咖啡粉枕式包裝機總體設計及橫封切斷裝置設計含開題及21張CAD圖
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咖啡粉枕式包裝機總體設計及橫封切斷裝置設計
摘 要：隨著包裝工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品包裝在產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品銷售過程中所起著越來越重要的作用。
本設計通過分析粒料包裝機的總體設計方案及對橫封切斷裝置的部件原理設計,確定主要裝置(供送、下料、成型、牽引、封切、傳動)之間的相互配合關系。分析了機構、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設計原理,該設計解決了粒料快速、自動包裝等問題。為實現(xiàn)包裝機的預期功能,對其機械傳動系統(tǒng)進行設計。確定傳動路線,并給出其傳動系統(tǒng)結(jié)構簡圖。在分析橫封切斷機構功能的基礎上, 研究出一種新型凸輪滑桿式間歇橫封機構, 其特點是運動中力系處于封閉平衡狀態(tài), 且結(jié)構簡單, 加工方便, 易于調(diào)試安裝。根據(jù)多功能枕型包裝機橫封切斷工藝要求， 選用凸輪機構實現(xiàn)其橫封軸不等速傳動， 并對此傳動機理進行了運動分析， 推導出了通用計算公式。
關鍵詞：枕式包裝機;運動分析; 結(jié)構特點;橫封切斷裝置
Design for Pillow-style Packaging Machine of Coffee and Horizontal Cutting Fixtures
Abstract: As the developing of the packing industry, the technique of product packing has played a great role in the products' production,development and selling.
By analyzing the design schema and design principle of the horizontal cutting fixtures for packaging grainy material was introduced,conformed work in relations of main fixtures(feeding, forming, retractor, sealing,driving) through analysis of packaging machine overall plan .The mechanism, driving system and control system were analyzed. The problems of fast and automatically packaging grainy material was solved with this equipment. Based on the requirements for transmission system of handy needle packing machine , a scheme design for transmission system was completed in order to accomplish the expectant function of the mechanism. The transmission route was determined. The sketch was offered. Based on the requirements for transmission system of horizontal cutting fixtures. It conducts an analys is and comparison of mechanism about intermittent traverse seal, and the focus point is to study mechanism about bring forth new idea of interm- ittent trarerse seal.According to the technology require of cross sealing axle of pillow multi-function packaging machine,the cam is used to realize vary velocity motion,and its kinematic analysis is performed,the general caculating formula is deduced.
