高速利乐包分切机的开发与设计

孙 昊

（上海箴宇控制技术有限公司，上海 宝山200949）

高速利乐包分切机的开发与设计

孙 昊

（上海箴宇控制技术有限公司，上海 宝山200949）

通过对分切机主要功能参数介绍以及对放卷装置、恒张力控制、热接装置、分切机构、收卷形式、拔轴器等部件结构特点和原理的详细分析，系统而有力地论证了本公司自主研发设计的高速利乐包分切机的科学性和先进性，完全可以替代国外同类产品，满足国内厂商实际生产要求，同时具有明显价格优势。

利乐包；分切机；恒张力控制；热接；展平辊；气动圆刀

1 前言

无菌包装源于上世纪60年代初瑞典Loeliger&Regez研制成功的包装材料，它主要由PE/铝箔/原纸/铝箔/PE五层挤压复合而成，故也称复合纸，以下简称纸塑。无菌包装适应于当前国际流行的销售形式和习惯，且节能、低成本，是当代食品包装工业的一项重大技术变革，被广泛用于各种盒装、袋装饮料包装，但配套的高速利乐包分切机（以下简称分切机）主要依赖进口，国内分切机主要存在车速不高，张力不稳，热接处理不好、收、放卷功能不全等问题[1-2]。

本高速利乐包分切机在分析和吸收国外先进技术经验基础上自主研发设计而成，综合无轴定位放卷、光电液压纠偏、恒张力、恒速度控制、热接平台、两次展平、气动圆刀、压紧收卷、跟随收卷、液压卸卷、自动装卸收卷轴、定长停车等多项功能于一体，各项主要参数达到高速分切机的使用要求，设备总图如图1所示。

2 分切机主要技术参数

收卷牵引电机功率 55kW,

纠偏电机功率 2.5kW,

液压站主电机功率 7.5kW,

液压站小电机功率 1.5kW,

拔轴器电机功率 2kW,

废边风机功率 11kW,

主机线速度 最大1 000m/min

(达到最大速度的最小收卷直径为500mm),

纠偏范围 ±75 mm,

辊面宽度 1 520 mm,

过料宽度 1 450 mm,

分切宽度 120～800 mm,

张力范围 1 200～2 000N,

放卷直径 ¢1 800 mm,

收卷直径 ¢1 800 mm,

端面平整度 ＜±0.5 mm。

3 分切机重要部件的结构特点和原理

图1 利乐包分切机总图

3.1 恒张力控制

整机以收卷电机为主要牵引动力，放卷采用多重气室盘制动，制动压力按放卷母卷的直径不断变化而成比例改变。为保证恒张力控制，在热接装置下方安装有一根张力辊，不同的材料设定不同的张力后，张力辊检测张力的大小以模拟量形式输送给PLC，主控系统PLC计算放卷直径、张力矩和机器加减速后的惯量补偿，输出给I/P，从而调节制动力矩的大小。单个制动器在0.6MPa气压下能够提供不少于1 500N·m的制动扭矩。在实际使用中，可以根据膜卷的大小，合理选择使用单个或两个制动器。当紧急刹车时，放卷制动器上的制动压力为最高压力（0.6MPa）。两只制动器在最高气压时可以提供不小于3 000N·m的制动扭矩。

3.2 无轴定位放卷装置

整个放卷装置包括放卷臂、游动架、定位升降小车、液压纠偏、张力控制等组成部分。单独控制的两个液压油缸分别安装在两个放卷臂上以推动放卷臂。如图2所示，两个放卷臂在油缸的驱动下可沿放卷游动架上的直线导轨作双臂同动、双臂对动、单臂左移、单臂右移，以调整放卷臂的相互间距，适应放卷母料宽度尺寸560mm至1 450mm的变化。放卷定位升降小车用于母卷快速装卸，定位升降小车升降平稳，配有安全保护装置，最大承重3t，最小放卷直径为450mm[5]。

图2 放卷臂油缸液压原理图

3.3 热接功能

由于分切机正常换卷及定长停车去除印刷及复合等前道工序造成的质量缺陷（如飞墨、拉线、套印、色差、洗版、刀丝、刮伤、拖墨、漏印、蚊虫、异物等）后，需要将两段纸塑连接成整体，即热接工艺。热接是分切机操作的主要工艺之一，如处理不妥会导致纸塑表层和底层PE起皱脱落、热接宽度不相等、接缝不紧密、气孔等问题，造成纸塑接头存在虚接的现象，而以上缺陷又会造成分切后的条形纸塑跑偏导致相邻两卷材料互相叠加咬合以及纸塑断裂被迫停机等问题。

