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送纸机构卡纸现象数值分析
文章来源:【泰州市金奥纸业有限公司】是生产定性滤纸,PH试纸,定量滤纸的专业厂家     发布时间:2015/7/16 10:46:56

第1节中对纸张运动方程的推导是在纸张被辊轮夹持状态时,通过纸张运动方程推导出的主动辊轮扭矩表达式可以看到扭矩的变化形式可以用来表征纸张的运动状态,可以看出当纸张前端与导板间的接触力大于纸张受到的摩擦力或者连接从动辊轮的弹簧刚度不够导致作用在纸张上摩擦力的力太小时,都有可能引发纸张被辊轮夹持时的卡纸现象;第二章只是从理论上研究了纸张被夹持状态时可能引起卡纸的原因,在纸前段进入竖直导板间的走纸通道后卡纸现象的分析,则很难从理论上研究,因为纸张在竖直导板中下落时,纸张与导板的状态不明确,可能只有一段纸张在于导板接触而其他部分的纸张只是受到空气阻力的影响;同时,由于运动方程是基于一个简化的模型建立的,辊轮转速、纸张弯曲刚度和纸张与导板间的摩擦系数对卡纸现象的影响从纸张运动方程中无法准确的判断.因此本章针对几个关键参数展开对卡纸现象的仿真分析来完善对送纸机构整个运动过程的研究.
   在纸张脱离辊轮后,纸张前段已经进入了导向板与竖直导板间接触情况复杂,纸张后端在脱离辊轮约束后会向上运动并且与圆环导板接触,此时可能会发生卡纸现象.为了研究纸张在此阶段中卡纸现象产生的原因,本节通过RecurDyn建立了仿真模型,分析比较了四个可能会引起卡纸现象发生的因素和卡纸时纸张的受力情况.
2. 1纸机构仿真模型
   送纸机构仿真模型由辊轮和导向板两部分组成,创建其二维模型如图3所示,其中辊轮半径均为13mm,主动辊轮圆心到圆环导板水平距离为30mm,竖直距离为15 mm;弧形导板半径为30mm;托轴为功能性部件起支撑纸张作用.
   为了避免在仿真过程中出现纸张后端与直导板接触穿透,在直导板的左端上安置一个圆环导板.纸张材料参数:密度为7.5 X 10-}kg/mm3;根据A3纸张的尺寸,纸张长度为420mm,为了模拟纸张的柔性,将其离散为84个5 mm长的小薄片刚体元素,在刚体元素之间设置旋转副.为了让纸张顺利进入辊轮,给定纸张1000mm/s的初始速度.
   纸张在初速度的作用下前进被辊轮夹持,主动辊轮为给定恒定转速,从动辊轮在纸张的带动下具有与纸张相同的线速度.当纸张后端脱离辊轮时,纸张前段已经进入了竖直导板的走纸通道中,此时纸张发生弯曲变形,且纸张后端会在纸张恢复力作用下向上运动直至与圆环导板接触.若纸张后端脱离圆环导板继续进入走纸通道,则走纸过程顺利;若纸张后端始终保持与圆环导板的接触状态,则表明发生了卡纸现象.
2. 2仿真结果
   在辊轮转速为1000mm/s、纸张弹性模量为3000N/mmZ、纸张厚度为0.25mm时,分别对纸张与导板间摩擦系数为0.3, 0.25, 0.2, 0.15, 0.1进行仿真计算.发现摩擦系数为0.1时没有发生卡纸现象,而在其他的摩擦系数下则发生了卡纸现象.在仿真过程中提取纸张后端的速度、纸张受到圆环导板接触力和纸张受到竖直导板的摩擦力结果,结合不同工况下的仿真结果来分析影响卡纸现象的原因.
   图4中各结果的峰值时刻为纸张后端与圆环导板接触时刻,此时PH试纸、定性滤纸的受力与速度决定了纸张是继续运动顺利进入导板还是停留在这个状态发生卡纸现象.可以看到随着摩擦系数的降低,摩擦力在同一时刻都在降低;而纸张后端速度的最大值在变大,导致接触力的最大值变小;速度的变化曲线随摩擦系数的减小而斜率减小.在摩擦系数为0.3, 0.25, 0.2, 0.15时,速度随时间减小至为0,且保持为0的速度,表明发生了卡纸现象;在摩擦系数为0.1时,速度最小值大于0且开始变大,表明纸张继续运动.说明摩擦系数的减小使得不发生卡纸现象是由于较小的摩擦系数导致纸张与圆环导板间最大接触力较小.
   在摩擦系数为0.2时,分别对辊轮转速为2000mm/s,1500mm/s,1000mm/s, SOOmm/s进行仿真分析.发现辊轮转速为2000mm/s,  1500mm/s时,纸张顺利的进入到导板中;而辊轮转速为1000mm/s, SOOmm/s时发生了卡纸现象.