Key word: Pillow-style packaging machine; Kinematic analysis; Structural characteristics; Horizontal cutting fixtures
目 錄
1 前言 3
2 咖啡粉枕式包裝機總體設計 4
2.1 總體方案論證 4
2.1.1功能與應用范圍 4
2.1.2 工藝分析 4
2.1.3總體布局 5
2.1.4工作循環(huán)過程 7
2.2總體傳動系統(tǒng) 7
2.2.1傳動系統(tǒng)的組成 7
3 咖啡粉枕式包裝機橫封切斷裝置設計 7
3.1基于功能原理與功能分析方案設計 7
3.2結(jié)構設計 8
3.3機構分析 9
3.3.1受力分析 9
3.3.2運動分析 10
3.3.3工藝分析 10
3.5其他設計計算 13
3.5.1分析機構運動時間 13
3.5.2分析機構移動位移 13
3.5.3分析機構調(diào)節(jié) 13
3.5.4壓簧的設計與計算 13
4結(jié)論 17
參考文獻 18
致 謝 19
附 錄 20
1 前言
包裝機是一種高效率的包裝機械,包裝機械行業(yè)也是直接為提高人民生活質(zhì)量服務的新興行業(yè)。隨著市場經(jīng)濟的深入發(fā)展和人民生活水平的不斷提高, 對商品包裝提出了更高的要求。哪里有商品,哪里就有包裝,各種各樣的商品,有著千變?nèi)f化的包裝,對應著種類繁多的包裝機械,其中立式袋成型—充填—封口包裝機(以下稱立式袋成型包裝機) 在眾多的包裝機械產(chǎn)品中屬于量大面廣的一類, 它廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。
由于立式袋成型包裝機結(jié)構復雜、調(diào)整機構多, 對不同的包裝材料、不同的包裝物料、不同的包裝袋大小等都有特定的要求, 因此企業(yè)的生產(chǎn)方式多為先按照大類生產(chǎn)出基本型, 再根據(jù)用戶所提供的包裝物料和提出的特殊要求, 在基本型的基礎上生產(chǎn)出定型成品。
國內(nèi)生產(chǎn)的立式袋成型包裝機以普通型、通用型為主,即在同一臺設備上,同一豎直方向上自動完成包裝袋成型、計量、打印日期、充填、封口、切斷、輸出等工序。包裝物料一般為: 液體、粘稠體、顆粒物料、粉料、膏體、片劑、膨化食品等。充填計量方式一般為:容積式、稱重式。容積式又可分為量杯式、旋轉(zhuǎn)閥式、柱塞式; 稱重式又可分為電子秤、杠桿秤兩種。有些包裝機還采用組合式,如粗供料采用容積式, 精供料采用稱重式等。所用包裝材料主要是具有可熱封的塑料單膜和各種復合膜(如:紙—塑復合、塑—塑復合、鋁—塑復合等) 。包裝成形袋以扁平袋為多(如:枕形袋、三邊封口袋、四邊封口袋) 。熱封方式主要有:往復式、L 型閉合式、旋轉(zhuǎn)式。
在產(chǎn)品技術方面，包裝機的主要特點是：
a. 速度高，品種多；
b.精度高;
c.可靠性高;
d.自動化和智能化水平高。
包裝機械是包裝工業(yè)的重要基礎，沒有現(xiàn)代化的包裝機械就沒有現(xiàn)代化的包裝工業(yè)。包裝機械的未來是各種高新技術、新機構、新控制方法的高度結(jié)合，其技術特征將趨于“三高”，即高速、高效、高質(zhì)量，重點發(fā)展方向?qū)②呌诠?jié)能降耗、性能穩(wěn)定可靠、控制水平先進、結(jié)構緊湊、噪音低、效率高、操作簡單、外觀造型更加注重美學設計、控制和操作更加趨于人性化。[1]
本課題枕式包裝機來源于鹽城市盛和輕工機械廠，具體的內(nèi)容為咖啡粉枕式包裝機總體設計及橫封切斷裝置設計。在設計前認真研究被加工包裝的圖樣，研究其尺寸、形狀、材料、硬度、重量、加工部位的結(jié)構及加工時進行必要的消毒和對操作人員身體健康要求等內(nèi)容，為設計提供大量的數(shù)據(jù)、資料，作好充分的、全面的技術準備。在準備了充足的資料之后,進行分析與整理?？傮w的主要設計任務是進行咖啡粉枕式包裝機總體設計,在完成總體設計的基礎之上，主要完成其橫封切斷裝置的設計. 使設備既能滿足包裝要求，保證包裝膜對正，便于調(diào)整；又能使其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構簡單；便于維修。
2 咖啡粉枕式包裝機總體設計
咖啡粉枕式包裝機總體設計，通常是根據(jù)與用戶簽定的合同和技術協(xié)議書,針對具體加工對象，擬訂結(jié)構方案，并進行方案圖樣和有關技術文件的設計。
