李強(qiáng)，楊先威，高亮，李鵬飛，楊娜，王浩

(1. 湖北中煙工業(yè)責(zé)任有限公司，湖北 武漢 430040；2. 湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430056；3. 重組煙葉應(yīng)用技術(shù)研究湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4. 中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引言

隨著新型煙草的發(fā)展，各煙廠對(duì)煙草制品的要求越來越高。在煙草生產(chǎn)加工中，煙絲制作工藝較為成熟，其中影響薄片和煙絲產(chǎn)品質(zhì)量的因素有多方面，包括切絲機(jī)刀組的剪切方式、刀具磨損情況等。不同剪切方式和刀具磨損狀況對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有很大影響。傳統(tǒng)切絲機(jī)在切絲過程中，切絲刀片很容易磨損和黏附煙垢，刀片刃口變鈍，易造成煙絲并絲和連絲等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響切絲質(zhì)量。此外傳統(tǒng)切絲機(jī)能耗高、工序繁瑣；刀具更換頻繁，切絲成本高。因此，需要開發(fā)磨刀裝置對(duì)刀片的刃口及時(shí)地進(jìn)行磨礪修復(fù)，以保證切絲質(zhì)量滿足新型煙草制絲要求。

當(dāng)前國內(nèi)專家針對(duì)煙草行業(yè)切絲機(jī)設(shè)備及工藝研究較多，但針對(duì)傳統(tǒng)切絲工藝中刀具磨損等問題的深入研究還比較缺乏。楊光露等對(duì)SQ3X型切絲機(jī)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了銅排鏈自動(dòng)拆裝設(shè)備[1]；劉廣洲、劉志翎等對(duì)切絲機(jī)刀具進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了滾刀式切絲機(jī)切削角度對(duì)切絲的影響規(guī)律[2-3]；而在切絲機(jī)磨刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，邵偉等針對(duì)SQ3X型切梗絲機(jī)砂輪磨削區(qū)域增溫減黏裝置進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]；李忠壽等對(duì)切絲機(jī)新型磨刀裝置進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)與研制[5]；楊德來等對(duì)我國薄片生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)分析并提出了改進(jìn)方向[6]；楊曉春對(duì)切絲機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)KTC切絲機(jī)液壓系統(tǒng)提出改造升級(jí)方案[7]；在對(duì)切絲刀輥進(jìn)一步研究后，陳貴吉等提出QG-1型切絲機(jī)砂輪傳動(dòng)部分的改進(jìn)措施[8]。大多專家都是研究切絲機(jī)工藝和切絲機(jī)基本功能，而忽略了切絲刀輥磨損后影響切絲質(zhì)量等問題。郭飚等針對(duì)這一問題，提出了一種滾刀式切絲機(jī)切削力及切削功率的計(jì)算方法[9]；周玉生等針對(duì)滾刀式切絲機(jī)上排鏈運(yùn)動(dòng)對(duì)切絲寬度穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析[10]。

以上研究多數(shù)都是研究切絲機(jī)工藝和切絲機(jī)基本功能，而忽略了切絲刀輥磨損后影響切絲質(zhì)量等問題。李忠壽等針對(duì)這一問題，提出了煙草切絲機(jī)磨刀裝置及其改進(jìn)設(shè)計(jì)[11]。本文針對(duì)切絲刀輥磨損修復(fù)問題，提出了一種新型磨刀系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行可靠性進(jìn)行了分析研究?；趥鹘y(tǒng)切絲機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)一套磨刀裝置，通過三維建模和磨刀工況的動(dòng)力學(xué)仿真，重點(diǎn)分析磨刀砂輪與刀輥接觸角度的不同對(duì)磨刀穩(wěn)定性的影響，可為磨刀裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論參考。

1 切絲機(jī)與磨刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 切絲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證新型切絲機(jī)滿足工藝要求，本文基于傳統(tǒng)切絲機(jī)設(shè)備及切絲工藝，進(jìn)行了切絲機(jī)工藝的改進(jìn)。傳統(tǒng)切絲機(jī)一組刀輥的幅寬是90mm，一套切絲機(jī)的縱切絲刀具由多組刀輥組合拼接。可根據(jù)制絲生產(chǎn)線的產(chǎn)量和工藝要求，調(diào)整切絲機(jī)切絲幅寬。本文以50kg制絲生產(chǎn)線切絲機(jī)為例，幅寬為450mm。但考慮到傳統(tǒng)切絲機(jī)在刀具磨損后更新頻繁，一定程度上增加了制絲成本，故本文提出一種新型切絲工藝，改變切絲刀輥幅寬，每組刀輥幅寬設(shè)計(jì)為30mm，避免了傳統(tǒng)切絲刀輥因某一刀齒受損而需要更換一個(gè)刀輥的問題，節(jié)約了刀具成本。

