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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 16 頁(yè)
螺旋卷管機(jī)的工作原理
摘要：卷管機(jī)是生產(chǎn)卷紙管的機(jī)器，卷管部分是螺旋紙管生產(chǎn)的最主要的一部分，本文主要介紹卷管機(jī)的發(fā)展歷程及其工作原理。本文研究了螺旋紙管（罐身）各參數(shù)之間，以及皮帶輪直徑和最大紙管外徑之間的關(guān)系，另外還研究了螺旋焊管的成型原理，對(duì)螺旋焊管成型技術(shù)的輥形設(shè)計(jì)、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板輥的適用性等問題進(jìn)行了研究，并給出了成型工藝設(shè)計(jì)示例。
關(guān)鍵詞：卷管機(jī)的發(fā)展/螺旋紙管/成型原理/螺旋焊管/預(yù)彎/彈復(fù)
前言
卷管機(jī)，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機(jī)器，是一種紙料加工機(jī)械，它以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過(guò)切刀成片，將其卷成紙管的設(shè)備[1]。生產(chǎn)的卷紙管應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，有纖工業(yè)用管、薄膜工業(yè)用管、印刷工業(yè)用管、造紙工業(yè)用管、皮革工業(yè)用管、食品包裝用管、展覽行業(yè)用管等。卷管機(jī)的類型也多種多樣，最常見的卷管機(jī)就是螺旋卷管機(jī)和平卷式卷管機(jī)。還有其他類型的卷管機(jī)，如自動(dòng)卷管機(jī)[1]（如圖1）、自動(dòng)卷芯機(jī)、衛(wèi)生紙卷管機(jī)、壓力卷管機(jī)等，自動(dòng)卷芯機(jī)和紙管的作用有關(guān)，很多紙管一般都是作為內(nèi)芯來(lái)卷產(chǎn)品的，因此把做紙管的機(jī)器叫做自動(dòng)卷芯機(jī)。另外還可以按輥長(zhǎng)劃分為多種規(guī)格的卷管機(jī)[23]。
圖1 自動(dòng)卷管機(jī)的外觀圖
卷管機(jī)按力的傳動(dòng)方式分為芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)，按浸漬材料與芯軸的纏繞角度分為平繞和斜繞。芯軸主動(dòng)的方式適合于卷制大直徑的管，對(duì)于小直徑的管，在浸漬材料連續(xù)平繞時(shí)，芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)卷制的產(chǎn)品性能差不多。但是，芯軸主動(dòng)的卷管機(jī)設(shè)備和操作要比芯軸被動(dòng)的復(fù)雜的多，所以目前廣泛使用的是芯軸被動(dòng)的三輥卷管芯[2]。
1.卷管機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
在卷管機(jī)不斷發(fā)展的過(guò)程中，人們對(duì)于卷管機(jī)的認(rèn)識(shí)理念也是在不斷的變化，那么重視紙管機(jī)就成為了我們當(dāng)前最重要的事情。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，紙管機(jī)、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，在紙管機(jī)、造紙業(yè)、包裝業(yè)、紡織化纖業(yè)得到了普遍應(yīng)用。它即可以作為各種卷筒紙和紙板的內(nèi)芯，也可作為合成長(zhǎng)絲、滌綸、丙綸、氨綸等所用的紡織紗管，尤其是用于紡織業(yè)的紙管已逐步取代錐形紗管。
以前的國(guó)產(chǎn)卷紙機(jī)與造紙機(jī)一樣，長(zhǎng)期停留在窄幅、慢速、受控。卷紙輥從卷紙機(jī)的副臂轉(zhuǎn)到主臂的過(guò)程，或是引紙、換紙均靠手工操作來(lái)完成。無(wú)疑，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，又不安全，卷成的紙卷外緊內(nèi)松，在紙卷端面形成卷曲的荷葉狀，造成幾十層紙的質(zhì)量下降或報(bào)廢[3]。而且國(guó)內(nèi)相似的紙管加工機(jī)多為半自動(dòng)機(jī)型，主要采用機(jī)械傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機(jī)內(nèi)進(jìn)行卷管，生產(chǎn)效率比較低[1]，不能適應(yīng)時(shí)代的要求。
