解決ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤縮刀問題

摘要：為解決ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤縮刀問題，分別對原刀盤機構、壓輥結(jié)構改進后的刀盤機構以及壓輥結(jié)構改進且彈簧更換后的刀盤機構進行了壓力測試。結(jié)果表明，改進后的壓輥結(jié)構在使用一段時間后仍存在縮刀風險，對刀盤夾緊彈簧進行改進后，刀盤縮刀問題得以徹底解決。進而對刀盤夾緊彈簧進行穩(wěn)定性分析與疲勞強度測算，以確保后續(xù)刀盤進刀的穩(wěn)定性。

關鍵詞：濾棒成型機；縮刀；壓輥；刀盤夾緊彈簧；壓力測試

中圖分類號：TS43""""""""" 文獻標志碼：A

ZL26型纖維濾棒成型機組是國產(chǎn)第一種600m/min的高速纖維濾棒成型設備。該機組濾棒切割系統(tǒng)的主要任務是將濾棒成型系統(tǒng)卷制出來的濾條切割成符合要求的濾棒。濾條經(jīng)過濾棒成型系統(tǒng)進入濾棒切割系統(tǒng)，通過喇叭嘴機構進行承托和輔助切割。刀盤通過法蘭盤與刀盤支承的半軸相連，其運動通過刀盤軸進行傳遞，是濾棒成型機不可或缺的一部分[1]。該系統(tǒng)的設計結(jié)構、運行穩(wěn)定性直接關系到濾棒成品的切口質(zhì)量與長度指標。ZL26型纖維濾棒成型機組在生產(chǎn)濾棒的過程中會產(chǎn)生濾棒切口毛茬、濾棒切不斷等問題，將磨刀系統(tǒng)進行清潔保養(yǎng)、更換刀片和調(diào)整喇叭嘴機構后，該問題仍未得到根本解決，最后拆下刀盤進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)刀盤存在縮刀問題。

1問題分析

刀盤縮刀，即刀盤在高速運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生的切刀回縮問題，要找到刀盤縮刀的原因，就需要先了解刀盤的結(jié)構和工作原理。

刀盤裝置是完成濾棒切割的主要部件，如圖1所示。ZL26型纖維濾棒成型機組刀盤機構采用虎克式刀盤的結(jié)構形式，主要由刀盤、半軸、刀盤支承半軸座和刀架等部件組成。刀盤上對稱安裝了2套刀架，即雙刀結(jié)構形式，刀盤每旋轉(zhuǎn)一周會切割出2支符合規(guī)定長度的濾棒。

進刀是指將壓縮空氣作為動力，推動進刀機構，進刀頻率可調(diào)，并根據(jù)濾棒長度規(guī)格，調(diào)整刀盤支撐座和傳動箱位置來轉(zhuǎn)換刀盤角度[2]。喇叭嘴裝置采用單個板簧支撐。磨刀砂輪有2個，一個磨刀砂輪安裝于刀盤外側(cè)，起主要的磨刀作用；另一個磨刀砂輪安裝于刀盤內(nèi)側(cè)，起修光切刀的作用。兩者結(jié)構基本相同，各由一個電機單獨驅(qū)動。

用一字頭螺絲刀壓下切刀解鎖張緊銷即可抽出或裝入切刀。抽出工具，解鎖銷釘復位，刀架內(nèi)的壓輥自動壓緊切刀。為了保證濾棒切割質(zhì)量，切刀能自動進刀刃磨。自動進刀由進刀機構完成，刃磨由磨刀裝置完成。切刀的進刀量為每次0.06mm。進給時間與切割濾棒支數(shù)有關，可通過設置切割濾棒支數(shù)來調(diào)整進刀時間。每當?shù)侗P轉(zhuǎn)動達到所設定的轉(zhuǎn)動次數(shù)時，便產(chǎn)生一個脈沖信號，脈沖信號控制氣動系統(tǒng)中的電磁閥動作，使進刀機構工作，從而完成一次進刀。約3s后，電磁閥換向并切斷氣路。切刀進給次數(shù)可預先設定，當切刀進給次數(shù)達到預先設定值后，顯示屏上出現(xiàn)報警信號，此時可更換新切刀。如果沒有更換切刀，當切刀進給達到最大次數(shù)后，就會出現(xiàn)程序控制停機。

刀盤主要由刀盤體、連接盤、十字軸、2個刀架以及進刀機構組成。刀盤通過十字軸與刀盤支承半軸座相連，其運動通過刀盤軸傳遞。當?shù)侗P支承半軸座內(nèi)的進刀頂桿推動棘爪時，棘爪推動棘輪，帶動進給齒輪軸轉(zhuǎn)動，進而帶動刀架內(nèi)的蝸桿傳動蝸輪。刀架內(nèi)滾輪與蝸輪共同作用，推動切刀向前運動，使對稱的2個切刀同時自動進給。

