切絲過(guò)程中刀片變形對(duì)切絲寬度穩(wěn)定性的影響研究

1 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽(yáng)卷煙廠(chǎng) 河南安陽(yáng) 460000

摘要：切絲寬度作為評(píng)價(jià)切絲質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅直接影響加工煙絲的整絲率和填充值等物理指標(biāo)，還對(duì)卷煙的煙氣焦油量、感官質(zhì)量有明顯影響。為更加精細(xì)的保證切絲寬度的穩(wěn)定性，通過(guò)分析刀片在切絲過(guò)程中的受力狀態(tài)，結(jié)合有限元軟件ABAQUS對(duì)刀片的受力變形過(guò)程進(jìn)行建模及非線(xiàn)性有限元計(jì)算，研究了壓刀板與刀片相對(duì)位置對(duì)切絲過(guò)程中刀刃切割煙磚的切割位置的影響。研究結(jié)果表明：適當(dāng)減小壓刀板上邊線(xiàn)與刀刃間的距離可以有效縮小切絲過(guò)程中刀片的形變量，進(jìn)而縮小切絲過(guò)程中切割位置與預(yù)設(shè)值之間的偏差，提高切絲寬度的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：切絲寬度；穩(wěn)定性；有限元分析；切割位置

切絲寬度是評(píng)價(jià)切絲質(zhì)量的重要指標(biāo)，寬度適宜的煙絲可以保證卷煙的內(nèi)外在質(zhì)量，降低消耗和焦油量，提高煙絲的填充能力[1-2]。煙絲過(guò)寬時(shí)，煙支易出現(xiàn)空頭、切口不平齊現(xiàn)象，煙氣堿性會(huì)增加，雜氣和刺激性均會(huì)增大；煙絲過(guò)窄時(shí)，煙支透氣性減小，抽吸阻力增大，煙絲不能完全燃燒，致使卷煙香氣不能充分發(fā)揮；切絲寬度的變化還會(huì)影響煙氣中的氨基酸、煙堿、CO、和苯酚等化學(xué)物質(zhì)的釋放量[3-4]。

行業(yè)內(nèi)對(duì)切絲寬度要求嚴(yán)格控制在0.7-1.1mm范圍內(nèi)，而各卷煙廠(chǎng)根據(jù)自身品牌的特色對(duì)切絲寬度的要求更加嚴(yán)格。實(shí)際生產(chǎn)中，切絲機(jī)刀片在切割煙磚時(shí)會(huì)發(fā)生微小的變形，此微小的變形量使刀片切割煙磚時(shí)的切割位置與預(yù)設(shè)值之間產(chǎn)生偏差，從而使切絲寬度的穩(wěn)定性受到影響。因此，對(duì)刀片在切絲過(guò)程中如何減小變形量進(jìn)行研究是十分有必要的。

目前，關(guān)于切絲過(guò)程中刀片形變對(duì)寬度的影響研究還未見(jiàn)報(bào)道，本文擬通過(guò)對(duì)切絲過(guò)程中刀片的受力變形進(jìn)行分析，并通過(guò)改變壓刀板與刀刃間的距離調(diào)節(jié)切絲過(guò)程中刀片形變量，進(jìn)而縮小切絲過(guò)程中切割位置與預(yù)設(shè)值之間的偏差，保證切絲寬度的穩(wěn)定性。

1切絲機(jī)刀片在切絲過(guò)程中的受力分析

滾刀式切絲機(jī)的切絲刀安裝在刀輥上，刀輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了切絲刀的切削角度。借鑒根據(jù)滾刀式切絲機(jī)的工作原理、金屬切削理論以及木材切削理論建立的切絲刀切削角度的理論模型，結(jié)合某型號(hào)滾刀式切絲機(jī)的實(shí)際工況對(duì)刀片在切絲過(guò)程中的受力進(jìn)行分析[5-9]：

