PROTOS M8卷接机组烟支切割系统原理分析与参数研究

周斌，陈文，赵朝阳，盛浩然

1.中烟机械技术中心有限责任公司，上海市浦东新区金海路1000号10号楼 201206

2.常德烟草机械有限责任公司，湖南省常德市武陵区长庚路99号 415000

PROTOS M8卷接机组烟支切割系统原理分析与参数研究

周斌1，陈文1，赵朝阳1，盛浩然2

1.中烟机械技术中心有限责任公司，上海市浦东新区金海路1000号10号楼 201206

2.常德烟草机械有限责任公司，湖南省常德市武陵区长庚路99号 415000

为研究新型卷接机组烟支切割系统的原理与特性，基于数学解析方法建立了PROTOS M8卷接机组四连杆旋转式喇叭嘴机构烟支切割系统的数学模型。综合考虑了烟支切割系统的理论误差，分析计算出刀盘、喇叭嘴在切割时间段内的运动关系，并对烟支切割系统的设计参数进行了优化。结果表明：烟支切割系统中刀片与喇叭嘴之间的偏差不应超过0.05 mm；在设计中应精确计算并校准不同烟支长度对应的刀盘倾角和喇叭嘴旋转直径，系统参数优化结果为喇叭嘴设计旋转直径=［理论值+（0.2～0.4）］mm，刀盘设计倾角=（理论值+0.1）°。该计算结果可为新型烟支切割系统的研发提供理论参考。

卷接机组；烟支切割；旋转式；喇叭嘴；刀盘

PROTOS M8是德国HUANI公司最新推出的新概念卷接机组，最高生产速度超过20000支/分钟［1］，目前国内已有少数卷烟厂引进使用。其烟支切割系统包括刀盘机构、磨刀机构、四连杆旋转式喇叭嘴机构以及传动部分，烟支切割工作主要由与烟条运动方向成一定夹角的刀盘和刀片的旋转运动以及喇叭嘴的支撑运动共同完成［2］。传统卷接机组如PROTOS 2-2的烟支切割系统普遍采用的是振动片式喇叭嘴机构［3］。有研究表明，烟支切割系统是卷接机组中的主要振动和噪声源之一［4-6］。传统的振动片式喇叭嘴机构由于受切割原理的限制，在速度上存在瓶颈，当速度超过16000支/分钟时产生的振动和噪声已影响生产正常进行［7］。PROTOS M8卷接机组烟支切割系统采用四连杆旋转式喇叭嘴代替了传统的振动片式喇叭嘴机构，利用旋转式喇叭嘴的连续圆周平动以动态跟随支撑烟条，代替传统喇叭嘴机构的往复运动，有效解决了振动片式喇叭嘴机构在振动噪声以及速度上的缺陷［8］。为此，对PROTOS M8烟支切割系统的原理和机构运动进行分析，以获得该系统的运动学特性并精确计算出系统的基本结构参数，为新型卷接机组的研发提供理论参考。

1 烟支切割系统组成

PROTOS M8烟支切割系统采用独立伺服驱动，切割方式为双轨双刀双切，即刀盘每转一周切割两次，每次切割两支双倍长度烟支，见图1。该切割方式能有效降低刀盘的转速，减小振动和磨损。其传动部分由PROTOS 2-2传统的同步带传动改为齿轮传动，分为一个主传动箱和两个副传动箱，并且每级齿轮传动都设计有齿轮间隙消除机构，以提高其传动精度。取消了刀盘倾角调节装置，避免主传动与刀盘弧齿轮传动箱之间因采用万向联轴器而产生传动误差。但当调整烟支生产长度时，需要整体更换相应规格的喇叭嘴机构和刀盘传动模块。

图1 PROTOS M8烟支切割系统结构图

图2 行星轮机构运动简图

第二种是以德国HAUNI公司的PROTOS M系列以及意大利GD公司的DF10和GD121P 2000为代表的四连杆式旋转喇叭嘴机构，其基本原理为平行四边形机构的变异，平行四边形机构是双曲柄机构的特例［11］，见图3a。机构中对应的杆相互平行且杆长相等，构成平行四边形。主动曲柄1和从动曲柄3的运动相同，转速相等，连杆2作平动，其角速度ω始终为0。根据刚体平动特性，杆的每一瞬时方位彼此平行，将喇叭嘴切烟槽放置在连杆2上，则能保证其在切割过程中保持平动，从而动态跟随烟条并为其提供支撑。为降低转速，将平行四边形机构变换成旋转轴心平行偏置的两个半径相等的圆盘，在圆周上均匀分布多根连杆，形成多个平行四边形机构组合，见图3b。这种结构传动精度高、转动惯量小且对润滑要求低，可以在高转速条件下保持喇叭嘴支撑的稳定性，适用于超高速烟支切割系统。

