瓦线横切机刀轴偏心质量对切刀磨损影响的研究

刘丕群



瓦线横切机刀轴偏心质量对切刀磨损影响的研究

刘丕群

（广州赛宝认证中心服务有限公司，广东 广州 510610）

瓦线横切机的刀轴结构由于存在偏心质量，在转动时会产生弯曲变形或者径向振动。通过ANSYS有限元计算和ADAMS仿真分析分别得到了刀轴的径向最大变形和振动幅值，通过比较两组数据的大小，得到分析刀轴偏心质量对切刀磨损的影响时可忽略其引起的刀轴振动，只考虑刀轴径向变形的影响。

瓦线横切机；刀轴结构；径向变形；刀轴振动

当今社会，越来越多的商品要用到瓦楞纸包装[1-2]，横切机作为瓦楞纸板生产线的关键设备之一，其性能、功能受到了越来越多的关注，国内外许多专家学者也对此开展了大量的研究。而切刀刀轴作为其最重要的功能性部件也具有重大研究价值[3]。

目前生产中广泛使用的瓦楞纸板生产线横切机如图1所示，其刀轴结构主要由刀轴1、刀座2和切刀3组成。每台横切机具有上下平行安装的两组刀轴结构，工作时两刀轴同时转动，瓦楞纸板在两切刀之间的缝隙穿过，通过两把切刀对瓦楞纸板共同作用的剪切力进行瓦楞纸板的裁切[4]。刀轴在横切机上安装时两切刀之间的间隙很小，如果两刀刃不平行，则两切刀在裁切纸板时可能会发生接触，并受到较大接触力而加快切刀磨损，使得切刀寿命变短、失效快，需要经常换刀维修，生产成本加大。图1可以看出该刀轴存在不对称结构，具有偏心质量，工作过程中由于离心力的作用，刀轴结构将会产生弯曲变形或者径向振动，有可能导致切刀在工作过程中出现接触或碰撞加剧，这将大大加速切刀的磨损甚至导致其直接失效。

图1 横切机上下刀轴安装结构图

本文将分别研究由偏心质量引起的刀轴弯曲变形和径向振动，进而对这两种现象对切刀磨损影响的大小作出判定，并提出相应的改善意见。

1 转动时刀轴应变的有限元计算

根据瓦楞纸板生产线横切机刀轴结构的特点，考虑实际工况，以求解过程所需的时间及结果精度等为基本尺度[5]，在进行刀轴转动工况下弯曲应变计算时的要求为：①由于刀轴结构形状较为复杂，有限元建模时以不影响其结构动特性为原则进行简化；②有限元模型的网格密度要求适中，在保证计算结果精度的前提下，尽可能节省计算时间。

1.1 刀轴有限元模型的建立

横切机刀轴结构的刀轴、刀座和裁纸飞刀是通过螺栓链接安装的，在建立有限元模型时认为其是刚性连接的，同时，可以忽略结构中的倒角、螺孔以及相对整体结构而言尺寸很小且对计算结果影响不大的结构。刀轴和刀座的材料类型设定为45号钢，裁纸飞刀的材料类型为合金钢，计算时弹性模量统一设定为2.1×1011N/m2，泊松比为0.29.

由于该刀轴模型较大，计算时网格划分不宜过小，所以，设定全局单元边界长度为20 mm进行自由网格划分，网格划分完成后得到节点总数7 328个，划分单元总数21 953个。网格划分结果如图2所示。

图2 刀轴有限元网格划分

1.2 约束和加载

根据刀轴结构的实际安装特点，刀轴两端的支撑条件可认为是一端固定铰支，一端滑动铰支。在ANSYS中施加边界条件时，约束一端的移动自由度X，Y，Z以及另一端的移动自由度X，Y即可。

本文研究刀轴转动时偏心质量引起的刀轴应变大小，则其载荷即为离心力。在ANSYS中，利用施加角速度的功能直接将刀轴的转速施加在模型上，ANSYS可以自动计算离心力的大小。

根据生产要求，=300 m/min=5 m/s，取裁切长度=1 m，则可计算得刀轴角速度=31.415 rad/s，将该转速施加在已经划分好网格的模型上即可进行计算。

1.3 计算结果

通过计算可得裁切纸板长度为1 m时，刀轴在方向的应变如图3所示，可见最大应变发生在刀轴中点处，其值为0.053 6 mm，可见工作时由偏心质量引起的刀轴应变比较大，对切刀的磨损影响不容忽视。

