焦跃层，徐建燎，廖仲生，蔡志坚，陈昆海，薛智勇，王昭焜

厦门烟草工业有限责任公司，福建省厦门市海沧区新阳路1 号 361022

A1 型切丝机是意大利COMAS 公司生产的水平直刃滚刀式切丝机，结构简单，自动化程度高，在卷烟生产企业中应用广泛［1］。A1 型切丝机的物料输送系统采用的是铜排链输送形式，所采用的铜排链属于单铰链式平顶链，具有结构紧凑、不易脱钩等特点。铜排链分为上下两部分，由于下排链的主动辊与耐磨板之间存在设计缺陷，当铜排链反转时容易发生下排链卡滞故障，导致耐磨板变形和铜排链损坏等问题。针对此，戴宇昕［2］设计了一种铜排链水雾润滑施加装置，通过改善工作条件，降低铜排链与耐磨板之间的磨损；鲁中甫［3］通过在铜排链上方设置具有专用润滑油进口的喷嘴，实现铜排链的自润滑，降低切丝机送料机构的故障率；王桂松［4］设计了一种采用平滑大圆角过渡的间隙补偿支撑块，对耐磨板与主动辊的间隙进行补偿，防止铜排链在间隙处下垂，避免铜排链与耐磨板端面发生干涉；韦斌［5］通过改进下排链托条材料，改善了下排链磨损情况。上述改进方法虽在一定程度上降低了铜排链磨损程度，但仍未能解决耐磨板变形等问题。有限元仿真分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，计算精度高且能适应各种复杂形状，是解决复杂工程分析计算问题的有效途径，在工程设计、机械制造、土木工程等领域广泛应用［6］。为此，以COMAS-A1 型切丝机为研究对象，对其下排链传动系统进行改进，并进行有限元仿真分析验证，以期解决下排链卡滞问题，减少设备故障次数，降低生产成本，提高制丝设备生产效率。

1 问题分析

1.1 存在问题

COMAS-A1 型切丝机主要由进料小车、输送系统、电控系统、气动系统、切削与磨刀系统5 部分组成，见图1。其中，输送系统中的上下铜排链形成一个楔形通道，当物料落入通道后，在上下铜排链的同步运动下，物料被输送至刀门，升降气缸带动上刀门对物料施加压力，使物料被压实形成具有一定密度的“烟饼”，便于切丝［7］。在生产中，A1 型切丝机因下排链卡滞容易引起耐磨板变形向上拱起，进而造成耐磨板上螺栓被拉断；变形后的耐磨板挤压下排链，造成下排链拱起并挤压两侧铜压条，导致下排链两端开裂损坏。维修时需要停机更换铜排链、耐磨板等备件，且铜排链拆装难度大，影响生产效率。

图1 A1 型切丝机结构示意图Fig.1 Structure of A1 tobacco cutter

1.2 原因分析

COMAS-A1 型切丝机下排链传动系统主要由主动辊、弧度护板、支撑板、耐磨板、铜排链等部件组成，见图2。运行过程中，在主动辊的啮合带动下，铜排链正转（或反转）运动。为降低摩擦力，支撑板上设有耐磨板，两者间采用沉头螺栓连接。切丝机主体采用焊接件组合而成，在靠近主动辊的一端安装有弧度护板。分析可见，下排链传动系统主要存在以下问题：

（1）为防止杂物进入耐磨板与弧度护板间的空隙，弧度护板表面向上翘起1.5°，导致安装在弧度护板上的耐磨板长度较短（25 mm）；为使铜排链与主动辊啮合脱离后顺利滑入耐磨板上方，将耐磨板头部倒角18.5°，导致耐磨板厚度变薄（最薄处为5 mm）。上述情况造成弧度护板与耐磨板之间无法用螺栓进行连接固定，使耐磨板前段固定强度降低，当下排链传动系统发生故障时，耐磨板前段容易产生变形。

图2 改进前下排链传动系统结构示意图Fig.2 Structure of bottom band transmission system before modification

（2）由于耐磨板长度较短，在铜排链运行方向上，主动辊与耐磨板间会形成一个长约32 mm，深约10 mm 的空隙。因空隙长度大于铜排链链节的圆弧直径（18 mm），在铜排链自重和物料压力作用下，铜排链会在空隙区域产生下垂，下垂高度30～35 mm。当切丝机处于生产状态时，主动辊逆时针转动，带动下排链将物料送至刀门，此时铜排链逆时针与主动辊辊齿进行啮合，啮合状况良好，无卡滞现象；当切丝机处于退料状态时，主动辊顺时针转动，带动下排链将物料运离刀门，铜排链顺时针与主动辊辊齿脱离后进入空隙区域，在此过程中下垂的铜排链与耐磨板产生摩擦，并容易造成下排链卡滞，对耐磨板产生冲击，导致耐磨板变形、铜排链和铜压条组件损坏等问题。

