孫 昊

（上海箴宇控制技術(shù)有限公司，上海 寶山200949）

高速利樂(lè)包分切機(jī)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

孫 昊

（上海箴宇控制技術(shù)有限公司，上海 寶山200949）

通過(guò)對(duì)分切機(jī)主要功能參數(shù)介紹以及對(duì)放卷裝置、恒張力控制、熱接裝置、分切機(jī)構(gòu)、收卷形式、拔軸器等部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理的詳細(xì)分析，系統(tǒng)而有力地論證了本公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高速利樂(lè)包分切機(jī)的科學(xué)性和先進(jìn)性，完全可以替代國(guó)外同類產(chǎn)品，滿足國(guó)內(nèi)廠商實(shí)際生產(chǎn)要求，同時(shí)具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

利樂(lè)包；分切機(jī)；恒張力控制；熱接；展平輥；氣動(dòng)圓刀

1 前言

無(wú)菌包裝源于上世紀(jì)60年代初瑞典Loeliger&Regez研制成功的包裝材料，它主要由PE/鋁箔/原紙/鋁箔/PE五層擠壓復(fù)合而成，故也稱復(fù)合紙，以下簡(jiǎn)稱紙塑。無(wú)菌包裝適應(yīng)于當(dāng)前國(guó)際流行的銷售形式和習(xí)慣，且節(jié)能、低成本，是當(dāng)代食品包裝工業(yè)的一項(xiàng)重大技術(shù)變革，被廣泛用于各種盒裝、袋裝飲料包裝，但配套的高速利樂(lè)包分切機(jī)（以下簡(jiǎn)稱分切機(jī)）主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)分切機(jī)主要存在車速不高，張力不穩(wěn)，熱接處理不好、收、放卷功能不全等問(wèn)題[1-2]。

本高速利樂(lè)包分切機(jī)在分析和吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上自主研發(fā)設(shè)計(jì)而成，綜合無(wú)軸定位放卷、光電液壓糾偏、恒張力、恒速度控制、熱接平臺(tái)、兩次展平、氣動(dòng)圓刀、壓緊收卷、跟隨收卷、液壓卸卷、自動(dòng)裝卸收卷軸、定長(zhǎng)停車等多項(xiàng)功能于一體，各項(xiàng)主要參數(shù)達(dá)到高速分切機(jī)的使用要求，設(shè)備總圖如圖1所示。

2 分切機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

收卷牽引電機(jī)功率 55kW,

糾偏電機(jī)功率 2.5kW,

液壓站主電機(jī)功率 7.5kW,

液壓站小電機(jī)功率 1.5kW,

拔軸器電機(jī)功率 2kW,

廢邊風(fēng)機(jī)功率 11kW,

主機(jī)線速度 最大1 000m/min

(達(dá)到最大速度的最小收卷直徑為500mm),

糾偏范圍 ±75 mm,

輥面寬度 1 520 mm,

過(guò)料寬度 1 450 mm,

分切寬度 120～800 mm,

張力范圍 1 200～2 000N,

放卷直徑 ￠1 800 mm,

收卷直徑 ￠1 800 mm,

端面平整度 ＜±0.5 mm。

3 分切機(jī)重要部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理

圖1 利樂(lè)包分切機(jī)總圖

3.1 恒張力控制

整機(jī)以收卷電機(jī)為主要牽引動(dòng)力，放卷采用多重氣室盤制動(dòng)，制動(dòng)壓力按放卷母卷的直徑不斷變化而成比例改變。為保證恒張力控制，在熱接裝置下方安裝有一根張力輥，不同的材料設(shè)定不同的張力后，張力輥檢測(cè)張力的大小以模擬量形式輸送給PLC，主控系統(tǒng)PLC計(jì)算放卷直徑、張力矩和機(jī)器加減速后的慣量補(bǔ)償，輸出給I/P，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的大小。單個(gè)制動(dòng)器在0.6MPa氣壓下能夠提供不少于1 500N·m的制動(dòng)扭矩。在實(shí)際使用中，可以根據(jù)膜卷的大小，合理選擇使用單個(gè)或兩個(gè)制動(dòng)器。當(dāng)緊急剎車時(shí)，放卷制動(dòng)器上的制動(dòng)壓力為最高壓力（0.6MPa）。兩只制動(dòng)器在最高氣壓時(shí)可以提供不小于3 000N·m的制動(dòng)扭矩。

