高速利樂包分切機的開發(fā)與設(shè)計

孫 昊

（上海箴宇控制技術(shù)有限公司，上海 寶山200949）

高速利樂包分切機的開發(fā)與設(shè)計

孫 昊

（上海箴宇控制技術(shù)有限公司，上海 寶山200949）

通過對分切機主要功能參數(shù)介紹以及對放卷裝置、恒張力控制、熱接裝置、分切機構(gòu)、收卷形式、拔軸器等部件結(jié)構(gòu)特點和原理的詳細分析，系統(tǒng)而有力地論證了本公司自主研發(fā)設(shè)計的高速利樂包分切機的科學(xué)性和先進性，完全可以替代國外同類產(chǎn)品，滿足國內(nèi)廠商實際生產(chǎn)要求，同時具有明顯價格優(yōu)勢。

利樂包；分切機；恒張力控制；熱接；展平輥；氣動圓刀

1 前言

無菌包裝源于上世紀60年代初瑞典Loeliger&Regez研制成功的包裝材料，它主要由PE/鋁箔/原紙/鋁箔/PE五層擠壓復(fù)合而成，故也稱復(fù)合紙，以下簡稱紙塑。無菌包裝適應(yīng)于當前國際流行的銷售形式和習(xí)慣，且節(jié)能、低成本，是當代食品包裝工業(yè)的一項重大技術(shù)變革，被廣泛用于各種盒裝、袋裝飲料包裝，但配套的高速利樂包分切機（以下簡稱分切機）主要依賴進口，國內(nèi)分切機主要存在車速不高，張力不穩(wěn)，熱接處理不好、收、放卷功能不全等問題[1-2]。

本高速利樂包分切機在分析和吸收國外先進技術(shù)經(jīng)驗基礎(chǔ)上自主研發(fā)設(shè)計而成，綜合無軸定位放卷、光電液壓糾偏、恒張力、恒速度控制、熱接平臺、兩次展平、氣動圓刀、壓緊收卷、跟隨收卷、液壓卸卷、自動裝卸收卷軸、定長停車等多項功能于一體，各項主要參數(shù)達到高速分切機的使用要求，設(shè)備總圖如圖1所示。

2 分切機主要技術(shù)參數(shù)

收卷牽引電機功率 55kW,

糾偏電機功率 2.5kW,

液壓站主電機功率 7.5kW,

液壓站小電機功率 1.5kW,

拔軸器電機功率 2kW,

廢邊風機功率 11kW,

主機線速度 最大1 000m/min

(達到最大速度的最小收卷直徑為500mm),

糾偏范圍 ±75 mm,

輥面寬度 1 520 mm,

過料寬度 1 450 mm,

分切寬度 120～800 mm,

張力范圍 1 200～2 000N,

放卷直徑 ￠1 800 mm,

收卷直徑 ￠1 800 mm,

端面平整度 ＜±0.5 mm。

3 分切機重要部件的結(jié)構(gòu)特點和原理

圖1 利樂包分切機總圖

3.1 恒張力控制

整機以收卷電機為主要牽引動力，放卷采用多重氣室盤制動，制動壓力按放卷母卷的直徑不斷變化而成比例改變。為保證恒張力控制，在熱接裝置下方安裝有一根張力輥，不同的材料設(shè)定不同的張力后，張力輥檢測張力的大小以模擬量形式輸送給PLC，主控系統(tǒng)PLC計算放卷直徑、張力矩和機器加減速后的慣量補償，輸出給I/P，從而調(diào)節(jié)制動力矩的大小。單個制動器在0.6MPa氣壓下能夠提供不少于1 500N·m的制動扭矩。在實際使用中，可以根據(jù)膜卷的大小，合理選擇使用單個或兩個制動器。當緊急剎車時，放卷制動器上的制動壓力為最高壓力（0.6MPa）。兩只制動器在最高氣壓時可以提供不小于3 000N·m的制動扭矩。

3.2 無軸定位放卷裝置

整個放卷裝置包括放卷臂、游動架、定位升降小車、液壓糾偏、張力控制等組成部分。單獨控制的兩個液壓油缸分別安裝在兩個放卷臂上以推動放卷臂。如圖2所示，兩個放卷臂在油缸的驅(qū)動下可沿放卷游動架上的直線導(dǎo)軌作雙臂同動、雙臂對動、單臂左移、單臂右移，以調(diào)整放卷臂的相互間距，適應(yīng)放卷母料寬度尺寸560mm至1 450mm的變化。放卷定位升降小車用于母卷快速裝卸，定位升降小車升降平穩(wěn)，配有安全保護裝置，最大承重3t，最小放卷直徑為450mm[5]。