2 改进方法

为消除主动辊与耐磨板间的空隙，提高耐磨板的固定强度，对主动辊、弧度护板结构进行了改进，并将耐磨板前段由直线型改为直齿型，通过增加主动辊辊齿的宽度，为紧固螺栓提供安装空间。改进后下排链传动系统结构见图3。

图3 改进后下排链传动系统结构图Fig.3 Structure of bottom band transmission system after modification

2.1 主动辊

2.1.1 辊齿的失效方式

在啮合传动过程中，辊齿可能存在辊齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损等失效方式［8］。由于铜排链与辊齿啮合属于开式低速传动，且辊齿为硬齿面（硬度＞350 HBS），不易出现齿面点蚀和齿面胶合现象［9-10］。但啮合面间容易落入非金属等磨料性物质，因此可能出现齿面磨损和辊齿折断现象。针对齿面磨损，一般近似认为其约束条件为辊齿的弯曲疲劳强度。

2.1.2 辊齿的受力分析

主动辊辊齿由铜排链紧边进入啮合，因此进行啮合的第一个辊齿承受的作用力最大，随后作用力逐步减少直至脱离啮合［11-12］。在铜排链与辊齿啮合过程中，可近似地认为发生啮合的铜排链链节紧贴辊齿表面，将链节简化为二力杆，在不计摩擦力及自身重力情况下，可知紧边侧与辊齿啮合的第一节链节受到的作用力有紧边拉力P0、第二节链节拉力P1以及齿面法向作用力N，其中P0、P1与主动辊圆心（O 点）连线的夹角相同，P0与P1反向延长线的夹角为360°/z，见图4。根据链节在O 点的受力情况，可得：

在不考虑摩擦力、构件重力和惯性力情况下，辊齿压力角可近似等于驱动力N 和运动方向v 之间的夹角α：

式（1）～式（3）中：P0—链节受到的紧边拉力，N；P1—第二节链节拉力，N；N—齿面法向作用力，N；z—主动辊齿数；θ—P1与N 反向延长线的夹角，（°）；α—辊齿压力角，（°）。

图4 链节受力分析图Fig.4 Load analysis diagram of band

2.1.3 辊齿的强度计算

由图5 可见，在啮合过程中辊齿受到与作用力N 方向相反、大小相等的压力N′。其中，悬臂梁高度为h（即BD），宽度为b（即齿宽b，图中未示出），长度为L（即AC），σN为辊齿弯曲应力。

图5 辊齿载荷及应力分析图Fig.5 Load and stress analysis diagram of roller tooth

将辊齿所受压力N′分解为切向力和径向力，前者对辊齿形成弯曲应力和剪应力，后者使其产生压应力。由于剪应力和压应力比弯曲应力小得多，故辊齿的弯曲疲劳强度按危险截面拉伸侧的弯曲应力计算［13］：

式中：σN—辊齿弯曲应力，Pa；N′—齿面法向作用力的反力，N；L—悬臂梁长度，m；b—齿宽，m；h—悬臂梁高度，m。

将式（2）代入式（4），可得：

图6 改进前后主动辊结构示意图Fig.6 Structure of drive roller before and after modification

2.1.4 主动辊的有限元仿真分析

已知：①切丝机下排链减速电机最大输出扭矩为9 780 Nm；②铜排链在主动辊上的包角接近半个辊轮，辊轮齿数为15 齿，受力齿数选定为7齿；③主动辊材料为3Cr13，屈服强度为735 MPa。根据已知条件对改进后主动辊进行有限元应力分析，结果（图7）显示：①改进后主动辊所受最大应力为6.878×107N/m2，小于屈服强度，最小安全系数为73.5÷6.878=10.69，应变情况能够满足使用需求；②主动辊所受最大应变量为2.288×10-4mm，应变量非常小，符合设计要求。