刀盒機構如圖2所示。在刀盒機構中，有一切刀壓緊裝置對刀盤切刀進行壓緊。在濾棒切割、刀盤高速運轉(zhuǎn)的過程中，刀盒夾緊彈簧提供預緊力，將壓輥緊壓在刀片上，與刀架的結(jié)構相配合，在刀盤高速運轉(zhuǎn)過程中，使刀片位置穩(wěn)定不滑動，避免縮刀問題。

根據(jù)刀盤自動進給原理，刀盤縮刀可能原因有3個。一是切刀壓緊裝置設計不合理，切刀壓緊角度過小，導致壓輥對切刀的壓緊力不足；二是刀盤使用時間過長，蝸輪處金剛砂磨損脫落，壓縮彈簧達到疲勞極限，壓刀效果下降；三是刀盒夾緊彈簧設計不合理，不能滿足壓刀所需壓力。

對多個刀盤的切刀進行壓力檢測。根據(jù)設計調(diào)試經(jīng)驗，當壓輥對切刀的壓緊力≥50N的時候，不會發(fā)生縮刀現(xiàn)象。

運用控制變量法，對未改進的刀盤進行壓力測試，以此來確認切刀壓緊裝置和刀盒加緊彈簧的設計是否合理。未改進時切刀壓入刀盤所需力量見表1。

壓力測試顯示，新刀盤壓輥對切刀的壓緊力≤50N，也存在縮刀的可能性，并且隨著使用時間增加，縮刀問題日益明顯，說明切刀壓緊裝置和刀盒夾緊彈簧設計本身存在不合理之處。隨著使用時間增加，該問題逐漸放大，因此需要對切刀壓緊裝置和刀盒夾緊彈簧進行改進。

2改進方法

2.1結(jié)構改進

對切刀壓緊裝置的結(jié)構進行更改，將刀盒夾緊彈簧的數(shù)量由2個增加為3個，并將壓緊角度由25°增至33°，以此來解決切刀壓緊角度過小導致的壓輥對切刀壓緊力不足的問題。

運用控制變量法，維持刀盤其他部件不變，僅對壓輥進行更換。彈簧采用原刀盤彈簧，調(diào)整后再對刀盤切刀進行壓力檢測。壓輥結(jié)構改進后切刀壓入刀盤所需力量見表2。

新的刀盤壓輥結(jié)構有效解決了新刀盤縮刀問題，但對于長時間工作刀盤機構，仍存在縮刀風險，說明刀盒夾緊彈簧本身預緊力不足，需要對刀盒夾緊彈簧進行改進。

2.2零件改進

重新設計刀盤夾緊彈簧，需要考慮彈簧尺寸、剛度、材質(zhì)和彈簧端部形式等方面。考慮刀盤的結(jié)構特性和零件更換的便捷程度，彈簧外輪廓尺寸不做更改。彈簧剛度如公式（1）所示。

式中：G為剪切彈性模量；d為彈簧絲直徑；D為彈簧中徑；n為有效圈數(shù)。

ZL26原使用刀盒夾緊彈簧材質(zhì)為65Mn，其彈性模量G=7.85×104MPa，彈簧絲直徑d=0.8mm，彈簧中徑D=4mm，選用端部不并緊，磨平彈簧，有效圈數(shù)為n=9。

帶入公式（1）進行計算，可得彈簧剛度，如公式（2）所示。

則彈簧的力如公式（3）所示。

Fmax=P'x=6.977×4.7=32.7919N（3）

受力分析如公式（4）所示。

F0=n0Fmaxsinα（4）

式中：F0為刀片壓緊力；n0為彈簧數(shù)量；α為壓緊角度。

計算可得原設計刀盒夾緊彈簧的刀片壓緊力F0的值為F0≈27.717N，單個彈簧壓緊力為13.86N。

彈簧材質(zhì)方面，65Mn強度高，淬透性較好，但具有過熱敏感性，易產(chǎn)生淬火裂紋，并有回火脆性，適于做尺寸較大的彈簧。而60Si2MnA在高溫回火后具有良好的綜合力學性能，適用于高應力下工作的重要彈簧，并可作為耐熱（lt;250℃）彈簧[3]，因此選用60Si2MnA作為新設計刀盒夾緊彈簧材質(zhì)。

外輪廓尺寸不變，彈簧絲直徑為0.8mm時，如果要Fmax≥100N，節(jié)距就無法滿足t≈～，因此選用d=1mm的彈簧，取節(jié)距為1.8mm，有效圈數(shù)為8圈，第一系列彈簧的彈簧中徑為4mm，則根據(jù)公式（1）可得新設計刀盒夾緊彈簧的彈簧剛度，如公式（5）所示。

端部不并緊，磨平的彈簧形式一般用于彈簧絲dgt;8mm。當d≤8mm時，應選用端部并緊，磨平，支撐圈數(shù)為1圈的彈簧[4]。此時，彈簧總?cè)?shù)為n1=n+2=10圈。壓并高度為Hb=（n+1.5）d=（8+15）×1=9.5mm，彈簧壓縮量為x=H0-Hb=15-9.5=5.5mm（H0為彈簧自由高度）。