1) 傳統(tǒng)切絲機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為傳統(tǒng)切絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

1—縱切刀組；2—橫切刀組；3—減速電機(jī)；4—電機(jī)鏈輪；5—減速電機(jī)；6—鏈條。

2)新型切絲機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2所示新型煙草薄片切絲機(jī)結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、縱、橫切刀減速電機(jī)、橫切刀組、縱切刀組、磨刀裝置、接料盒、護(hù)罩和門框。圖3所示磨刀裝置組件包括直流電機(jī)、砂輪組件、絲杠導(dǎo)軌、手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)和磨削量檢測裝置。該切絲機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可對(duì)煙草進(jìn)行切絲，保證切絲寬度在0.5～1mm，在切絲刀輥磨損的同時(shí)對(duì)刀輥進(jìn)行離線磨刀，磨削量在0.1～0.5mm之間，保證了刀輥的使用壽命，提高切絲機(jī)的切絲效率。

通過研究與實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的切絲機(jī)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)有切絲方式的特征以及縱切刀刀組在運(yùn)行過程中刀面刃口磨損影響切絲后煙絲的并絲率和連絲率，研發(fā)的新型帶磨刀裝置切絲機(jī)可完成切絲功能和磨刀功能，分別有如下特點(diǎn)。

1)切絲機(jī)可完成切絲功能，切絲流量為50kg/h。切絲機(jī)由縱切刀組、橫切刀組、減速電機(jī)、電機(jī)鏈輪、鏈條等組成，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)啟動(dòng)橫切刀組和縱切刀組，煙葉經(jīng)過縱切刀組完成切絲步驟，經(jīng)過切絲后的煙絲通過橫切刀組完成斷絲步驟。其中縱切刀組由兩副刀輥組組成，每組刀輥組由15個(gè)刀輥軸向組合成一副長450mm的刀輥組，刀輥采用T8工具鋼，切絲寬度為1mm。圖4所示縱切刀組，兩副刀輥組通過齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，其中一副刀輥組連接鏈輪和減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成動(dòng)力輸出。煙草薄片完成切絲步驟后，由圖5所示橫切刀組完成煙絲斷絲工藝步驟。橫切刀組由螺旋刀和定刀組成，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)啟動(dòng)螺旋刀，使得煙絲在螺旋刀和定刀的作用下完成斷絲步驟，經(jīng)過縱切刀組切絲和橫切刀組斷絲后的煙絲通過下料板收集進(jìn)入下一道工序。

1—縱切刀組；2—磨刀裝置；3—橫切刀組；4—縱切刀減速電機(jī)；5—切絲機(jī)機(jī)架；6—橫切刀電機(jī)鏈輪。

1—砂輪；2—直流電機(jī)；3—精密手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)；4—平臺(tái)固定板；5—滾珠絲杠導(dǎo)軌。

圖4 縱切刀組

圖5 橫切刀組

在線磨刀裝置組件(圖3)對(duì)縱切刀組進(jìn)行磨刀，該磨刀裝置由滾珠絲杠。驅(qū)動(dòng)帶有直流電機(jī)、B12夾頭、砂輪組件的精密手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。其中：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，直流電機(jī)與砂輪組件通過B12夾頭固定連接，且直流電機(jī)通過電機(jī)固定架固定在精密手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上，精密手動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)完成砂輪與縱切刀刀組之間的x方向進(jìn)給與對(duì)刀動(dòng)作；然后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與縱切刀刀組使得砂輪組件在滾珠絲杠導(dǎo)軌的作用下對(duì)縱切刀刀組進(jìn)行y軸向磨刀。滾珠絲杠導(dǎo)軌帶限位裝置，砂輪移動(dòng)到一定位置自動(dòng)限停，達(dá)到在線磨刀效果，以期提高煙絲的并絲率與連絲率，并有效延長了切絲刀組的使用壽命，在降低了切絲成本的同時(shí)保證切絲質(zhì)量。

