（机械工程专业论文）剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计.pdf

工程硕十学位论文 摘要 水松纸切割是卷烟机上的一道非常关键的工艺，水松纸切割装置的优劣直接 影响机器运行的稳定和可靠性，同时也关系到卷烟质量、原辅材料消耗和使用成 本。目前水送纸切割技术主要包括滚切式与剪切式两种。 本文通过实验手段比较了剪切式与滚切式两种水松纸切割装置的优劣，参照 国内外先进技术及类似结构，集成创新，设计了一套剪切式切纸装置，并且用实 验的手段测量相关数据，运用机械原理及空间解析几何方面知识进行理论方面的 分析研究，然后运用计算机辅助设计方法，在p r o e n g i n e e r 环境下建立相关三维 模型，运用软件的功能进行了优化设计。 对现有滚切式切纸系统进行实验研究，通过实验所得的一系列数据，结合烟 厂调研数据，分析了影响机器噪声及刀片寿命的主要因素，并且得出一些具体的 数据，从而证明了对机构进行改进的必要性。进行了剪切式切纸装置的试验研究， 通过实验所得的一系列数据，结合烟厂调研数据，对比分析了剪切式与滚切式切 纸机构的优劣。得出剪切式全面优于刃切式切纸机构的结论。运用机械原理的理 论分析剪切式切纸装置工作原理，采用解析法推导了滚刀各几何参数的计算公式， 奠定剪切式设计理论基础。本文重点探讨了广义优化设计的理论并以此为基础， 结合虚拟装配技术，以p r o e n g i n e e r 作为优化设计平台，详细介绍了对剪切式机 构进行优化设计的过程。 本文是国内首次运用理论与实验相结合方法对水松纸切割技术进行全面、系 统研究的一种探索。该研究成果跟踪了世界先进技术，达到2 0 世纪9 0 年代末的国 际先进水平，缩小了和国际先进水平的差距。 本文设计的剪切式切纸装置将减少了同类型机组的进口，并可在将来参与国 际竞争，打破了国外企业对同类产品的垄断，为行业各烟厂减少了固定资产投资 费用和机器维护费用，并能使国内用户在备件供应、改造、大修等多方面得到更 及时的技术支持和服务，具有较高的实用价值及市场前景。同时本文对优化理论 方面的研究及实践也将为今后自主开发新一代的高速、超高速水送纸切割系统打 下了良好的基础。 关键词：剪切式切纸轮；优化设计；解析法；虚拟装配 i i 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 a b s t r a c t w a t e r p a p e rc u t t i n gi sac r i t i c a lt e c h n o l o g yi nt o b a c c om a c h i n e r y t h eq u a l i t yo f t h ed e v i c eb o t hh a sad i r e c ti m p a c to nt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h em a c h i n e ，a n d t h es a m et i m e s ，i ti sr e l a t e dt ot h eq u a l i t yo fc i g a r e t t ea n d c o s to ft h er a wm a t e r i a l a t p r e s e n t t h et e c h n o l o g yo ft i p p i n g c u t t e ru n i ti n c l u d e sr o l l e r - c u t t i n g a n ds h e a r - c u t t i n g t h em a i nc o n t e n to ft h i sr e s e a r c hi s ：t oc o m p a r et h ep r o sa n dc o n so ft h i st w o t e c h n o l o g i e st h r o u g he x p e r i m e n t s ；t o c r e a t i v e l yd e s i g n at i p p i n gc u t t e ru n i tf o r s h e a r - c u t t i n go nt h eb a s i so ft h ed o m e s t i c a n df o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d s i m i l a rs t r u c t u r e s ；t ou s et h ee x p e r i m e n t a lm e a n st o m e a s u r et h er e l e v a n td a t a ；t o m a k eat h e o r e t i c a la n a l y s i sb yu s i n gt h ek n o w l e d g eo fm a c h i n e r yp r i n c i p l ea l l ds p a c e a n a l