垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究

栗　慧　于青令　曹瀚心

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，郑州450002）



垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究

栗慧于青令曹瀚心

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，郑州450002）

摘要：在烟草机械设备当中，水松纸切割装置是一个十分重要的设备。随着科技的发展，烟草机械设备也在不断更新，水松纸切割装置也得到了相应的发展。基于此，本文研究垂直高速旋转式水松纸切割装置，着重分析切纸装置的设计、切纸装置的仿真以及切纸装置的相关试验，从而为水松纸切割工艺提供了一种全新的方法。

关键词：垂直高速旋转水松纸切割装置设计及试验

水松纸切割装置作为烟草机械设备中一个十分重要的装置，对于烟草生产来说发挥着极大的作用。但是，在过去的生产当中，我国所应用的水松纸切割装置都是依赖于国外进口。然而，我国生产的卷接机组只能国内使用，难以出口，从而极大限制了我国烟草机械设备的国际市场竞争力。因此，应当设计一种新型的水松纸切割装置，以确保我国的自主知识产权。

1 水松纸切割装置的设计

（1）设计规划。设计规划阶段，首先要对设计任务进行详细描述。基于相应的技术参数和功能要求，对水松纸切割装置的关键技术、基本原理等进行研究，并且建立关键技术的理论模型［1］。装置要求将胶水涂抹均匀的水松纸切割为27mm长度的矩形，并确保能够吸附水松纸的真空度，设计效率为5500片/min，同时应确保清洁无污染的工作面。装置应当确保满足卷烟长度的水松纸长度和同步的粘结点线速度。水松纸宽度方向重点应与墙板保持205mm距离，同时保持水松纸48～70mm的宽度。

（2）方案设计。水松纸切割由刀盘旋转完成，因此对切纸轮和刀盘的相对位置应当加以考虑，同时将刀盘旋转中心的位置确定。具体设计中，要根据不同的实际情况及生产要求，分为旋转中心在切纸轮端面内、旋转中心与切纸轮端面齐平、旋转中心在切纸轮端面外等情况进行考虑。墙板挡住了切纸轮里端，因此在切纸轮外端安装切纸刀盘［2］。具体地，可分为切纸刀逆时针旋转和顺时针旋转等情况考虑。具体设计中，对其涉及到的变量和定量参数，应建立相应的数学模型，选择最优的安装结构。

（3）技术设计。根据机构装配空间、切纸原理等，总体结构主要包括墙板、切纸刀盘、四根轴、齿轮箱、一次锥齿轮传动、两次直齿轮传动、支架、切纸刀、切纸轮等零件。结合切纸刀和切纸轮相对运动的方向，需要采取变换运动轴线方向的传动方式，因而采用了圆锥齿轮传动的方式实现这一功能。原有切纸结构的切纸方向与切纸轮端面呈15°。本设计中，在切纸刀盘旋转轴和竖直面之间保持15°夹角，以确保安装切纸刀盘的位置与切纸轮端面之间也保持在15°。

（4）施工设计。刀片设计中，根据计算确定了65Mn的刀片材料弹簧钢，其材料与原切纸刀相同。切纸轮较为复杂，具有送纸、安装调试、切纸、配齐系统等作用。采用12个镶块和1个轮体组成切纸轮，同时设计相应的切纸轮凹槽。切纸刀是在刀盘上安装刀片，然后在刀座上进行安装，最后安装到旋转轴上。设计中，单盘中心挖空，刀盘上刀片安装面凸起，用三个腰圆形槽与轴固定刀座。最后在设计总装图的过程中，将23个轴承、螺钉，30个零件图等纳入其中。

2 水松纸切割装置的仿真

（1）虚拟样机装配验证。在装置仿真过程中，首先建立三维模型，确保模型的精确度，然后将其导入动力学仿真软件中，将约束和力添加上，从而形成系统虚拟样机，最后对其进行动力学仿真试验［3］。需要利用正确的数据交换格式确保模型精度。结合模型导入的几何特征，利用Parasolid是一种良好的数据交换标准格式，能够确保转动惯量、体积质量等物理信息的完整。利用该数据交换标准格式能够提供精确的几何表达，同时发挥良好的容错效果。导入过程中，为了使仿真更加方便，将切纸结构分成5个部分，分别是齿轮箱、支架、墙板；大齿轮、轴、切纸轮；中间齿轮、轴；锥齿轮、小齿轮、轴；锥齿轮、切纸刀、轴。