印度Sodahech公司推出的最新款高性能自動(dòng)寶塔紙筒機(jī)最大產(chǎn)能為每分鐘生產(chǎn)55個(gè)紙筒，其上安裝有獨(dú)特的握持卷繞系統(tǒng)，以防止筒子模型滑移。同時(shí)該公司生產(chǎn)的螺旋紙管卷繞機(jī)具有氣動(dòng)式或機(jī)械式皮帶拉力，能快速地改變筒管尺寸，積極式驅(qū)動(dòng)將載荷有效地從最初的移動(dòng)件傳遞到卷繞筒上，沒有任何猛拉或振動(dòng)[4]。近幾年我國(guó)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)卷管機(jī)的送料機(jī)構(gòu)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各部分之間的相位匹配等進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了我國(guó)卷管機(jī)的發(fā)展水平[3]。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)卷管機(jī)發(fā)展的回顧與現(xiàn)代卷紙機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)，表明國(guó)產(chǎn)卷紙機(jī)已經(jīng)步入世界先進(jìn)水平的行列，為寬幅、高速、大型全自動(dòng)化的卷紙機(jī)設(shè)計(jì)制造了條件。隨著卷紙機(jī)幅寬增加，原在主副臂上所用氣缸均改為油缸。這樣使結(jié)構(gòu)緊湊、合理，加上制造精良，外表美觀，使卷紙機(jī)的水平達(dá)到了一流[3]。
2.卷管機(jī)的成型原理及分析
普通螺旋傳動(dòng)是螺母和螺桿組成的傳動(dòng)副，可以實(shí)現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動(dòng)。主要把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)以傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[5]。卷管機(jī)的螺旋傳動(dòng)則完全不同于普通的螺旋傳動(dòng)，它是螺旋傳動(dòng)的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動(dòng)又作軸向移動(dòng)的功能，并可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進(jìn)給，可應(yīng)用生產(chǎn)線上[6]。
2.1 簡(jiǎn)易螺旋卷管機(jī)的研制
1-電機(jī)；2-減速器；3-齒輪；4-齒輪；5-主座；6-螺紋管模軸；7-托輪裝置；8-副座；9-床體滑道；10-行走絲杠；11-行走絲母；12-三角帶；13-電控箱
圖2 螺旋卷管機(jī)結(jié)構(gòu)圖
螺旋卷管機(jī)有以下幾部分組成：電機(jī)、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機(jī)體、電控箱等組成如圖2所示[7]
正常情況下工作時(shí)，先用方銷將無(wú)縫鋼管的一端固定在螺紋管模軸起始端托管架(焊接主座端面)內(nèi)，然后開啟電控箱內(nèi)正轉(zhuǎn)按鈕，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器一齒輪一傳動(dòng)軸，帶動(dòng)螺旋卷管機(jī)轉(zhuǎn)軸每分鐘1O轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，完成后，按停止按鈕；先將副座后退至機(jī)座末端，再取出方銷將卷好的螺旋管拿下來(lái)。
2.2 螺旋紙管（罐身）的成型原理
螺旋卷繞法卷制復(fù)合罐罐身，紙管及紙芯，由于生產(chǎn)率高，用科省，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[8]。許多資料都簡(jiǎn)要介紹過(guò)這種成型方法的基本原理。下面試圖作較深入的理論分析，以便必要時(shí)作為參考。
2.2.1 概述
螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的基本成型原理如下圖所示：
