（机械设计及理论专业论文）深筒缠绕包装机的研制.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 包装机是包装行业不可缺少的重要设备之一，本课题针对深筒缠绕包装机的包装速 度比较慢及关键零部件的寿命比较短等问题，结合线材卷或钢卷的包装特点，展开了对 深筒缠绕包装机的设计研究工作，具有重要的工程应用实际意义。 首先，在充分了解深筒缠绕包装机基本工作原理及其力学理论的基础上，以复合式 自动穿梭缠绕包装机中的经验和试验数据为参考依据，并且根据对深筒缠绕包装机在包 装过程中的实际要求，初步选择了设计样机的技术参数值；同时，通过对比分析确定了 伺服电机，减速器等外购件；并制定了整体结构方案，完成了深筒缠绕包装机龙门架、 u 形门、u 形轨道及动滑轮车的结构设计工作。 其次，本文在确定各机构方案后，研究了基于特征的参数化建模技术，并根据分析 所得参数和形式用p r o e 软件进行三维实体建模，并按照布局方案对零部件进行了装配， 构建了深筒缠绕包装机的参数化特征建模。 然后，分析了连接动滑轮车板的受力，为了减小动滑轮车组的重量，以减小其在运 动过程中产生的动载荷，对链板进行结构优化设计。根据设计要求，依据优化设计的基 本原理，在a n s y s 软件的基础上以链板的体积最小为目标函数，建立了链板的优化模型。 利用a n s y s 软件中的一阶优化方法对链板进行了优化求解，并对优化结果与初始设计的 参数做了比较分析，结果表明优化设计使动滑轮车的连接链板在满足强度和刚度要求的 许可下达到了减轻动滑轮车组的整体重量的目的。 最后，对深筒缠绕包装机中的关键零部件做了有限元分析，在p r o m e c h a n i c a 平台 上，通过对龙门架、u 形门的有限元分析，确定了其结构上应力分布不合理的地方，并 以此为依据完成对结构的修改，完善了包装机的设计工作。 关键词：深筒缠绕包装机；参数化建模；优化设计；有限元分析 深筒缠绕包装机的研制 r e s e a r c ho nd e e pc y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n e a b s t r a c t p a c k a g i n gm a c h i n ei s o n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n ti np a c k a g i n gi n d u s t r y f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o i l so rs t e e lc o i l sp a c k a g i n g ，a n ds o l v i n gt h ep r o b l e m s ，s u c ha sp a c k i n g s p e e da n dt h el i f e t i m eo ft h ek e yc o m p o n e n te x i s t e di nt h ew r a pp a c k a g i n gm a c h i n e ，s o m e r e s e a r c ho nt h ed e e pc y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n ei sd o n ei nt h i sp a p e r ，w h i c hh a sg r e a t s i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf i e l d f i r s t l y ，t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed e e pc y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n ei s f o u n do u t ，a n dt h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ef i x e do np r i m a r yb a s e do ne x p e r i e n c e a n dt h e n ，d e t e r m i n et h es e r v om o t o r , r e d u c e ra n do t h e rp u r c h a s e dp a r tb yc o m p a r i n ga n a l y s i s d e t e r m i n et h ee x t e n s i o n a lo r g a n i z a t i o np r o g r a m ，a c c o m p l i s h e dt h es t r u c t u r ed e s i g nw o r k i n g o fp o r t a l - t y p ef l a m e ，u s h a p e dg a t e ，u s h a p e d 仃a c k ，s k a t e m o b i l ea n do t h e rp a r t so ft h ed e e p c y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n e s e c o n d l y ，a f t e rc o n f i r m i n gt h es c h e m e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h et h r e e d i m e n s i o n a l e n t i t y sm o d e lw i t hp r o es o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fp a r a m e t e ra n dp a t t e r n ，a n d a s s e m b l e sp a r t st oi n t e g e ra c c o r d i n gt oo v e r a l la r r a n g e m e n ta n ds c h e m e ，s t r u c t u r e st h e p a r a m e t r i cf e a t u r ee n t i t ym o d e lo ft h et e s t i n gd e v i c e t h i r d l y ，t om i n i m i z et h em a s so ft h es k a t e m o b i l e s ，s ot om i n i m i z et h ed y n a m i cl o a di s g e n e r a t e di nt h em o t o rp r o c e s s ，a n a l y z et h ef o r c e sa n do p t i m a ld e s i g nl i n kp l a t e e s t a b l i s h i n g o p t i m i z e dl i n kp l a t em o d e l sa n dt h ev o l u m eo ft h el i n kp l a t ea so b j e c t i v ej u n c t i o n ，b