2.1 總體方案論證
咖啡粉包裝機總體方案的擬訂是進行機器設計的關鍵一步。因為總體方案在很大程度上決定了機器的結(jié)構配置和使用性能。因此，應根據(jù)粉劑物料的形態(tài)要求和特點，按一定的原則、結(jié)合一般食品機械常用的設計,使用方法、充分考慮各種因素，并經(jīng)技術經(jīng)濟分析后擬訂出先進、合理、經(jīng)濟、可靠的總體方案。
2.1.1功能與應用范圍
咖啡粉枕式包裝機自上世紀五十年代開發(fā)到現(xiàn)在已有數(shù)十年了，當時開發(fā)出的機種功能單一，應用范圍窄，但是容易實現(xiàn)、可靠。電動機的動力和運動通過三角帶(或稱為V形帶)或平皮帶輸送給分配軸，再由分配軸分給計量裝置、豎封切斷裝置、橫封切斷裝置、輸出包裝物等，只能對單一內(nèi)裝物及同一尺寸的內(nèi)裝物進行包裝。這樣就存在有如下幾個問題:
(a)包裝機的生產(chǎn)能力不可改變;
(b)包裝機對內(nèi)裝物尺寸變化的適應性差;
(c)橫封封切時的線速度與豎封牽引供送的速度應該一致，但必須改變橫封封切的運動規(guī)律來實現(xiàn)。橫封切斷的運動規(guī)律問題;
(d)供送內(nèi)裝物、供送薄膜、豎封牽引、橫封切斷等的最佳配合問題;
(e)是否要配備離合器，對調(diào)試是至關重要的。
(f)對刀的調(diào)整問題;
(g)當有印刷圖案時，保證圖案的完整性的問題。
考慮到市場的深入，人們對產(chǎn)品追求多元化、個性化。故產(chǎn)品的包裝范圍要廣、功能要齊全、速度要快。加上我國超市的發(fā)展，推動咖啡粉枕式包裝機的發(fā)展，也提出了相適性的功能與適用范圍的需求問題
適用的范圍如下:
(a)包裝材料:防潮玻璃紙、涂塑玻璃紙、聚乙烯、聚丙烯、袋包紙、鋁箔以及其他復合材料
(b)包裝物品:面包、糕點、蔬菜、加工食品、醫(yī)藥品、機械零件、咖啡粉及其他等粉狀物品[3]
2.1.2 工藝分析
咖啡粉枕式自動包裝機是針對粉狀物件進行外包裝的一種手段。在工藝分析
中，首先對內(nèi)裝物物件的特性、包裝材料和包裝過程作詳細的分析和研究，并對
單功能機的分析，進行擴展其功能，如擴展它的包裝尺寸范圍、擴展它的包裝物
件、擴展它的包裝材料、擴展它的包裝生產(chǎn)力等。這些擴展涉及到的主要部件的
分析比較，以便得出可靠的機構。
(a)粉體物料的特性工藝分析
粉狀物體可以是包裝咖啡粉、味精、感冒沖劑及其它顆粒性物料。一般來說在設計時，為了簡化結(jié)構，針對類型范圍相近的物件進行設計，因此就會選擇一些相近的物件在同一臺機上包裝。另一方面，內(nèi)裝物的變化，只需簡單更改零件就可以了。如尺寸大小變更可以調(diào)整成型器或更換成型器，其它的可以只是簡單調(diào)整。易碎的物件可以在豎封牽引、橫封切斷器上粘貼一些緩沖的物料，而無需更換零件就可以使機械適應范圍廣?？偠灾Х确壅硎桨b機的適用范圍極廣，只要是成粉狀物件一般都可以包裝。
(b)包裝材料的要求
包裝紙的選擇在包裝機設計中也是重要的。塑料包裝的問世，引起了包裝機的革命。使包裝工藝、包裝技術發(fā)生了巨大變化。如塑料包裝，可以采用高頻加熱熱封包裝、或電熱絲脈沖熱封包裝。如袋裝的味精、小兒感冒沖劑等，目前食品、醫(yī)藥行業(yè)采用聚乙烯薄膜包裝是很廣泛的;紙張經(jīng)涂塑料后的復合材料包裝也被廣泛使用，如糖果等。
咖啡粉枕式自動包裝機多采用PP卷和聚乙烯涂塑紙等復合材料等?？紤]到在薄膜牽引時，薄膜要受較大的張力，一般說來，包裝的速度越高，包裝材料越容易被拉斷。如果包裝紙的拉力強度不夠，勢必影響包裝速度的提高。因此，選擇包裝紙的質(zhì)量是十分重要的。在此設計過程中我們采用PP卷。
(c)包裝工藝方案的擬定
由分析可知，包裝工藝路線是:薄膜經(jīng)牽引輥牽引由導向輥進入成型器，再經(jīng)豎封牽引器牽引并封邊使PP卷薄膜成型袋筒形.
如圖2.1所示，是咖啡粉枕式自動包裝機圖。PP卷在走帶裝置牽引下，牽引PP卷間隙式前進，在通過成型器時被折成筒狀，計量裝置將計量好的物料—咖啡粉送入成型器中的筒狀材料內(nèi)，物品便隨同材料一起前進，豎封裝置將包裹在筒柱狀的PP卷豎向熱封，后經(jīng)走袋裝置下拉至橫封裝置。橫封切斷器熱封咖啡袋的左端和右端，同時在中間切斷分開，切斷分開的咖啡帶靠自重掉入料倉輸出成品。從工藝上分析可知，為達到高速，要優(yōu)化橫封切斷器的運動規(guī)律。由于橫封裝置靠凸輪構件作間隙式往復運動，是否適宜高速運行，要對橫封切斷器進行詳細分析。