y t i cg e o m e t r y ；t ob u i l d r e l e v a n t3 - dm o d e lb yu s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e t h i ss u b i e c ta d o p t st h em e t h o d so fe x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s p a r to n eo ft h ee x p e r i m e n ti st o s t u d yt h ep r e s e n tt i p p i n gc u t t e r u n i tf o r r 0 1 1 e r c u t t i n g ，t h e na n a l y s et h em a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gm a c h i n en o i s e a n db i t l i f e s p a nt h r o u g has e r i e so fd a t af r o mt h ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c ho ft h ec i g a r e t t e f a c t o r y ，f i n a l l yg e tt h ec o n c r e t ed a t at h a tc a np r o v et h en e c e s s i t yo f t h ei m p r o v e m e n t o ft h em a c h i n e p a r tt w oo ft h ee x p e r i m e n ti sa ne x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h er i p p i n g c u t t e ru n i tf o rs h e a r c u t t i n g ，w h i c hc o m p a r a b i l i t ya n a l y z e st h e p r o sa n dc o n so f t i p p i n gc u t t e ru n i tf o rs h e a r c u t t i n ga n dr o l l e r - c u t t i n g ，a n df i n a l l yg e t st h e c o n c l u s l o n t h a tt h ef o r m e ro n ei sb e t t e rt h a nt h el a t t e ri nn e a r l ya l la s p e c t s a st ot h et h e o r e t l c a l a n a l y s i s t h ea u t h o ra n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h et i p p i n g c u t t e ru n i tf o r s h e a r - c u t t i n gt h r o u g hm a c h i n e r yp r i n c i p l e ；d e d u c e ds e v e r a lc a l c u l a t ef o r m u l a so f t h e h o b w h i c hf o r m e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so f t h ec u td e s i g n t h i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e st h et h e o r yo ft h eo p t i m i z i n gd e s i g ni n b r o a ds e n s ea n dg i v e sad e t a i l e d i n t r o d u c t i o no ft h ep r o c e s s o fo p t i m i z i n gd e s i g n o f t i p p i n g c u t t e ru n i tf o r s h e a r c u t t i n g t h i st h e s i si st h ef i r s to n et os t u d yt o t a l l ya n ds y s t e m a t i c a l l yo i lt h et e c h n o l o g y o ft i p p i n gc u t t e rt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n t s t h er e s e a r c