图7 主动辊的有限元应力和应变分析结果Fig.7 FEA results of stress and strain on drive roller

2.2 弧度护板

2.2.1 护板结构

改进后将弧度护板的平滑圆弧面改为凹槽面，使之能够嵌入主动辊辊齿的横向空间，并在嵌入部分的上端面增加螺栓孔用于固定耐磨板，提高耐磨板前段的固定强度，见图8。

2.2.2 弧度护板的有限元仿真分析

切丝机的物料压实装置主要由上下排链组成，上排链在气缸的作用下向下运动，在上下排链的共同作用力下物料在料仓内被压实为“烟饼”，因此下排链受到的作用力包括气缸产生的压实力以及物料自重。A1 型切丝机使用的气缸直径为250 mm，气缸最大压强为0.4 MPa，单个气缸产生的压实力F=PS=4×105×3.14×0.1252=19 625 N，上排链产生的压实力F上=2F=2×19 625=39 250 N。

图8 改进前后弧度护板结构示意图Fig.8 Structure of arc guard plate before and after modification

分析可见，下排链受到的压实力主要分布在铜排链辊轮、弧度护板和下排链支撑板上。假设压实力全部施加在弧度护板上，弧度护板所用材料为3Cr13，对弧度护板进行有限元仿真分析，结果（图9）显示：①弧度护板所受最大应力为1.6×107N/m2，小于屈服强度，安全系数为7÷1.6=4.375，应变情况能够满足使用需求；②弧度护板所受最大应变量为6.18×10-3mm，应变量非常小，符合设计要求。

图9 弧度护板的有限元应力和应变分析结果Fig.9 FEA results of stress and strain on arc guard plate

2.3 耐磨板

改进后将耐磨板前段由直线型改为直齿型，新增直齿延伸至主动辊辊齿的横向空间，并在此部分增加螺栓孔，利用紧固螺栓将耐磨板固定在弧度护板上，提高耐磨板前段的固定强度，见图10。改进后耐磨板受力情况未发生改变，机械性能稳定，运行不受影响。

图10 改进前后耐磨板结构示意图Fig.10 Structure of wear strip before and after modification

2.4 铜排链

假设铜排链所受最大拉力为P0，铜排链在主动辊上的包角接近半个滚轮，受力齿数为7 齿。改进前以相邻两节铜排链啮合处为分析点，则铜排链所受最大拉力P0均匀分布在整个铜排链长度L1=446 mm 范围内，单位长度铜排链所受拉力F1=P0/L1，此时铜排链可正常运行；改进后以主动辊辊齿与铜排链啮合处为分析点，理想状态下拉力P0均匀分布在主动辊与铜排链的啮合总长度上，此时主动辊与7 根铜排链同时啮合，单根铜排链与主动辊的啮合长度b=206 mm，即P0均匀分布在L2=7b=7×206=1 442 mm 范围内，啮合处单位长度铜排链所受拉力F2=P0/L2。分析可见，L1＜L2，故F1＞F2，当下排链反转时，避免了链节脱离啮合后出现下排链卡滞问题。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“七匹狼（蓝）”“七匹狼（软红）”“金桥（软混）”等卷烟烟丝（由厦门烟草工业有限责任公司提供）。

设备：COMAS-A1 型切丝机6 台（意大利COMAS 公司）。其中，1#～4#设备未进行下排链传动系统改进，5#和6#设备进行了下排链传动系统改进。

方法：分别统计改进前后6 台切丝机在不同生产批次下出现的下排链卡滞故障频次，取平均值。下排链卡滞故障较轻时仅需调整或更换耐磨板，下排链卡滞故障严重时需更换铜排链、耐磨板、铜压条等备件，故统计改进前后6 台切丝机因下排链卡滞故障产生的更换备件及维修费用，取平均值。采用每天两班制生产，每班工作8 h，测试周期为2 年。

3.2 数据分析

由表1 可见，改进后切丝机出现下排链卡滞故障频次由改进前的0.55 次/百批次减少为0，即改进后切丝机未再出现下排链卡滞问题，节约备件及维修费用约3.40 万元/年，设备运行稳定，提高了生产效率。

表1 改进前后切丝机下排链卡滞频次、备件及维修费用对比Tab.1 Frequency of bottom band stagnation and costs of spare parts and maintenance before and after modification

4 结论

通过分析COMAS-A1 型切丝机下排链传动系统存在的设计缺陷，对下排链传动系统的主动辊、弧度护板、耐磨板等部件进行优化改进，并进行了有限元仿真分析验证。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼”等卷烟为对象进行测试，结果表明：改进后COMAS-A1 型切丝机下排链发生卡滞故障频次由改进前的0.55 次/百批次降低为0，节约备件及维修费用约3.40 万元/年，有效解决了下排链卡滞故障及相关构件损坏等问题，降低了生产成本，提高了设备安全性和工作效率。