4350CH 小盒透明紙長邊熱封裝置的運動仿真研究

曾學淑， 何邦貴， 崔歡歡

（1.云南機電職業技術學院 機械工程學院， 云南 昆明 650203； 2.昆明理工大學 機電工程學院， 云南 昆明 650504）

0 引言

GDX2 包裝機是我國卷煙企業采用的硬盒包裝機組之一，機組中的透明紙包裝機機構設計緊湊、機器運行平穩可靠，調試維修簡單等優點，在煙草行業中，占有不可替代的作用。 BOPP 雙向拉伸聚丙烯煙膜是小盒煙包透明紙的主要材料，因為BOPP 薄膜本身的特點與4350CH小盒透明紙長邊熱封裝置的設計不足， 所以在透明紙在包裝過程中常產生皺紋、氣泡和漏氣等現象，為了減少這些影響產品美觀的因素，并能夠保證設備的正常生產率。本文對小盒透明紙長邊熱封裝置在不同的生產率情況下進行運動分析研究[1-4]，以ANSYS 軟件為研究平臺，對熱封裝置中的成型轉塔在不同的轉速的情況下輸入矩形脈沖波時作瞬態運動研究分析[5-6]。

1 4350CH 小盒透明紙長邊熱封裝置運動分析的基本理論

由于小盒透明紙長邊熱封裝置在整個運動過程中都是關于時間載荷的一個響應， 所以運用瞬態動力學來分析它的運動特性。 瞬態動力學的運動方程為：

2 4350CH 小盒透明紙長邊熱封裝置的運動分析

2.1 熱封裝置的仿真建模

4350CH 小盒透明紙熱封裝置，見圖1，在進行煙包長邊包裝熱封時常出現皺紋、氣泡和漏氣等現象，見圖2。在熱封裝置中的成型轉塔中完成小盒煙包透明紙的折疊和長邊的熨燙，見圖3。 因為煙包在成型轉塔中完成折疊和熱封，所以對熱封裝置進行運動分析時，可以簡化成只研究成型轉塔的運動。 成型轉塔由前后兩塊成型板、 法蘭座、折疊板和螺栓螺釘組成，為了簡化沒有必要的一些計算過程，只分析成型轉塔的運動過程，通過對成型轉塔前板的運動分析得到整個結構的運動分析數據。 根據成型轉塔前板的相關參數，直徑為￠=240.0mm，盒模內腔上、下尺寸的寬度為23.2mm。 通過三維建模軟件建立模型，如圖4 所示，再在ANSYS 軟件中進行運動分析。

圖1 GDX2 小盒透明紙長邊熱封裝置Fig.1 GDX2 packet of film long edge heat-sealing device

圖2 煙包存在的缺陷Fig.2 Defects of cigarette bag

圖3 成型轉塔實物圖Fig.3 Physical drawing of forming turret

圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

2.2 熱封裝置在不同生產率下時間步的設定

由于4350CH長邊透明紙熱封裝置是一個周期性的運動， 在第一個烙鐵工位時進行透明紙預熱封和第二個烙鐵工位時進行最終熱封時， 為了保證在這兩個工位上熨燙出來的品質，成型轉塔在運動過程中需要短暫的停頓，因此運動不是連續性運動。 因此，需要分析成型轉塔在不同的生產率下，輸入脈沖矩形波時，設備的速度，加速度情況。根據現在煙廠生產的實際情況，取三組不同的生產率進行分析， 根據生產率可以得到熨燙一煙包長邊的時間，見表1。

表1 不同生產率表Tab.1 Different productivity table

時間步是瞬態動力學分析的重點，時間步長是t1到t2的 時 間 增量，決定了最終求解的精確度。 由于熱封裝置是高速運轉的機構， 在選取時間步的數值要非常仔細， 盡可能地小， 最少能小到足夠獲取動力響應頻率。 求解初始值的方法如下：

式中：f—響應頻率；T—運動周期。

成型轉塔在生產率為400 包/min 的運動周期為0.15s，根據式（2），式（3），求得初始值為0.0075s，為了方便設定矩形脈沖波，把不同生產率時的初始值統一起來，取為0.005s。

