4350CH 小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置的運(yùn)動(dòng)仿真研究

曾學(xué)淑， 何邦貴， 崔歡歡

（1.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 云南 昆明 650203； 2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650504）

0 引言

GDX2 包裝機(jī)是我國(guó)卷煙企業(yè)采用的硬盒包裝機(jī)組之一，機(jī)組中的透明紙包裝機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)可靠，調(diào)試維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在煙草行業(yè)中，占有不可替代的作用。 BOPP 雙向拉伸聚丙烯煙膜是小盒煙包透明紙的主要材料，因?yàn)锽OPP 薄膜本身的特點(diǎn)與4350CH小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置的設(shè)計(jì)不足， 所以在透明紙?jiān)诎b過(guò)程中常產(chǎn)生皺紋、氣泡和漏氣等現(xiàn)象，為了減少這些影響產(chǎn)品美觀的因素，并能夠保證設(shè)備的正常生產(chǎn)率。本文對(duì)小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置在不同的生產(chǎn)率情況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析研究[1-4]，以ANSYS 軟件為研究平臺(tái)，對(duì)熱封裝置中的成型轉(zhuǎn)塔在不同的轉(zhuǎn)速的情況下輸入矩形脈沖波時(shí)作瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)研究分析[5-6]。

1 4350CH 小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置運(yùn)動(dòng)分析的基本理論

由于小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都是關(guān)于時(shí)間載荷的一個(gè)響應(yīng)， 所以運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)來(lái)分析它的運(yùn)動(dòng)特性。 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程為：

2 4350CH 小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置的運(yùn)動(dòng)分析

2.1 熱封裝置的仿真建模

4350CH 小盒透明紙熱封裝置，見(jiàn)圖1，在進(jìn)行煙包長(zhǎng)邊包裝熱封時(shí)常出現(xiàn)皺紋、氣泡和漏氣等現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。在熱封裝置中的成型轉(zhuǎn)塔中完成小盒煙包透明紙的折疊和長(zhǎng)邊的熨燙，見(jiàn)圖3。 因?yàn)闊煱诔尚娃D(zhuǎn)塔中完成折疊和熱封，所以對(duì)熱封裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，可以簡(jiǎn)化成只研究成型轉(zhuǎn)塔的運(yùn)動(dòng)。 成型轉(zhuǎn)塔由前后兩塊成型板、 法蘭座、折疊板和螺栓螺釘組成，為了簡(jiǎn)化沒(méi)有必要的一些計(jì)算過(guò)程，只分析成型轉(zhuǎn)塔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)成型轉(zhuǎn)塔前板的運(yùn)動(dòng)分析得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析數(shù)據(jù)。 根據(jù)成型轉(zhuǎn)塔前板的相關(guān)參數(shù)，直徑為￠=240.0mm，盒模內(nèi)腔上、下尺寸的寬度為23.2mm。 通過(guò)三維建模軟件建立模型，如圖4 所示，再在ANSYS 軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

圖1 GDX2 小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置Fig.1 GDX2 packet of film long edge heat-sealing device

圖2 煙包存在的缺陷Fig.2 Defects of cigarette bag

圖3 成型轉(zhuǎn)塔實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of forming turret

圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

2.2 熱封裝置在不同生產(chǎn)率下時(shí)間步的設(shè)定

由于4350CH長(zhǎng)邊透明紙熱封裝置是一個(gè)周期性的運(yùn)動(dòng)， 在第一個(gè)烙鐵工位時(shí)進(jìn)行透明紙預(yù)熱封和第二個(gè)烙鐵工位時(shí)進(jìn)行最終熱封時(shí)， 為了保證在這兩個(gè)工位上熨燙出來(lái)的品質(zhì)，成型轉(zhuǎn)塔在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要短暫的停頓，因此運(yùn)動(dòng)不是連續(xù)性運(yùn)動(dòng)。 因此，需要分析成型轉(zhuǎn)塔在不同的生產(chǎn)率下，輸入脈沖矩形波時(shí)，設(shè)備的速度，加速度情況。根據(jù)現(xiàn)在煙廠(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，取三組不同的生產(chǎn)率進(jìn)行分析， 根據(jù)生產(chǎn)率可以得到熨燙一煙包長(zhǎng)邊的時(shí)間，見(jiàn)表1。

表1 不同生產(chǎn)率表Tab.1 Different productivity table

時(shí)間步是瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的重點(diǎn)，時(shí)間步長(zhǎng)是t1到t2的 時(shí) 間 增量，決定了最終求解的精確度。 由于熱封裝置是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)， 在選取時(shí)間步的數(shù)值要非常仔細(xì)， 盡可能地小， 最少能小到足夠獲取動(dòng)力響應(yīng)頻率。 求解初始值的方法如下：

式中：f—響應(yīng)頻率；T—運(yùn)動(dòng)周期。

成型轉(zhuǎn)塔在生產(chǎn)率為400 包/min 的運(yùn)動(dòng)周期為0.15s，根據(jù)式（2），式（3），求得初始值為0.0075s，為了方便設(shè)定矩形脈沖波，把不同生產(chǎn)率時(shí)的初始值統(tǒng)一起來(lái)，取為0.005s。