圖1-1 刀片切割煙磚示意圖 圖1-2 刀片受力分析示意圖

如圖1-1所示：某型號(hào)曲刃水平式切絲機(jī)的切削角α為22-28度。切絲過(guò)程中，刀片受到煙磚的反作用力。

如圖1-2所示，刀片切割煙磚的作用力F1與切削速度方向（刀棍圓周刀刃處切線(xiàn)方向）平行，刀片受到的煙磚的反作用力F2與F1大小相等、方向相反。刀片受到垂直前刀面方向的反作用力為F3。在F3的作用下刀片發(fā)生彎曲變形，此時(shí)，刀片的刀刃向外延伸，使得切絲寬度發(fā)生變化。

主切削電機(jī)的額定功率為Q電機(jī)=21千瓦，減速電機(jī)的傳動(dòng)效率?1=0.97、同步齒形帶的傳動(dòng)效率?2=0.95，取功率的修正系數(shù)K修=1.25。則刀輥的功率

Q功=Q電機(jī)?1 ?2/K修=21845×0.97×0.95÷1.25=15481.2（W）。

刀輥轉(zhuǎn)速取n =500r/min，刀輥的角速度ω=2nπ/60

刀輥的切削力矩M= Q功/ω=295.67（N?m）

刀輥直徑D=650mm，選取切絲機(jī)的工況系數(shù)K況=1.3則

主切削力F1=2M/K況D=699.81（N）

刀片垂直前刀面方向受力F3= F1×sin26o=306.78（N）。

刀片前刀面上刀刃至距刀刃a=2mm的范圍內(nèi)受到煙磚的反作用力，SQ343系列切絲機(jī)的刀門(mén)寬度即刀片受力寬度b=500mm。受力面積S=ab=1×10-3m2。

前刀面受力部分受到的壓強(qiáng)P= F3/S=306780（pa）。

2刀片受力變形的有限元分析

2.1有限元模型

2.1.1刀片的幾何尺寸

圖2-1 切絲刀片示意圖

如圖2-1所示，刀片寬度H=520mm，刀片厚度S=1mm，刀片在切割煙磚時(shí)，刀片在長(zhǎng)度方向上的受力范圍L=2mm。刀片的切削角α為22-28度。刀片材料的彈性模量E=2.06×105Mpa，泊松比為0.3。有限元分析采用ABAQUS軟件中的二十節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元（C3D20R）進(jìn)行建模和計(jì)算，該單元模型位移求解的結(jié)果較為精確，并能有效的防止剪力自鎖現(xiàn)象[10-11]。

2.1.2邊界條件及加載方式

刀片上壓刀板上邊線(xiàn)以下部分視為固定支座，約束U1、U2、U3自由度，壓刀板上邊線(xiàn)以上部分為自由端。加載方式為位移加載，其中位移的取值為U。在加載過(guò)程中以壓強(qiáng)的形式作用在刀片的受力區(qū)域內(nèi)，使刀片上壓刀板上邊線(xiàn)以上部分承擔(dān)點(diǎn)位移。

3刀片受力變形的有限元分析

利用Abaqus軟件對(duì)刀片切削過(guò)程中的受力變形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2-2所示：

圖2-2 壓刀板距刀刃7mm時(shí)刀片變形示意圖

刀片的最大變形位置在刀尖處，刀片的最大變形為0.6352mm。刀片不變形時(shí)，刀片前刀面距刀棍中心軸的距離為L(zhǎng)1=283.8mm，刀片的切割位置距刀棍中心軸的距離L2=L1/cos26o=315.76mm；刀片變形時(shí)，刀片前刀面刀刃處距刀棍中心軸的距離為L(zhǎng)1’=284.44，刀片的切割位置距刀棍中心軸的距離L2’=L1’/cos26o=316.47mm。刀片的切割位置向外延伸了0.71mm，致使切絲寬度與預(yù)設(shè)值之間產(chǎn)生偏差，對(duì)煙絲質(zhì)量產(chǎn)生影響。

當(dāng)?shù)镀斐隽繙p少1mm時(shí)，利用Abaqus軟件對(duì)刀片進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖2-3所示：

圖2-3壓刀板距刀刃6mm時(shí)刀片變形示意圖