基于薄膜等材料的雙芯可選復(fù)卷裝置設(shè)計

王曉慧，翁茂榮，馬雷明，徐 杭

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，浙江溫州 325000）

0 引言

目前市場上大部分復(fù)卷設(shè)備都是針對有芯的繞卷，這些復(fù)卷設(shè)備的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟。但是由于顧客的需求不同，企業(yè)也需要生產(chǎn)無芯繞卷。紙筒芯軸作為有芯繞卷的重要組成成分，在環(huán)保水平以及資金成本上，使其都劣于無芯繞卷。如圖1所示。

圖1 有芯繞卷和無芯繞卷

在傳統(tǒng)復(fù)卷機上，如果要生產(chǎn)出空心卷筒紙[1]，可以利用前卷取輥、后卷取輥、設(shè)置導(dǎo)輥，放置好原料卷筒紙，同時運用壓紙輥、芯軸支撐體共同構(gòu)成空心卷筒紙裝置，實現(xiàn)這個功能需要工人花費較多時間去干預(yù)，工作效率低，最終造成生產(chǎn)效率低下[2]。不少廠家為了節(jié)約成本，兼顧提高環(huán)保水平，取消支撐硬紙筒等支撐機構(gòu)，此舉反而造成傳統(tǒng)的復(fù)卷機構(gòu)難以運作，故障頻發(fā)。市場上也有不少改裝有芯復(fù)卷機生產(chǎn)無芯繞卷案例，機器改造后往往出現(xiàn)繞卷結(jié)束芯棒回縮脫出、成品橫向移動距離過大等情況，以至于目前市場上一直缺少能夠同時實現(xiàn)無芯繞卷技術(shù)和有芯繞卷技術(shù)兩用的產(chǎn)品功能的設(shè)備[3]。其中有芯復(fù)卷工作原理如圖2所示。

圖2 有芯復(fù)卷工作原理

福伊特蘇爾壽公司（VOITH SULZER）和美卓公司（Metso）是目前國際上技術(shù)領(lǐng)先的復(fù)卷機制造及有芯繞卷技術(shù)設(shè)計應(yīng)用企業(yè)，其有芯繞卷技術(shù)已非常成熟，并深深影響到其他國家地區(qū)的復(fù)卷機制造企業(yè)[4]。無芯復(fù)卷機制造技術(shù)的推廣，要追溯到挪威的Bragerne 公司，該企業(yè)設(shè)計開發(fā)的BM-1005-1000產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)每分鐘150卷（450 m）的卷取速度，全程不需工人的額外參與，通過無芯軸實現(xiàn)高速自動復(fù)卷?？v觀國內(nèi)外相關(guān)文獻及目前市場常見復(fù)卷技術(shù)，以有芯繞卷技術(shù)設(shè)備居多，高效無芯繞卷設(shè)備較少見，雙芯兩用功能設(shè)備還未見相關(guān)產(chǎn)品[5]。

上述利用前卷取輥、后卷取輥，實現(xiàn)無芯復(fù)卷工作設(shè)備，國內(nèi)也有產(chǎn)品應(yīng)用，但其工作原理實際上還是利用氣脹軸作為芯軸[6]，完成復(fù)卷工作，后期工人需要手動抽出芯軸，因為非全自動完成，固工作效率降低，復(fù)卷設(shè)備難以提升速度。目前研究主要是如何把有芯繞卷機器改造為無芯繞卷，幾乎沒有對一臺機器如何實現(xiàn)雙芯兩用的技術(shù)進行研究，且有的也只是處于研究報告和理論設(shè)計層面之上，而沒有真正能夠用于實際生產(chǎn)上。個別期刊和專利中設(shè)計雙芯功能，具有控制不方便，PLC控制成本高[7]，不便于產(chǎn)業(yè)化等特點。

工業(yè)技術(shù)的不斷進步、客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升、市場對繞卷種類需求的不斷擴大，不斷刺激繞卷復(fù)卷設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)朝著功能多樣、高效運作方向不斷開發(fā)，行業(yè)不斷發(fā)展，雙芯可選復(fù)卷裝置設(shè)計理念也由此產(chǎn)生。

1 自動換卷技術(shù)

本文根據(jù)雙芯可選復(fù)卷裝置要求設(shè)計開發(fā)了一種雙芯兩用可選復(fù)卷裝置，主要用于對各種原料如紙類、薄膜等材料進行繞卷和復(fù)卷，從而實現(xiàn)便于運輸和儲存。繞卷復(fù)卷等工作在現(xiàn)有的復(fù)卷機器上很容易實現(xiàn)，但是由于不同用途的原料所要求的繞卷種類不同，因此目前市場上常見設(shè)備要么是有芯復(fù)卷裝置[8]，要么是無芯復(fù)卷裝置。未見有一臺復(fù)卷裝置上實現(xiàn)雙芯兩用可選功能，本課題針對這個難點進行了研究，在同一臺復(fù)卷裝置上實現(xiàn)兩芯可選功能，根據(jù)需要可以實現(xiàn)有芯復(fù)卷和無芯復(fù)卷的兩種功能的切換，最終實現(xiàn)降低作業(yè)成本，拓展設(shè)備適用范圍等特點。