1——驅(qū)動(dòng)皮帶輪；2——成型皮帶輪；3——面紙；4——中層紙；5——內(nèi)襯紙；6——固定芯軸
圖3 螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的成型原理
由上圖可知，紙管壁由內(nèi)襯紙、中層紙和面紙組成，通常紙管內(nèi)襯紙和面紙用輕質(zhì)薄紙。為了減小卷繞時(shí)內(nèi)襯紙和芯軸之間的摩擦力，要求內(nèi)襯紙的內(nèi)表面光滑。并且常在卷繞時(shí)于內(nèi)表面涂臘．以降低摩擦系數(shù)。中層紙用表面粗糙的重質(zhì)紙，如650g／m。的板紙。復(fù)合罐罐身的內(nèi)襯紙常用紙塑或鋁塑復(fù)合薄膜[9]， 而中層紙用200-300~／m 的中質(zhì)紙。
工藝過(guò)程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長(zhǎng)紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復(fù)臺(tái)罐罐身時(shí)燙封螺旋接縫。然后，將施以粘膠的各層紙，分別按一定的角度一層層重疊一起螺旋卷繞到固定芯軸上。每層的螺旋接縫，由其相鄰的外層紙覆蓋[10]。
卷繞成型皮帶按紙條同樣的方式繞在紙管的外表面，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)。皮帶對(duì)紙管的裹緊力使各層紙互相粘牢，皮帶與面紙外表面的摩擦力使紙管在固定芯軸上向前作螺旋運(yùn)動(dòng)，從而連續(xù)不斷地卷出紙管。
卷成的紙管定型后即可按一定規(guī)格切斷，晾干后便成要求的紙管，復(fù)臺(tái)罐罐身還需要貼上商標(biāo)紙或在光滑白色的面紙上印以商標(biāo)圖案后才能切斷成罐身[11]。
2.2.2 幾何參數(shù)分析
由幾何原理，紙條寬度、芯軸直徑和螺旋角的關(guān)系[12]（參考圖4）如下：
圖4 螺旋紙管的幾何展開圖（三層為例）
(1)
式中
i一一 由內(nèi)襯紙開始向外計(jì)數(shù)的層次
一一 第i層紙的螺旋角
一一 第i層紙的紙條寬度
一一 層紙的厚度
D 一一 芯軸直徑
或者公式如下：
(2)
式中
Di 一一 第i層紙圈的內(nèi)徑
(3)
下圖5表示紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間的關(guān)系：
圖5 紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間關(guān)系曲線
設(shè)螺距為S，則
(4)
如果相鄰兩層紙圈的螺距不同，則在不斷卷繞過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象從而影響紙管質(zhì)量。為此在卷繞時(shí)應(yīng)使所有各層紙圈的螺距相同，即對(duì)一批紙管,S是定值。聯(lián)立解(2)式和(4)式，得
(5)
卷制時(shí)，可先按芯軸直徑和內(nèi)襯寬(或紙管外徑和面紙寬度)確定螺旋角及螺距，然后按式(4)和式(5)計(jì)算各層紙的寬度和螺旋角[10]。通常，中間各層紙條的寬度比計(jì)算值小2mm左右，卷繞時(shí)會(huì)形成間隙以儲(chǔ)存多余的粘膠[11]。
2.2.3 受力分析
與皮帶傳動(dòng)相似，成型皮帶和紙管按要求安裝好以后，帶有一定的張緊力，但比皮帶傳動(dòng)的張緊力小，當(dāng)不工作時(shí)各段皮帶的拉力相等。工作時(shí)各段皮帶的拉力出現(xiàn)差異，帶在紙管兩拉邊的力之差值，即為有效拉力F(圖6)。其值可按下式計(jì)算
(6)
式中
F1 ——紙管緊邊帶的拉力（N）
F2 ——紙管松邊帶的拉力（N）
P ——驅(qū)動(dòng)紙管所需功率（kw）
v ——成型皮帶的工作速度（m/s）
跟推導(dǎo)歐拉公式一樣I ，在皮帶上取一徽段d 。微段始端到剜轉(zhuǎn)軸心的垂直距離即為半徑冗。該垂足到微段未端中點(diǎn)的距離可近似認(rèn)為等于 它們的夾角d0 。則
另一方面，dl在紙管橫截面方向投影dlcosa的計(jì)算公式是
因此
(7)
沿皮帶縱向列出垂直和水平各力的平衡式，考慮(7)式，并使F在F2到F1 ，θ在0到2范
圍內(nèi)積分，即得成型皮帶螺旋卷繞一向的歐拉公式
(8)
式中
f —— 皮帶與紙的摩擦系數(shù)
聯(lián)立(6)式和(8)式得：
(9)
(10)
為驅(qū)動(dòng)紙管旋轉(zhuǎn)的力，為推動(dòng)紙管向前運(yùn)動(dòng)的力[19]。
圖6 成型皮帶輪受力分析圖
2.3 螺旋焊管的成型原理