h r e s u i tf o i l o w e d t h ew o r l da d v a n c e dt e c h n o l o g y a n dr e a c h e dt h e a d v a n e e d i n t e r n a t i o n a ll e v e lo ft h el a t e 19 9 0 sa n dd e c r e a s e dt h eg a pb e t w e e nl e v e lo t o u r c o u n t r ya n dt h ew o r l d t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i st e c h n o l o g yr e d u c e dt h ei m p o r t o ft h es i m i l a rm a c h i n ea n dc a nh o p e f u l l ye n t e ri n t ot h ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o ns o a s i i i t o b r e a kt h em 。n o p 0 1 yo ft h ef o r e i g nc o m p a n i e si n t h i sl i n e t h i sw i l lf i n a l l yr e d u c e t h ef i x e di n v e s t m e n t sc o s ta n dm a c h i n e m a i n t a n a n c ec o s to f t h ec i g a r e t t ec o m p a n y a n dg i v et h ed o m e s t i cc l i e n t sp r o m p tt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t a n ds e r v l c eo n h ea s p c t o fs u p p l ya t t a c h m e n t ，r e f o r ma n dh e a v yr e p a i r t h i s r e s e a r c hh a se x t r e m e l yh ：g h p r a c t i c a lv a l u ea n dm a r k e t p l a c ep r o s p e c t t h es t u d y a n dp r a c t i c eo ft h eo p t l m l z l n g t h e o r yw i l li n e v i t a b l l yb u i l daf i n e b a s i so ft h ef u t u r ed e s i g no fan e wg e n e r a t l o n h i g n - p e e d ，u l t r ah i g h s p e e dt i p p i n g c u t t e ru n i t k e y w 。r d s = c u t t i n gd r u m ；o p t i m i z e d d e s i g n ；a n a l y t i c s ；v i r t u a la s s e m b l y i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王磊 日期：彦年1 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 王磊， 赫 日期：汐吕年，7 月e t 日期：口净夕月铲日 t 程硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本学位论文课题来源于常德烟草机械有限责任公司与湖南大学所签订的合作 开发项目“剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计”。 1 2 切纸技术在烟草机械中的应用 水松纸切割是滤嘴接装机上的一道非常关键的工艺，水松纸切割装置的优劣 直接影响机器运行的稳定和可靠性，同时也关系到产品质量、原辅材料消耗和使 用成本。 目前，几乎所有的接装机都采用了传统的滚切方式，即利用一个多刃的圆柱 体的滚刀和一个圆柱体的切纸轮相对同步旋转，将纸分切为一片片的包头纸片。 值得注意的是，这种方式在切割点处刀刃和切纸轮表面会产生干涉性接触( 即切纸 轮和滚刀的中心距小于两者的半径之和) ，正是这样的接触所产生的压力将纸切 断，但同时又产生了刀刃和切纸轮的磨损，在非常高的接触频率下，它们的使用 寿命可想而知是不会太长地，更为严重的是，切割时产生的压力会造成影响到整 个切割装置，甚至整个机器。事实证明，切割装置的运动件极易损坏，更为可怕 的是，其基础件( 座、箱体) 也会因磨损造成精度下降，也许这个过程相对较缓慢 而不为人所感知，但有一个现象可以证明这个事实，当一台新机器投入使用时， 切刀可以使用相对较长的时间( 2 0 天左右) ，但运行一段时间后，其使用寿命会大 大下降( 7 天或更短) ，即使更换一些被认为可能影响的零件后也不能改善。 