2)對(duì)比原有切絲機(jī)，新型切絲機(jī)縱切刀調(diào)節(jié)裝置采用滑動(dòng)軸承結(jié)合螺桿手動(dòng)在線調(diào)節(jié)刀組之間的間隙，利用在線磨刀裝置進(jìn)行磨刀，這不僅進(jìn)一步滿足新型煙草切絲率的新工藝要求，提高煙草切絲質(zhì)量穩(wěn)定性，而且設(shè)備操作簡單、成本低。

3)磨刀組件在對(duì)縱切刀刀組的一組刀輥完成一個(gè)磨刀動(dòng)作周期后，通過縱切刀組軸承座上的定位螺釘，對(duì)縱切刀刀組的另一組刀輥進(jìn)行磨刀,節(jié)約磨刀組件成本。

1.2 磨刀裝置受力穩(wěn)定性分析

由前面對(duì)新型切絲機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知，磨刀裝置進(jìn)行磨刀作業(yè)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與刀輥接觸的一瞬間，會(huì)發(fā)生碰撞抖動(dòng)現(xiàn)象，這必然對(duì)磨刀作業(yè)造成影響。情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致刀輥磨削不均勻，凹凸不齊，進(jìn)而影響刀具切絲精度和質(zhì)量。所以砂輪進(jìn)行磨刀作業(yè)時(shí)，與刀輥接觸點(diǎn)的選取至關(guān)重要。不同角度的接觸受力點(diǎn)，導(dǎo)致接觸時(shí)的碰撞力與摩擦力方向不同，結(jié)合砂輪與刀具的固定點(diǎn)位置，計(jì)算分析可以得到不同的彎矩，導(dǎo)致磨刀裝置的抖動(dòng)程度也有差異。此處對(duì)磨刀裝置的工況進(jìn)行受力分析，為找到最佳接觸點(diǎn)位置，分別選取具有代表性的三處位置(圖6)，與水平方向成30°、45°和60°進(jìn)行分析。

圖6 不同角度工況下磨刀裝置示意圖

根據(jù)磨刀裝置與刀輥接觸不同位置的受力分析，初步可得到分力F1和F2與合力F合之間的關(guān)系，此處不再展開分析。

2 磨刀受力擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 磨刀砂輪轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度分析

因?qū)δサ堆b置分析時(shí)需要考慮砂輪轉(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)受到摩擦碰撞力，極可能導(dǎo)致砂輪轉(zhuǎn)軸發(fā)生變形，進(jìn)而影響磨刀質(zhì)量。為驗(yàn)證砂輪轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度是否滿足工況要求，這里對(duì)砂輪轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析，如圖7所示。

圖7 磨刀砂輪與轉(zhuǎn)軸受力分析圖

從仿真結(jié)果可知，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min時(shí)，磨刀裝置進(jìn)行磨刀作業(yè)的轉(zhuǎn)軸變形量為9.958×10-8mm,可忽略不計(jì)，故可排除轉(zhuǎn)軸因變形而影響磨刀效果的情況。

2.2 磨刀角度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的仿真分析

磨刀裝置工作時(shí)，砂輪與刀輥接觸，會(huì)產(chǎn)生摩擦力與反作用碰撞力，導(dǎo)致磨刀裝置抖動(dòng)，進(jìn)而影響磨刀穩(wěn)定性和磨刀質(zhì)量，本文為了研究方便，特將其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化建模，并模擬具體工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。由于砂輪與刀輥之間的空間接觸角度不同，碰撞力也會(huì)不同，砂輪因?yàn)榕鲎擦?huì)有輕微抖動(dòng)，致使接觸力不規(guī)則變化，加劇砂輪抖動(dòng)，最終影響磨刀效果。本文為了探究砂輪與刀輥的接觸角度對(duì)磨刀工況穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)影響，運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)切絲機(jī)及其磨刀裝置進(jìn)行三維建模，搭建一個(gè)磨刀工作平臺(tái)，并運(yùn)用Solidworks軟件的Motion插件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。為了準(zhǔn)確反映出磨刀工況中砂輪與刀輥間的接觸力，對(duì)磨刀裝置砂輪添加不同角度的干擾力代替現(xiàn)實(shí)工況下的碰撞力，分析砂輪中心在不同角度干擾力下線性加速度的擾動(dòng)情況。