為滿足其多功能，橫封裝置和豎封裝置都可以進行細微調(diào)整，來適應不同內(nèi)裝物的尺寸，達到滿足大范圍包裝。簡單更改成形器，可以使其滿足包裝內(nèi)裝物尺寸的變化，如寬度和高度。簡單調(diào)整計量裝置的計量容積，可以包裝不同重量的咖啡粉。因此，要完成其多功能、范圍廣、高速度等，就必須設計出更為合理的機構來滿足要求
2.1.3總體布局
包裝工藝確定以后，要考慮如何實現(xiàn)這種包裝動作。因此，要求選擇合適的傳動、操作和執(zhí)行機構。這些機構組成若干個部件，這些部件相互位置怎樣安排?它們又是怎樣聯(lián)系和形成一個完整的總體?這就是包裝機總體設計的任務。
包裝機的傳動與控制機構，可以采用機械式，液壓式，或氣動式。應根據(jù)產(chǎn)
品的特點、生產(chǎn)能力、使用者的情況等具體條件以及機器動作的復雜程度而定。
咖啡粉枕式自動包裝機一般包裝速度在(3050袋/min)，最高可以達到(100袋/min)。要實現(xiàn)這樣高的包裝速度，而且要保證動作的相互協(xié)調(diào)和工作可靠穩(wěn)定，用液壓式或氣動式控制機構尚有困難，因為液體和氣體有可壓縮性，而且油液的粘度大，高速換向運動時慣性沖擊大、發(fā)熱高，液壓還會因溫度升高而使粘度變化，影響動作的準確性，所以一般只用于活塞往復動作在30袋/min左右的機械。目前國內(nèi)外在咖啡粉枕式自動包裝機中大多采用機械傳動方式。因為連桿、凸輪機構一經(jīng)調(diào)整后就能嚴格保證動作的可靠性，并且能實現(xiàn)比較復雜的動作，并配合當今的電子技術和微機控制技術，更進一步提高生產(chǎn)率
圖2.1 咖啡粉枕式包裝機總裝圖
根據(jù)以上分析，本畢業(yè)設計設計的咖啡粉枕式自動包裝機的總體設計和橫封裝置采用機械式控制系統(tǒng)，涉及有:鏈條傳動，帶(齒形帶)傳動，齒輪傳動，凸輪傳動等機構。
一臺包裝機由哪些幾部分組成，決定于包裝工藝的要求?？Х确壅硎阶詣影b機由以下部分組成:
(a)傳動系統(tǒng);
(b)供紙裝置;
(c)成形器部件;
(d)走袋裝置;
(e)豎封裝置;
(f)橫封切斷裝置;
(g)配電裝置和殺菌裝置。
布局形式的選定，最主要根據(jù)包裝工藝的特點即決定于包裝的工藝性。布局形式要便于包裝，使機構簡化，工人操作和維修方便。根據(jù)包裝工藝，咖啡粉枕式自動包裝機布局形式宜采用立式布局，這樣便于進料、送紙、包裝、封切等。因咖啡粉狀物料易自動落料，所以省去一些輔助送料裝置。
在設計中總體布局要求:
(a)傳動系統(tǒng)力求簡潔，在能滿足多功能基礎上保證結(jié)構簡單;
(b)機械操作，調(diào)整簡單，易上手，裝拆方便，聯(lián)鎖防護可靠:
(c)操縱面板位置因方便操作，同時也要考慮到食品的衛(wèi)生安全等等;
(d)排料位置考慮方便安全，能不用動力，靠自身重力安全落料;
(e)外形美觀大方，移動安裝方便。[10]
2.1.4工作循環(huán)過程
咖啡粉枕式自動包裝機的結(jié)構適合于間隙式自動包裝。
工藝是間隙的，只有在內(nèi)裝物供送時，每送入一件必須保證橫封切斷器封切一件。因此其工作循環(huán)過程比較簡單。
2.2總體傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分，由它驅(qū)動各個執(zhí)行部件，按工藝要求完成各種動作。傳動系統(tǒng)的傳動精度，將直接影響機器的包裝加工質(zhì)量。傳動系統(tǒng)的精度不高是機器振動、噪音主要來源。傳動系統(tǒng)直接影響機器結(jié)構的復雜程度，所以傳動系統(tǒng)關系到機器的結(jié)構和性能。
2.2.1傳動系統(tǒng)的組成
由上面討論過的包裝工藝知，傳動系統(tǒng)的組成由如下幾部分組成:
(1) 供送薄膜;
(2)內(nèi)裝物件供送;
(3)豎封裝置的運動;
(4)橫封切斷器裝置的運動。
由包裝工藝及循環(huán)過程知，它們的幾部分傳動要求是:
(1)內(nèi)裝物供送的推頭間距應與袋長相適應。一般來說在高速接縫式自動包裝機中，內(nèi)裝物供送的推頭間距應取包裝物最長的尺寸，以達到大范圍包裝的功能。理想情況是內(nèi)裝物被推送進成型器時與包裝材料的速度大致協(xié)調(diào)。
(2)在工作時，橫封切斷裝置應與包裝薄膜材料的運動速度相當，以免橫封產(chǎn)生皺紋。為適應不同袋長要求，因使橫封切斷裝置封切瞬時的位移可微調(diào)。
(3)應嚴格保證滿足橫封切斷裝置往復封切一袋咖啡粉時，走帶裝置下一步前進一個咖啡帶長的傳動要求。
(4)橫封切斷裝置應在兩袋之間的中間位置熱封并切斷。
對于走袋裝置，它的運動首先要保持PP卷在整個運動過程中有適宜的張緊力;其次它們的運動速度應與供送袋長相適應。當包裝薄膜材料印有商標圖案，并要求圖案與物品始終保持相對位置時，則需要自動補償供送長度與圖案間距不一致所造成的積累誤差。