针对上述实际生产中存在的问题，研究开发热接装置主要包括：热接平台、上纸塑锁、下纸塑锁、真空吸盘、纸重叠、纸端定位等。具体工艺过程如下：

热接操作时，纸端定位机构油缸回缩，确保切刀对准任意相邻两排图案的中间空白处，以保持图案的完整性；然后，上纸塑锁夹紧纸塑，同时切刀划开纸塑，移除废弃部分；接下来，放卷制动器松开，手动牵引先对齐纸塑侧边，再对齐图案；下纸塑锁锁紧纸塑，同时下移，切刀再次切开纸塑实现上、下纸塑切刀口平齐；真空泵启动产生12.3kPa真空气压带动真空吸盘吸住纸塑，避免其因自重下滑；纸重叠机构推动下纸塑锁、真空吸盘同时上移20mm，实现上、下纸塑均匀重叠20mm；热接平台下移85mm，对准纸塑重叠部位，同时加热板迅速温升至130℃，温控器输出报警信号TLA。手动按下热接压板下按钮，纸塑重叠部分被压住，并继续升温至190℃，温控器输出连锁信号THA，热接压板油缸自动回复，热交换装置复位，热接完成[3～4]。

3.4 圆刀分切机构

利乐包由多种不同基材组成，克重较大，最大可达550g/m2。普通切刀分切通常存在毛边、粉尘大、靠刀压力不均、刀片易磨损等问题。利乐包属于食品包材，各项要求严格，普通切刀很难达到快速有效分切的要求。为了彻底解决以上问题，设计由气动上刀、分切刀总成和下圆盘刀组成圆刀分切系统。下圆盘刀装于底刀辊上并用间隔套隔开，间隔套用于纸塑宽度规格的调整。气动上刀可以排列地固定在上刀座上，主要有进刀和靠刀两个动作，且进刀深度和靠刀压力均可以微调。

底刀辊的前后分别装有一根展平辊，前一根用于纸塑的展平，后一根用于纸塑分切后的展开，以确保每相邻两卷材料之间有1～2 mm的间隙，避免收卷引起交叉重叠。

3.5 收卷机构

为了获得不同的收卷效果，收卷方式分为压力模式和跟随模式，压力模式时收卷纸卷可以获得硬度较高的收卷效果且跟随架上的压辊和纸卷表面的接触压力在30～50kg范围内可调；跟随模式时跟随架上的压辊与收卷纸卷始终保持10～20mm的间距，收卷松紧度由系统张力保证。

以上两种收卷方式中压力模式难度最大,是整台机器设计的要点。压力控制效果直接决定收卷质量。压力较大收卷纸卷容易窜边，而且压辊产生的压力通过纸卷传递到收卷轴上，继而又会通过收卷轴端轴承座传递到收卷墙板上，大大增加了收卷轴和收卷墙板的负荷，严重时会导致收卷轴变形、收卷墙板震动等一系列问题。压力较小时会出现收卷轴每旋转一圈的过程中压辊时而压住料卷时而压不住料卷的问题，纸卷越大问题越严重，主要是原材料厚度不均不断累计导致的偏心、收卷纸心圆周厚度不均造成的椭圆度、收卷气胀轴胀起不均引起的纸心偏心等原因。每一卷材料或多或少都存在以上问题，只能尽量减少影响，不能完全消除，因此只能从跟随架油缸液压系统油压控制上解决。如图3所示，P2是进油路，T1是回油路，07191是三位四通换向阀。DT6得电油路处于跟随模式，DT5得电油路处于压力模式，DT5和DT6失电油路处于非工作状态。工作过程中压力传感器时时检测跟随油缸无杆腔压力并转换成4～20mA电流信号输出到PLC模拟量输入模块，经程序运算输出0～10V电压信号，控制RZMO比例溢流阀的工作阀芯，使阀口尺寸的改变与输入电压成比例关系。当压辊压力较大时，PLC控制比例溢流阀的阀口尺寸变小，即泄压口变小，无杆腔油压变大，跟随架多余的重量被跟随油缸抵消，压辊压力变小。相反当压辊压力较小时比例溢流阀卸油口尺寸变大，无杆腔油压变小，跟随油缸的推力也相应变小，跟随架反映到压辊上的压力变大[5]。