图3 平行四杆机构及其变异机构简图

2 切割过程运动分析

振动片式喇叭嘴机构烟支切割系统，采用切割中点时刻瞬时速度相等的概念确定切割过程基本参数，即沿烟条方向V烟条=V喇叭嘴=。根据此条件，计算出该烟支切割系统的两个重要设计参数的理论值：

式中：DL为喇叭嘴机构理论旋转直径，mm；L为双倍烟支长度，mm；θ为刀盘理论倾角，º；Dd为刀盘的旋转直径，mm。M8设计直径为480 mm。

旋转式喇叭嘴机构烟支切割系统中，喇叭嘴的运动轨迹为圆弧B1BB2，见图4a。由此会产生沿烟条水平方向的速度和位移误差以及竖直方向的高度误差δ。考虑到旋转式喇叭嘴的运动原理，δ始终存在，并随喇叭嘴个数和轮体直径的增大而略减小，不会影响烟条和刀片的运动。因此，在整个切割时间段内仅分析喇叭嘴和刀片关于烟条方向的运动。

刀片、喇叭嘴以及烟条在切割过程中的运动关系见图4。其中O1，O2分别为喇叭嘴和刀片的旋转中心，V0为烟条A运行的速度和方向，B1为切割始点，B2为切割终点。单次切割过程喇叭嘴轮体的转角为α，角速度为ω，则刀盘转角为2α，角速度为2ω。令切割中点时刻t0=0，则切割起点时刻t0=-α/2ω，切割终点时刻t1=α/2ω。

对刀片和喇叭嘴进行运动分析，可获得其关于烟条方向的分速度理论函数：

式中：V1，V2为喇叭嘴、刀片沿烟条方向的分速度，m/s。

通过分速度理论函数可获得其关于烟条方向的位移函数：

式中：S0，S1，S2为烟条、喇叭嘴、刀片在单次切割时间段内沿烟条方向的位移，mm；L为双倍烟支长度，mm。

图4 切割过程原理示意图

3 结构参数研究

3.1 切割理论误差分析

由刀片、喇叭嘴以及烟条的分速度函数曲线（图5），可以确定三者分速度仅在t0时刻相等，在其他切割时间内刀片和喇叭嘴的速度都明显小于烟条速度。以双倍烟支长度L=128 mm，烟支生产速度16000支/分钟为例，研究单次切割时间段内刀盘的转角2α与前后烟道距离、刀片宽度以及刀盘倾角的关系。超高速烟支切割系统设计中前后烟道距离为38 mm，刀片宽度为60 mm，通过等效弧长计算得到2α=25.6/cosθ。由于刀盘倾角通常在±2°内改变，对α的影响较小，为简化计算，取2α=26°为刀盘对应任意烟支长度单次切割的转角。

计算可得喇叭嘴沿烟条方向与刀片沿烟支方向的位移偏差分别为：S0-S1=0.05 mm，S0-S2=0.12 mm。可见，烟支切割系统经过精确调校，其刀片与喇叭嘴之间的间隙不应超过0.05 mm。在整个切割时间段内，刀片、喇叭嘴以及烟条之间产生的位移偏差，在一定程度上会影响烟支的切割品质。因此，传统的剪切式烟支切割方式不再适用于旋转式喇叭嘴机构的烟支切割系统。

图5 刀片、喇叭嘴和烟条的水平分速度曲线

3.2 系统参数优化计算

由于喇叭嘴、刀片以及烟条三者之间始终存在速度偏差，为减小切割误差，使整个切割时间段内三者沿烟条方向位移相等，即S0=S1=S2，对系统参数进行优化计算，可获得旋转式喇叭嘴机构的设计旋转直径和刀盘设计倾角计算式：