3 咖啡粉枕式包裝機橫封切斷裝置設計
全自動制袋包裝機的結(jié)構組成,除去動力、傳動和輸送部分及控制系統(tǒng)外,主要由制袋裝置、計量充填裝置、封口切斷裝置等構成。該機主要適用于顆粒狀、粉狀及流體或半流體物料的小袋包裝。
3.1基于功能原理與功能分析方案設計
基于功能原理與功能分析方案設計的任務是:針對機械系統(tǒng)的某些確定的功能要求，去尋找某些物理效應、原理方法，并借助一些作用原理來求得實現(xiàn)這些功能目標的解法原理。在功能方案設計中常常引入某種新技術、新工藝、新材料，它首先要求設計者要有新想法、新構思。同時同一功能要求可以采用不同的工作原理來實現(xiàn)，而同一種工作原理，又可以采用不同的實現(xiàn)方法，從而等到不同的方案設計。
當明確了設計任務后，把要實現(xiàn)的設計任務進行功能分析，分析其總功能。為了便于實現(xiàn)，一個系統(tǒng)的總功能常常需要分解成若千個分功能，并相應找到實現(xiàn)各分功能的原理方案，如果分功能還是太復雜，則可進一步分解為更低層次的分功能。一個同時對總功能進行功能分解，可以得到不同的功能元，再通過系統(tǒng)搜索得到一系列的功能元解，從而形成功能元矩陣，就可以得到若千種組合方案。機械系統(tǒng)方案設計的最終目的是要尋求一種既能實現(xiàn)預期功能要求、又能性能優(yōu)良、價格低廉的最佳方案。最后通過對各種方案進行分析、比較，經(jīng)過科學的評價和決策，才能獲得最佳方案。
間歇式橫封機構是制袋封口機中最重要的機構之一。它是利用加熱元件配合相應的運動從而實現(xiàn)包裝袋的橫向(頂部或底部) 封口。常用的橫封機構有氣動式、機械式和機械氣缸組合式3種。氣動式需要兩個以上專門的氣缸和供氣系統(tǒng); 機械氣缸組合式是經(jīng)多個典型的機構(如多桿組合機構、曲柄滑塊機構、凸輪擺桿機構或曲柄擺桿機構等) 與氣缸組合而成; 常用的機械式橫封機構是多桿機構或成組的齒輪擺桿機構, 存在結(jié)構復雜、制造安裝調(diào)試較困難以及工作可靠性偏低等問題。
凸輪滑桿間歇橫封機構是在廣泛吸收各種間歇橫封機構優(yōu)點的基礎上, 進行結(jié)構簡化后而得到的一種創(chuàng)新機構。它可以取代現(xiàn)有的多種間歇橫封機構, 并可應用于高速自動制袋機中。
就具體到本次的畢業(yè)設計來說,設計者所設計的橫封裝置是通過凸輪來進行往復的壓切咖啡粉包裝袋,使其獲得要達到的運動目的.機構的部裝圖詳見圖3.1。[6]
3.2結(jié)構設計
凸輪滑桿間歇橫封機構的結(jié)構圖如圖所示。其結(jié)構主要由橫封滑桿、回位彈簧和旋轉(zhuǎn)凸輪部分組成。
橫封滑桿在凸輪驅(qū)動下, 作往復移動, 在移動過程中將筒狀包裝材料進行夾持。其夾持部位嵌有加熱器使包裝材料封口處受熱熔化并使之夾緊, 從而實現(xiàn)封合。包裝材料被夾持壓緊的時間與程度均與凸輪和滑桿有關, 應在機構安裝時調(diào)試決定。
回位彈簧與凸輪配合,使滑桿能準確地靠住凸輪輪廓, 在包裝材料的移動過程中, 完成夾持、開合的動作。凸輪是保證在規(guī)定的時間內(nèi)完成封合的關鍵機構, 凸輪旋轉(zhuǎn)一周, 完成一個袋的封口。凸輪的結(jié)構與行程決定著袋的高度和封口效果, 一般都采用圓盤凸輪。凸輪的結(jié)構特性取決于包裝機的制袋規(guī)格和充滿物料后的體積( 特別是截面尺寸) 及包裝袋的輸送( 移動) 速度。
整個機構由機架支承。凸輪由動力傳送機構(也可直接由電機) 帶動旋轉(zhuǎn), 由它驅(qū)動嵌有加熱元件的滑桿總成?；瑮U總成有作往復運動的內(nèi)外封合機構, 而內(nèi)外封合機構則通過拉簧拉緊至與凸輪接觸。凸輪旋轉(zhuǎn)時, 使內(nèi)外封合機構作往復移動并實現(xiàn)封口處兩熱封器間歇開合; 兩熱封器張開時, 裝滿定量物品的長條袋(塑料類軟性包裝材料向下移動, 移動一個袋高距離時停止, 凸輪驅(qū)動兩熱
圖3.1 橫封裝置部裝圖
封器合攏, 最后將其包裝封壓緊, 使包裝袋受熱加壓而封口。緊接著機構再進行下一個封口動作) 。
這種機構結(jié)構簡單輕巧, 運動平穩(wěn), 易于調(diào)節(jié)控制, 且制造成本較低。
3.3機構分析
機構分析包括受力分析、運動分析和工藝分析。
3.3.1受力分析
(a)凸輪受力分析
凸輪受驅(qū)動力(凸輪軸上的作用力)、滑桿總成的作用力和凸輪本身的慣性力。凸輪驅(qū)動力等于滑桿總成作用力與凸輪慣性力之和, 而滑桿總成的作用力由正壓力和接觸點處的摩擦力組成。即:
P = F + Q = f + N + Q (1)