3.2 無(wú)軸定位放卷裝置

整個(gè)放卷裝置包括放卷臂、游動(dòng)架、定位升降小車、液壓糾偏、張力控制等組成部分。單獨(dú)控制的兩個(gè)液壓油缸分別安裝在兩個(gè)放卷臂上以推動(dòng)放卷臂。如圖2所示，兩個(gè)放卷臂在油缸的驅(qū)動(dòng)下可沿放卷游動(dòng)架上的直線導(dǎo)軌作雙臂同動(dòng)、雙臂對(duì)動(dòng)、單臂左移、單臂右移，以調(diào)整放卷臂的相互間距，適應(yīng)放卷母料寬度尺寸560mm至1 450mm的變化。放卷定位升降小車用于母卷快速裝卸，定位升降小車升降平穩(wěn)，配有安全保護(hù)裝置，最大承重3t，最小放卷直徑為450mm[5]。

圖2 放卷臂油缸液壓原理圖

3.3 熱接功能

由于分切機(jī)正常換卷及定長(zhǎng)停車去除印刷及復(fù)合等前道工序造成的質(zhì)量缺陷（如飛墨、拉線、套印、色差、洗版、刀絲、刮傷、拖墨、漏印、蚊蟲、異物等）后，需要將兩段紙塑連接成整體，即熱接工藝。熱接是分切機(jī)操作的主要工藝之一，如處理不妥會(huì)導(dǎo)致紙塑表層和底層PE起皺脫落、熱接寬度不相等、接縫不緊密、氣孔等問(wèn)題，造成紙塑接頭存在虛接的現(xiàn)象，而以上缺陷又會(huì)造成分切后的條形紙塑跑偏導(dǎo)致相鄰兩卷材料互相疊加咬合以及紙塑斷裂被迫停機(jī)等問(wèn)題。

針對(duì)上述實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)熱接裝置主要包括：熱接平臺(tái)、上紙塑鎖、下紙塑鎖、真空吸盤、紙重疊、紙端定位等。具體工藝過(guò)程如下：

熱接操作時(shí)，紙端定位機(jī)構(gòu)油缸回縮，確保切刀對(duì)準(zhǔn)任意相鄰兩排圖案的中間空白處，以保持圖案的完整性；然后，上紙塑鎖夾緊紙塑，同時(shí)切刀劃開(kāi)紙塑，移除廢棄部分；接下來(lái)，放卷制動(dòng)器松開(kāi)，手動(dòng)牽引先對(duì)齊紙塑側(cè)邊，再對(duì)齊圖案；下紙塑鎖鎖緊紙塑，同時(shí)下移，切刀再次切開(kāi)紙塑實(shí)現(xiàn)上、下紙塑切刀口平齊；真空泵啟動(dòng)產(chǎn)生12.3kPa真空氣壓帶動(dòng)真空吸盤吸住紙塑，避免其因自重下滑；紙重疊機(jī)構(gòu)推動(dòng)下紙塑鎖、真空吸盤同時(shí)上移20mm，實(shí)現(xiàn)上、下紙塑均勻重疊20mm；熱接平臺(tái)下移85mm，對(duì)準(zhǔn)紙塑重疊部位，同時(shí)加熱板迅速溫升至130℃，溫控器輸出報(bào)警信號(hào)TLA。手動(dòng)按下熱接壓板下按鈕，紙塑重疊部分被壓住，并繼續(xù)升溫至190℃，溫控器輸出連鎖信號(hào)THA，熱接壓板油缸自動(dòng)回復(fù)，熱交換裝置復(fù)位，熱接完成[3～4]。

