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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述） 第 16 頁
螺旋卷管機的工作原理
摘要：卷管機是生產(chǎn)卷紙管的機器，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，對螺旋焊管成型技術(shù)的輥形設(shè)計、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板輥的適用性等問題進行了研究，并給出了成型工藝設(shè)計示例。
關(guān)鍵詞：卷管機的發(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，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機器，是一種紙料加工機械，它以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過切刀成片，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。卷管機的類型也多種多樣，最常見的卷管機就是螺旋卷管機和平卷式卷管機。還有其他類型的卷管機，如自動卷管機[1]（如圖1）、自動卷芯機、衛(wèi)生紙卷管機、壓力卷管機等，自動卷芯機和紙管的作用有關(guān)，很多紙管一般都是作為內(nèi)芯來卷產(chǎn)品的，因此把做紙管的機器叫做自動卷芯機。另外還可以按輥長劃分為多種規(guī)格的卷管機[23]。
圖1 自動卷管機的外觀圖
卷管機按力的傳動方式分為芯軸主動和芯軸被動，按浸漬材料與芯軸的纏繞角度分為平繞和斜繞。芯軸主動的方式適合于卷制大直徑的管，對于小直徑的管，在浸漬材料連續(xù)平繞時，芯軸主動和芯軸被動卷制的產(chǎn)品性能差不多。但是，芯軸主動的卷管機設(shè)備和操作要比芯軸被動的復(fù)雜的多，所以目前廣泛使用的是芯軸被動的三輥卷管芯[2]。
1.卷管機國內(nèi)外發(fā)展狀況
在卷管機不斷發(fā)展的過程中，人們對于卷管機的認識理念也是在不斷的變化，那么重視紙管機就成為了我們當前最重要的事情。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，紙管機、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無公害等優(yōu)點，在紙管機、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。
以前的國產(chǎn)卷紙機與造紙機一樣，長期停留在窄幅、慢速、受控。卷紙輥從卷紙機的副臂轉(zhuǎn)到主臂的過程，或是引紙、換紙均靠手工操作來完成。無疑，勞動強度較大，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)量下降或報廢[3]。而且國內(nèi)相似的紙管加工機多為半自動機型，主要采用機械傳動的方式實現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機內(nèi)進行卷管，生產(chǎn)效率比較低[1]，不能適應(yīng)時代的要求。
印度Sodahech公司推出的最新款高性能自動寶塔紙筒機最大產(chǎn)能為每分鐘生產(chǎn)55個紙筒，其上安裝有獨特的握持卷繞系統(tǒng)，以防止筒子模型滑移。同時該公司生產(chǎn)的螺旋紙管卷繞機具有氣動式或機械式皮帶拉力，能快速地改變筒管尺寸，積極式驅(qū)動將載荷有效地從最初的移動件傳遞到卷繞筒上，沒有任何猛拉或振動[4]。近幾年我國通過引進國外先進技術(shù)，對卷管機的送料機構(gòu)、往復(fù)運動機構(gòu)以及各部分之間的相位匹配等進行改進，大大提高了我國卷管機的發(fā)展水平[3]。通過對國產(chǎn)卷管機發(fā)展的回顧與現(xiàn)代卷紙機系列產(chǎn)品的開發(fā)，表明國產(chǎn)卷紙機已經(jīng)步入世界先進水平的行列，為寬幅、高速、大型全自動化的卷紙機設(shè)計制造了條件。隨著卷紙機幅寬增加，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，使卷紙機的水平達到了一流[3]。
2.卷管機的成型原理及分析
普通螺旋傳動是螺母和螺桿組成的傳動副，可以實現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動。主要把回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動以傳遞運動或動力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[5]。卷管機的螺旋傳動則完全不同于普通的螺旋傳動，它是螺旋傳動的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動又作軸向移動的功能，并可以實現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進給，可應(yīng)用生產(chǎn)線上[6]。
2.1 簡易螺旋卷管機的研制
1-電機；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 螺旋卷管機結(jié)構(gòu)圖
螺旋卷管機有以下幾部分組成：電機、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機體、電控箱等組成如圖2所示[7]
正常情況下工作時，先用方銷將無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，電動機通過減速器一齒輪一傳動軸，帶動螺旋卷管機轉(zhuǎn)軸每分鐘1O轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，完成后，按停止按鈕；先將副座后退至機座末端，再取出方銷將卷好的螺旋管拿下來。
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，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[8]。許多資料都簡要介紹過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。