我国卷烟厂大量装备的p r o t o s 7 0 卷接机组被公认为是一种综合性能很好的 机组，但其仍采用了滚切方式( 这可能是受当时技术水平的局限) ，在使用中其不 可避免地存在上述问题，除了较频繁更换切刀外，切纸轮和一些相关零件也属于 易损更换件，而操作、维修人员还要花大量的时间和精力去维修、调整和保养该 系统，但对整个系统因精度降低带来的问题可能就难以恢复，如此必将影响整个 机组的运行率和稳定性，同时也会增加消耗和影响产品质量，这对整个机组的性 能形成了一定的瓶颈效应，制约了机组可能发挥的最好效率。 继g d 公司在其g d l 2 1 机组上成功地应用了水松纸剪切方式后，h a u n i 公司在 其p r o t o s 2 机组也采用了类似装置，在高速机上成功地突破了该系统的瓶颈，保 证了整个机组的稳定可靠运行，其使用寿命可达到一年左右而无须更换任何零件 和过多的调整和维护。 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 1 3 剪切式切纸技术 剪切式切纸轮是当前最先进的水松纸分切方式，主要由带有一定锥度的刀辊 和带有分切刃口的切纸轮组成。在生产过程中，切纸刀刃口和切纸轮刃口之间形 成“剪刀”而将水松纸切断。这种水松纸分切无冲击和震动，机组噪音减少，刀与 轮体使用寿命延长，而且操作维护简便。 烟草机械剪切式切纸技术起源于欧洲，德国h a u n i 公司与意大利g d 公司分 别推出了他们的剪切式装置，并且随着其设备进入中国市场，因其显著的技术优 势迅速为国内大部分烟草加工企业所采用。国内烟草机械加工企业在参照国外先 进技术的基础上，也推出了几种不同的剪切式切纸装置，但是与以上两公司的产 品相比在技术性能上还存在一定差距。主要体现在刀与轮体使用寿命比国外同类 装置低，容易出现意外打刀的现象。 1 4 课题研究的意义与目的 p r o t o s 系列机组是德国h a u n i 公司生产的高速卷接机组，由于其良好、稳 定的性能及完备的控制功能而成为卷烟行业的主流机组之一。据不完全统计，国 内市场保有量10 0 0 多台套，由此可见，该机组具有其他机组无可替代的重要地位。 但在具体使用过程中，发现该机组尚有不尽完善之处，尤其是近几年新机组的不 断涌入，使其尚存缺陷愈发突出与明显。例如：烟厂技术人员就对水松纸切割鼓 的维护与使用提出了质疑，普遍反映原设计在使用过程中存在如下问题： 1 、由于设计思路上的问题，其完成水松纸切割主要由切、拉两个动作综合完 成，这样不仅对切纸刀的位置提出了很高的要求，而且对维护要求较高。维护时 间长。 2 、使用中由于加工及调整精度不够，经常出现水松纸毛边现象，严重影响到 成品烟支质量。 3 、刀片及水松纸切割鼓较易磨损，使用寿命短，需要定期停机进行更换，不 仅增加了备件消耗，而且增加了维修压力，还是影响生产产量提高和制约设备有 效作业率的主要因素之一。 4 、由于原工作方式采用的是滚切式的方法，并且有一定过盈要求，所以传动 过程中的冲击在所难免，不仅影响工作性能，噪音增加，增加了工人的劳动强度， 还是该整件工作寿命短、不能长期稳定工作，影响整机性能的主要根源。 德国h a u n i 公司也早已认识到该部分设计改进的必要性，并在其新一代高速 卷烟机组中采用了有别于以往的工作方式剪切式切纸；此外还应用户的要求， 对个别的p r o t o s 7 0 机组进行了改造，改进后的系统完全克服了原机水松纸切割 组件所暴露的缺陷，性能稳定可靠，受到用户的认可。但是其改造所需的1 2 0 万人 丁程硕十学位论文 民币的不菲花费却使用户望而却步。 研究出与国外同类装置技术水平相当，成本更低的剪切式切纸机构不仅能帮 助卷烟行业提高设备性能、降低费用支出，同时也是常德烟机公司紧紧围绕“做优、 做精、做强”的企业战略目标，不断增强市场竞争能力和企业综合实力，为国内外 客户提供更优质的产品和更满意服务的具体体现。 为此，本课题研究的主要目的，就是通过实验手段比较剪切式与滚切式两种 水松纸切割装置的优劣，参照国内外先进技术及类似结构，集成创新，设计一套 剪切式切纸装置，并且用实验的手段测量相关数据，运用机械原理的知识作理论 方面的分析研究。然后通过运用计算机辅助设计方法，在p r o e n g i n e e r 环境下 建立相关三维模型，充分运用软件的分析功能优化设计。最后再通过实验的手段 验证设计的效果，确保剪切式切纸装置达到国外同类装置技术水平。 1 5 论文研究内容与结构 本论文将通过对比试验的方法取得第一手的数据，运用计算机辅助设计等知 识，结合机械原理理论，参照国内外先进技术及类似结构，集成创新，设计一套 剪切式切纸装置。论文结构如下： 第一章：绪论。在分析目前国内外水松纸切割装置技术水平概况的前提下， 提出本文的研究目的。 第二章：滚切式切纸机构试验研究。通过对滚切式结构的分析，结合工业现 场试验数据，研究分析了滚切式切纸装置的技术特点并找出了关键参数。 第三章：剪切式切纸技术研究。