4350CH 小盒透明纸长边热封装置的运动仿真研究

曾学淑， 何邦贵， 崔欢欢

（1.云南机电职业技术学院 机械工程学院， 云南 昆明 650203； 2.昆明理工大学 机电工程学院， 云南 昆明 650504）

0 引言

GDX2 包装机是我国卷烟企业采用的硬盒包装机组之一，机组中的透明纸包装机机构设计紧凑、机器运行平稳可靠，调试维修简单等优点，在烟草行业中，占有不可替代的作用。 BOPP 双向拉伸聚丙烯烟膜是小盒烟包透明纸的主要材料，因为BOPP 薄膜本身的特点与4350CH小盒透明纸长边热封装置的设计不足， 所以在透明纸在包装过程中常产生皱纹、气泡和漏气等现象，为了减少这些影响产品美观的因素，并能够保证设备的正常生产率。本文对小盒透明纸长边热封装置在不同的生产率情况下进行运动分析研究[1-4]，以ANSYS 软件为研究平台，对热封装置中的成型转塔在不同的转速的情况下输入矩形脉冲波时作瞬态运动研究分析[5-6]。

1 4350CH 小盒透明纸长边热封装置运动分析的基本理论

由于小盒透明纸长边热封装置在整个运动过程中都是关于时间载荷的一个响应， 所以运用瞬态动力学来分析它的运动特性。 瞬态动力学的运动方程为：

2 4350CH 小盒透明纸长边热封装置的运动分析

2.1 热封装置的仿真建模

4350CH 小盒透明纸热封装置，见图1，在进行烟包长边包装热封时常出现皱纹、气泡和漏气等现象，见图2。在热封装置中的成型转塔中完成小盒烟包透明纸的折叠和长边的熨烫，见图3。 因为烟包在成型转塔中完成折叠和热封，所以对热封装置进行运动分析时，可以简化成只研究成型转塔的运动。 成型转塔由前后两块成型板、 法兰座、折叠板和螺栓螺钉组成，为了简化没有必要的一些计算过程，只分析成型转塔的运动过程，通过对成型转塔前板的运动分析得到整个结构的运动分析数据。 根据成型转塔前板的相关参数，直径为￠=240.0mm，盒模内腔上、下尺寸的宽度为23.2mm。 通过三维建模软件建立模型，如图4 所示，再在ANSYS 软件中进行运动分析。

图1 GDX2 小盒透明纸长边热封装置Fig.1 GDX2 packet of film long edge heat-sealing device

图2 烟包存在的缺陷Fig.2 Defects of cigarette bag

图3 成型转塔实物图Fig.3 Physical drawing of forming turret

图4 几何模型Fig.4 Geometric model

2.2 热封装置在不同生产率下时间步的设定

由于4350CH长边透明纸热封装置是一个周期性的运动， 在第一个烙铁工位时进行透明纸预热封和第二个烙铁工位时进行最终热封时， 为了保证在这两个工位上熨烫出来的品质，成型转塔在运动过程中需要短暂的停顿，因此运动不是连续性运动。 因此，需要分析成型转塔在不同的生产率下，输入脉冲矩形波时，设备的速度，加速度情况。根据现在烟厂生产的实际情况，取三组不同的生产率进行分析， 根据生产率可以得到熨烫一烟包长边的时间，见表1。

表1 不同生产率表Tab.1 Different productivity table

时间步是瞬态动力学分析的重点，时间步长是t1到t2的 时 间 增量，决定了最终求解的精确度。 由于热封装置是高速运转的机构， 在选取时间步的数值要非常仔细， 尽可能地小， 最少能小到足够获取动力响应频率。 求解初始值的方法如下：

式中：f—响应频率；T—运动周期。

成型转塔在生产率为400 包/min 的运动周期为0.15s，根据式（2），式（3），求得初始值为0.0075s，为了方便设定矩形脉冲波，把不同生产率时的初始值统一起来，取为0.005s。