其主要由起卷機構(gòu)、繞卷結(jié)構(gòu)、收卷機構(gòu)、傳動機構(gòu)、退位機構(gòu)等組成，該產(chǎn)品具有雙芯軸及雙芯軸用軸套，可以實現(xiàn)兩芯切換功能，在選用無芯復(fù)卷時，所采用的芯棒是錐形槽軸[9]，因為芯軸錐度太大會導(dǎo)致繞卷時受力不均影響繞卷質(zhì)量，錐度太小會導(dǎo)致無芯繞卷時退卷不順利從而影響繞卷效率和質(zhì)量；槽的深度和個數(shù)也會影響收卷退卷，槽深和個數(shù)也是要經(jīng)過多次仿真和實驗確定的最佳值，從而確保起卷和繞卷質(zhì)量。

2 雙芯可選復(fù)卷技術(shù)機構(gòu)設(shè)計

2.1 總體機構(gòu)設(shè)計

本文所述復(fù)卷裝置的設(shè)計，其設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)盤、機架、驅(qū)動軸、軸套、下料裝置、卷袋裝置。其中卷袋裝置是主要設(shè)計單元。

卷袋裝置包括兩個同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)盤2，其中一個固定設(shè)置，另一個可轉(zhuǎn)動。驅(qū)動軸3 從兩個同軸線的轉(zhuǎn)盤中心位置穿插過，利用軸承實現(xiàn)與機架的可活動連接，軸承則通過固定在轉(zhuǎn)盤2上面的軸套保持空間位置不變，并與驅(qū)動軸3完成轉(zhuǎn)動配合。如圖3所示。

圖3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 起卷機構(gòu)設(shè)計（無芯起卷）

有芯起卷較為簡單，是裝備所帶；選用無芯繞卷時，則需要進行更換錐形槽軸，并且控制不同的吹氣棒進行吹氣，一個吹氣棒安裝在芯軸的上前方機架上，氣棒上有吹氣孔，吹氣孔有多個，朝向錐形槽軸的槽處進行吹氣（為了退卷順利）[10]，另外兩個則是朝向材料表面的不同位置和角度進行吹氣，利用槽軸摩擦力和氣體壓力使得材料順利起卷。如圖4所示。

圖4 無芯組合件芯軸

2.3 無芯繞卷機構(gòu)設(shè)計（芯軸設(shè)計）

為了可以實現(xiàn)雙芯兩用，又能保證無芯繞卷質(zhì)量和退卷順利，設(shè)計了無芯復(fù)卷用的錐形槽軸，因為芯軸錐度太大會導(dǎo)致繞卷時受力不均影響繞卷質(zhì)量，錐度太小會導(dǎo)致無芯繞卷時退卷不順利從而影響繞卷效率和質(zhì)量；芯桿與中間管設(shè)有導(dǎo)向槽配合機構(gòu)，導(dǎo)向槽的深度和個數(shù)也會影響收卷退卷，槽深和個數(shù)也是要經(jīng)過多次仿真和實驗確定的最佳值的導(dǎo)向柱。如圖5所示。

圖5 有芯繞卷芯軸

固定管與中間管在同一軸線、中間管與芯棒也在同一軸線，三者共同構(gòu)成芯桿機構(gòu)，轉(zhuǎn)盤上安裝固定管，中間管在固定管中可轉(zhuǎn)動，并通過軸承保持徑向位移不變。中間管中放置芯棒，在軸向上，芯棒相對中間管可軸向滑動，且同樣保持徑向位移不變。芯棒長度保證其前后可在中間管兩端伸出。芯棒的軸向移動通過桿身上的彈性限位塊，與靠近中間管活扣一段設(shè)置的限位套中的限位凹槽相配合來限制。固限位套的內(nèi)徑不能小于芯桿的外徑，屬于間隙配合。

2.4 收卷機構(gòu)設(shè)計（可變量程氣缸、退位裝置）

有芯繞卷在完成材料復(fù)卷工作后，芯軸需要回縮，并脫出材料，其橫向移動距離有一定要求，由于存在紙管，該橫向距離與無芯繞卷所需距離差別較大[11]。有芯回縮距離較近，無芯繞卷則需要回縮距離較大，因此在收卷退位控制方面換用了可調(diào)節(jié)行程氣缸控制；并且利用導(dǎo)向桿、驅(qū)動架以及氣缸等形成的機構(gòu)能提供更長距離的橫向移動，可以適用無芯和有芯的繞卷。

氣缸固定在驅(qū)動架上，它是作為驅(qū)動架在導(dǎo)向桿移動的動力源，其活塞桿與芯桿同軸，另設(shè)有U 型活扣，活扣兩端設(shè)有橫向限位部，芯桿與活扣靠近的位置，設(shè)有連接盤，用于端部連接，對于兩個橫向限位部，要求其間距小于連接盤外徑，但要大于芯桿的外徑，另限位部與U 型扣間距不小于連接盤厚度，U 型扣位置要在芯桿繞轉(zhuǎn)盤中心旋轉(zhuǎn)圓形軌跡上。為適用雙芯可用繞卷工作，上述氣缸活塞桿可通過推動連接盤，實現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)的橫向距離隨不同工作場景改變。