根據(jù)公式（3）計算新設計的彈簧軸向彈力，即Fmax=P'x=19. 165×5.5=105.408N。

根據(jù)公式（4）可得改進后的切刀所受壓緊力，即F0=n0Fmaxsinα=3×105.408×sin33=172.228N。單個彈簧壓緊力為57.41N。刀盒加緊彈簧改進前、后彈簧的參數(shù)見表3。

改進后對刀盤再一次進行壓力測試，見表4。

改進切刀壓緊裝置結(jié)構和刀盒夾緊彈簧后，使用3年以上的刀盤壓入切刀所需壓力為50N以上，刀盤工作時不會出現(xiàn)縮刀現(xiàn)象，表明本文設計合理。

3改進效果

3.1穩(wěn)定性驗算

濾棒切割系統(tǒng)刀盤具有精密度高、自身重、造價高昂且不易拆裝等特點，因此，刀盒夾緊彈簧必須經(jīng)過穩(wěn)定性驗算和疲勞強度驗算[5]，以減少刀盤的維保次數(shù)，并延長刀盤壽命。

彈簧不穩(wěn)定系數(shù)與細長比的關系圖如圖3所示。

彈簧細長比為彈簧自由高度與彈簧中徑的比值，即b===3.75gt;3.7，需要進行穩(wěn)定性驗算且滿足公式（6）。

Pe=CbP'H0gt;Pn（6）式中：Pe為穩(wěn)定性臨界負荷；Pn為最大工作負荷。

刀盤夾緊彈簧一端固定，一端回轉(zhuǎn)，不穩(wěn)定系數(shù)值Cb根據(jù)圖3可取值0.7，代入公式（7）～公式（9），可得C=4，κ=1.40，Pe=201.23，Pn=33.03，Pegt;Pn，彈簧穩(wěn)定性可以保證。

式中：[τp]為彈簧許用切應力；κ為曲度系數(shù)；C為旋繞比。

3.2疲勞強度驗算

當彈簧受變負荷作用次數(shù)gt;103時，應進行疲勞強度驗算，如公式（10）所示。

式中：[s]為許用安全系數(shù)；τmax為最大工作負荷產(chǎn)生的最大切應力；τmin為最小工作負荷產(chǎn)生的最小切應力；τ0為彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞強度。

需要先算出τ0、τmin和τmax的值，以此計算出該彈簧的安全系數(shù)。當彈簧安全系數(shù)大于等于許用安全系數(shù)時，該彈簧的疲勞強度合格。當彈簧設計計算與材料試驗數(shù)據(jù)準確性高時，許用安全系數(shù)[s]=1.3～1.7。

3.2.1計算τ0值

人機界面設置濾條切割3500次進行一次進刀，ZL26纖維濾棒成型機組的額定生產(chǎn)能力為6000支濾棒/min，則1min需要進刀60/35次刀。根據(jù)使用經(jīng)驗，當ZL26型纖維濾棒成型機組一天工作16h、一年工作300d時，刀盤使用壽命為3～6年，預計彈簧所受變負荷作用次數(shù)為104～105。

彈簧材料的脈動循環(huán)剪切疲勞強度與變載荷作用次數(shù)的關系見表5，根據(jù)下表可選取τ0=0.45σb，其中σb為抗拉強度。

3.2.2計算τmin值

彈簧所受變負荷作用次數(shù)為104～105時，采用Ⅱ類彈簧，則有公式（11）。

τj≤1.25[τp]（11）式中：τj為極限工作負荷產(chǎn)生的極限切應力。

Ⅱ類彈簧許用切應力τp=0.4σb，帶入公式（10）可得τj≤0.5σb，取最大值τj=0.5σb，代入公式（12）～公式（14），可得。

式中：P1為最小工作負荷；Pj為工作極限負荷；τj為極限工作負荷所產(chǎn)生的極限切應力。

3.2.3計算τmax值τmax值如公式（15）所示。

根據(jù)公式（7）和公式（15）可得τmax=[τp]=0.4σb：

將τ0、τmin和τmax的值代入公式（10）綜合計算可得新設計彈簧疲勞強度s=1.438～1.594≥[s]，滿足彈簧疲勞強度驗算，該彈簧可以作為新的刀盒夾緊彈簧使用。

4結(jié)論

本文對刀盤壓輥進行了改進，增大了切刀壓緊角度，增加了彈簧數(shù)量。通過3組對照試驗，分別測算了原機構刀盤、結(jié)構改進后的刀盤、零件改進后的刀盤拉出不同使用年限的切刀時所需要的力量，有效地證明了壓輥結(jié)構和零件的改進對解決刀盤縮刀問題的作用，并進行了穩(wěn)定性驗算與疲勞強度驗算，確保該問題得到徹底解決。

參考文獻

[1]劉可金.ZL26濾棒成型機喇叭嘴及切刀調(diào)校工裝：201920222324.8[P].2020-01-17.

[2]劉輝. 一種ZL26濾棒成型機刀盤角度快速調(diào)節(jié)裝置：202320977814.5[P].2023-11-07.

[3]成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[4]秦大同. 謝里陽. 現(xiàn)代機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[5]馬保振. 機械基礎知識[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005.