（2）切纸原理验证。轴向上，将切纸轮初始切纸工作刃进行7等分，然后利用刀刃曲线方程对得到的8个初始点进行计算。在将水松纸切断的过程中，切纸刀刃与切纸轮工作刃分别有8个相应的点依次重合。在虚拟样机的切纸轮和切纸刀上，将这16个点分别添加到虚拟样机中。在进行仿真计算的过程中，对两个点之间的x坐标、y坐标、z坐标之间的差值分别进行测量和计算。如果得到了为0的差值，则说明在t时刻中，两个点发生了重合。经过计算得出，在空间三个方向的坐标中，差值都为0，证明理论推导的结果与仿真得到的结果相同，说明了刀刃曲线方程的正确性以及设计参数的合理性。

（3）切纸直线度分析。垂直高速旋转式水松纸切割装置属于非接触式切纸。在切纸过程中，镶块刃口和切纸刀片之间保留了0.06mm的间隙，保证不会有弹性形变发生。在这种非接触式的切纸装置中，切纸刀的安装精度和加工精度，对水松纸切口的直线度有很大的影响［4］。因此，可根据中心距、刀片刃口曲线、刀片安装面、刀盘轴向移动等方面，分析直线度受到切纸刀精度的影响。在切纸过程中，根据切纸方程，确定刀片的切入点和切出点坐标。在切入的瞬间，确定水松纸的切开起始点坐标和终止点坐标。在切入过程中，刀片切入点和水松纸切开起始点重合；在切出过程中，刀片切出点和水松纸切开终止点重合，从而确保切出一条直线。

3 水松纸切割装置的试验

（1）切纸试验。进行装置试验的过程中，首先根据装配图进行正确装配，然后安装调试切纸刀，确保切纸轮旋转轴与切纸刀旋转轴的垂直，并且与竖直方向保持15°角。安装刀片时，刀尖和旋转轴的距离为98.82mm，刀尾和旋转轴距离为69.75mm，刀座底端和支架底端距离为75.93mm。在水松纸未接入的状态下，用手盘动切纸轮对镶块工作刃、切纸刀片的啮合情况进行观察。然后开机运行，对切纸结构的振动噪声、刀刃的啮合情况等进行观察。通过试验证明，镶块和刀片符合设计要求，啮合情况良好。正反转时，传动间隙很小，非接触切纸噪声很低，镶块和刀片也没有磨损。

（2）试验分析。经过试验能够得知，在垂直高速旋转式水松纸切割装置的设计中，各个零部件能够准确进行安装，同时达到了设计的传动精度要求，且切纸轮和切纸刀在运动过程中不会相互干涉。刀片远点切入、近点切出的轨迹，能够准确啮合切纸轮镶块［5］。刀片在切纸过程中，从里向外刮，并向凹槽里切。对于能够影响到切纸效果的参数，如刀片、间隙、负压等进行适当选取，使得切纸结构能够沿着直线进行切割，得到切口光滑的水松纸片。长度为27mm，宽度为48mm，能够满足实际卷烟的需求。

4 结论

在卷烟设备中，水松纸的切割是一道十分重要的工序。随着工业技术水平的不断提高，我国已经能够自行设计和制造水松纸切割装置。本文结合水松纸切割当中的各种问题和要求，设计了垂直高速旋转式水松纸切割装置，并根据相关的影响因素确定了具体的设计参数和设计方案。经过仿真、试验等步骤，发现设计的水松纸切割装置能够发挥出良好的效果，并且能够切割出符合卷烟要求的水松纸片。

参考文献

［1］王玉芳，高卫军.PASSIM卷接机组水松纸夹沫问题的改进方法探讨［J］.安阳工学院学报，2011，（2）：13-16.

［2］刘子建，谢宗敏，吕程.新型垂直旋转式切纸装置设计研究［J］.中国机械工程，2011，（24）：2953-2957.

［3］刘子建，薛锋，谢明金.旋转式切纸刀设计机理研究［J］.现代制造工程，2009，（10）：108-111.

［4］谢明金.垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究［D］.长沙：湖南大学，2009.

［5］万晓文.超高速卷接机HMI研究与设计［D］.长沙：湖南大学，2013.

Design and Experimental Study on the Equipment of Vertical High Speed Rotary Tipping Paper Cutting

LI Hui,YU Qingling,CAO Hanxin
（collaboration of the State Intellectual Property Office of patent examination center of Henan, Zhengzhou 450002）

Abstract:In the middle of the tobacco machinery and equipment, the tipping paper cutting device is a very important device, with the development of science and technology, tobacco machinery and equipment also in constantly update, tipping paper cutting device has also been a corresponding development. Based on this, this paper studies the vertical high-speed rotary tipping paper cutting device, with the emphasis on the analysis of the simulation design of paper cutting device and cutting device and cutting device test the, tipping paper cutting technology provides a new method.

Key words:high speed vertical rotary tipping paper cutting device, design and test