成摞紙張單張高速摩擦分離裝置工作過程分析

王沖，石航，李亞男

（北京強度環境研究所，北京100076）

0 引言

紙是一種用于國民經濟各個領域的基礎材料，其制成的紙張廣泛應用于印刷、包裝、衛生、銀行、郵政、醫療及印鈔等特種印制行業[1-2]。隨著經濟社會的高速發展，各行業都需要從成摞紙張中分離成為連續、有順序的單張紙張，以備后續使用。目前，單張分離裝置存在分離速度低（一般20～300 張/min），分離過程中發生多張（大于2張）和少張（缺張）的現象，同時也存在分離不暢及對紙張有一定的損傷等現象發生[3-5]。

為解決單張摩擦分離裝置分離效率低及分離不暢等問題，設計出一種分離效率為15～20 張/s且對紙張磨損低的高速單張分離裝置，對整個裝置工作原理進行介紹，并通過對2種摩擦分離過程進行力學分析，找出影響分離效率和質量的因素，為單張分離裝置的優化設計提供必要參考。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

如圖1、圖2所示，成摞紙張單張高速摩擦分離裝置主要包括機架、容紙箱、浮動支撐組件、成摞紙張、過渡組件、分紙輪組件、捻紙輪組件、捻紙座組件、負壓風機、頂出機構、單張紙張、同步帶、過渡同步帶輪、過渡齒輪、分紙齒輪、捻紙軸承座、捻紙輪、捻紙同步帶輪、聯軸器、電動機安裝座、電動機和捻紙軸等。

圖1 單張高速摩擦分離裝置結構組成圖

1.2 工作原理

結合圖1、圖2，單張高速摩擦分離裝置的工作過程如下：1）把成摞紙張放置在容紙箱內部，成摞紙張底部由浮動支撐組件和分紙輪組件支撐，當需要暫停分紙或人工取出成摞紙張時，頂出機構把成摞紙張向上頂起，確保成摞紙張與浮動支撐組件和分紙輪組件脫離，暫停分紙。2）放置成摞紙張后，負壓風機啟動，容紙箱內部產生一定負壓，使成摞紙張底部與分紙輪組件接觸更加緊密，更利于分紙。3）啟動電動機，電動機通過聯軸器把動力傳出，動力分為2路，第1路直接傳送給捻紙輪組件，第2路通過捻紙輪組件中的捻紙同步帶輪和同步帶傳遞到過渡組件中的過渡同步帶輪，過渡組件通過過渡齒輪與分紙齒輪嚙合，把動力傳送到分紙輪組件。4）電動機啟動后，分紙輪組件把成摞紙張底部的紙張通過摩擦從成摞紙張中分離出來；分紙輪組件分離出來的紙張同時被傳輸到捻紙輪組件和捻紙座組件結合處，捻紙輪組件和捻紙座組件通過摩擦對紙張進行二次分離，確保輸出單張紙張。

圖2 單張高速摩擦分離裝置傳送結構圖

1.3 分紙輪組件

分紙輪組件用于把成摞紙張底部的紙張通過摩擦從成摞紙張中分離出來，并把分離出來的紙張傳輸到捻紙輪組件和捻紙座組件結合處；其主要由分紙齒輪、分紙軸承座、分紙輪、分紙橡膠、振動托板、偏心軸、連桿、夾緊桿和振動托板軸等組成（如圖3）；分紙輪組件通過偏心軸兩端的分紙軸承座安裝在容紙箱左端，分紙齒輪安裝在偏心軸一端，連桿與偏心軸鉸接在另一端，夾緊桿一端與連桿鉸接，另一端夾緊振動托板軸，振動托板與振動托板軸固定連接；分紙齒輪帶動偏心軸轉動，偏心軸通過連桿、夾緊桿和振動托板軸把轉動轉化為振動托板上下擺動，振動托板上下擺動可以起到減小紙張間摩擦力的作用。

圖3 分紙輪組件結構圖

1.4 捻紙輪和捻紙座組件

捻紙輪組件用于與捻紙座組件配合，通過摩擦對分紙輪組件輸送過來的紙張進行二次分離，確保輸出單張紙張；其主要由捻紙軸承座、捻紙輪、捻紙同步帶輪、聯軸器、電動機安裝座、電動機和捻紙軸等組成；捻紙輪組件通過捻紙軸兩端的捻紙軸承座安裝在機架左端，電動機通過電動機安裝座安裝機架左端，電動機通過聯軸器與捻紙軸聯接，捻紙輪與捻紙軸固定連接，電動機帶動捻紙輪轉動，對紙張進行二次分離，捻紙同步帶輪通過同步帶把電動機動力傳送到分紙輪組件。

