摘要：切丝宽度作为评价切丝质量的重要指标，不仅直接影响加工烟丝的整丝率和填充值等物理指标，还对卷烟的烟气焦油量、感官质量有明显影响。为更加精细的保证切丝宽度的稳定性，通过分析刀片在切丝过程中的受力状态，结合有限元软件ABAQUS对刀片的受力变形过程进行建模及非线性有限元计算，研究了压刀板与刀片相对位置对切丝过程中刀刃切割烟砖的切割位置的影响。研究结果表明：适当减小压刀板上边线与刀刃间的距离可以有效缩小切丝过程中刀片的形变量，进而缩小切丝过程中切割位置与预设值之间的偏差，提高切丝宽度的稳定性。
关键词：切丝宽度；稳定性；有限元分析；切割位置
切丝宽度是评价切丝质量的重要指标，宽度适宜的烟丝可以保证卷烟的内外在质量，降低消耗和焦油量，提高烟丝的填充能力[1-2]。烟丝过宽时，烟支易出现空头、切口不平齐现象，烟气碱性会增加，杂气和刺激性均会增大；烟丝过窄时，烟支透气性减小，抽吸阻力增大，烟丝不能完全燃烧，致使卷烟香气不能充分发挥；切丝宽度的变化还会影响烟气中的氨基酸、烟碱、CO、和苯酚等化学物质的释放量[3-4]。
行业内对切丝宽度要求严格控制在0.7-1.1mm范围内，而各卷烟厂根据自身品牌的特色对切丝宽度的要求更加严格。实际生产中，切丝机刀片在切割烟砖时会发生微小的变形，此微小的变形量使刀片切割烟砖时的切割位置与预设值之间产生偏差，从而使切丝宽度的稳定性受到影响。因此，对刀片在切丝过程中如何减小变形量进行研究是十分有必要的。
目前，关于切丝过程中刀片形变对宽度的影响研究还未见报道，本文拟通过对切丝过程中刀片的受力变形进行分析，并通过改变压刀板与刀刃间的距离调节切丝过程中刀片形变量，进而缩小切丝过程中切割位置与预设值之间的偏差，保证切丝宽度的稳定性。
1切丝机刀片在切丝过程中的受力分析
滚刀式切丝机的切丝刀安装在刀辊上，刀辊的结构设计决定了切丝刀的切削角度。借鉴根据滚刀式切丝机的工作原理、金属切削理论以及木材切削理论建立的切丝刀切削角度的理论模型，结合某型号滚刀式切丝机的实际工况对刀片在切丝过程中的受力进行分析[5-9]：
图1-1 刀片切割烟砖示意图 图1-2 刀片受力分析示意图
如图1-1所示：某型号曲刃水平式切丝机的切削角α为22-28度。切丝过程中，刀片受到烟砖的反作用力。
如图1-2所示，刀片切割烟砖的作用力F1与切削速度方向（刀棍圆周刀刃处切线方向）平行，刀片受到的烟砖的反作用力F2与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为F3。在F3的作用下刀片发生弯曲变形，此时，刀片的刀刃向外延伸，使得切丝宽度发生变化。
主切削电机的额定功率为Q电机=21千瓦，减速电机的传动效率Ƞ1=0.97、同步齿形带的传动效率Ƞ2=0.95，取功率的修正系数K修=1.25。则刀辊的功率
Q功=Q电机Ƞ1 Ƞ2/K修=21845×0.97×0.95÷1.25=15481.2（W）。
刀辊转速取n =500r/min，刀辊的角速度ω=2nπ/60
刀辊的切削力矩M= Q功/ω=295.67（N∙m）
刀辊直径D=650mm，选取切丝机的工况系数K况=1.3则
主切削力F1=2M/K况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的范围内受到烟砖的反作用力，SQ343系列切丝机的刀门宽度即刀片受力宽度b=500mm。受力面积S=ab=1×10-3m2。
前刀面受力部分受到的压强P= F3/S=306780（pa）。
2刀片受力变形的有限元分析
2.1有限元模型
2.1.1刀片的几何尺寸
图2-1 切丝刀片示意图
如图2-1所示，刀片宽度H=520mm，刀片厚度S=1mm，刀片在切割烟砖时，刀片在长度方向上的受力范围L=2mm。刀片的切削角α为22-28度。刀片材料的弹性模量E=2.06×105Mpa，泊松比为0.3。有限元分析采用ABAQUS软件中的二十节点六面体二次减缩积分单元（C3D20R）进行建模和计算，该单元模型位移求解的结果较为精确，并能有效的防止剪力自锁现象[10-11]。
2.1.2边界条件及加载方式
刀片上压刀板上边线以下部分视为固定支座，约束U1、U2、U3自由度，压刀板上边线以上部分为自由端。加载方式为位移加载，其中位移的取值为U。在加载过程中以压强的形式作用在刀片的受力区域内，使刀片上压刀板上边线以上部分承担点位移。
3刀片受力变形的有限元分析
利用Abaqus软件对刀片切削过程中的受力变形进行分析，结果如图2-2所示：
图2-2 压刀板距刀刃7mm时刀片变形示意图
刀片的最大变形位置在刀尖处，刀片的最大变形为0.6352mm。刀片不变形时，刀片前刀面距刀棍中心轴的距离为L1=283.8mm，刀片的切割位置距刀棍中心轴的距离L2=L1/cos26o=315.76mm；刀片变形时，刀片前刀面刀刃处距刀棍中心轴的距离为L1’=284.44，刀片的切割位置距刀棍中心轴的距离L2’=L1’/cos26o=316.47mm。刀片的切割位置向外延伸了0.71mm，致使切丝宽度与预设值之间产生偏差，对烟丝质量产生影响。
当刀片伸出量减少1mm时，利用Abaqus软件对刀片进行受力分析，结果如图2-3所示：
图2-3压刀板距刀刃6mm时刀片变形示意图
刀片的最大变形位置在刀尖处，刀片的最大变形为0.4633mm。刀片不变形时，刀片前刀面距刀棍中心轴的距离为L1=283.8mm，刀片的切割位置距刀棍中心轴的距离L2=L1/cos26o=315.76mm；刀片变形时，刀片前刀面距刀棍中心轴的距离为L1’=284.26，刀片的切割位置距刀棍中心轴的距离L2’=L1’/cos26o=316.27mm。刀片的切割位置向外延伸了0.51mm。
对比以上压刀板相对刀刃的两个位置时的刀片变形关系，当压刀板距刀刃的距离减少1mm时，切丝机切丝时的切割位置距设定的理论切割位置更加精确，偏移量减少了0.20mm，偏移比率降低了27.4%。
4 结论
对刀片在切丝过程中的受力进行分析，并通过有限元软件ABAQUS对刀片的受力过程进行建模及非线性有限元计算，得到以下结论：
1）切丝过程中，刀片受烟砖的反作用力产生了偏离刀棍中心轴方向的形变，从而使切丝宽度与预设值之间产生偏差，影响了切丝宽度的稳定性。
2）压刀板与刀片的相对位置对切丝过程中刀片的形变量较大影响，适当减小压刀板上边线与刀刃间的距离可以有效缩小切丝过程中刀片的形变量，进而缩小切丝过程中切割位置与预设值之间的偏差，提高切丝宽度的稳定性。
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论文作者:朱建新,赵淑华 韩明
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：刀片论文; 宽度论文; 过程中论文; 心轴论文; 刀刃论文; 受力论文; 位置论文; 《基层建设》2015年29期论文;