圖2 放卷臂油缸液壓原理圖

3.3 熱接功能

由于分切機正常換卷及定長停車去除印刷及復(fù)合等前道工序造成的質(zhì)量缺陷（如飛墨、拉線、套印、色差、洗版、刀絲、刮傷、拖墨、漏印、蚊蟲、異物等）后，需要將兩段紙塑連接成整體，即熱接工藝。熱接是分切機操作的主要工藝之一，如處理不妥會導(dǎo)致紙塑表層和底層PE起皺脫落、熱接寬度不相等、接縫不緊密、氣孔等問題，造成紙塑接頭存在虛接的現(xiàn)象，而以上缺陷又會造成分切后的條形紙塑跑偏導(dǎo)致相鄰兩卷材料互相疊加咬合以及紙塑斷裂被迫停機等問題。

針對上述實際生產(chǎn)中存在的問題，研究開發(fā)熱接裝置主要包括：熱接平臺、上紙塑鎖、下紙塑鎖、真空吸盤、紙重疊、紙端定位等。具體工藝過程如下：

熱接操作時，紙端定位機構(gòu)油缸回縮，確保切刀對準任意相鄰兩排圖案的中間空白處，以保持圖案的完整性；然后，上紙塑鎖夾緊紙塑，同時切刀劃開紙塑，移除廢棄部分；接下來，放卷制動器松開，手動牽引先對齊紙塑側(cè)邊，再對齊圖案；下紙塑鎖鎖緊紙塑，同時下移，切刀再次切開紙塑實現(xiàn)上、下紙塑切刀口平齊；真空泵啟動產(chǎn)生12.3kPa真空氣壓帶動真空吸盤吸住紙塑，避免其因自重下滑；紙重疊機構(gòu)推動下紙塑鎖、真空吸盤同時上移20mm，實現(xiàn)上、下紙塑均勻重疊20mm；熱接平臺下移85mm，對準紙塑重疊部位，同時加熱板迅速溫升至130℃，溫控器輸出報警信號TLA。手動按下熱接壓板下按鈕，紙塑重疊部分被壓住，并繼續(xù)升溫至190℃，溫控器輸出連鎖信號THA，熱接壓板油缸自動回復(fù)，熱交換裝置復(fù)位，熱接完成[3～4]。

3.4 圓刀分切機構(gòu)

利樂包由多種不同基材組成，克重較大，最大可達550g/m2。普通切刀分切通常存在毛邊、粉塵大、靠刀壓力不均、刀片易磨損等問題。利樂包屬于食品包材，各項要求嚴格，普通切刀很難達到快速有效分切的要求。為了徹底解決以上問題，設(shè)計由氣動上刀、分切刀總成和下圓盤刀組成圓刀分切系統(tǒng)。下圓盤刀裝于底刀輥上并用間隔套隔開，間隔套用于紙塑寬度規(guī)格的調(diào)整。氣動上刀可以排列地固定在上刀座上，主要有進刀和靠刀兩個動作，且進刀深度和靠刀壓力均可以微調(diào)。

底刀輥的前后分別裝有一根展平輥，前一根用于紙塑的展平，后一根用于紙塑分切后的展開，以確保每相鄰兩卷材料之間有1～2 mm的間隙，避免收卷引起交叉重疊。

3.5 收卷機構(gòu)

為了獲得不同的收卷效果，收卷方式分為壓力模式和跟隨模式，壓力模式時收卷紙卷可以獲得硬度較高的收卷效果且跟隨架上的壓輥和紙卷表面的接觸壓力在30～50kg范圍內(nèi)可調(diào)；跟隨模式時跟隨架上的壓輥與收卷紙卷始終保持10～20mm的間距，收卷松緊度由系統(tǒng)張力保證。

以上兩種收卷方式中壓力模式難度最大,是整臺機器設(shè)計的要點。壓力控制效果直接決定收卷質(zhì)量。壓力較大收卷紙卷容易竄邊，而且壓輥產(chǎn)生的壓力通過紙卷傳遞到收卷軸上，繼而又會通過收卷軸端軸承座傳遞到收卷墻板上，大大增加了收卷軸和收卷墻板的負荷，嚴重時會導(dǎo)致收卷軸變形、收卷墻板震動等一系列問題。壓力較小時會出現(xiàn)收卷軸每旋轉(zhuǎn)一圈的過程中壓輥時而壓住料卷時而壓不住料卷的問題，紙卷越大問題越嚴重，主要是原材料厚度不均不斷累計導(dǎo)致的偏心、收卷紙心圓周厚度不均造成的橢圓度、收卷氣脹軸脹起不均引起的紙心偏心等原因。每一卷材料或多或少都存在以上問題，只能盡量減少影響，不能完全消除，因此只能從跟隨架油缸液壓系統(tǒng)油壓控制上解決。如圖3所示，P2是進油路，T1是回油路，07191是三位四通換向閥。DT6得電油路處于跟隨模式，DT5得電油路處于壓力模式，DT5和DT6失電油路處于非工作狀態(tài)。工作過程中壓力傳感器時時檢測跟隨油缸無桿腔壓力并轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出到PLC模擬量輸入模塊，經(jīng)程序運算輸出0～10V電壓信號，控制RZMO比例溢流閥的工作閥芯，使閥口尺寸的改變與輸入電壓成比例關(guān)系。當壓輥壓力較大時，PLC控制比例溢流閥的閥口尺寸變小，即泄壓口變小，無桿腔油壓變大，跟隨架多余的重量被跟隨油缸抵消，壓輥壓力變小。相反當壓輥壓力較小時比例溢流閥卸油口尺寸變大，無桿腔油壓變小，跟隨油缸的推力也相應(yīng)變小，跟隨架反映到壓輥上的壓力變大[5]。

