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送紙機構卡紙現象數值分析
文章來源:【泰州市金奧紙業有限公司】是生產定性濾紙,PH試紙,定量濾紙的專業廠家     發布時間:2015/7/16 10:46:56

第1節中對紙張運動方程的推導是在紙張被輥輪夾持狀態時,通過紙張運動方程推導出的主動輥輪扭矩表達式可以看到扭矩的變化形式可以用來表征紙張的運動狀態,可以看出當紙張前端與導板間的接觸力大于紙張受到的摩擦力或者連接從動輥輪的彈簧剛度不夠導致作用在紙張上摩擦力的力太小時,都有可能引發紙張被輥輪夾持時的卡紙現象;第二章只是從理論上研究了紙張被夾持狀態時可能引起卡紙的原因,在紙前段進入豎直導板間的走紙通道后卡紙現象的分析,則很難從理論上研究,因為紙張在豎直導板中下落時,紙張與導板的狀態不明確,可能只有一段紙張在于導板接觸而其他部分的紙張只是受到空氣阻力的影響;同時,由于運動方程是基于一個簡化的模型建立的,輥輪轉速、紙張彎曲剛度和紙張與導板間的摩擦系數對卡紙現象的影響從紙張運動方程中無法準確的判斷.因此本章針對幾個關鍵參數展開對卡紙現象的仿真分析來完善對送紙機構整個運動過程的研究.
   在紙張脫離輥輪后,紙張前段已經進入了導向板與豎直導板間接觸情況復雜,紙張后端在脫離輥輪約束后會向上運動并且與圓環導板接觸,此時可能會發生卡紙現象.為了研究紙張在此階段中卡紙現象產生的原因,本節通過RecurDyn建立了仿真模型,分析比較了四個可能會引起卡紙現象發生的因素和卡紙時紙張的受力情況.
2. 1紙機構仿真模型
   送紙機構仿真模型由輥輪和導向板兩部分組成,創建其二維模型如圖3所示,其中輥輪半徑均為13mm,主動輥輪圓心到圓環導板水平距離為30mm,豎直距離為15 mm;弧形導板半徑為30mm;托軸為功能性部件起支撐紙張作用.
   為了避免在仿真過程中出現紙張后端與直導板接觸穿透,在直導板的左端上安置一個圓環導板.紙張材料參數:密度為7.5 X 10-}kg/mm3;根據A3紙張的尺寸,紙張長度為420mm,為了模擬紙張的柔性,將其離散為84個5 mm長的小薄片剛體元素,在剛體元素之間設置旋轉副.為了讓紙張順利進入輥輪,給定紙張1000mm/s的初始速度.
   紙張在初速度的作用下前進被輥輪夾持,主動輥輪為給定恒定轉速,從動輥輪在紙張的帶動下具有與紙張相同的線速度.當紙張后端脫離輥輪時,紙張前段已經進入了豎直導板的走紙通道中,此時紙張發生彎曲變形,且紙張后端會在紙張恢復力作用下向上運動直至與圓環導板接觸.若紙張后端脫離圓環導板繼續進入走紙通道,則走紙過程順利;若紙張后端始終保持與圓環導板的接觸狀態,則表明發生了卡紙現象.
2. 2仿真結果
   在輥輪轉速為1000mm/s、紙張彈性模量為3000N/mmZ、紙張厚度為0.25mm時,分別對紙張與導板間摩擦系數為0.3, 0.25, 0.2, 0.15, 0.1進行仿真計算.發現摩擦系數為0.1時沒有發生卡紙現象,而在其他的摩擦系數下則發生了卡紙現象.在仿真過程中提取紙張后端的速度、紙張受到圓環導板接觸力和紙張受到豎直導板的摩擦力結果,結合不同工況下的仿真結果來分析影響卡紙現象的原因.
   圖4中各結果的峰值時刻為紙張后端與圓環導板接觸時刻,此時PH試紙、定性濾紙的受力與速度決定了紙張是繼續運動順利進入導板還是停留在這個狀態發生卡紙現象.可以看到隨著摩擦系數的降低,摩擦力在同一時刻都在降低;而紙張后端速度的最大值在變大,導致接觸力的最大值變小;速度的變化曲線隨摩擦系數的減小而斜率減小.在摩擦系數為0.3, 0.25, 0.2, 0.15時,速度隨時間減小至為0,且保持為0的速度,表明發生了卡紙現象;在摩擦系數為0.1時,速度最小值大于0且開始變大,表明紙張繼續運動.說明摩擦系數的減小使得不發生卡紙現象是由于較小的摩擦系數導致紙張與圓環導板間最大接觸力較小.
   在摩擦系數為0.2時,分別對輥輪轉速為2000mm/s,1500mm/s,1000mm/s, SOOmm/s進行仿真分析.發現輥輪轉速為2000mm/s,  1500mm/s時,紙張順利的進入到導板中;而輥輪轉速為1000mm/s, SOOmm/s時發生了卡紙現象.
