王新輝，彭振全，欒勝勇，陳劍鋒，韓冬先，牟 冰，李洪濤

1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137號(hào) 266000

2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)環(huán)翠南路88號(hào) 510385

3.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137號(hào) 266000

SD5 系列切絲機(jī)由意大利Garbuio-Dickinson 公司設(shè)計(jì)研發(fā)，采用柔性切絲理念，能夠?qū)Ω吆剩?8%～28%）片煙進(jìn)行切絲加工，且具有煙絲長(zhǎng)度可控制等特點(diǎn)［1］。在切絲機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，磨刀器控制磨刀砂輪對(duì)切絲刀片進(jìn)行磨削，避免因刀片變鈍而影響切絲效果。當(dāng)?shù)镀p量較大時(shí)，由進(jìn)刀機(jī)構(gòu)控制刀片前進(jìn)以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)镀瑩p耗［2］。但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)常存在異物損傷進(jìn)給桿、撥桿連接螺紋松動(dòng)、回轉(zhuǎn)體鉸接軸磨損以及進(jìn)刀量不恒定等問(wèn)題，導(dǎo)致進(jìn)刀機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)定。近年來(lái)針對(duì)切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)已有較多研究。候勁等［3］根據(jù)SD5切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種進(jìn)給桿保護(hù)裝置，避免異物進(jìn)入進(jìn)給桿與導(dǎo)向進(jìn)給桿之間的縫隙；何洋等［4］采用涂抹螺紋緊固膠的方式，解決了SD5切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)撥桿與滑套之間連接螺紋松動(dòng)等問(wèn)題；羅榕青［5］通過(guò)分析RC4 切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)工作原理，在軸孔上增加鑲套結(jié)構(gòu)，解決了回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈出現(xiàn)的偏磨問(wèn)題。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)進(jìn)刀量固定，唐兵［6］基于旋轉(zhuǎn)式切絲機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型進(jìn)刀裝置，但需要加工改造的零部件較多。為此，通過(guò)分析SD5 切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式，對(duì)回轉(zhuǎn)體與進(jìn)給桿的連接及傳動(dòng)方式進(jìn)行了改進(jìn)，以期減小磨刀砂輪對(duì)刀片的沖擊，提高切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 問(wèn)題分析

1.1 工作原理

SD5 切絲機(jī)由喂料系統(tǒng)、銅排鏈、刀門(mén)系統(tǒng)、磨刀器、刀輥以及振動(dòng)輸送機(jī)等部分組成，見(jiàn)圖1。片煙經(jīng)喂料系統(tǒng)（1）進(jìn)入由下銅排鏈（3）、上銅排鏈（4）和兩側(cè)襯板（11）組成的楔形料槽；上下銅排鏈同步運(yùn)行將物料壓緊并輸送至刀門(mén)系統(tǒng)（5），刀輥（9）上均勻分布的10 把刀片（6）隨刀輥高速旋轉(zhuǎn)對(duì)物料進(jìn)行切割；磨刀器（7）控制高速旋轉(zhuǎn)的磨刀砂輪（8）做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)刀片進(jìn)行磨削［7］，確保刀刃鋒利的同時(shí)使刀輥切割外徑保持不變；當(dāng)磨刀器往復(fù)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值5次時(shí)，切絲機(jī)控制系統(tǒng)中的移動(dòng)計(jì)數(shù)器發(fā)出信號(hào)，氣動(dòng)系統(tǒng)電磁閥導(dǎo)通，通過(guò)刀輥內(nèi)部的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)控制刀片前進(jìn)以補(bǔ)償?shù)镀瑩p耗。

圖1 SD5切絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of SD5 tobacco cutter

進(jìn)刀機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)接頭、氣囊、撥桿、扇形體組件（包括進(jìn)給擺臂、單向軸承、棘輪機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪、進(jìn)刀螺套、進(jìn)給螺桿等）、進(jìn)給桿、回轉(zhuǎn)體以及復(fù)位彈簧等部分組成，見(jiàn)圖2。壓縮空氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭（6）進(jìn)入氣囊（5），氣囊充氣后推動(dòng)中心推桿（1）和卡盤(pán)總成（9）向左移動(dòng)20 mm；卡盤(pán)總成上固定有10個(gè)撥桿（2），撥桿末端穿過(guò)進(jìn)給擺臂（4）的圓弧滑槽使卡盤(pán)總成的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)給擺臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給擺臂內(nèi)的單向軸承（18）與棘輪機(jī)構(gòu)（17）相連，帶動(dòng)蝸桿（16）、蝸輪（19）旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)進(jìn)刀螺套（20）隨蝸輪同軸旋轉(zhuǎn)；進(jìn)刀螺套內(nèi)的進(jìn)給螺桿（15）末端通過(guò)連接片（14）與進(jìn)給桿（13）連接，因連接方式為銷(xiāo)釘固定連接，所以螺桿無(wú)法隨進(jìn)刀螺套旋轉(zhuǎn)而只能拉動(dòng)進(jìn)給桿向右做直線運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給桿上固定的兩個(gè)滑塊（12）穿過(guò)回轉(zhuǎn)體（10）上的滑塊槽，使回轉(zhuǎn)體在滑塊帶動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)體上固定的推刀塊（11）向上運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)刀片（21）實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀動(dòng)作；進(jìn)刀完成后，氣囊排氣，中心推桿在復(fù)位彈簧（8）的作用下復(fù)位［7］。