运用机械原理的理论，分析建立剪切式切纸 装置的物理模型，并在此基础上进行详细分析。 第四章：剪切式切纸机构设计及试验研究。详细说明剪切式切纸机构的组成 部分，分析其功能。通过对滚切式结构的分析，结合工业现场试验数据，研究分 析剪切式切纸装置的技术特点并找出关键参数。 第五章：剪切式切纸机构优化设计。运用p r o e n g i n e e r 建立模型，模拟分 析其关键参数对机构的影响，修正优化相关参数。 结论；对全文研究工作进行总结。 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 第2 章滚切式切纸机构试验研究 本章介绍了滚切式切纸机构的结构特点，通过工业现场的试验，研究滚切式 切纸机构的刀片磨损情况、由于刀片与轮体的直接的撞击对相关零件精度的影响。 同时对机构的噪声进行测试【1 1 。 2 1 滚切式切纸机构 如图2 1 所示，滚切式切纸机构主要由切纸辊( 4 ) 、刀辊( 2 ) 、刷子( 3 ) 等部件组 成。 。| 图2 1 滚切式切纸机构 机构的工作原理是：切纸辊( 4 ) 与刀辊( 2 ) 通过齿轮啮合相对转动，切纸辊( 4 ) 轮体表面通过负压将水松纸吸附，刀辊( 2 ) 安装有切7 3 ( 1 ) ，利用切7 3 ( 1 ) - 与切纸辊( 4 ) 轮体的过盈将水松纸切断。由于存在过盈量的要求，该切纸系统将受到冲击载荷 的影响。 它的主要功能是：已上胶的水松纸在切纸辊( 4 ) 上由刀辊( 2 ) 的切刀( 1 ) 分切。 4 工程硕十学位论文 2 2 滚切式切纸刀片磨损试验研究 2 2 1 试验介绍 设计一套滚切式切纸试验装置，模拟机构实际运行的环境，通过对机构的反 复调整，测量试验装置的切纸轮的圆周跳动、切纸刀的圆周跳动，测试切纸轮与 切纸刀在不同挤压量、不同的旋转速度的情况下切纸刀的工作寿命以及试验装置 的噪声。 2 2 2 试验目的 通过精确调试，测试在正常工作条件下，滚切式切纸刀工作寿命及噪声，并 分析其影响因素。测量试验装置的切纸轮的圆周跳动、切纸刀的圆周跳动，测试 切纸轮与切纸刀在不同挤压量下的情况，分析影响其性能的关键参数。 2 2 3 机构调整 本实验主要的机构调整包括： 2 2 3 1 刀辊的调节 刀辊的调节如图2 2 所示 图2 2 刀辊的调节 式m 轮机构的站杓* 析及优化设h 1 、将千分表a 插入支架( 1 ) 并拧紧。使用手动轮转动机器，直卒切刀( 2 ) 的 一只切刀正好位于与切纸辊( 3 ) 相接触的前部。将千分表调至o 度，即：设其指 示器指针指向“o ”度。 2 、顺时针旋转锁定销( 4 1 ，松开锁定。继续使用手动轮慢慢转动机器，同时 将锁定向上压到刀辊直至锁定销与1 1 只定位销中的只啮合。在这位置锁住销 了。此时刀辊( 1 ) 设在o 度位l ，可以开始调节切刀。 3 、松开防松螺母( 5 ) 并胡节调整螺钉( 6 ) 使得千分表显示的数值在1 2 u r n 与15 u r n 之间。重新拧紧防松螺母。 4 、逆时针转动锁定销并松开锁定。 5 、依次调节其余的切刀。 2232 切纸辊的调节 臼j 纸辊的调节如图23 所示 图23 切纸辊的调节 1 _ 程硕士学位论文 1 、将两只螺钉( 1 ) 和( 2 ) 松开至极限位置。 2 、将4 只螺钉( 3 ) 拆下。 3 、将4 只六角螺母，连同纸压板一起取下。 4 、将2 只螺钉( 5 ) 拧进前盖板( 6 ) 并将其取出。 5 、松开3 只螺钉( 7 ) ，调节切纸辊 2 2 3 3 更换切刀 切刀的更换如图2 4 所示 2543 3 a 图2 4 切刀更换示惹图 1 、将2 只螺钉( 1 ) 和( 2 ) 松开至极限位置。 2 、取下4 只螺钉( 3 ) 3 、将4 只六角螺母连同压纸板一起拆下。 4 、将2 只螺钉( 5 ) 拧进前盖板( 6 ) 并将其取出。 5 、松开4 只螺钉( 8 ) ，将夹具和切刀一起拆下。 6 、拆卸切刀 ( 1 ) 、拆下1 1 只螺钉( 1 ) 。 ( 2 ) 、取下前挡圈( 2 ) 。 ( 3 ) 、取下刀片( 3 ) ，弹簧( 4 ) ，调节柱( 5 ) 及压紧片。 ( 4 ) 、安装切刀按相反顺序进行。 2 2 4 现场机构零件精度测试 经过分析可以得知，影响机构切纸效果的因素主要包括：切纸辊的圆跳动， 切纸刀的圆跳动，切纸刀的刃口耐磨性以及切纸辊与切纸刀的挤压尺寸。 通过反复实验，为确保完成切纸功能，切纸辊与切纸刀之间的应保持有 7 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 o 1 2 0 1 5 m m 的挤压尺寸。挤压尺寸过小则不能顺利完成切纸，挤压尺寸过大刀片 易断裂。 为保证每一把切刀都能满足均匀受力的要求，切纸辊与切纸刀的圆跳动精度 应控制在0 0 1 5 m m 之内。 2 2 5 试验机构噪声测试 以每分钟1 0 0 0 0 支卷烟的生产能力要求，机构需要每分钟提供5 0 0 0 片水松纸， 切纸刀有11 块刀片，因此机构必须以每分钟4 5 5 转的速度才能满足要求。实验中分 别测试机构在3 0 0 转分钟，4 0 0 转分钟以及4 5 5 转分钟三种不同速度运行时的噪 声。 2 2 6 刀片工作寿命测试 由于刀片工作寿命相对比较长，在实验期间仅测试三组数据。