在整個煙包長邊透明紙熱封過程中， 設定為相對于時間函數的矩形脈沖波。 為了熨燙充分[7-10]，每個工位上需要合適的熨燙時間。 熨燙時間過長， 會使透明紙起皺紋，烙通，時間過短，透明紙熨燙部分不充分。經過現場實驗數據表明，每次熨燙的時間大約為0.01s 時效果最佳。

根據式（2），式（3）計算可以得出：生產率為340 包/min 時， 煙包從進入成型轉塔到離開轉塔的時間為0.176s。 便于觀察，取5/4 個運動周期進行分析，時間為0.235s，初始時間為0.005s 后，結束時間為0.240s。 由于煙包經過成型轉塔時，需要在兩個工位上進行熨燙，所以一共設定9 個時間步， 時間步t1到t2時間間隔為0.049s，t2到t3是煙包熨燙時間，間隔為0.01s，依次替推下去。 可以得到9 個步的時間， 也可以推出生產率為400 包/min 和460 包/min 下的時間布，見圖5。 同時可以得出不同生產率下，每個時間步所得到的矩形脈沖波形圖，見圖6～8。

圖5 不同生產率下時間步的取值Fig.5 The value of time step under different productivity

圖6 340 包/min 矩形脈沖波圖Fig.6 340 packages/min rectangular pulse wave pattern

圖7 400 包/min 矩形脈沖波圖Fig.7 400 packages/min rectangular pulse wave pattern

圖8 460 包/min 矩形脈沖波圖Fig.8 460 packages / min rectangular pulse wave pattern

2.3 不同生產率下成型轉塔的動力學分析

通過ANSYS 軟件的運動分析， 得出在340 包/min、400 包/min 和460 包/min 生產率情況下達到同一個位置的速度和加速度，見圖9～14 所示。從圖中可以看出，到達同一個位置的時間，速度和加速度都不同。由此可知生產率越高，到達同一個位置點的時間越短，速度和加速度越大[11-15]。如果只考慮生產率，生產率越高越好，但生產率越高，速度和加速度也越大，對整個設備帶來的不利因素也將增大。 如整個生產過程中的振動、 噪聲等就會隨著速度、加速度的增大而增加，那整個設備穩定性就會降低。

圖9 340 包/min 時成型轉塔的速度曲線和數據Fig.9 Speed curves and data of forming turret at 340 packages/min

圖10 400 包/min 時成型轉塔的速度曲線和數據Fig.10 Speed curves and data of forming turret at 400 packages/min

圖11 460 包/min 時成型轉塔的速度曲線和數據Fig.11 Speed curves and data of forming turret at 460 packages/min

圖12 340 包/min 時成型轉塔的加速度曲線和數據Fig.12 Acceleration curves and data of forming turret at 340 packages/min

圖13 400 包min 時成型轉塔的加速度曲線和數據Fig.13 Acceleration curves and data of forming turret at 400 packages/min

圖14 460 包/min 時成型轉塔的加速度曲線和數據Fig.14 Acceleration curves and data of forming turret at 460 packages/min

3 結論

在不同的生產率下，4350CH 長邊透明紙熱封裝置在輸入矩形脈沖波的情況下，做周期運動，達到同一個位置的時間，速度和加速度都不相同。 生產率越高，到達同一位置的時間越短，而速度和加速度越大。由于整套設備是高速運轉機構，隨著速度和加速度的提高，給整套設備帶來的不利因素也隨之增加，穩定性和可靠性降低，維修費用增加，整個生產成本增加。 綜合生產率，設備的穩定性以及透明紙熨燙的效果來分析， 設備的生產率需要限制在一定的范圍內。 研究結果表明：生產率在350～450 包/min 之間的效果最好。

GDX2 小盒透明紙長邊熱封裝置的生產率，取決于完成一個煙包長邊熨燙的時間和成型轉塔在輸送過程的轉速。為了能夠得到生產效率高且熨燙出來煙包的品質好，加工過程中又能減少對機構本身及環境的有害因素。 盡量讓煙包在熨燙的時間足夠的長，轉速也盡量的大，在保證熨燙時設備穩定性好的情況下， 可以考慮在成型轉塔下面增加一個減震裝置。