同时，计算裁切一系列不同长度的瓦楞纸板所对应的刀轴转速和刀轴的最大应变如表1所示，可见当纸板长度为0.2 m时，最大应变为1.339 mm，这对切刀的磨损影响非常大，甚至有可能直接造成切刀的破坏。当纸板长度由0.2 m增加至0.5 m时，刀轴的最大应变快速减小至0.214 mm，之后最大应变值随裁切纸板的长度变化较为缓慢。此时，最大应变虽然相对较小，但是其对裁纸切刀磨损失效的影响仍然不容忽视。

表1 裁切不同长度的瓦楞纸板对应的刀轴转速和向最大应变

裁切纸板长度L/m0.20.51.01.52.02.5 刀轴角速度ω/（rad/s）157.0862.8331.4220.9415.7112.57 Y向最大应变/mm1.3390.2140.536E-010.238E-010.134E-010.857E-02

2 转动时刀轴径向振动的仿真分析

横切机安装结构如图4所示，刀轴1以轴承3支撑在轴承套2上面，进而通过轴承套安装在机架上。在进行转动条件下刀轴径向振动的分析时，需要考虑轴承套的弹性作用对横切机刀轴的振动的影响，轴承套的弹性影响是通过两个轴承传递到刀轴的。模型简化时刀轴机构与实际一样，只是在原来刚性支撑的两轴承处代以两个弹性支撑以模拟中间轴承套的弹性对刀轴支撑的影响，假设每个弹性支撑均由四个均布的弹簧组成[6-7]，如图5所示，1为刀轴，2为四个均布弹簧。

图4 横切机安装结构图

图5 弹簧的分布示意图

此时，横切机刀轴的安装结构可以简化为如图6所示结构，刀轴与支撑之间添加转动副，给其赋裁切1 m长瓦楞纸板时刀轴的转速值=31.415 rad/s，支撑与ground之间添加固定副，弹簧刚度和阻尼根据文献分别设定为2.0E8 N/m和1.0E7 N/m/s和，设定仿真时间和步长分别为5.0 s和0.01 s。振动幅值为3.6E-0.4 mm。同时，计算裁切一系列不同长度的瓦楞纸板所对应的刀轴转速和刀轴的振动幅值如表2所示。裁切1 m长瓦楞纸板时刀轴振动曲线如图7所示。

图6 刀轴安装结构简化模型

图7 裁切1 m长瓦楞纸板时刀轴振动曲线

表2 裁切不同长度的瓦楞纸板对应的刀轴振动幅值

裁切纸板长度L/m0.20.51.01.52.02.5 刀轴振动幅值/mm1.4E-038.0E-043.6E-042.1E-041.4E-049.4E-05

3 结论

本文通过ANSYS有限元分析和ADAMS动态仿真分别得到了由偏心质量引起的刀轴转动时的径向最大变形以及刀轴振动幅值。对比表1和表2的两组数据可知，裁切相同长度的瓦楞纸板时，刀轴的径向最大变形比刀轴的振动幅值大3个数量级，因此，在分析刀轴偏心质量对切刀磨损的影响时可将其引起的刀轴振动的影响忽略，只考虑其引起的刀轴径向最大变形的影响。

由表1可以看出，刀轴转动时径向变形较大，其对刀轴磨损的影响不容忽视，另外，裁切长度短的纸板时，比如纸板长度为0.2 m时，转速较大，这时刀轴径向变形可以达到1.339 mm，这一变形有可能直接导致切刀破坏失效。因此，在刀轴设计安装时，应尽量减小或消除偏心质量的存在；在生产使用时，应尽量减小偏心质量的影响。

［1］胡志鹏.我国瓦楞纸行业发展趋势及存在的问题［J］.印刷工业，2009（03）：52-54.

［2］张学中.国内外瓦楞纸箱的发展和未来趋势［J］.湖北造纸，2006（04）：42-44.

［3］葛飞，谢小兴，侯西方.瓦楞纸板生产线LXDNHQ-1800螺旋刀横切机的研制［J］.郑州大学学报，2001，25（04）： 86-89.

［4］王泽天.瓦楞纸板生产线中横切机的设计与探讨［J］.上海造纸，1989（Suppl 1）：113-118.

［5］张朝晖，李树奎.ANSYS11.0有限元分析理论与工程应用［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［6］刘剑钊，党建军，张进军.基于ADAMS的摆盘机构动力学仿真分析［J］.机械设计与制造，2012（04）：76-78.

［7］李莉.废钢破碎机的转子动力学分析及配锤优化研究［D］.长春：吉林大学，2009.

2095－6835（2019）03－0055－02

TQ325.14

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.055

刘丕群（1989—），男，山东聊城人，科研工程师，硕士研究生，主要研究方向为智能制造及工业互联网等。

〔编辑：张思楠〕