圖3 跟隨壓緊控制液壓原理圖

設(shè)計程序需要考慮跟隨架本身自重及重心偏移、系統(tǒng)張力、加減速帶來的影響等多重因素。

3.6 拔軸器裝置

收卷氣脹軸分3〞、6〞、12〞三種規(guī)格。為了減少人工勞動高強度，提高整機自動化程度，裝軸、拔軸采用拔軸器。當收卷完成需要卸卷拔軸時，液壓缸將拔軸平臺升起至合適位置，手動爪盤鎖緊收卷氣脹軸端部法蘭，齒輪減速電機通過鏈條帶動爪盤沿軌道移動，抽出收卷氣脹軸；裝軸動作則與之相反。汽缸支撐的輥軸用于平衡收卷氣脹軸在拔出移動時一端的重量。拔軸裝置安裝有安全保護裝置，用于平臺下降時的安全保護作用。

3.7 廢邊系統(tǒng)

由于本機速度較快，廢邊量較大，為了保持機器周邊環(huán)境整潔，采用廢邊真空吸送，打碎后吹出，輸送到廢邊房的處理方式。

3.8 電氣控制系統(tǒng)

采用德國西門子S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，440系列變頻器，1LG4系列變頻電機。為操作方便常用參數(shù)均可在HMI上設(shè)定，如：機器速度、收卷長度、壓緊壓力、定長停車、系統(tǒng)張力等。為方便維護，設(shè)計程序有故障報警和故障診斷功能，故障發(fā)生時可以顯示故障時間、位置、內(nèi)容、可能原因等相關(guān)信息。

4 結(jié)束語

本機各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理，重要配件和傳感器均采用國際知名品牌，如糾偏和張力傳感器采用德國E+L產(chǎn)品，放卷制動器采用意大利RE產(chǎn)品，氣動圓刀采用意大利COTTA產(chǎn)品，展平輥采用意大利FBF產(chǎn)品等。整機速度、張力控制穩(wěn)定，各項主要參數(shù)指標達到國際一流廠商的技術(shù)水準，完全可以替代國外同類產(chǎn)品，獲得了用戶好評。該設(shè)備主要用在印刷、復(fù)合之后，是利樂包生產(chǎn)線中十分重要的環(huán)節(jié)。

[1] 劉仁慶.包裝用紙的現(xiàn)況與前景[J].印刷雜志，2003，30（4）：28-29.

[2] 劉同年.紙包裝制品地位及紙包裝制品裝備發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國包裝工業(yè)，1998，50（8）：6-8.

[3]PAULI KOUTONEN,JARI PAANASALO. Method for positioning the slitters of a slitter-winder in a paper or board machine[P].US:2004/0144223A1,2004-06-29.

[4] PEKKA ERONEN.Device and method for making a splice into a paper web[P].US:6,355,128 B1,2002-05-12.

[5] 成大先.機械設(shè)計手冊（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.11.

（編輯：林小江）

8 評定結(jié)果報告

圓錐滾子標準件角度的不確定度報告為：UD=1.89μm，k=2。

9 結(jié)束語

根據(jù)《Q/HZ11-17025C4/01-2010專用量具校準改值規(guī)定》，規(guī)定圓錐滾子量值傳遞改值角度為2μm，測量尺寸結(jié)果的擴展不確定度為：UD=1.89μm，k=2。擴展不確定小于改值規(guī)定，測量結(jié)果可信。

參考文獻：

[1] 劉哲夫，孫宇翔，陳玉峰.圓錐滾子標準件角度不確定度分析[J].哈爾濱軸承,2014,35(3):45-46.

（編輯：林小江）

Development and design of high speed slitter for Tetra Pak

Sun Hao
(Shanghai Zhenyu Industry Technology Co.,Ltd.,Shanghai Baoshan 200949, China)

This paper introduces the advantage of new developed high speed slitter for Tetra Pak based on the introduction of the main functional parameter and the detailed analysis of the structure features and principle of unwinding mechanism, constant tension control, heat connecting device, slitting mechanism, winding pattern, pull shaft device etc. The new designed slitter can meet the requirement of our customer in China and it can replace the similar machines from oversea, and it also has the advantage of the lower price.

Tetra Pak; slitter, constant tension control; heat connecting; fatten roll; pneumatic round knife

TB 486+.3

A

1672-4852（2015）02-0043-04

2015-05-22.

孫 昊（1978-），男， 工程師.