基于此原因， 通过市场调研，调查了济南卷烟厂、广州第二卷烟厂两家单位，反馈的切纸刀平 均工作寿命( 速度为3 2 0 转分钟) 分别为1 2 天( 约9 6 h ) 、13 天( 约10 4 h ) 。目前国内烟厂 主要采用的p r o t 0 7 0 卷烟机，生产能力为7 0 0 0 支分钟，而国外主流卷烟机生产能力 已达到16 0 0 0 支分钟，国内卷烟机最快速度也已达到10 0 0 0 支分钟。因此，在更 高速的工况下，刀片的工作寿命会显著降低。 2 2 7 试验结论 2 2 7 1 试验数据 表2 1 试验数据 2 2 7 2 试验结论 根据试验所得数据分析可知，切纸辊与切纸刀的挤压量是影响机器噪声及工 8 t 程硕士学位论文 作寿命的主要因素，而切纸辊的转速也对机器噪声及刀片工作寿命产生直接的影 响。而要保证机构实现切纸的正常功能，必须保持一定的挤压量，为保证挤压均 匀，就必须确保将切纸辊圆跳动、切纸刀圆跳动控制在尽量小的范围，合理的值 是小于0 0 15 。从第7 、8 、9 次实验结果可以看出，由于切纸辊圆跳动超差，切纸 刀圆跳动较高，从而使得为保证将水松纸正常切断的挤压量达n o 18 m m ，因此机 器的噪声很大，刀片的使用寿命显著降低。 根据实验结合烟厂调研数据，可以看出，此种结构用于7 0 0 0 支分钟的卷烟机 还能勉强适应，用于更高速的卷烟机时，由于使用寿命低、调校时间长等缺点， 已不适应烟厂越来越高的生产要求。 2 3 本章小结 本章首先简要介绍了滚切式切纸机构的结构及主要功能，阐明了实验目的， 然后详细介绍了实验装置及实验主要步骤。通过实验所得的一系列数据，结合烟 厂调研数据，分析了影响机器噪声及刀片寿命的主要因素，并且得出一些具体的 数据，从而证明了对机构进行改进的必要性。 9 瞬日轮机构的镕构 析优化世汁 第3 章剪切式切纸机构研究 奉章主要分析研究剪切式机构的原理然后用解析法对剪切式机构进行运动 分析，具体研究滚川刀刃方程、滚7 j 2 几何参数、滚刀压下量。为具体机构的设计 奠定理论基础。 31 剪切式切纸机构的组成原理 如图31 为新型螺旋式切纸滚刀的实物照片。 1 “二 图31 新型螺旋式切纸滚刀的实物照片 谚刀由两把滚刀组成，其中把为圆柱形，另_ 手e 为锥形，当两刀以相同的 角速度相向运动时，两滚刀的刀川啮合点从里向外做点接触运动，将纸逐渐剪断， 产生剪刀剪纸的效果。刀1 的刀片刃口与其轴线平行，刀2 的刀片则以定的倾角 偏心安装在刀架上。 31l 研究机构组成原理的意义 机构的型式可以并式各样，机构的构造可蚍有简有繁，对他l r 的菇同要求是 必须能够实现确定的运动。搞清了机构的组成原理之后，才便于对机构进行结构 分析，并进而进行机构的结构分类。 312 剪切式切纸机构的组成原理分析 剪切式切纸机构工作过程类似于剪刀从里至外将水松纸剪切成规定长度，在 剪切的过程巾，刀片与镶块始终是点的接触，其机构简图如图32 ： 工程顾 ：学位论文 ，、 图3 2 剪切式切纸机构简图 图3 2 中l 为切纸刀与切纸轮旋转中心距，r 1 为切纸轮的剪切半径，r 2 为切纸 刀的剪切半径；u l 为切纸轮剪切点角速度，u 2 为切纸刀剪切点角速度；v 1 为切纸 轮剪切点的线速度，v 2 为切纸刀剪切点的线速度；a 、b 分别为切纸轮、切纸刀剪 切点与旋转中心连线同l 的夹角。 v 1 可以分解为两个方向的速度如图所示，如果要保证切纸刀与镶块切点等 速，就必须满足条件： v l c o s ( c ) = v 2 6 ( 3 1 ) c = a + b ；v l = u l 木r l ；v 2 = u 2 宰r 2 ( 3 2 ) 因此，( 3 1 ) 式等价于 甜1 木r l 球c o s ( a + 6 ) = u 2 幸r 2( 3 3 ) 剪切方式中u l * r l 不变，a + b 变小，u 2 * r 2 应该变大，r 2 在减小，u 2 应该变大。剪 切方式正是采用了以上方案，但是r 2 和u 2 的变化是一种复杂的变化，反映到刀片 上就应该是一条空间曲线，而现在的刀片是一条直线，因此在剪切的过程中刀片 将产生一定的变形，在剪切区间由于变形很小，所以能满足使用要求。 3 2 剪切式机构的运动分析 3 2 1 滚刀刀刃方程的确定 为降低滚刀的加工和安装难度，将刀1 的刀刃设计成一条与其轴线平行的直 线，现在的任务是求出刀2 上与该直线共轭的曲线( 或直线) 【2 1 。如图3 3 所示， 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 、一 f 夕 a l t 乡 - _ ， 只k om1 9 1 l 罩 ，1 7j 屯 图3 3 滚刀啮合, - y 熏图 设刀1 的直径为d l ( 半径为r 1 ) ，刀刃长为l ，啮合开始时其刀刃处在m 位置， 啮合结束时处在m7 位置，转过的角度为b ，两滚刀中心距为0 f 。将刀1 的刀刃l 离散成n 等份，设o m 与x 轴的初始夹角为0 ，于是刀l 刀刃在啮合线上各点在坐标 系o x y z 中的坐标为x 。，y 。