3.4 圓刀分切機(jī)構(gòu)

利樂(lè)包由多種不同基材組成，克重較大，最大可達(dá)550g/m2。普通切刀分切通常存在毛邊、粉塵大、靠刀壓力不均、刀片易磨損等問(wèn)題。利樂(lè)包屬于食品包材，各項(xiàng)要求嚴(yán)格，普通切刀很難達(dá)到快速有效分切的要求。為了徹底解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)由氣動(dòng)上刀、分切刀總成和下圓盤刀組成圓刀分切系統(tǒng)。下圓盤刀裝于底刀輥上并用間隔套隔開(kāi)，間隔套用于紙塑寬度規(guī)格的調(diào)整。氣動(dòng)上刀可以排列地固定在上刀座上，主要有進(jìn)刀和靠刀兩個(gè)動(dòng)作，且進(jìn)刀深度和靠刀壓力均可以微調(diào)。

底刀輥的前后分別裝有一根展平輥，前一根用于紙塑的展平，后一根用于紙塑分切后的展開(kāi)，以確保每相鄰兩卷材料之間有1～2 mm的間隙，避免收卷引起交叉重疊。

3.5 收卷機(jī)構(gòu)

為了獲得不同的收卷效果，收卷方式分為壓力模式和跟隨模式，壓力模式時(shí)收卷紙卷可以獲得硬度較高的收卷效果且跟隨架上的壓輥和紙卷表面的接觸壓力在30～50kg范圍內(nèi)可調(diào)；跟隨模式時(shí)跟隨架上的壓輥與收卷紙卷始終保持10～20mm的間距，收卷松緊度由系統(tǒng)張力保證。

以上兩種收卷方式中壓力模式難度最大,是整臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。壓力控制效果直接決定收卷質(zhì)量。壓力較大收卷紙卷容易竄邊，而且壓輥產(chǎn)生的壓力通過(guò)紙卷傳遞到收卷軸上，繼而又會(huì)通過(guò)收卷軸端軸承座傳遞到收卷墻板上，大大增加了收卷軸和收卷墻板的負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致收卷軸變形、收卷墻板震動(dòng)等一系列問(wèn)題。壓力較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)收卷軸每旋轉(zhuǎn)一圈的過(guò)程中壓輥時(shí)而壓住料卷時(shí)而壓不住料卷的問(wèn)題，紙卷越大問(wèn)題越嚴(yán)重，主要是原材料厚度不均不斷累計(jì)導(dǎo)致的偏心、收卷紙心圓周厚度不均造成的橢圓度、收卷氣脹軸脹起不均引起的紙心偏心等原因。每一卷材料或多或少都存在以上問(wèn)題，只能盡量減少影響，不能完全消除，因此只能從跟隨架油缸液壓系統(tǒng)油壓控制上解決。如圖3所示，P2是進(jìn)油路，T1是回油路，07191是三位四通換向閥。DT6得電油路處于跟隨模式，DT5得電油路處于壓力模式，DT5和DT6失電油路處于非工作狀態(tài)。工作過(guò)程中壓力傳感器時(shí)時(shí)檢測(cè)跟隨油缸無(wú)桿腔壓力并轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出到PLC模擬量輸入模塊，經(jīng)程序運(yùn)算輸出0～10V電壓信號(hào)，控制RZMO比例溢流閥的工作閥芯，使閥口尺寸的改變與輸入電壓成比例關(guān)系。當(dāng)壓輥壓力較大時(shí)，PLC控制比例溢流閥的閥口尺寸變小，即泄壓口變小，無(wú)桿腔油壓變大，跟隨架多余的重量被跟隨油缸抵消，壓輥壓力變小。相反當(dāng)壓輥壓力較小時(shí)比例溢流閥卸油口尺寸變大，無(wú)桿腔油壓變小，跟隨油缸的推力也相應(yīng)變小，跟隨架反映到壓輥上的壓力變大[5]。