工藝過程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復(fù)臺罐罐身時燙封螺旋接縫。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，它由兩個轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動輪同時驅(qū)動。皮帶對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動，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)臺罐罐身還需要貼上商標紙或在光滑白色的面紙上印以商標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，則在不斷卷繞過程中，會經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象從而影響紙管質(zhì)量。為此在卷繞時應(yīng)使所有各層紙圈的螺距相同，即對一批紙管,S是定值。聯(lián)立解(2)式和(4)式，得
(5)
卷制時，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算值小2mm左右，卷繞時會形成間隙以儲存多余的粘膠[11]。
2.2.3 受力分析
與皮帶傳動相似，成型皮帶和紙管按要求安裝好以后，帶有一定的張緊力，但比皮帶傳動的張緊力小，當不工作時各段皮帶的拉力相等。工作時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)動紙管所需功率（kw）
v ——成型皮帶的工作速度（m/s）
跟推導歐拉公式一樣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的距離可近似認為等于 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)動紙管旋轉(zhuǎn)的力，為推動紙管向前運動的力[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必須對輥形設(shè)計、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板棍的適用性等問題進行研究，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,因為彈復(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,因為直徑控制是鋼管的主要質(zhì)量指標之一。預(yù)彎與定徑之間需要有一個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，通過對狀態(tài)示意圖的分析來解決成型預(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點為基準點，,使定徑弧、預(yù)彎弧、彈復(fù)弧在G 點公切。因為只有這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、負彈復(fù)設(shè)置示意圖、適量成型設(shè)置示意圖等。實際意義的適量成型是不存在的，因此使用這種方法時應(yīng)當有相應(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) 相對預(yù)彎弧( R2z) 的垂直中心線有一個偏轉(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 卷管機研究過程中所遇到的問題和解決方法
卷紙機構(gòu)主要卷針和伺服電機組成，作用是將送到卷針里的紙片卷繞成紙管。在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是送料機構(gòu)和往復(fù)運動機構(gòu)以及各個模塊之間相位的匹配。送料機構(gòu)和往復(fù)運動機構(gòu)是紙管機能否連續(xù)精確送料、實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)；各個模塊的協(xié)調(diào)一致，是保證生產(chǎn)線正常工作的關(guān)鍵[1]。
送紙機構(gòu)將型紙從堆紙臺送至卷繞裝置，安裝在其輸出構(gòu)件上的送紙吸嘴的一個運動周期分為：吸紙、輸紙、喂入和取紙四個階段。在工作過程中，要求送紙吸嘴在吸紙和喂人兩個階段處于停歇狀態(tài)，并有較高的停歇精度，保證在吸取和喂人型紙時的準確性；另外還要求送紙吸嘴在輸紙、取紙兩個階段有較好的運動平穩(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近似停歇階段均有較大的波動，故在送紙過程中有顫動，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自身的局限性所致，由于平面連桿機構(gòu)具有運動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、制造精度高等特點，因此，通過用平面連桿機構(gòu)替代普通機構(gòu)來滿足輸出構(gòu)件上送紙吸嘴的性能要求[16]。
往復(fù)運動機構(gòu)的用途是將切刀片切成的固定長度的料紙準確的送給卷針。托紙架要實現(xiàn)兩個動作：來回往復(fù)運動和上下擺動[17]。往復(fù)運動實現(xiàn)紙的運送，擺動實現(xiàn)紙的吸收和放開。往復(fù)運動過程中的帶輪是主動輪，通過帶與紙張之間的摩擦來帶動紙的高速旋轉(zhuǎn)。常見的往復(fù)運動的機構(gòu)有曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪往復(fù)機構(gòu)、液壓氣動往復(fù)機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)等。前兩種機構(gòu)在實現(xiàn)較大行程時占用空間過大，后兩種機構(gòu)成本偏高。并且以上一套機構(gòu)只能實現(xiàn)一個方向的往復(fù)[17]。為了實現(xiàn)兩個方向的往復(fù)運動，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)運動機構(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。這些紙在卷管機上加溫、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)鍵的一個問題是卷繞粘合強度，因為卷繞粘合的好壞，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。為了解決這個問題，用溫度傳感器間斷供電的方式來控制溫度。
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