，z 。) ，( x l ，y l ，z 1 ) ，g 川，y ，乙一1 ) ，( 吒，儿，乙】) x n ：r lc o s ( 0 一三卢)( 3 4 ) y n = r 1s i n ( 0 一l f l ) ( 3 5 ) 乙= 三( 3 6 ) 其中：i = 0 ，1 ，n 【3 】 刀2 上与刀1 对应的点( 啮合线上) 在坐标系o xy z 中的坐标为 ( x o ，y 。o ，z 。o ) ，( x l ，y l ，z 1 ) ，a ，( x n - l ，y 。刀一l ，z n - i ) ，( x 刀，y n ，z 。) 。 x 庐- ( a 一矗) ( 3 7 ) y 。= 儿( 3 8 ) z 。：三三 ( 3 9 ) 3 3 2 在各点处的半径垦。、尺：0 1 、尺扮人r 2 。分别为 尺：。= 瓜丁可了= 瓜j 丽画丽 月：。= 石j 尹丽= 口一蜀c 。s ( 日一言卢) 】2 + 【( r 。s i n ( 9 一丢卢) 】2 由于刀2 与刀l 的角速度相同，从而当刀1 转过卢角后，刀2 也转过卢角，于是 刀2 刃匕各点在转动前的坐标可表示为 1 2 丁程硕十学位论文 ( x ”o ，y ”o ，z ”o ) ，( x ”i ，y ”l ，z ”1 ) ，k ，( x ”月_ l ，y r - l ，z n - i ) ，( x ”行，y “月，z n ) 。 = - r 2 。c o s ( 0 。+ 二卢) ( 3 1 0 ) n 以= r 2 。s i n ( 0 + 1 卢)( 3 11 ) f l z ：= l l ( 3 1 2 ) n 式中，啡为刀2 啮合线上各点在坐标系0 x yz 中与0 x 轴的夹角。 由点p o ( x ：，y ：，z ：，) p 。( x ：，y ：，z ：，) 、a 、一。( x ：小或小z ：一。xp 。( e ，盛，z ：) 构成的 曲线l l 即为刀2 刀刃的理论曲线。由于l l 是一条空间曲线，在生产实践中是很难得 到保证的，所以在满足使用要求的情况下，必须简化曲线l l ，在保证滚刀切纸时 两滚刀所需的正压力以及现有的加工精度的条件下，经计算，在卢较小的情况下， 可以用通过首末两点的直线l 2 代替曲线l l 【4 1 。因此，l 2 的方程可以表示为( 在坐标 系0 t x yz 中) 兽：鞋：；皂 ( 3 13 ) 一一t _ 一f 彳 、j 1j ， x n x 0y 月一y oz 月一z 0 3 2 1 滚刀2 几何参数的确定 滚刀2 几何参数如图3 4 所示 l y o 雎 暮_ 、 弋 红。7 x ) 图3 4 刀2 示意图 滚刀2 的几何参数包括滚刀大头直径r 2 m a x ，锥角y ，滚刀大头偏一t l , g e e m 。，刀片 的安装斜角a 。从图3 3 可知，r 2 0 即是所求的r 2 m 。x ，于是d 2 m a x = 2 r 2 m 。x ，从而有 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 又r 2 m i 。= r 2 。，可计算出 y = a r c t a n r 2 眦一r 2 m i n 三三 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 在图3 4 中，当刀片处在m 2 位置时，刀面p 的法向量n p 可表示为刀面过点 m 2 ( e ，r s i n 0 2 ，o ) ，其中p = e 吣，r = r m 。x , 0 2 = a r c c o s 页ei 因l l t ，刀面p 的方程为 ( x - - e ) c o s a + z s i n a = 0( 3 1 6 ) 现在来求当刀片从m 2 转到m 位置时，平面p 的方程。由于刀片绕z 轴逆时针旋 转p 角相当于将坐标系绕z 轴顺时针旋转p 角。设原坐标系为o x y z ，旋转后的坐标 系为o x y z 7 ，则有 x = x 7 c o s0 + y 7 s i n0 ( 3 17 ) y = 一x 7 s i n0 + y 7 c o s0 ( 3 1 8 ) z = z 7 ( 3 1 9 ) t 5 】 将其代入式( 3 1 6 ) 整理得 x w c o s ac o s 0 + y c o s as i n 0 + z s i n a e c o s a = 0 ( 3 2 0 ) 其法向量为 n l = c o s ac o s 0 ，c o s as i n 0 ，s i n a ) ( 3 2 1 ) 刀刃方程的方向向量为 ，= ( - ) ，( 允- 以) ，( z ：一z ：) )( 3 2 2 ) 乙一乞= l( 3 2 3 ) 由于直线在平面内，故有 ，n l = 0 ( 3 2 4 ) 即 ( 一x ：) c o s ac o s 0 + ( y ：一y ：) c o s as i n 0 + l s i n a e c o s a = 0 ( 3 2 5 ) 又因点m ( x ：，y ：，o ) 在该平面内，故 毛c o s 6 tc o s 0 + y ：c o s as i n 0 + z s i n a e c o s a = 0( 3 2 6 ) 化简得 c o s 0 + 允s i n 0 一e = 0( 3 2 7 ) 将式( 3 2 5 ) 代入式( 3 2 7 ) 整理得 矗c o s 0 + y 。