的關(guān)系進(jìn)行定量研究.

分別建立支撐固件長度為10，20，30，40和50 mm的模型，其他條件均相同，模型參數(shù)見表1.

表 1模型參數(shù)

Tab.1model parameters參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值重力加速度/（m/s2）9.8導(dǎo)軌摩擦因數(shù)0.4介質(zhì)彈性模量/MPa2 200輥輪摩擦因數(shù)1.2介質(zhì)初始速度/（m/s）1.8

5結(jié)果討論

全新介質(zhì)的彈性模量為2 200 MPa.計算各個模型中介質(zhì)運(yùn)動至弧形堆疊板時兩側(cè)的撓度，結(jié)果見圖6.提取各個模型的介質(zhì)翹起撓度結(jié)果，對比不同支撐固件長度引起的介質(zhì)彎曲撓度.不同支撐固件長度對應(yīng)的全新介質(zhì)翹起撓度見表2.圖6與表2中5個模型的計算結(jié)果顯示：隨著支撐固件長度的增大，介質(zhì)傳輸至弧形堆疊板上時兩側(cè)的撓度增大，說明支撐固件在介質(zhì)尾部的夾持作用對控制介質(zhì)變形具有明顯效果.由表2可知，模型中支撐固件相對于介質(zhì)中心線是非對稱分布的，因此介質(zhì)兩側(cè)的撓度不相同；介質(zhì)右側(cè)懸空部分的面積比左側(cè)大，結(jié)果顯示右側(cè)撓度比左側(cè)小，說明可以通過控制介質(zhì)懸空面積分布使介質(zhì)產(chǎn)生不同的撓度.a）支撐固件長度10 mm

b）支撐固件長度20 mm

c）支撐固件長度30 mm

d）支撐固件長度40 mm

e）支撐固件長度50 mm

圖 6不同支撐固件長度對應(yīng)的介質(zhì)變形姿態(tài)

Fig.6Different shape of medium corresponding

to different length of supporting body

表 2不同支撐固件長度對應(yīng)的新介質(zhì)翹起撓度

Tab.2Deflection of new medium corresponding to different

length of bracing beam mm支撐固件長度左側(cè)撓度右側(cè)撓度102.462.20208.247.603010.748.064011.409.755013.6911.80

一般來講，介質(zhì)側(cè)邊裂口邊長約5 mm以內(nèi)，則介質(zhì)兩側(cè)撓度需在5 mm以上才能完全避免已疊好介質(zhì)裂邊的阻礙.結(jié)合表1的介質(zhì)撓度數(shù)據(jù)可知，支撐固件長度應(yīng)在20 mm以上較為合適.

在一般情況下，薄片介質(zhì)經(jīng)過多次流通后，其表觀會發(fā)生不同程度的磨損，呈現(xiàn)出變綿軟的現(xiàn)象.在材料力學(xué)中，可用彈性模量表征介質(zhì)的綿軟程度，即磨損程度越高的薄片介質(zhì)其彈性模量越小.由于介質(zhì)自動處理設(shè)備應(yīng)盡可能適應(yīng)較為綿軟的舊介質(zhì)，因此須針對上述模型進(jìn)一步模擬對綿軟舊介質(zhì)的傳輸性能.endprint

全新介質(zhì)的彈性模量為2 200 MPa，由圖3可知，當(dāng)介質(zhì)彈性模量小于500 MPa時，介質(zhì)在重力作用下的抗彎曲性能驟降，反映出這部分介質(zhì)磨損非常嚴(yán)重的情形，幾乎不適宜流通.將舊介質(zhì)的彈性模量設(shè)為500 MPa，支撐固件長度分別設(shè)為10，20，30，40和50 mm，計算考察這5種方案對綿軟舊介質(zhì)的傳輸適應(yīng)性，結(jié)果見表3.

表 3不同支撐固件長度對應(yīng)的舊介質(zhì)翹起撓度

Tab.3Deflection of old medium corresponding to

different length of bracing beammm支撐固件長度左側(cè)撓度右側(cè)撓度102.6-2.4204.3-1.6306.45.2408.56.35010.87.6由表3中舊介質(zhì)左、右側(cè)的彎曲撓度結(jié)果可知：當(dāng)支撐固件長度為10和20 mm時，介質(zhì)彎曲撓度為負(fù)值，負(fù)值代表向下彎曲.向下彎曲的介質(zhì)在傳輸時不利于躲避前方介質(zhì)上翹的裂口邊，因此支撐固件的長度應(yīng)選擇30 mm以上更為合適.

6結(jié)束語

采用RecurDyn/MTT3D對薄片介質(zhì)在自身重力作用下的彎曲撓度進(jìn)行仿真計算，獲得不同介質(zhì)彈性模量所對應(yīng)的彎曲撓度，進(jìn)而擬合用彎曲撓度表達(dá)的彈性模量公式.根據(jù)此公式，通過測量實(shí)際不同新舊程度的薄片介質(zhì)的彎曲撓度計算出其彈性模量.對介質(zhì)堆疊結(jié)構(gòu)的支撐固件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化仿真研究，計算結(jié)果表明：薄片介質(zhì)傳輸至堆疊板時兩側(cè)的上翹撓度隨支撐固件增大而增大，有利于前進(jìn)介質(zhì)避開介質(zhì)開裂的裂邊，防止介質(zhì)卡阻.綜上所述，利用RecurDyn對金融自動處理設(shè)備的關(guān)鍵模塊進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計既能直觀地觀察到物理規(guī)律，也能大大節(jié)省試驗成本，縮短研發(fā)周期，具有實(shí)際指導(dǎo)意義.參考文獻(xiàn)：

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