在研究螺旋焊管的成型原理時(shí)必須對(duì)輥形設(shè)計(jì)、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板棍的適用性等問題進(jìn)行研究，這里主要介紹預(yù)彎定位和成型控制方法。
2.3.1 成型預(yù)彎的定位
預(yù)彎與定徑是螺旋焊管成型過(guò)程中的主要工序。預(yù)彎的主要目的是解決管坯的彈復(fù)問題,因?yàn)閺棌?fù)的大小直接影響鋼管的內(nèi)在質(zhì)量;定徑的主要目的是為了得到更加精確的管坯直徑,因?yàn)橹睆娇刂剖卿摴艿闹饕|(zhì)量指標(biāo)之一。預(yù)彎與定徑之間需要有一個(gè)合適搭配才能得到理想的鋼管管坯[13]。
帶鋼（中性層）彎曲與彈復(fù)的狀態(tài)示意圖如下圖7所示，通過(guò)對(duì)狀態(tài)示意圖的分析來(lái)解決成型預(yù)彎的定位問題[14]。
圖7 帶鋼的彎曲和彈復(fù)示意圖
由圖可知，定位必須以G點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，,使定徑弧、預(yù)彎弧、彈復(fù)弧在G 點(diǎn)公切。因?yàn)橹挥羞@樣的定位方法才能滿足預(yù)彎弧在定徑套內(nèi)的充分彈復(fù)。為了便于敘述我們可以把這種方法叫做“公切”定位法。
按G點(diǎn)公切設(shè)置的不同彈復(fù)狀態(tài)可以找出以下幾種預(yù)彎定位示意圖：等量預(yù)彎設(shè)置示意圖、正彈復(fù)設(shè)置示意圖、負(fù)彈復(fù)設(shè)置示意圖、適量成型設(shè)置示意圖等。實(shí)際意義的適量成型是不存在的，因此使用這種方法時(shí)應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的輔助控制手段。下面是四種示意圖：
圖8 等量預(yù)彎設(shè)置示意圖
圖9 正彈復(fù)設(shè)置示意圖
圖10 負(fù)彈復(fù)設(shè)置示意圖
圖11 適量成型設(shè)置示意圖
除了上面四種“公切”定位法外還有“非公切”定位法，這里就不再注重介紹。
2.3.2 成型控制方法
螺旋焊管成型技術(shù)中成型控制過(guò)程也是很重要的部分，成型控制方法主要有三種：公切、正壓預(yù)彎法，公切、偏壓預(yù)彎法，等量預(yù)彎法[15]。
公切、正壓預(yù)彎的含義就是在預(yù)彎成型的控制過(guò)程中(見圖12) ,預(yù)彎弧( R2z) 、彈復(fù)弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 與預(yù)彎弧( R2z) 的垂直中心線相重合,即內(nèi)壓輥的作用力垂直正壓。
圖12 公切、正壓預(yù)彎法
1- 帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
圖13 公切、偏壓預(yù)彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
公切、偏壓預(yù)彎的含義就是在預(yù)彎成型的控制過(guò)程中(圖13) ,預(yù)彎弧( R2z) 、彈復(fù)弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 相對(duì)預(yù)彎弧( R2z) 的垂直中心線有一個(gè)偏轉(zhuǎn)即內(nèi)壓輥的作用力呈偏心壓下。
等量預(yù)彎的含義就是在成型的控制過(guò)程中(圖14) ,預(yù)彎半徑R2z與擬定的管坯半徑Rz 之值相等且重合。顯然,本方法是公切、正壓預(yù)彎法和公切、偏壓預(yù)彎法中的一種特例情況,單獨(dú)提出的原因在于這種情況的典型性和應(yīng)用的普遍性。
圖14 公切、等量預(yù)彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
3 卷管機(jī)研究過(guò)程中所遇到的問題和解決方法
卷紙機(jī)構(gòu)主要卷針和伺服電機(jī)組成，作用是將送到卷針里的紙片卷繞成紙管。在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是送料機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各個(gè)模塊之間相位的匹配。送料機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是紙管機(jī)能否連續(xù)精確送料、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)；各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)一致，是保證生產(chǎn)線正常工作的關(guān)鍵[1]。
