切絲過程中刀片變形對切絲寬度穩(wěn)定性的影響研究

1 河南中煙工業(yè)有限責任公司安陽卷煙廠 河南安陽 460000

摘要：切絲寬度作為評價切絲質(zhì)量的重要指標，不僅直接影響加工煙絲的整絲率和填充值等物理指標，還對卷煙的煙氣焦油量、感官質(zhì)量有明顯影響。為更加精細的保證切絲寬度的穩(wěn)定性，通過分析刀片在切絲過程中的受力狀態(tài)，結(jié)合有限元軟件ABAQUS對刀片的受力變形過程進行建模及非線性有限元計算，研究了壓刀板與刀片相對位置對切絲過程中刀刃切割煙磚的切割位置的影響。研究結(jié)果表明：適當減小壓刀板上邊線與刀刃間的距離可以有效縮小切絲過程中刀片的形變量，進而縮小切絲過程中切割位置與預(yù)設(shè)值之間的偏差，提高切絲寬度的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：切絲寬度；穩(wěn)定性；有限元分析；切割位置

切絲寬度是評價切絲質(zhì)量的重要指標，寬度適宜的煙絲可以保證卷煙的內(nèi)外在質(zhì)量，降低消耗和焦油量，提高煙絲的填充能力[1-2]。煙絲過寬時，煙支易出現(xiàn)空頭、切口不平齊現(xiàn)象，煙氣堿性會增加，雜氣和刺激性均會增大；煙絲過窄時，煙支透氣性減小，抽吸阻力增大，煙絲不能完全燃燒，致使卷煙香氣不能充分發(fā)揮；切絲寬度的變化還會影響煙氣中的氨基酸、煙堿、CO、和苯酚等化學(xué)物質(zhì)的釋放量[3-4]。

行業(yè)內(nèi)對切絲寬度要求嚴格控制在0.7-1.1mm范圍內(nèi)，而各卷煙廠根據(jù)自身品牌的特色對切絲寬度的要求更加嚴格。實際生產(chǎn)中，切絲機刀片在切割煙磚時會發(fā)生微小的變形，此微小的變形量使刀片切割煙磚時的切割位置與預(yù)設(shè)值之間產(chǎn)生偏差，從而使切絲寬度的穩(wěn)定性受到影響。因此，對刀片在切絲過程中如何減小變形量進行研究是十分有必要的。

目前，關(guān)于切絲過程中刀片形變對寬度的影響研究還未見報道，本文擬通過對切絲過程中刀片的受力變形進行分析，并通過改變壓刀板與刀刃間的距離調(diào)節(jié)切絲過程中刀片形變量，進而縮小切絲過程中切割位置與預(yù)設(shè)值之間的偏差，保證切絲寬度的穩(wěn)定性。

1切絲機刀片在切絲過程中的受力分析

滾刀式切絲機的切絲刀安裝在刀輥上，刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了切絲刀的切削角度。借鑒根據(jù)滾刀式切絲機的工作原理、金屬切削理論以及木材切削理論建立的切絲刀切削角度的理論模型，結(jié)合某型號滾刀式切絲機的實際工況對刀片在切絲過程中的受力進行分析[5-9]：

圖1-1 刀片切割煙磚示意圖 圖1-2 刀片受力分析示意圖

如圖1-1所示：某型號曲刃水平式切絲機的切削角α為22-28度。切絲過程中，刀片受到煙磚的反作用力。

如圖1-2所示，刀片切割煙磚的作用力F1與切削速度方向（刀棍圓周刀刃處切線方向）平行，刀片受到的煙磚的反作用力F2與F1大小相等、方向相反。刀片受到垂直前刀面方向的反作用力為F3。在F3的作用下刀片發(fā)生彎曲變形，此時，刀片的刀刃向外延伸，使得切絲寬度發(fā)生變化。

主切削電機的額定功率為Q電機=21千瓦，減速電機的傳動效率?1=0.97、同步齒形帶的傳動效率?2=0.95，取功率的修正系數(shù)K修=1.25。則刀輥的功率

Q功=Q電機?1 ?2/K修=21845×0.97×0.95÷1.25=15481.2（W）。

刀輥轉(zhuǎn)速取n =500r/min，刀輥的角速度ω=2nπ/60

刀輥的切削力矩M= Q功/ω=295.67（N?m）

刀輥直徑D=650mm，選取切絲機的工況系數(shù)K況=1.3則

主切削力F1=2M/K況D=699.81（N）

刀片垂直前刀面方向受力F3= F1×sin26o=306.78（N）。

刀片前刀面上刀刃至距刀刃a=2mm的范圍內(nèi)受到煙磚的反作用力，SQ343系列切絲機的刀門寬度即刀片受力寬度b=500mm。受力面積S=ab=1×10-3m2。

前刀面受力部分受到的壓強P= F3/S=306780（pa）。

2刀片受力變形的有限元分析

2.1有限元模型

2.1.1刀片的幾何尺寸

圖2-1 切絲刀片示意圖

如圖2-1所示，刀片寬度H=520mm，刀片厚度S=1mm，刀片在切割煙磚時，刀片在長度方向上的受力范圍L=2mm。刀片的切削角α為22-28度。刀片材料的彈性模量E=2.06×105Mpa，泊松比為0.3。有限元分析采用ABAQUS軟件中的二十節(jié)點六面體二次減縮積分單元（C3D20R）進行建模和計算，該單元模型位移求解的結(jié)果較為精確，并能有效的防止剪力自鎖現(xiàn)象[10-11]。

2.1.2邊界條件及加載方式

刀片上壓刀板上邊線以下部分視為固定支座，約束U1、U2、U3自由度，壓刀板上邊線以上部分為自由端。加載方式為位移加載，其中位移的取值為U。在加載過程中以壓強的形式作用在刀片的受力區(qū)域內(nèi)，使刀片上壓刀板上邊線以上部分承擔點位移。

3刀片受力變形的有限元分析

利用Abaqus軟件對刀片切削過程中的受力變形進行分析，結(jié)果如圖2-2所示：

圖2-2 壓刀板距刀刃7mm時刀片變形示意圖

刀片的最大變形位置在刀尖處，刀片的最大變形為0.6352mm。刀片不變形時，刀片前刀面距刀棍中心軸的距離為L1=283.8mm，刀片的切割位置距刀棍中心軸的距離L2=L1/cos26o=315.76mm；刀片變形時，刀片前刀面刀刃處距刀棍中心軸的距離為L1’=284.44，刀片的切割位置距刀棍中心軸的距離L2’=L1’/cos26o=316.47mm。刀片的切割位置向外延伸了0.71mm，致使切絲寬度與預(yù)設(shè)值之間產(chǎn)生偏差，對煙絲質(zhì)量產(chǎn)生影響。

當?shù)镀斐隽繙p少1mm時，利用Abaqus軟件對刀片進行受力分析，結(jié)果如圖2-3所示：

圖2-3壓刀板距刀刃6mm時刀片變形示意圖