式中: P —凸輪驅(qū)動力
F —滑桿總成作用力(F= f + N )
f —凸輪滑桿接觸處的摩擦力
N —凸輪滑桿接觸處的正壓力
Q —凸輪慣性力
(b)滑桿總成受力分析
滑桿總成受力就是內(nèi)外滑桿的受力, 當滑桿質(zhì)量相等時, 其內(nèi)外滑桿受力大小相等、方向相反, 正因為這一特點使得包裝機在間歇封口時運動平穩(wěn)。內(nèi)外滑桿受力表達式為:
N = T + QG+ fG+ W (2)
式中:N —凸輪滑桿接觸處的正壓力, 即凸輪推動
滑桿運動的力
T—彈簧(拉簧) 拉力
QG—滑桿慣性力
fG—滑桿與機架導軌間的摩擦力
W —包裝袋封口處對滑桿上熱封器的作用力
(c)包裝袋封口處受力分析
包裝袋封口處垂直方向上受包裝成袋物品的重力(一袋重或多袋重, 封口切斷時為單袋重, 只封不切為多袋重) , 而在水平方向上就只有熱封器的壓力。該力在封口時由包裝材料受壓的變形能和處彈性元件的受壓變形能抵消。
3.3.2運動分析
本創(chuàng)新機構最大的優(yōu)點之一就是在水平面上受力處于封閉平衡狀態(tài)。其運動對于兩滑桿來說,也是封閉的, 即內(nèi)滑桿與外滑桿運動方向互逆。當兩者質(zhì)量完全相等時, 其運動的位移大小、速度和加速大小均相等。在封袋時, 靠內(nèi)外滑桿的力同時作用在包裝袋封口處。當把包裝袋拋開時, 實際上也是內(nèi)外滑桿的兩個大小相等、方向相反的作用力再加上內(nèi)外滑桿兩方向相反慣性力發(fā)生作用,也就是內(nèi)滑桿的慣性力和熱封作用力對外滑桿的慣性力和熱封作用力發(fā)生碰撞作用。為避免在熱封時產(chǎn)生沖擊與振動, 除調(diào)整時保證有一定的間隙外, 更主要的是通過凸輪設計來解決。
將凸輪設計為等加速與等減速運動的圓盤(盤狀) 對稱凸輪。也就是使滑桿在行程運動中進行壓合(內(nèi)外滑桿向包裝袋靠攏) 時前半個行程作等加速運動, 后半個行程作等減速運動, 且加速度與減速度絕對值完全相等?；瑮U作回程運動時先作等加速后作等減速運動, 以減小滑桿回到凸輪基圓時的慣性沖擊。封口處熱封器張開的時間和寬度用凸輪驅(qū)動滑桿運動控制, 要保證一個袋長(單袋) 能準確順利地下移到位。在袋的規(guī)格變化后, 應能通過凸輪的控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。
3.3.3工藝分析
包裝工藝最關鍵的是凸輪運動能驅(qū)動滑桿使內(nèi)外熱封器張開到所要求的寬度, 并使一袋的高度距離下移到位, 然后馬上合攏, 使袋在規(guī)定的時間內(nèi)壓合封牢。
當裝入定量物料后的袋形尺寸規(guī)格(高度和斷面尺寸等) 發(fā)生變化時, 整個機構必須能調(diào)節(jié),應充分考慮對凸輪的運動控制、熱封器的安裝調(diào)節(jié)以及滑桿與凸輪接觸處的結(jié)構與調(diào)節(jié)元件等,以滿足變化后的要求。
由于內(nèi)滑桿尺寸比外滑桿大, 而為了保證封口質(zhì)量和機械運動的平穩(wěn)性, 應設法使內(nèi)外滑桿質(zhì)量相等。具體而言, 可在選材時加以考慮。
3.4關鍵部件設計
創(chuàng)新機構的典型部件主要是凸輪。凸輪的形狀及凸輪輪廓曲線決定著整個機構的工作性能, 設計不當會影響整個機構的動作及效率。將凸輪設計成等加速與等減速運動對稱圓盤凸輪。這樣可以保證凸輪高速旋轉(zhuǎn)時, 滑桿不致于產(chǎn)生剛性沖擊, 同時還可消除振動, 提高包裝機的工作平穩(wěn)性。所示為凸輪輪廓示意圖。滑桿在凸輪驅(qū)動下作等加速和等減速運動。即滑桿在一個行程h 中, 前半行程0～ (對應凸輪轉(zhuǎn)角為0～, 對應滑桿移動時間為0～) 間滑桿作等加速運動。
式中: 0和——分別為滑桿完成一個行程h 時凸輪轉(zhuǎn)過的角度和滑桿所需時間。
圖3.2 凸輪輪廓示意圖
滑桿作等加速運動時的運動方程可寫為:
(3)
當滑桿作等減速運動時, a 為負值, 分別將初始條件代入式(3) 并以和0代替t和, 得到滑桿的運動方程表達式( , 為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度) :
(4)
(5)
式(4) 為從0～時的等加速運動; 式(5)為從～0時的等減速運動。同理, 可得出滑桿從凸輪頂部返回(回程) 作等加速和等減速運動的運動方程如下:
(1) 從0～0/2 時的等加速運動方程:
(6)
(2) 從0/2～ 0時的等減速運動方程:
(7)
由式(4)、(5)、(6)、(7) 可繪出滑桿完成一次封口包裝的位移線圖。
圖3.3 凸輪位移線圖
速度和加速度線圖同理,可繪出.