圖2 SD5切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of knife feeding mechanism in SD5 tobacco cutter

1.2 存在問(wèn)題

當(dāng)砂輪往復(fù)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，氣路系統(tǒng)通過(guò)電磁閥控制氣囊做間歇?jiǎng)幼?，從而?qū)動(dòng)刀片間歇進(jìn)給。由進(jìn)刀機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理得到進(jìn)給桿的步進(jìn)位移：

式中：c為進(jìn)給桿步進(jìn)位移，mm；l1為氣囊動(dòng)作一次標(biāo)準(zhǔn)行程，mm；α為撥桿位移1 mm時(shí)擺臂對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)角度，（°）/mm；i 為蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比（蝸桿頭數(shù)/蝸輪齒數(shù)），無(wú)量綱；l2為進(jìn)給螺桿螺距，mm。

已知l1=20 mm、α=1.085（°）/mm、i=1/5、l2=1.0 mm，計(jì)算可得進(jìn)給桿步進(jìn)位移為0.012 mm。如圖3所示，以回轉(zhuǎn)體軸心O 為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，x 軸正方向與進(jìn)給桿前進(jìn)方向一致，y軸正方向與刀片前進(jìn)方向一致；滑塊軸心位置記為A（x，y），推刀塊軸心位置記為B（x′，y′），由直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得：

圖3 進(jìn)刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析Fig.3 Kinematic analysis of knife feeding mechanism

式中：Ll、L2分別為AO和BO的長(zhǎng)度，mm；θA、θB分別為回轉(zhuǎn)體短邊和長(zhǎng)邊（即AO 和BO）與x 軸正方向的夾角，（°）。

由AO和BO相互垂直（即θ=θA-θB=90°）可知sinθB=sin（θA-90°）=-cosθA，代入公式（2）可得：

由于進(jìn)給桿在刀輥滑槽中水平滑動(dòng)，且回轉(zhuǎn)體軸心（O點(diǎn)）與刀輥上固定進(jìn)給桿的滑槽相對(duì)位置固定，故A 點(diǎn)縱坐標(biāo)為固定值，即y=-32；因x 值隨進(jìn)給桿滑動(dòng)而變化，根據(jù)勾股定理可得AO 長(zhǎng)度L1=B 點(diǎn)與推刀塊鉸接，故BO 長(zhǎng)度為定值（L2=65 mm），代入公式（2）可得：

因x 值隨進(jìn)給桿滑動(dòng)而變化，且公式（3）為非線性函數(shù)，當(dāng)進(jìn)給桿步進(jìn)位移Δx 為定值（0.012 mm）時(shí)，刀片的單次進(jìn)刀量Δy′為非定值。由于單次進(jìn)刀量不同，砂輪磨削刀片過(guò)程中受到的沖擊力不同。單次進(jìn)刀量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致砂輪對(duì)刀片磨削過(guò)快，單次進(jìn)刀量過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致磨刀質(zhì)量不理想而影響切絲效果。

2 改進(jìn)方法

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)了回轉(zhuǎn)體與進(jìn)給桿的連接及傳動(dòng)方式，使得AO 長(zhǎng)度為定值，從而實(shí)現(xiàn)單次進(jìn)刀量為定值。如圖4所示：①將回轉(zhuǎn)體（5）上原來(lái)的滑塊槽改為固定軸，使滑塊（3）通過(guò)銷(xiāo)軸（4）固定在回轉(zhuǎn)體上，同時(shí)滑塊隨銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；②在進(jìn)給桿（1）上加工滑塊槽（11），當(dāng)進(jìn)給桿向右做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊在滑塊槽中上下滑動(dòng)并帶動(dòng)回轉(zhuǎn)體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；③推刀塊（7）與回轉(zhuǎn)體的鉸接方式不變，隨回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)推刀塊向上運(yùn)動(dòng)完成進(jìn)刀。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)改進(jìn)后公式（1）～（3）依然成立，設(shè)k=L2/Ll，由于AO、BO長(zhǎng)度Ll、L2均為定值，則y′=kx（k為定值），說(shuō)明y′隨x呈線性變化，即進(jìn)給桿步進(jìn)位移Δx 為定值（0.012 mm）時(shí)，刀片的單次進(jìn)刀量Δy′也為定值。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.2.1 回轉(zhuǎn)體銷(xiāo)軸位置及尺寸

參考技術(shù)較為成熟的SQ 系列切絲機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，將單次進(jìn)刀量Δy′設(shè)置為0.02 mm，在不改變進(jìn)給桿步進(jìn)長(zhǎng)度（Δx=0.012 mm）、BO長(zhǎng)度（L2=65 mm）的前提下，計(jì)算可得k=1.67、L1=39 mm。考慮到回轉(zhuǎn)體及銷(xiāo)軸強(qiáng)度，選定回轉(zhuǎn)體上銷(xiāo)軸安裝部位的孔徑為16 mm。

