分切機(jī)卷軸同步性設(shè)計(jì)與仿真分析

陜西西安重裝礦山電器設(shè)備有限公司 周杰

引言

在現(xiàn)代包裝行業(yè)中薄（箔）膜是軟包裝的重要基材，也是一種至今尚無法被替代的包裝材料，所有包裝行業(yè)所用的所有包裝產(chǎn)品的復(fù)合材料都采用分切機(jī)加工成帶材。在傳統(tǒng)的分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，常見的收卷傳動(dòng)方式有兩種：一種是使用磁粉離合器，由主電機(jī)直接輸入動(dòng)力，在使用磁粉離合器的分切機(jī)中，由于傳動(dòng)關(guān)系固定不變，只能通過磁粉離合器打滑來保證線速度一致，收卷直徑越大打滑越嚴(yán)重，打滑會(huì)產(chǎn)生熱量，過高的熱量會(huì)使磁粉燒結(jié)，造成離合器失效，同時(shí)也會(huì)造成能量損耗；另一種是直接由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)收卷軸，進(jìn)行收卷，各收卷軸分別需要一臺(tái)電機(jī)，為了保證各收卷軸收卷品質(zhì)的同步性，對(duì)控制精度要求高，同時(shí)也增加了成本。面對(duì)這些問題，在分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中本文應(yīng)用了齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)，很好地解決了以上的問題。

1 分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖

圖1為500mm分切機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖，左虛線框內(nèi)的差動(dòng)輪系稱之為主差動(dòng)機(jī)構(gòu)，右虛線框內(nèi)的差動(dòng)輪系稱之為收卷差動(dòng)機(jī)構(gòu)。該傳動(dòng)系統(tǒng)自由度：F=3×7-2×7-4=3由此可知此傳動(dòng)系統(tǒng)必須有三個(gè)動(dòng)力或約束輸入才能有確定的運(yùn)動(dòng)。該分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)正是應(yīng)用了差動(dòng)輪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分解的作用：由主差動(dòng)機(jī)構(gòu)分解出來的動(dòng)力，經(jīng)由傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)收卷差動(dòng)機(jī)構(gòu)中的行星架，行星架上裝有行星輪8，錐形齒輪6、7、8和行星架H2構(gòu)成收卷差動(dòng)輪系，在該差動(dòng)輪系中齒輪6、7 的齒數(shù)相等，即 Z6=Z7，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系式為：

n—齒輪 6、7、8 和行星架的轉(zhuǎn)速，單位：r/min；Z—齒輪 6、7的齒數(shù)。

圖2 收卷示意圖

在該分切機(jī)中采用如圖2所示的收卷方式。在收卷過程中，收卷軸1、2靠在大滾筒上進(jìn)行收卷，大滾筒為被動(dòng)輥，無動(dòng)力輸入，工作時(shí)收卷軸通過表面摩擦驅(qū)動(dòng)大滾筒旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向如上圖所示。假設(shè)收卷軸與大滾筒之間不存在打滑，則有：

V軸1—收卷軸1表面線速度；V軸2—收卷軸2表面線速度。

在收卷過程中，收卷軸1、2外徑相等，則n軸1=n軸2，即兩收卷軸轉(zhuǎn)速相等，又因?yàn)橛墒站聿顒?dòng)機(jī)構(gòu)到收卷軸1、2的傳動(dòng)比完全相同（以下計(jì)算均不考慮該段傳動(dòng)比），這樣便要求齒輪6、7的轉(zhuǎn)速相等，即

1.1 與1.3兩式聯(lián)立可解得：n6=n7=nH2，即齒輪6、7的轉(zhuǎn)速等于行星架的轉(zhuǎn)速。在上述收卷過程中差動(dòng)機(jī)構(gòu)不起差速作用。當(dāng)由于各種原因，例如收卷過程中兩個(gè)收卷軸有一個(gè)斷料后重新收卷或收卷套外徑存在差異時(shí)，造成收卷軸1、2的外徑不一致時(shí)，兩收卷軸通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)能自動(dòng)改變轉(zhuǎn)速，以減少收卷軸與大滾筒之間的打滑，從而避免分切材料表面的劃傷。由1.1與1.2式可得：

電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由鏈傳動(dòng)，傳入主差動(dòng)機(jī)構(gòu)，主差動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)分解成兩路，一路通過齒輪1，經(jīng)傳動(dòng)軸傳入收卷差動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一路經(jīng)由齒輪4、5驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輥。主差動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式為：

n1，n2，nH1—齒輪 1、2 和行星架的轉(zhuǎn)速，單位：r/min；

Z1，Z2，Z3—齒輪 1、2、3 的齒數(shù)。

在分切機(jī)分切收卷的過程中，分切材料經(jīng)過放料卷、動(dòng)力輥，然后由收卷軸進(jìn)行再卷繞，即收卷。在這個(gè)過程中，需要保證收卷軸的線速度與動(dòng)力輥的線速度相等，