圖3.4 滑桿零件輪廓圖
由滑桿運動線圖可知, 在某些點上有加速度突變, 滑桿的慣性力也會有突變, 會產(chǎn)生沖擊, 但因為慣性力突變值有限, 比起其它運動方式?jīng)_擊要小, 在機械傳動中也稱之為柔性沖擊。除凸輪外, 滑桿結(jié)構及其選材和機械加工也必須加以注意, 滑桿整體重量應盡可能輕, 內(nèi)外滑桿重量應盡可能一致。由于凸輪高速連續(xù)運轉(zhuǎn), 滑桿與凸輪相接觸處始終處于高速摩擦狀態(tài), 故凸輪輪廓以及滑桿與凸輪輪廓相接觸的零件都必須選用耐磨材料:45鋼.
3.5其他設計計算
3.5.1分析機構運動時間
凸輪驅(qū)動滑桿, 使滑桿上熱封器間歇開合。開啟的時間必須保證包裝袋單袋高度移動到位。合攏時進行封口, 封口時間應在保證封牢的前提下盡可能短。機構開合運動時間越短, 機械效率就越高。
3.5.2分析機構移動位移
凸輪控制著滑桿的封口器開啟大小, 其開啟大小必須保證包裝袋充滿物料后能順利下移, 但不能開啟太大, 否則影響效率。另外, 要隨著包裝規(guī)格的改變, 調(diào)節(jié)開啟寬度, 保證工作效率。
3.5.3分析機構調(diào)節(jié)
機構調(diào)節(jié)包括整機調(diào)節(jié)與部件機構調(diào)節(jié)。應使凸輪驅(qū)動與滑桿運動能滿足整機調(diào)節(jié)的要求,而部件機構調(diào)節(jié)則應盡可能簡單方便。主要是調(diào)節(jié)凸輪控制機構和滑桿上熱封器開合位移, 可通過在與凸輪輪廓相接觸部位加墊塊, 或調(diào)整滑桿上有關構件的安裝固定位置等, 或設計一組便于更換的凸輪等方法解決。
3.5.4壓簧的設計與計算
根據(jù)橫封裝置所設計的結(jié)構，要求設計一彈簧。由于咖啡粉枕式包裝機橫封切斷裝置設計中的凸輪運動所要推動導桿的力不是很大，所以設定彈簧最大工作載荷F2=200N，估取彈簧絲直徑d=6mm。具體計算請見下表：
項目
公式或經(jīng)驗
尺寸
1
材料
碳素
65Mn
2
彈簧類別
1類
3
估取彈簧絲直徑d--mm
6
4
拉伸強度極限 --Mpa
由估取彈簧絲直徑d初選
1716
5
許用剪切應力τ--Mpa
0.3
514.800
6
剪切彈性模量G--Mpa
81500～78500, 78500
78500
7
拉壓彈性模量E--Mpa
202000～204000, 197000
8
中徑
由結(jié)構定
48
9
旋繞比(彈簧指數(shù))C
4～10
8.000
10
補償系數(shù)(曲度系數(shù))K
1.184
11
最大工作載荷 --N
200
12
試算彈簧絲直徑
3.069
13
確定彈簧絲直徑d
6
14
重新計算旋繞比C
8.000
15
重新計算補償系數(shù)K
1.184
16
重新試算彈簧絲直徑
3.069
17
最終確定彈簧絲直徑d
6
18
最小變形量
由結(jié)構設計定
8.2
19
工作行程h
由結(jié)構設計定
50
20
最大變形量
=+h
58.2
21
彈簧工作圈數(shù)n
33.462
22
n圓整
8.500
23
彈簧剛度k--N/mm
13.528
24
最小工作載荷 --N
110.932
25
外徑D
54
26
內(nèi)徑
42
27
自由高度
由結(jié)構設計定
100
28
壓縮彈簧細長比b
1～5.3
2.083
29
總?cè)?shù)
=+(2～2.5) 冷卷
10
30
死圈
1.500
31
節(jié)距t
11.059
32
軸向間隙δ
δ=t-d
5.059
33
并緊高度
兩端磨平
57.000
34
0.30.7 理想值0.6
1.353
35
螺旋角α
α rad
0.073
36
5---9度
4.194
37
展開長度L
1512.013
38
質(zhì)量ms g
329.184
39
疲勞強度驗算
40
最大循環(huán)剪應力
134.004
41
最小循環(huán)剪應力
74.326
42
安全系數(shù)
4.258
43
1.31.7 1.82.2
44
靜強度驗算
45
剪切屈服極限taoS
46
安全系數(shù)
47
振動驗算
48
固有頻率
0.003
49
工件頻率
1400r/min
23.333
根據(jù)上面的一系列計算,可繪出壓簧的圖形,如圖
圖3.5 壓簧
4結(jié)論