2.2.2 進(jìn)給桿槽寬及滑塊寬度

為便于安裝，將滑塊設(shè)計(jì)為邊長(zhǎng)為m 的正方形。當(dāng)AO 垂直于進(jìn)給桿時(shí)，A 點(diǎn)到進(jìn)給桿底面的距離n最小。為避免滑塊滑出滑塊槽，需滿足n≥m/2。已知此時(shí)O點(diǎn)到進(jìn)給桿底面的距離為44.1 mm，計(jì)算可得n=44.1-39.0=5.1 mm，則m≤10.2 mm。取m=10.2 mm，則滑塊滑到底部極限位置時(shí)剛好與進(jìn)給桿底面平齊且不會(huì)滑出滑塊槽。由于滑塊與進(jìn)給桿上滑塊槽配合，故滑塊槽寬度也為10.2 mm（滑塊槽中心位置與原滑塊軸心重合）。

2.2.3 進(jìn)給桿槽深及滑塊厚度

原進(jìn)給桿厚度為24.0 mm，為保證拉桿強(qiáng)度，滑塊槽深度選為10.0 mm?；瑝K與回轉(zhuǎn)體采用銷(xiāo)軸（圖4中4）連接并安裝于銷(xiāo)軸的細(xì)軸端，細(xì)軸端總長(zhǎng)為10.0 mm；擋圈槽位于細(xì)軸端向內(nèi)3.0 mm 處且擋圈（圖4中2）厚度為0.9 mm［8］，計(jì)算可得剩余軸長(zhǎng)為10.0-（3.0+0.9）=6.1 mm，故滑塊厚度選為6.0 mm。

圖4 改進(jìn)后進(jìn)刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Structure of modified knife feed mechanism and kinematic analysis of revolving body

2.3 進(jìn)刀量仿真分析

采用SolidWorks2021（法國(guó)達(dá)索公司）軟件建立改進(jìn)前后進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的三維模型，選用SolidWorks Motion插件對(duì)進(jìn)刀過(guò)程中進(jìn)給桿和推刀塊的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行模擬仿真［9］，并分析推刀塊在y方向上位移隨進(jìn)給桿運(yùn)動(dòng)的變化情況。已知進(jìn)給桿步進(jìn)位移為0.012 mm，在Motion 模擬仿真過(guò)程中為便于觀察和縮短仿真運(yùn)行時(shí)間，將進(jìn)給桿運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為0.012×100=1.2 mm/s（真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度為0.012 mm/s），在此情況下得到的圖解形狀和曲率與真實(shí)情況基本相同。由圖5可見(jiàn)，改進(jìn)前進(jìn)給桿勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，推刀塊的y 分量速度非恒定值，即單次進(jìn)刀量不同；改進(jìn)后推刀塊的y分量速度為恒定值，即每次進(jìn)刀量相同，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。

圖5 改進(jìn)前后進(jìn)刀位移與速度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of displacement and velocity of knife feeding before and after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（顏悅）”A 模塊配方片煙，含水率為18.5%±0.5%（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠）。

設(shè)備：SD504 切絲機(jī)（意大利Garbuio Dickinson公司）。

方法：采用2 臺(tái)SD504 切絲機(jī)分別對(duì)“泰山（顏悅）”A模塊片煙進(jìn)行切絲，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。按三班制生產(chǎn)，每班工作約6 h，統(tǒng)計(jì)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后2臺(tái)切絲機(jī)刀片和砂輪的使用壽命，統(tǒng)計(jì)周期為3個(gè)月。

表1 SD504切絲機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of SD504 tobacco cutter

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見(jiàn)，SD504切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)改進(jìn)后刀片使用壽命由60.3 h/把延長(zhǎng)至79.1 h/把，增幅31.2%；砂輪使用壽命由55.6 h/個(gè)延長(zhǎng)至59.6 h/個(gè)，增幅7.2%。說(shuō)明提高進(jìn)刀機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性可以有效減少刀片和砂輪更換頻率，減少備件消耗，提高切絲設(shè)備運(yùn)行效率。

表2 進(jìn)刀機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后刀片和砂輪使用壽命①Tab.2 Working life of knife blade and grind wheel before and after modification of knife feeding mechanism

4 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)SD5切絲機(jī)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)中進(jìn)給桿與回轉(zhuǎn)體的連接及傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了切絲過(guò)程中單次進(jìn)刀量恒定，減小了磨刀砂輪對(duì)刀片的沖擊力。以青島卷煙廠使用的2 臺(tái)SD504 切絲機(jī)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后有效提高了進(jìn)刀機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，刀片和砂輪平均使用壽命分別延長(zhǎng)31.2%和7.2%，備件更換頻率顯著降低。該技術(shù)可在SD508、SD512 等切絲機(jī)中推廣應(yīng)用。