送紙機(jī)構(gòu)將型紙從堆紙臺(tái)送至卷繞裝置，安裝在其輸出構(gòu)件上的送紙吸嘴的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為：吸紙、輸紙、喂入和取紙四個(gè)階段。在工作過(guò)程中，要求送紙吸嘴在吸紙和喂人兩個(gè)階段處于停歇狀態(tài)，并有較高的停歇精度，保證在吸取和喂人型紙時(shí)的準(zhǔn)確性；另外還要求送紙吸嘴在輸紙、取紙兩個(gè)階段有較好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，以保證卷制出的紙管有較高的品質(zhì)。由于送紙吸嘴在兩個(gè)近似停歇階段均有較大的波動(dòng)，故在送紙過(guò)程中有顫動(dòng)，這些現(xiàn)象影響了送紙吸嘴的工作性能。分析其原因，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象主要是有氣壓傳動(dòng)自身的局限性所致，由于平面連桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造精度高等特點(diǎn)，因此，通過(guò)用平面連桿機(jī)構(gòu)替代普通機(jī)構(gòu)來(lái)滿足輸出構(gòu)件上送紙吸嘴的性能要求[16]。
往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的用途是將切刀片切成的固定長(zhǎng)度的料紙準(zhǔn)確的送給卷針。托紙架要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)作：來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)和上下擺動(dòng)[17]。往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)紙的運(yùn)送，擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)紙的吸收和放開。往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的帶輪是主動(dòng)輪，通過(guò)帶與紙張之間的摩擦來(lái)帶動(dòng)紙的高速旋轉(zhuǎn)。常見的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪往復(fù)機(jī)構(gòu)、液壓氣動(dòng)往復(fù)機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。前兩種機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)較大行程時(shí)占用空間過(guò)大，后兩種機(jī)構(gòu)成本偏高。并且以上一套機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的往復(fù)[17]。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，低成本，結(jié)構(gòu)緊湊等要求，需提出一種新型復(fù)合往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
紙管是有十幾層或二十幾層紙卷繞而成的紙筒，這多層紙中最內(nèi)層紙的內(nèi)層不涂膠，最外層紙的外層不涂膠，其余層雙面涂膠。這些紙?jiān)诰砉軝C(jī)上加溫、加壓捂接卷繞，經(jīng)后序加工及定性處理而制成的一種專用紙管制品。在紙管生產(chǎn)工藝中很關(guān)鍵的一個(gè)問題是卷繞粘合強(qiáng)度，因?yàn)榫砝@粘合的好壞，直接影響著紙管的耐蒸煮性能及使用壽命，而影響粘合質(zhì)量中的一個(gè)重要因素是熱輥的表面溫度[18]。因此．熱輥功率確定的正確與否，不但直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，也影響能源的利用率，是生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。為了解決這個(gè)問題，用溫度傳感器間斷供電的方式來(lái)控制溫度。
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