在整个烟包长边透明纸热封过程中， 设定为相对于时间函数的矩形脉冲波。 为了熨烫充分[7-10]，每个工位上需要合适的熨烫时间。 熨烫时间过长， 会使透明纸起皱纹，烙通，时间过短，透明纸熨烫部分不充分。经过现场实验数据表明，每次熨烫的时间大约为0.01s 时效果最佳。

根据式（2），式（3）计算可以得出：生产率为340 包/min 时， 烟包从进入成型转塔到离开转塔的时间为0.176s。 便于观察，取5/4 个运动周期进行分析，时间为0.235s，初始时间为0.005s 后，结束时间为0.240s。 由于烟包经过成型转塔时，需要在两个工位上进行熨烫，所以一共设定9 个时间步， 时间步t1到t2时间间隔为0.049s，t2到t3是烟包熨烫时间，间隔为0.01s，依次替推下去。 可以得到9 个步的时间， 也可以推出生产率为400 包/min 和460 包/min 下的时间布，见图5。 同时可以得出不同生产率下，每个时间步所得到的矩形脉冲波形图，见图6～8。

图5 不同生产率下时间步的取值Fig.5 The value of time step under different productivity

图6 340 包/min 矩形脉冲波图Fig.6 340 packages/min rectangular pulse wave pattern

图7 400 包/min 矩形脉冲波图Fig.7 400 packages/min rectangular pulse wave pattern

图8 460 包/min 矩形脉冲波图Fig.8 460 packages / min rectangular pulse wave pattern

2.3 不同生产率下成型转塔的动力学分析

通过ANSYS 软件的运动分析， 得出在340 包/min、400 包/min 和460 包/min 生产率情况下达到同一个位置的速度和加速度，见图9～14 所示。从图中可以看出，到达同一个位置的时间，速度和加速度都不同。由此可知生产率越高，到达同一个位置点的时间越短，速度和加速度越大[11-15]。如果只考虑生产率，生产率越高越好，但生产率越高，速度和加速度也越大，对整个设备带来的不利因素也将增大。 如整个生产过程中的振动、 噪声等就会随着速度、加速度的增大而增加，那整个设备稳定性就会降低。

图9 340 包/min 时成型转塔的速度曲线和数据Fig.9 Speed curves and data of forming turret at 340 packages/min

图10 400 包/min 时成型转塔的速度曲线和数据Fig.10 Speed curves and data of forming turret at 400 packages/min

图11 460 包/min 时成型转塔的速度曲线和数据Fig.11 Speed curves and data of forming turret at 460 packages/min

图12 340 包/min 时成型转塔的加速度曲线和数据Fig.12 Acceleration curves and data of forming turret at 340 packages/min

图13 400 包min 时成型转塔的加速度曲线和数据Fig.13 Acceleration curves and data of forming turret at 400 packages/min

图14 460 包/min 时成型转塔的加速度曲线和数据Fig.14 Acceleration curves and data of forming turret at 460 packages/min

3 结论

在不同的生产率下，4350CH 长边透明纸热封装置在输入矩形脉冲波的情况下，做周期运动，达到同一个位置的时间，速度和加速度都不相同。 生产率越高，到达同一位置的时间越短，而速度和加速度越大。由于整套设备是高速运转机构，随着速度和加速度的提高，给整套设备带来的不利因素也随之增加，稳定性和可靠性降低，维修费用增加，整个生产成本增加。 综合生产率，设备的稳定性以及透明纸熨烫的效果来分析， 设备的生产率需要限制在一定的范围内。 研究结果表明：生产率在350～450 包/min 之间的效果最好。

GDX2 小盒透明纸长边热封装置的生产率，取决于完成一个烟包长边熨烫的时间和成型转塔在输送过程的转速。为了能够得到生产效率高且熨烫出来烟包的品质好，加工过程中又能减少对机构本身及环境的有害因素。 尽量让烟包在熨烫的时间足够的长，转速也尽量的大，在保证熨烫时设备稳定性好的情况下， 可以考虑在成型转塔下面增加一个减震装置。