式中：DL′为喇叭嘴实际设计旋转直径，mm；θ′为刀盘实际设计倾角，°。

计算得到双倍烟支长度为100～140 mm时喇叭嘴的部分实际设计旋转直径DL′以及刀盘实际设计倾角值θ′，见表1。

表1 喇叭嘴旋转直径DL′和刀盘倾角θ′优化计算结果

传统振动片式喇叭嘴机构烟支切割系统中，喇叭嘴行程和刀盘倾角均可调。在调试过程中，先精确校准喇叭嘴的行程，再用喇叭嘴与刀片的切割位置关系确定刀盘的实际倾角。所以对于振动片式烟支切割系统，刀盘的设计倾角通常只作为调试过程中的参考。而采用旋转式喇叭嘴机构的烟支切割系统，无法对喇叭嘴的位置进行精确校准，喇叭嘴与刀片的相互位置关系需要经过反复调校，调试过程较复杂。另外，考虑到传动精度等因素，PROTOS M8卷接机组采用的是刀盘倾角不可调结构，不同烟支长度对应不同的刀盘传动模块，由弧齿传动箱的加工精度保证刀盘倾角精度，可有效降低调试难度。因此，在烟支切割系统设计中，应精确计算并校准不同烟支长度对应的刀盘倾角和喇叭嘴旋转直径。由表1数据可见，切割系统基本参数的优化结果为DL′=［DL+（0.2～0.4）］mm，θ′=（θ+0.1）°。

4 结语

基于数学解析方法建立了PROTOS M8卷接机组四连杆旋转式喇叭嘴机构烟支切割系统的数学模型，综合考虑了烟支切割系统的理论误差，其刀片与喇叭嘴之间的偏差不应超过0.05 mm。通过分析并计算出刀片、喇叭嘴在切割时间段内的运动关系，对烟支切割系统的参数进行了优化。在设计中应精确计算并校准不同烟支长度对应的刀盘倾角和喇叭嘴旋转直径，系统参数优化结果为DL′=［DL+（0.2～0.4）］mm，θ′=（θ+ 0.1）°。该计算结果可为新型烟支切割系统的研发提供理论参考。

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［2］YJ17-YJ27卷接机组编写组.YJ17-YJ27卷接机组［M］.北京：中国科学技术出版社，2001.

［3］陈文，吴磊，赵朝阳，等.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴机构的运动分析与仿真［J］.烟草科技，2011（10）：20-23.

［4］高绍梁，金登权.YJ17卷烟机刀盘顶杆机构的改进［J］.烟草科技，2002（6）：17-18.

［5］段绍伟，黄兰英.改造后YJ19卷烟机刀头与喇叭嘴同步问题的解决［J］.烟草科技，2007（7）：24-26.

［6］高永亮，王瑞珍，王永生.PASSIM80卷接机刀头进刀机构的改进［J］.烟草科技，2009（1）：26-27.

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［10］俞高红，俞腾飞，叶秉良，等.一种新型行星轮系机构的研究［J］.机械工程学报，2013，49（15）：55-61.

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［12］德国HAUNI公司.PROTOS 2-2 Operation Manual［G］.2003.

Principle Analysis and Parameter Research of Cutoff System in PROTOS M8 Cigarette Maker

ZHOU Bin1，CHEN Wen1，ZHAO Zhaoyang1，and SHENG Haoran2
1.China Tobacco Machinery Technology Center Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China
2.Changde Tobacco Machinery Co.，Ltd.，Changde 415000，Hunan，China

In order to study the principle and characteristics of the cutoff system in new type cigarette makers，a mathematical model of the four-linkage rotary ledger mechanism in the cutoff system in PROTOS M8 cigarette maker was derived on the basis of mathematical analysis.The movement relationship between cutoff knife and ledger during cutting was analyzed and calculated，the theoretical errors of the system were taken into account，and the design parameters of the cutoff system were optimized.The results showed that the deviation between knife and ledger should not exceed 0.05 mm；and the inclination angle of cutoff knife carrier and the rotation diameter of ledger corresponding to cigarette length should be accurately calculated and corrected in design，the optimized rotation diameter of ledger should be：theoretical value+（0.2-0.4）mm and the optimized inclination angle of cutoff knife carrier should be：theoretical value+0.1°.The calculation results provide a theoretical reference for the development of new type cutoff system.

Cigarette maker；Cigarette cutting；Rotary type；Ledger；Cutoff knife carrier

TS433

B

1002-0861（2014）11-0014-04

国家烟草专卖局资助项目“超高速卷接包机组应用技术研究”(110200602001)。

周斌(1985—)，学士，工程师，主要从事烟草机械设计工作。E-mail：zhoubin_ctmtc@163.com

2014-05-14

责任编辑：曹娟E-mail:cj254@126.com

电话：0371-67672669