   從表1中的仿真結果表明,隨著輥輪轉速的減小,摩擦力相應的減小且紙張后端速度的最大值也相應的減小.在輥輪轉速較大時,紙張后端速度最大值較大,紙張與圓環導板的接觸力最大值較小且相近,紙張順利的進入了導板中,這一結論與不同摩擦系數工況的分析結果符合.
   在輥輪轉速為1000mm/s、摩擦系數為0.2、紙張厚度為0.25mm時,分別對紙張彈性模量為3000N/mmZ,2000N/m了、1000N/mmz進行仿真計算.發現當彈性模量為1000N/mmz沒有發生卡紙現象,而其他彈性模量下發生了卡紙現象.在輥輪轉速為1000mm/s、摩擦系數為0.2、紙張彈性模量為3000N/mmZ時,分別對紙張厚度為0.3mm, 0.25mm, 0.2mm和O.15mm進行仿真計算.發現當紙張厚度為0.2mm, O.15mm沒有發生卡紙現象,而其他紙張厚度下發生了卡紙現象.
   隨著紙張彈性模量的降低,摩擦力最大值、紙張后端的速度和紙張與圓環導板的接觸力也相應的減小.紙張在導板形狀位置的影響下發生了相同程度的彎曲變形,但是越小的紙張彈性模量產生了越小J陜復力,即對影響紙張彎曲變形的導板有較小的正壓力.從表2的結果可以看出不同的彈性模量對摩擦力大小和紙張速度的影響較小,但是對紙張與圓環導板的接觸力影響較大,較小的接觸力有利于紙張順利進入導板中.隨著紙張厚度的降低,摩擦力顯著地減小了,紙張后端的最大速度則變化不明顯,紙張與圓環導板的接觸力也明顯減小,但是在不發生卡紙時的兩個工況中接觸力最大值相差不大.紙張厚度的降低不僅會讓紙張的彎曲剛度降低,還大大的減輕了紙張的質量,這都有利于降低摩擦力和接觸力,有利于送紙機構順利運行.
   通過對四個因素對紙張運動情況的仿真分析,發現不卡紙的情況都是在紙張后端與圓環導板間接觸力較小的情況時發生的.因此在紙張完全脫離輥輪的情況下,避免卡紙現象的發生最重要的是減少紙張后端與導板的接觸力,可以通過減低紙張與導板間摩擦系數、加大主動輪轉速、改變紙張材料參數來實現.
3實驗驗證仿真方法
   第二小節通過仿真辦法,初步分析了紙張脫離輥輪后影響卡紙現象的幾個因素,為了驗證得到的結論具有可靠性,需要做實驗來驗證.從第一小節中可以看出主動輥輪扭矩受很多因素的影響,且扭矩最大時為紙張前段與導板接觸時,因此比較實驗中扭矩最大值與仿真結果中扭矩最大值就能驗證仿真模型及仿真計算方法的可靠性.
   選取3種不同的弧形導板,圖中表示的角度表示紙張進紙角度.做三種工況的實驗與仿真對比:
   工況1:弧形導板半徑30mm,紙張進入角400;工況2:弧形導板半徑30mm,紙張進入角200;
   工況3:弧形導板半徑SOmm,紙張進入角400.
   按照實驗機構建立仿真模型,采用第二小節中相同的仿真方法進行與實驗工況相同的仿真,提取主動輥輪的扭矩結果,與實驗扭矩結果比較如下表:
   可以看出仿真的扭矩結果與實驗扭矩結果較吻合,驗證了第2小節中仿真計算方法的可靠性.確認了用這種計算手段可以來研究各個參數對送紙機構運行狀態的影響,并為優化設計提供依據.同時,仿真結果與實驗結果的誤差分析可以在一定的條件下得到更接進于真實值的最佳仿真結果,從而改善仿真方案.從仿真的角度產生誤差的原因有:
   (1)接觸與摩擦模型中的一些關鍵參數是人為設定的,與實際情況不一定完全一致.可以通過大量實驗來確定紙張與輥輪、紙張與導板、紙張與紙張間的接觸剛度和阻尼來減小仿真誤差;
   (2)在設定輥輪間正壓力時是采用了從動輥輪的重力,而在實驗中橡膠輥輪在外部環境的影響下有膨脹現象,因此增加了輥輪間的壓力,而在仿真中則沒有考慮這一現象.
4結論
   本文研究了紙張在送紙機構內的動態行為,建立了送紙機構力學計算模型,推導了紙張在完全被輥輪夾持狀態下的水平運動方程,理論推導表明影響卡紙現象的主要因素是機構材料參數和尺寸,發現只要主動輥輪能夠提供足夠的扭矩,就不會發生卡紙現象.進一步地,利用多體動力學軟件RecurDyn建立了送紙機構仿真模型,仿真結果表明較大的摩擦系數、較小輥輪轉速、較大的紙張模量和較大的紙張厚度會引起紙張與圓環導板接觸力較大,從而容易引起卡紙現象.最后通過實驗扭矩結果與仿真扭矩結果對比,驗證了仿真計算方法的可靠性.

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