2.5 雙用軸套的設(shè)計

為了實現(xiàn)雙芯兩用可選，所設(shè)計的與無芯繞卷芯軸用軸套孔的長度和精度有非常高的要求，孔的長度太長會使得設(shè)備尺寸增加，太短會即降低軸套和芯軸的同軸度，影響繞卷質(zhì)量；孔的精度也直接影響芯軸在軸套里的跳動量，從而影響退卷和繞卷，因此要求較高。

中心軸和套管設(shè)置同軸，但可以獨立旋轉(zhuǎn)，促使兩個芯桿也能獨立傳動工作，該設(shè)計方式既維持機器穩(wěn)定工作，又優(yōu)化和節(jié)約機器整體空間。如圖6所示。

圖6 兩用軸套

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

有芯繞卷和無芯繞卷采用一體化控制。利用可調(diào)行程開關(guān)進行繞卷種類選擇；采用光電式開關(guān)傳感器對繞卷的位置信息進行采集；利用PLC對起卷和收卷進行直接控制。

3 復(fù)卷過程實現(xiàn)

3.1 卷袋具體機構(gòu)

卷袋裝置包括兩個同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)盤2，其中一個固定安裝、一個可旋轉(zhuǎn)運動。

3.2 卷帶具體實現(xiàn)過程

驅(qū)動軸從兩個同軸線的轉(zhuǎn)盤中心位置穿插過，利用軸承實現(xiàn)與機架的可活動連接，軸承則通過固定在轉(zhuǎn)盤上面的軸套保持空間位置不變，并與驅(qū)動軸完成轉(zhuǎn)動配合。轉(zhuǎn)盤的動力則是通過電機驅(qū)動機架齒輪-機架齒輪與轉(zhuǎn)盤邊緣齒牙嚙合-轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)動力輸入。

兩個芯桿相對于可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的中心對稱設(shè)置，可實現(xiàn)周向轉(zhuǎn)動和軸向運動[12]。套管與中心軸通過圓形軸承套接，共同構(gòu)成驅(qū)動軸，套管軸承外圈、中心軸軸承內(nèi)圈均固定連接，套管軸承內(nèi)圈、中心軸軸承外圈非固定連接。

中心軸、套管兩端共設(shè)置有4個皮帶輪（皮帶輪一、皮帶輪二、皮帶輪三、皮帶輪四），兩個芯桿也分別設(shè)置有兩個皮帶輪（皮帶輪五、皮帶輪六），其中皮帶輪二與皮帶輪六、皮帶輪四與皮帶輪五分別通過皮帶傳動實現(xiàn)動力傳輸。

通過設(shè)計兩個獨立的驅(qū)動機構(gòu)（驅(qū)動電機），利用皮帶聯(lián)動原理，分別驅(qū)動皮帶輪一、皮帶輪三，再通過皮帶輪一、皮帶輪三分別驅(qū)動中心軸及套管，形成兩個動力傳遞路線。傳遞路線一：驅(qū)動電機-皮帶輪一、中心軸-皮帶輪二-皮帶輪六-芯桿；傳遞路線二：驅(qū)動電機-皮帶輪三-套管-皮帶輪四-皮帶輪五-芯桿；兩個動力傳遞路線獨立穩(wěn)定運行，整體驅(qū)動設(shè)計結(jié)構(gòu)最終節(jié)約了空間、實現(xiàn)了驅(qū)動距離的橫向可移動，能夠滿足無芯、有芯雙芯可選運行功能。

圖7 驅(qū)動機構(gòu)

4 結(jié)束語

通過對現(xiàn)有有芯繞卷裝置的起卷機構(gòu)（無芯）、繞卷結(jié)構(gòu)、收卷機構(gòu)、雙芯軸及雙芯軸用軸套的改進和創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了兩芯切換功能[12]。最后通過實驗調(diào)試驗證本復(fù)卷機可以實現(xiàn)有芯復(fù)卷和無芯復(fù)卷的兩種功能的切換，本產(chǎn)品可適用于塑料袋、薄膜等有芯繞卷和無芯繞卷，穩(wěn)定性和多功能性得到了足夠的體現(xiàn)，其作用所產(chǎn)生的效益是不可估量的，因此本產(chǎn)品具有很好的經(jīng)濟效益。具有成本低、適用范圍廣等特點。

適用場合有芯卷（塑料袋、薄膜等）和無芯卷（塑料袋、薄膜等）的分切和復(fù)卷，適應(yīng)不同客戶和不同材質(zhì)所需繞卷種類的需求，多功能化復(fù)卷裝置提高了生產(chǎn)效率和降低了經(jīng)濟成本；繞卷長度為300～600 mm；繞卷寬度為200～400 mm；制品厚度為0.01 mm；電動機功率為10 kW。