圖3 跟隨壓緊控制液壓原理圖

設(shè)計(jì)程序需要考慮跟隨架本身自重及重心偏移、系統(tǒng)張力、加減速帶來(lái)的影響等多重因素。

3.6 拔軸器裝置

收卷氣脹軸分3〞、6〞、12〞三種規(guī)格。為了減少人工勞動(dòng)高強(qiáng)度，提高整機(jī)自動(dòng)化程度，裝軸、拔軸采用拔軸器。當(dāng)收卷完成需要卸卷拔軸時(shí)，液壓缸將拔軸平臺(tái)升起至合適位置，手動(dòng)爪盤鎖緊收卷氣脹軸端部法蘭，齒輪減速電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)爪盤沿軌道移動(dòng)，抽出收卷氣脹軸；裝軸動(dòng)作則與之相反。汽缸支撐的輥軸用于平衡收卷氣脹軸在拔出移動(dòng)時(shí)一端的重量。拔軸裝置安裝有安全保護(hù)裝置，用于平臺(tái)下降時(shí)的安全保護(hù)作用。

3.7 廢邊系統(tǒng)

由于本機(jī)速度較快，廢邊量較大，為了保持機(jī)器周邊環(huán)境整潔，采用廢邊真空吸送，打碎后吹出，輸送到廢邊房的處理方式。

3.8 電氣控制系統(tǒng)

采用德國(guó)西門子S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，440系列變頻器，1LG4系列變頻電機(jī)。為操作方便常用參數(shù)均可在HMI上設(shè)定，如：機(jī)器速度、收卷長(zhǎng)度、壓緊壓力、定長(zhǎng)停車、系統(tǒng)張力等。為方便維護(hù)，設(shè)計(jì)程序有故障報(bào)警和故障診斷功能，故障發(fā)生時(shí)可以顯示故障時(shí)間、位置、內(nèi)容、可能原因等相關(guān)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

本機(jī)各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，重要配件和傳感器均采用國(guó)際知名品牌，如糾偏和張力傳感器采用德國(guó)E+L產(chǎn)品，放卷制動(dòng)器采用意大利RE產(chǎn)品，氣動(dòng)圓刀采用意大利COTTA產(chǎn)品，展平輥采用意大利FBF產(chǎn)品等。整機(jī)速度、張力控制穩(wěn)定，各項(xiàng)主要參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際一流廠商的技術(shù)水準(zhǔn)，完全可以替代國(guó)外同類產(chǎn)品，獲得了用戶好評(píng)。該設(shè)備主要用在印刷、復(fù)合之后，是利樂(lè)包生產(chǎn)線中十分重要的環(huán)節(jié)。

[1] 劉仁慶.包裝用紙的現(xiàn)況與前景[J].印刷雜志，2003，30（4）：28-29.

[2] 劉同年.紙包裝制品地位及紙包裝制品裝備發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國(guó)包裝工業(yè)，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.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.11.

（編輯：林小江）

8 評(píng)定結(jié)果報(bào)告

圓錐滾子標(biāo)準(zhǔn)件角度的不確定度報(bào)告為：UD=1.89μm，k=2。

9 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)《Q/HZ11-17025C4/01-2010專用量具校準(zhǔn)改值規(guī)定》，規(guī)定圓錐滾子量值傳遞改值角度為2μm，測(cè)量尺寸結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：UD=1.89μm，k=2。擴(kuò)展不確定小于改值規(guī)定，測(cè)量結(jié)果可信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉哲夫，孫宇翔，陳玉峰.圓錐滾子標(biāo)準(zhǔn)件角度不確定度分析[J].哈爾濱軸承,2014,35(3):45-46.

（編輯：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.

孫 昊（1978-），男， 工程師.