為探究砂輪與刀輥不同角度接觸力對(duì)穩(wěn)定性影響，本文選取了三組角度：30°、45°、60°分別進(jìn)行建模和動(dòng)力學(xué)仿真。接觸力依據(jù)具體工況模擬大小為100N+20sin(πt)N的正弦波干擾力，碰撞力波動(dòng)范圍控制在20N以內(nèi)，仿真時(shí)間設(shè)定為0～8s。仿真分析結(jié)果如圖8-圖10所示。

圖8 30°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

圖9 45°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

圖10 60°正弦波干擾力下砂輪線性加速度分析

通過對(duì)砂輪與切絲輥接觸點(diǎn)水平角度30°情況下的動(dòng)態(tài)仿真，從圖8可以很清晰地反映磨刀砂輪進(jìn)行磨刀作業(yè)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由砂輪線質(zhì)心性加速度曲線可知，砂輪初始啟動(dòng)0～0.5s下抖振明顯，隨后趨于平緩；當(dāng)磨刀裝置移動(dòng)到另一側(cè)達(dá)最大距離處3～4.5s后反向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)抖振最劇烈；當(dāng)磨刀裝置運(yùn)動(dòng)到初始位置時(shí)抖振又非常明顯，可初步得到砂輪工作穩(wěn)定性最差的時(shí)刻為磨刀裝置水平y(tǒng)方向移動(dòng)速度改變明顯的時(shí)刻。在砂輪一個(gè)往返運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，砂輪運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間的增加，其穩(wěn)定性先減小后增大，然后再減小再增大。抖振最嚴(yán)重的時(shí)刻為y方向速度和方向均改變的時(shí)刻，達(dá)到1033mm/s2。因?yàn)閥方向速度改變的同時(shí)受到x方向的干擾力，導(dǎo)致砂輪抖振明顯，極大地降低了磨刀質(zhì)量。

通過對(duì)砂輪與切絲輥接觸點(diǎn)水平角度45°情況下的動(dòng)態(tài)仿真，從圖9可得到，砂輪作業(yè)抖振規(guī)律同30°情況下一樣，但各時(shí)刻的抖振程度有明顯區(qū)別，其在速度改變和方向改變時(shí)刻的抖振程度比30°時(shí)小，砂輪磨刀作業(yè)工況穩(wěn)定性更好，砂輪磨刀質(zhì)量較高。

圖10為砂輪與切絲輥接觸點(diǎn)水平角度60°情況下的動(dòng)態(tài)仿真，分析得到砂輪運(yùn)動(dòng)抖振規(guī)律依然與30°和45°情況一致。但各時(shí)刻的抖振程度有明顯區(qū)別，其在速度改變和方向改變時(shí)刻的抖振程度比45°大，砂輪磨刀作業(yè)工況穩(wěn)定性較差，砂輪磨刀質(zhì)量降低。

3 結(jié)語

本文從切絲機(jī)磨刀裝置在磨刀過程中受碰撞力影響的動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行分析，重點(diǎn)探索磨刀角度對(duì)磨刀裝置穩(wěn)定性的影響規(guī)律，仿真研究表明：

1)經(jīng)過初步分析，當(dāng)磨刀系統(tǒng)裝配的電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000r/min時(shí)，砂輪轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度經(jīng)過應(yīng)力分析，其受力變形很小，幾乎可忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)磨刀作業(yè)產(chǎn)生影響，保證了磨刀效果達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)；

2)經(jīng)過對(duì)不同接觸角度下，砂輪磨刀工況的動(dòng)態(tài)仿真可知，砂輪運(yùn)動(dòng)抖振情況具有一定的規(guī)律，磨刀裝置在y方向速度改變和方向改變時(shí)刻，其抖振明顯，當(dāng)速度趨于平穩(wěn)時(shí)刻，磨刀裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較平穩(wěn)；

3)采用控制變量法分析可知，在保證磨刀碰撞力一定時(shí)，改變砂輪與切絲棍接觸角度，由砂輪質(zhì)心在磨刀運(yùn)行時(shí)的線性加速度變化曲線得到磨刀系統(tǒng)抖振的變化規(guī)律，接觸角度由30°、45°～60°逐漸增大時(shí)，砂輪抖振整體情況呈先減小后增大的趨勢。在45°時(shí)，砂輪穩(wěn)定性相對(duì)較好，磨刀狀態(tài)達(dá)到最佳。