式（1.6）是一個(gè)附加約束條件，工作時(shí)，隨著分切過程的進(jìn)行，收卷直徑不斷增加，這時(shí)主差動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)在齒輪1與齒圈2之間重新進(jìn)行速度分配，進(jìn)而保證了收卷線速度與動(dòng)力輥線速度一致。

又有關(guān)系式：

聯(lián)解式（1-6），（1-7），（1-8）得到齒輪1與齒圈2的關(guān)系式

又因?yàn)槭站磔S直徑，動(dòng)力輥直徑，齒輪1、4、5和齒圈2的齒數(shù)，以及行星架轉(zhuǎn)速已知，聯(lián)解式（1.5）和（1.9）便可求出齒輪1、齒圈2的轉(zhuǎn)速。

圖3 為主差動(dòng)機(jī)構(gòu)的端面視圖

圖3為主差動(dòng)機(jī)構(gòu)的端面視圖，圖中標(biāo)出了行星齒輪3所受的作用力。作為驅(qū)動(dòng)力，由電機(jī)輸入。作用于齒輪1的力矩=F1R1，作用于齒圈2上的力矩=F2R2，令齒圈2和齒輪1的齒數(shù)比為a，則：

式中，分別是齒輪1、齒圈2的分度圓半徑，齒輪1、齒圈2的齒數(shù)。由行星齒輪的受力平衡條件可得F3=F1+F2；

因此，齒輪1與齒圈2上的作用力分別為

在確定的機(jī)構(gòu)中，F(xiàn)3和 a已知，因此改變齒圈2上作用力的大小，便可對(duì)收卷張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以通過在齒圈上安裝剎車帶來對(duì)齒圈2作用力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖1所示。這樣可以確保兩收卷軸盡可能地同步工作，把不同步誤差降到最低，使分切機(jī)收卷品質(zhì)達(dá)到最佳效果。

綜上所述：此分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由主電機(jī)通過H1輸入一個(gè)動(dòng)力，施加（1.4）、（1.6）兩個(gè)約束使得該系統(tǒng)各個(gè)元件有確定的運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了分切機(jī)雙收卷軸收卷時(shí)的同步性。

2 雙收卷軸同步性實(shí)驗(yàn)調(diào)試

500mm分切機(jī)雙收卷軸收卷的要求：（1）兩收卷軸速度相同；（2）收卷軸速度和動(dòng)力軸速度相同。通過Adams對(duì)以上傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并且對(duì)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)測試驗(yàn)證，模型如下：

圖4 為Adams模型

2.1 設(shè)置測試條件

nH1=1500r/min，n軸1=n軸2=n動(dòng)力輥。

圖5 三軸同步條件

在Adams里通過關(guān)聯(lián)副設(shè)置其傳動(dòng)比為 1：1：1，使其兩收卷軸和動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速一樣而同步運(yùn)行，為后面的測試提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 驗(yàn)證內(nèi)容與結(jié)果

2.2.1 驗(yàn)證n6=n7=nH2=n1是否成立

圖6 為收卷差動(dòng)不起作用

由圖6可以看出錐形齒輪6、7的轉(zhuǎn)速等于行星架的轉(zhuǎn)速。在上述收卷過程中差動(dòng)機(jī)構(gòu)不起差速作用。當(dāng)由于各種原因，例如收卷過程中兩個(gè)收卷軸有一個(gè)斷料后重新收卷或收卷套外徑存在差異，造成收卷軸1、2的外徑不一致時(shí)，兩收卷軸通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)能自動(dòng)改變轉(zhuǎn)速，以減少收卷軸與大滾筒之間的打滑，從而避免分切材料表面的劃傷。

2.2.2 驗(yàn)證 n1=12901，nH1=9000時(shí)，n2=6361是否成立

圖7 通過計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果作比較

由圖7可以看出當(dāng)n1=12901，nH1=9000時(shí)，n2基本在 6361處，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文通過500mm雙收卷軸分切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測試，很容易實(shí)現(xiàn)了雙收卷軸分切機(jī)收卷時(shí)的雙軸同步性。

[1]邸長明,張科.B OPP薄膜分切收卷里緊外松現(xiàn)象的解決辦法 [J].塑料包裝,1999,9(3)：15-17.

[2]吳貴華,張松巖,余青.草纖維粘膠薄膜分切機(jī)的設(shè)計(jì)[J].黑龍江造紙,1995,2：015.

[3]李百剛.分切機(jī)收卷軸摩擦力矩的研究[D].西安理工大學(xué),2008.

[4]曹毅,周會(huì)成,唐小琦.雙軸同步控制技術(shù)的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2008(2)：65-68.

[5]朱小兵.高速數(shù)字分切機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].塑料包裝,2002,3：4043.

[6]金瑞明.高速盤紙分切機(jī)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].中國造紙,1992,3：006.