   从表1中的仿真结果表明,随着辊轮转速的减小,摩擦力相应的减小且纸张后端速度的最大值也相应的减小.在辊轮转速较大时,纸张后端速度最大值较大,纸张与圆环导板的接触力最大值较小且相近,纸张顺利的进入了导板中,这一结论与不同摩擦系数工况的分析结果符合.
   在辊轮转速为1000mm/s、摩擦系数为0.2、纸张厚度为0.25mm时,分别对纸张弹性模量为3000N/mmZ,2000N/m了、1000N/mmz进行仿真计算.发现当弹性模量为1000N/mmz没有发生卡纸现象,而其他弹性模量下发生了卡纸现象.在辊轮转速为1000mm/s、摩擦系数为0.2、纸张弹性模量为3000N/mmZ时,分别对纸张厚度为0.3mm, 0.25mm, 0.2mm和O.15mm进行仿真计算.发现当纸张厚度为0.2mm, O.15mm没有发生卡纸现象,而其他纸张厚度下发生了卡纸现象.
   随着纸张弹性模量的降低,摩擦力最大值、纸张后端的速度和纸张与圆环导板的接触力也相应的减小.纸张在导板形状位置的影响下发生了相同程度的弯曲变形,但是越小的纸张弹性模量产生了越小J陕复力,即对影响纸张弯曲变形的导板有较小的正压力.从表2的结果可以看出不同的弹性模量对摩擦力大小和纸张速度的影响较小,但是对纸张与圆环导板的接触力影响较大,较小的接触力有利于纸张顺利进入导板中.随着纸张厚度的降低,摩擦力显著地减小了,纸张后端的最大速度则变化不明显,纸张与圆环导板的接触力也明显减小,但是在不发生卡纸时的两个工况中接触力最大值相差不大.纸张厚度的降低不仅会让纸张的弯曲刚度降低,还大大的减轻了纸张的质量,这都有利于降低摩擦力和接触力,有利于送纸机构顺利运行.
   通过对四个因素对纸张运动情况的仿真分析,发现不卡纸的情况都是在纸张后端与圆环导板间接触力较小的情况时发生的.因此在纸张完全脱离辊轮的情况下,避免卡纸现象的发生最重要的是减少纸张后端与导板的接触力,可以通过减低纸张与导板间摩擦系数、加大主动轮转速、改变纸张材料参数来实现.
3实验验证仿真方法
   第二小节通过仿真办法,初步分析了纸张脱离辊轮后影响卡纸现象的几个因素,为了验证得到的结论具有可靠性,需要做实验来验证.从第一小节中可以看出主动辊轮扭矩受很多因素的影响,且扭矩最大时为纸张前段与导板接触时,因此比较实验中扭矩最大值与仿真结果中扭矩最大值就能验证仿真模型及仿真计算方法的可靠性.
   选取3种不同的弧形导板,图中表示的角度表示纸张进纸角度.做三种工况的实验与仿真对比:
   工况1:弧形导板半径30mm,纸张进入角400;工况2:弧形导板半径30mm,纸张进入角200;
   工况3:弧形导板半径SOmm,纸张进入角400.
   按照实验机构建立仿真模型,采用第二小节中相同的仿真方法进行与实验工况相同的仿真,提取主动辊轮的扭矩结果,与实验扭矩结果比较如下表:
   可以看出仿真的扭矩结果与实验扭矩结果较吻合,验证了第2小节中仿真计算方法的可靠性.确认了用这种计算手段可以来研究各个参数对送纸机构运行状态的影响,并为优化设计提供依据.同时,仿真结果与实验结果的误差分析可以在一定的条件下得到更接进于真实值的最佳仿真结果,从而改善仿真方案.从仿真的角度产生误差的原因有:
   (1)接触与摩擦模型中的一些关键参数是人为设定的,与实际情况不一定完全一致.可以通过大量实验来确定纸张与辊轮、纸张与导板、纸张与纸张间的接触刚度和阻尼来减小仿真误差;
   (2)在设定辊轮间正压力时是采用了从动辊轮的重力,而在实验中橡胶辊轮在外部环境的影响下有膨胀现象,因此增加了辊轮间的压力,而在仿真中则没有考虑这一现象.
4结论
   本文研究了纸张在送纸机构内的动态行为,建立了送纸机构力学计算模型,推导了纸张在完全被辊轮夹持状态下的水平运动方程,理论推导表明影响卡纸现象的主要因素是机构材料参数和尺寸,发现只要主动辊轮能够提供足够的扭矩,就不会发生卡纸现象.进一步地,利用多体动力学软件RecurDyn建立了送纸机构仿真模型,仿真结果表明较大的摩擦系数、较小辊轮转速、较大的纸张模量和较大的纸张厚度会引起纸张与圆环导板接触力较大,从而容易引起卡纸现象.最后通过实验扭矩结果与仿真扭矩结果对比,验证了仿真计算方法的可靠性.

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