捻紙座組件作用在于保證紙張與捻紙輪組件中捻紙輪柔性接觸，配合捻紙輪對紙張進行二次分離；其主要由支座、安裝本體、塑料托輪、托紙器和托紙器彈簧等組成（如圖4）；捻紙座組件通過支座安裝在機架最左端，安裝本體與支座固定連接，托紙器安裝在安裝本體中部，托紙器底部有托紙器彈簧浮動支撐，塑料托輪安裝在安裝本體左右兩端。

圖4 捻紙座組件結構圖

2 摩擦分離過程分析

把成摞紙張放置在容紙箱內部后，單張摩擦分離裝置對成摞紙張進行2次摩擦分離，分別為分紙輪組件分離和捻紙組件分離。現對2次摩擦分離過程進行簡化，并進行受力分析，找出有利于提高分離效率和效果各個參數之間關系，也為優化設計單張摩擦分離裝置提供依據。

2.1 分紙過程受力分析

成摞紙張底部的紙張通過分紙輪組件分紙輪的摩擦從成摞紙張中分離出來，現對分紙輪進行受力分析：

式中：Fn為分紙輪所受摩擦力，N；Fn′為分紙輪對底張紙張摩擦力，N；Gn為成摞紙張重力，N；n為成摞紙張數；m為單張紙張重量，kg；μ為紙張與分紙輪橡膠摩擦因數；μ0為紙張間摩擦因數；Fn-1為底張間摩擦力，N；Gn-1為除底張外所有紙張重力，N；tn為底張加速分離時間，s；an為底張紙張加速度，m/s2；ωn為分紙輪角速度，rad/s；rn為分紙輪半徑，m；Vn為分紙輪線速度，m/s。

由式（1）和式（2）聯立可得底張加速分離時間：

由式（3）可知，加速時間tn、分紙輪角速度ωn和分紙輪半徑rn成正比，而與成摞紙張數量n和摩擦因數差μ-μ0成反比。當分紙輪轉速和半徑一定時，隨著成摞紙張數量減少，分離時間增大，即分離效率降低。

通過以上分析，為保證分離速度保持穩定，必須在保證分離過程中成摞紙張數量逐漸減少的情況下設計輔助加力裝置，彌補因為紙張數量減少導致的分離時間過長的問題；同時減少紙張間的摩擦因數，增加分紙輪與紙張間的摩擦因數，增大摩擦因數差以減少分離時間，保證生產效率。

圖5 分紙過程受力簡化圖

2.2 捻紙過程受力分析

捻紙輪組件與捻紙座組件配合，通過摩擦對分紙輪組件輸送過來的紙張進行二次分離，現對捻紙輪進行受力分析：

式中：Fm為捻紙輪所受摩擦力，N；Fm′為捻紙輪對與其接觸紙張摩擦力，N；m為單張紙張質量，kg；Gn為成摞紙張重力，N；μ為紙張與分紙輪橡膠摩擦因數；μ0為紙張間摩擦因數；Ft為彈簧支撐力，N；tm為底張加速分離時間，s；Fm-1為紙張間摩擦力，N；am為底張紙張加速度，m/s2；ωm為捻紙輪角速度，rad/s；rm為捻紙輪半徑，m；Vm為捻紙輪線速度，m/s。

式（4）和式（5）聯立，可得底張加速分離時間計算公式為

圖6 捻紙過程受力簡化圖

由式（6）可知：加速時間tm與分紙輪角速度ωm和分紙輪半徑rm成正比，而與彈簧支撐力Ft和摩擦因數差μ-μ0成反比。當捻紙輪轉速和半徑一定時，為保證分離速度保持穩定，必須在保證彈簧支撐力Ft始終保持一定的預緊力。

在單張摩擦分離裝置設計過程中，分紙輪與捻紙輪傳動比為1，即ωm和ωn大小相等、方向相反，半徑rn和rm大小相等；當成摞紙張數量n遠大于1時，式（3）中n（μ－μ0）＋μ0簡化為n（μ－μ0）。

為保證單張摩擦分離裝置順暢工作，防止分紙輪組件與捻紙輪組件工作過程中發生堵塞等情況，捻紙輪組件分離時間tm必須不大于分紙輪組件的分離時間tn，即

由式（8）可知，為防止單張摩擦分離裝置工作過程中發生堵塞，必須滿足Ft/Gn≥1。

3 結論

1）通過對2種摩擦分離情況分離過程進行力學分析，找出影響分離效率和質量的因素，并找出不發生堵塞的簡化條件為Ft/Gn≥1。

2）通過對整個裝置工作原理及設計過程進行介紹，并對2種摩擦分離情況分離過程進行力學分析，為單張摩擦分離裝置優化設計提供理論依據。