s i n 0 一p + l t a n a = 0( 3 2 8 ) 由式( 3 2 7 ) 、( 3 2 8 ) 得联立方程组： ec o s 0 + j ，：s i n 0 一e = 0 c o s 0 + y ：s i n 0 一e + l t a n a = 0 1 4 丁程硕：卜学位论文 该方程组有0 、e 、q3 个未知数，未知数个数大于方程个数，使方程组有无 穷多组解。根据滚刀的强度、剪切前角等因素，将0 看成一定范围内变化的值， 以此求出最合理的e 值，即 p = 矗c o s 0 + y os i n0 ( 3 2 9 )u、 a = a r c t a n ( e x ：c o s o 一少：s i n o ) ( 3 3 0 ) l 3 2 1 滚刀压下量的计算 如果采用理论曲线作为刀2 的刃，则在剪切过程中两刀始终只是轻轻接触而没 有压下量。由于采用直线代替了理论曲线，于是在剪切过程中会存在一定的压下 量，事实上为了保证剪切过程顺利进行，必须存在一定的压下量。滚刀1 和滚刀2 的剪切线分别在两个刀面上，因此由空间解析几何可知，计算两滚刀在剪切过程 中的压下量就是计算两异面直线间的距离【6 1 。 由空间解析几何两异面直线间的距离公式可推算出两滚刀在剪切过程中的压 下量： d ：( - x l - r 。c 。s ( o 一望) ( y 2 - y 1 ) + ( x 2 - x 。) y l - r 。i n ( o 一望) ) 厄鬲万百万 刀n i 2 0 ，1 ，r 1 ( 3 31 ) 3 3 本章小结 本章在分析研究剪切式切纸机构工作原理的基础上，运用解析法推导了滚刀 各几何参数的计算公式。此研究是剪切式切纸机构设计的理论基础。 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 第4 章剪切式切纸机构设计及试验研究 本章首先简单介绍剪切式切纸机构原理，然后结合附图详细描述切纸机构的 结构。在描述切纸机构结构组成的基础上，进行了剪切式切纸机构的试验研究。 4 1 机构原理 在结构上切纸轮体上的镶块与切纸刀上的刀片是一一对应关系，即1 2 块镶块 对应12 把刀片。运转时，刀片在内侧开始与镶块搭接，随着切纸轮与切纸刀的对 转，镶块和刀片由内向外切合，从而达到剪断水松纸的目的。水松纸被切纸轮体 吸附同速运转，进入下一片纸剪切时，水松纸被上胶装置中的辊拖后至要求宽度 再进行剪切。 4 2 结构设计 下面通过对本章附图的描述，说明切纸机构具体结构特点： 一l 。 图4 1 水松纸剪切式切割机构的立体结构图4 2 切纸机够的局部立体结构 ，?峄，7 图4 3 切纸机构的侧视剖视图 图4 4a a 方向剖视图 1 6 t 程硕1 ：学位论文 图4 5 切纸鼓轮的端视结构示意图 广 ! ，多f 图4 6 合金镶块的局部结构示意图 图4 7 切纸刀体的侧视结构示意图图4 8 切纸刀体的侧视剖视结构示意图1 图4 9 送纸机构的立体结构示意图图4 1 0 送纸机构的结构平面示意图 1 7 剪切式切纸轮机构的结构分析及优化设计 2 a 5 2 7 图4 1 l 传动原理示意图 结构说明如下： 参见图4 1 ，水松纸剪切式切割机构，与主机传动相连，包括切纸机构1 和供 纸机构2 ，供纸机构2 将水松纸3 有节奏地提供给切纸机机构l 进行剪切。 参见图4 2 、图4 3 、图4 4 ，水松纸剪切切割机构中的切纸机构1 包括：传动双 联齿轮1 1 、切纸鼓轮1 3 、切刀体齿轮14 、切刀体轴15 、切刀体16 、切刀手刷齿轮 1 7 、切刀手刷1 8 、鼓轮毛刷1 9 5 1 1 配气盘1 0 。传动双联齿轮1 l 的前齿轮与主机传动 相连，后齿轮与切切刀齿轮1 4 传动相连，鼓轮轴1 2 连接在双联齿轮1 1 上，切纸鼓 轮13 安装在鼓轮轴1 2 上，切刀体轴15 连接在切刀体齿轮1 4 上，切刀体1 6 安装在切 刀体轴1 5 上，切好毛刷齿轮1 7 与切刀体齿轮1 4 传动相连，切刀毛刷1 8 安装在切刀 毛刷齿轮1 7 上，鼓轮毛刷1 9 5 1 ：1 配气盘1 0 这装在鼓轮1 3 旁侧。传动双联齿轮11 的后 齿轮与切刀体齿轮1 4 大小齿数相同，切纸鼓轮13 和切刀体l6 大小相同，传动双联 齿轮1 l 的后齿轮与切刀体齿轮1 4 作相对同步运转带动切纸鼓轮1 3 和切刀体1 6 作相 对同步动转，在运动中对水松纸进行切割。切刀毛刷18 用于清洁刀片，鼓轮毛刷 1 9 用于清洁鼓轮1 3 表面，配气盘1 0 用于向鼓轮1 3 提供负压。将水松纸吸附在鼓轮 1 3 表面便于切割。 参见图4 5 、图4 6 ，水松纸剪切式切割机构中的切纸鼓轮1 3 包括鼓轮体1 3 1 和 均匀镶设在鼓轮体1 3 1 上的多块切纸凸条1 32 切纸凸1 3 2 的一棱边形成切纸刀刃， 在切z 氏凸条1 3 2 上设有多个上下贯通的吸气孔1 3 2 l ，在切纸凸条与切纸凸条之间 设有切刀间隙a 。本实施例的切纸凸条13 2 为12 块。 参见图4 7 、图4 8 ，水松纸剪切式切割机构中的切刀1 6