通過對咖啡粉枕式包裝機的總體分析,研究了粉劑包裝工藝,運用以前學過的機械原理,機械設計方面的知識,確定了咖啡粉枕式包裝機總體方案的論證.根據(jù)功能要求,設計了簡單且實用的傳動方案.對部件的主要零件—凸輪,進行了力學分析.對與凸輪配合的軸進行了校核計算.所設計的機構是在吸取以前常見橫封機構成功經(jīng)驗基礎上進行的,具有具有如下特點:
(a)結(jié)構簡單
整個機構中沒有特種加工的零件,所以加工方便、造價低、易于調(diào)試安裝。
(b)機器平穩(wěn)性好
運動中力系處于封閉平衡狀態(tài), 使機械傳動運行中沖擊振動小。
(c)封口性能好
采用柔性沖擊凸輪輪廓曲線, 使得封口器在封口瞬時既降低了沖擊又保證了封口性能。
(d)實用價值高
結(jié)構簡單、重量輕、造價低且調(diào)試方便。
(e)便于實現(xiàn)程序控制
本機構可配上先進的控制方式實現(xiàn)程序控制。
(f)更換構件方便
滑桿總成包括熱封器及調(diào)整, 均為單件設計加工后組裝, 便于改變結(jié)構及變更材料。
尚存在一些技術問題,如對熱封器在燙頭內(nèi)部的布置路線還有待改進與調(diào)整.
參考文獻
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致 謝
本次畢業(yè)設計我的課題是咖啡粉枕式包裝機總體設計及橫封切斷裝置設計，在陳樹祥老師指導下及與同組設計人員共同努力下如期完成了任務。
由于我們還是學生,所以在設計這方面還是缺乏經(jīng)驗的,但設計任務擺在我們面前,我們不得不想辦法去完成這設計任務。
為期三個月的畢業(yè)設計已結(jié)束，回顧這三個月,我覺得做設計并不是十分的容易的事情。它需要我們查閱大量的文獻資料，將不同課程的知識綜合地運用起來，因此它不同于以前單一的課程設計。畢業(yè)設計不僅是對大學學習的一個總結(jié)，它還是對工作環(huán)境的一種模擬。通過本次的畢業(yè)設計使我能夠?qū)⒗碚撆c實踐融會貫通，加深了對理論知識理解的同時對實踐經(jīng)驗有了進一步的提高。只有深入生產(chǎn)實踐，才能體會到理論聯(lián)系實踐的重要性，認識到理論與實踐之間的差距，而縮短這一差距的方法只有反復地去實踐。
本次設計的咖啡粉枕式包裝機能較好的解決對粉體的包裝設備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠、結(jié)構簡單、便于維修等問題,在提高生產(chǎn)效率，改善操作人員勞動環(huán)境等方面發(fā)揮了具大的作用。
一臺設備所要設計的零部件有很多，因此光靠一個人的力量是不行的，總的來說，在整個設計過程，我意識到了團隊的重要性，作為一個整體，彼此間的分工協(xié)助合作是相當?shù)闹匾?，這對于即將踏上工作崗位的我來說，無疑更具有意義和價值。
本次設計任務業(yè)已順利完成，但限于本人的水平和經(jīng)驗，且是第一次做這樣的工作,本設計中必定會有錯誤和不妥之處，在此懇請各位老師批評指正。
在這次畢業(yè)設計期間,我得到了陳樹祥老師的悉心指導，同組同學的熱心幫助。在這對設計過程中所有幫助過我的人一并致謝。
附 錄
序號
圖名
圖號
圖幅
[1]
咖啡粉枕式包裝機
BZJ2007-00
A0
[2]
橫封裝置
BZJ2007-02-00
A0
[3]
凸輪
BZJ2007-02-01
A3
[4]
滑桿部裝圖
BZJ2007-02-02-00
A2
[5]
滑桿軸頭
BZJ2007-02-02-01
A3
[6]
滑桿
BZJ2007-02-02-02
A3
[7]
銷軸
BZJ2007-02-03
A4
[8]
彈簧
BZJ2007-02-04
A3
[9]
套件部裝圖
BZJ2007-02-05-00
A3
[10]
連接套
BZJ2007-02-05-01
A3
[11]
銅套
BZJ2007-02-05-02
A3
[12]
定位擋板
BZJ2007-02-06
A2
[13]
燙頭
BZJ2007-02-07-00
A2
[14]
燙刀
BZJ2007-02-07-01
A4
[15]
切刀
BZJ2007-02-07-02
A4
[16]
壓板
BZJ2007-02-07-03
A4
[17]
機架
BZJ2007-02-07-04
A2
[18]
墊板
BZJ2007-02-07-05
A3
[19]
推板
BZJ2007-02-08
A3
[20]
螺紋桿
BZJ2007-02-09
A3
[21]
隔套
BZJ2007-02-10
A4
19
收藏