在整個(gè)煙包長(zhǎng)邊透明紙熱封過(guò)程中， 設(shè)定為相對(duì)于時(shí)間函數(shù)的矩形脈沖波。 為了熨燙充分[7-10]，每個(gè)工位上需要合適的熨燙時(shí)間。 熨燙時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 會(huì)使透明紙起皺紋，烙通，時(shí)間過(guò)短，透明紙熨燙部分不充分。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每次熨燙的時(shí)間大約為0.01s 時(shí)效果最佳。

根據(jù)式（2），式（3）計(jì)算可以得出：生產(chǎn)率為340 包/min 時(shí)， 煙包從進(jìn)入成型轉(zhuǎn)塔到離開(kāi)轉(zhuǎn)塔的時(shí)間為0.176s。 便于觀察，取5/4 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行分析，時(shí)間為0.235s，初始時(shí)間為0.005s 后，結(jié)束時(shí)間為0.240s。 由于煙包經(jīng)過(guò)成型轉(zhuǎn)塔時(shí)，需要在兩個(gè)工位上進(jìn)行熨燙，所以一共設(shè)定9 個(gè)時(shí)間步， 時(shí)間步t1到t2時(shí)間間隔為0.049s，t2到t3是煙包熨燙時(shí)間，間隔為0.01s，依次替推下去。 可以得到9 個(gè)步的時(shí)間， 也可以推出生產(chǎn)率為400 包/min 和460 包/min 下的時(shí)間布，見(jiàn)圖5。 同時(shí)可以得出不同生產(chǎn)率下，每個(gè)時(shí)間步所得到的矩形脈沖波形圖，見(jiàn)圖6～8。

圖5 不同生產(chǎn)率下時(shí)間步的取值Fig.5 The value of time step under different productivity

圖6 340 包/min 矩形脈沖波圖Fig.6 340 packages/min rectangular pulse wave pattern

圖7 400 包/min 矩形脈沖波圖Fig.7 400 packages/min rectangular pulse wave pattern

圖8 460 包/min 矩形脈沖波圖Fig.8 460 packages / min rectangular pulse wave pattern

2.3 不同生產(chǎn)率下成型轉(zhuǎn)塔的動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)ANSYS 軟件的運(yùn)動(dòng)分析， 得出在340 包/min、400 包/min 和460 包/min 生產(chǎn)率情況下達(dá)到同一個(gè)位置的速度和加速度，見(jiàn)圖9～14 所示。從圖中可以看出，到達(dá)同一個(gè)位置的時(shí)間，速度和加速度都不同。由此可知生產(chǎn)率越高，到達(dá)同一個(gè)位置點(diǎn)的時(shí)間越短，速度和加速度越大[11-15]。如果只考慮生產(chǎn)率，生產(chǎn)率越高越好，但生產(chǎn)率越高，速度和加速度也越大，對(duì)整個(gè)設(shè)備帶來(lái)的不利因素也將增大。 如整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的振動(dòng)、 噪聲等就會(huì)隨著速度、加速度的增大而增加，那整個(gè)設(shè)備穩(wěn)定性就會(huì)降低。

圖9 340 包/min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.9 Speed curves and data of forming turret at 340 packages/min

圖10 400 包/min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.10 Speed curves and data of forming turret at 400 packages/min

圖11 460 包/min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.11 Speed curves and data of forming turret at 460 packages/min

圖12 340 包/min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的加速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.12 Acceleration curves and data of forming turret at 340 packages/min

圖13 400 包min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的加速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.13 Acceleration curves and data of forming turret at 400 packages/min

圖14 460 包/min 時(shí)成型轉(zhuǎn)塔的加速度曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)Fig.14 Acceleration curves and data of forming turret at 460 packages/min

3 結(jié)論

在不同的生產(chǎn)率下，4350CH 長(zhǎng)邊透明紙熱封裝置在輸入矩形脈沖波的情況下，做周期運(yùn)動(dòng)，達(dá)到同一個(gè)位置的時(shí)間，速度和加速度都不相同。 生產(chǎn)率越高，到達(dá)同一位置的時(shí)間越短，而速度和加速度越大。由于整套設(shè)備是高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，隨著速度和加速度的提高，給整套設(shè)備帶來(lái)的不利因素也隨之增加，穩(wěn)定性和可靠性降低，維修費(fèi)用增加，整個(gè)生產(chǎn)成本增加。 綜合生產(chǎn)率，設(shè)備的穩(wěn)定性以及透明紙熨燙的效果來(lái)分析， 設(shè)備的生產(chǎn)率需要限制在一定的范圍內(nèi)。 研究結(jié)果表明：生產(chǎn)率在350～450 包/min 之間的效果最好。

GDX2 小盒透明紙長(zhǎng)邊熱封裝置的生產(chǎn)率，取決于完成一個(gè)煙包長(zhǎng)邊熨燙的時(shí)間和成型轉(zhuǎn)塔在輸送過(guò)程的轉(zhuǎn)速。為了能夠得到生產(chǎn)效率高且熨燙出來(lái)煙包的品質(zhì)好，加工過(guò)程中又能減少對(duì)機(jī)構(gòu)本身及環(huán)境的有害因素。 盡量讓煙包在熨燙的時(shí)間足夠的長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速也盡量的大，在保證熨燙時(shí)設(shè)備穩(wěn)定性好的情況下， 可以考慮在成型轉(zhuǎn)塔下面增加一個(gè)減震裝置。