图3 跟随压紧控制液压原理图

设计程序需要考虑跟随架本身自重及重心偏移、系统张力、加减速带来的影响等多重因素。

3.6 拔轴器装置

收卷气胀轴分3〞、6〞、12〞三种规格。为了减少人工劳动高强度，提高整机自动化程度，装轴、拔轴采用拔轴器。当收卷完成需要卸卷拔轴时，液压缸将拔轴平台升起至合适位置，手动爪盘锁紧收卷气胀轴端部法兰，齿轮减速电机通过链条带动爪盘沿轨道移动，抽出收卷气胀轴；装轴动作则与之相反。汽缸支撑的辊轴用于平衡收卷气胀轴在拔出移动时一端的重量。拔轴装置安装有安全保护装置，用于平台下降时的安全保护作用。

3.7 废边系统

由于本机速度较快，废边量较大，为了保持机器周边环境整洁，采用废边真空吸送，打碎后吹出，输送到废边房的处理方式。

3.8 电气控制系统

采用德国西门子S7-300系列PLC控制系统，440系列变频器，1LG4系列变频电机。为操作方便常用参数均可在HMI上设定，如：机器速度、收卷长度、压紧压力、定长停车、系统张力等。为方便维护，设计程序有故障报警和故障诊断功能，故障发生时可以显示故障时间、位置、内容、可能原因等相关信息。

4 结束语

本机各部件结构设计简单合理，重要配件和传感器均采用国际知名品牌，如纠偏和张力传感器采用德国E+L产品，放卷制动器采用意大利RE产品，气动圆刀采用意大利COTTA产品，展平辊采用意大利FBF产品等。整机速度、张力控制稳定，各项主要参数指标达到国际一流厂商的技术水准，完全可以替代国外同类产品，获得了用户好评。该设备主要用在印刷、复合之后，是利乐包生产线中十分重要的环节。

[1] 刘仁庆.包装用纸的现况与前景[J].印刷杂志，2003，30（4）：28-29.

[2] 刘同年.纸包装制品地位及纸包装制品装备发展战略[J].中国包装工业，1998，50（8）：6-8.

[3]PAULI KOUTONEN,JARI PAANASALO. Method for positioning the slitters of a slitter-winder in a paper or board machine[P].US:2004/0144223A1,2004-06-29.

[4] PEKKA ERONEN.Device and method for making a splice into a paper web[P].US:6,355,128 B1,2002-05-12.

[5] 成大先.机械设计手册（第5版）[M].北京：化学工业出版社，2007.11.

（编辑：林小江）

8 评定结果报告

圆锥滚子标准件角度的不确定度报告为：UD=1.89μm，k=2。

9 结束语

根据《Q/HZ11-17025C4/01-2010专用量具校准改值规定》，规定圆锥滚子量值传递改值角度为2μm，测量尺寸结果的扩展不确定度为：UD=1.89μm，k=2。扩展不确定小于改值规定，测量结果可信。

参考文献：

[1] 刘哲夫，孙宇翔，陈玉峰.圆锥滚子标准件角度不确定度分析[J].哈尔滨轴承,2014,35(3):45-46.

（编辑：林小江）

Development and design of high speed slitter for Tetra Pak

Sun Hao
(Shanghai Zhenyu Industry Technology Co.,Ltd.,Shanghai Baoshan 200949, China)

This paper introduces the advantage of new developed high speed slitter for Tetra Pak based on the introduction of the main functional parameter and the detailed analysis of the structure features and principle of unwinding mechanism, constant tension control, heat connecting device, slitting mechanism, winding pattern, pull shaft device etc. The new designed slitter can meet the requirement of our customer in China and it can replace the similar machines from oversea, and it also has the advantage of the lower price.

Tetra Pak; slitter, constant tension control; heat connecting; fatten roll; pneumatic round knife

TB 486+.3

A

1672-4852（2015）02-0043-04

2015-05-22.

孙 昊（1978-），男， 工程师.