a s e do n d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fo p t i m a ld e s i g na n dt h es o f t w a r eo f a n s y s t h eo p t i m a ls o l u t i o no ft h el i n kp l a t ei sc a r r i e do u ti nf i r s t - o d e rw h i c hi nt h e s o f t w a r eo fa n s y s ，a n dt h e na n a l y z et h eo p t i m a lr e s u l t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m a l d e s i g nc a na t t a i nt h eg o a lo fm i n i m i z i n gt h em a s so ft h ew h o l es k a t e m o b i l eu n d e rt h e r e q u i r e m e n to ft h es t i f f n e s sa n di n t e n s i t y f i n a l l y ，t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to ft h ei m p o r t a n tp a r t so ft h ed e e pc y l i n d e rw r a p p a c k a g i n gm a c h i n ea r ea n a l y s i s e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) i nt h i sp a p e r t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fp o r t a l - t y p ef r a m ea n du - s h a p e dg a t ei sa c c o m p l i s h e di nt h es o f t w a r eo f p r o m e c h a n i c a , d e t e r m i n es t r u c t u r a l l yl o c a t i o na n dp o s i t i o no ft h eu n r e a s o n a b l es t r e s s d i s t r i b u t i o n ，a n dt oa m e n dt h es t r u c t u r eb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s ot om a k et h e d e s i g ne f f o r to ft h ed e e pc y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n ep e r f e c t 大连理丁大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：v e r t i c a ls e t t l i n gc e n t r i f u g ew i t hs c r e wp r e c i p i t a t ed i s c h a r g e ：p a r a m e t e r i z e d m o d e l ：o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：澡耸缝。翅包整塑鱼霉丝1 。 作者签名：圣堂至圣：日期：厶警 年l2 月j 1 日 大连理t = 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：涵筠级纽丛笙盐丛竭纽l 。 一 作者签名：垒竖，垒：日期：之年l 月j 日 导师签名： 】墨釜 日期：迎g年韭月土日 大连理1 = 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 实现全部或部分包装过程的机械称为包装机 1 】。包装机是包装工业的一大门类产品， 在包装工业中有着举足轻重的地位和作用，它给行业提供必要的技术设备，以完成所要 求的产品包装工艺过程。包装工业虽然不像钢铁、汽车、电子、建筑等行业是国民经济 发展的主导或支柱产业，但包装工业与农业、商业、化工、食品、轻工等各部门有着密 切的关系。包装机械根据包装方式和目的的不同可分为充填机械、灌装机械、封口机械、 裹包机械、多功能包装机械、标签机械、清洗机械、干燥机械、杀菌机械、捆扎机械和 集装机械、辅装机械、辅助包装机械和设备等。包装机取代传统的手工包装，不仅能够 保证包装质量，而且能够节省劳动力，降低劳动强度，同时使劳动条件和劳动环境得到 很好的改善。包装机还具有生产效率高，制作简单，自动化程度高，占地少等优点。因 此，包装机械已广泛用于食品、造纸、轻工、机电、家电、化工等各个领域。目前，包 装机械的品种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展，专 用机种也越来越多。包装机械己成为国民经济各个部门广泛应用的一种通用机械【2 3 ，4 ，5 】。 深筒缠绕包装机主要用于对大且长的环形产品进行缠绕包装，特别是可同时用多种 薄膜材料对环形产品进行一次完成的复合缠绕包装。这种环形产品主要是高级线材卷和 钢卷，通过对其包装可以起到防止磨损、防尘、防潮、保洁的作用【6 】。因这些高级线材 卷如果在搬远的过程中被磨损，必须从此处剪断作为两段来使用，于是通过对其包装以 防止其被磨损。由于其产品的特殊性，我国对深筒缠绕包装机的研究起步比较晚，目前 国内主要研究和生产深筒缠绕包装机的是嘉能包装机械( 昆山) 有限公司，其生产的由 上海西重所重型机械成套有限公司与上海宝山钢铁股份有限公司联合研制的复合式自 动穿梭缠绕包装机已经投入生产。这种复合式自动穿梭缠绕包装机采用磨擦传动原理， 由二个u 型柔性钢环组成一个开合的封闭轨道，钢环的开合供环形产品进出，柔性钢环 的组合运动带动其上的多个包装材料筒进行复合包装，再辅以环形产品上下料车的自动 旋转，实现复合式自动穿梭缠绕包装。但在生产的过程中，主要存在两个问题：一是包 装速度问题，现有包装机的包装速度很慢，根本不能满足实际生产的需要；二是关键零 部件寿命问题，因为这种包装机采用的磨擦传动原理，于是在运转的过程中关键零部件 的磨损比较严重，于是关键零部件的更换又加大了产品的成本。因此，在现有条件下， 针对上述问题，进一步研究新型结构的深筒缠绕包装机迫在眉睫。 深筒缠绕包装机的研制 1 1 2 课题的研究目的和意义 目前，我国投入使用的深筒缠绕包装机基本上都是嘉能包装机械( 昆山) 有限公司 生产制造的，但这种包装机还处在试验改进阶段。进口深筒缠绕包装机设备价格高，而 且配件依赖进口的周期长，如果配件准备不充分，将会影响生产。并且，在进口设备中 也经常出现各种故障，造成检修频繁，直接影响生产的正常运行，据相关参考文献分析， 深筒缠绕包装机中的常见问题有： ( 1 ) 包装机传动组件磨损厉害：传动组件主要指带传动组件，动滑轮组件等，由嘉 能包装机械( 昆山) 有限公司生产的包装机在实际生产中，带与动滑轮组件间进行摩擦 传动时磨损严重，使用时间仅为1 2 个月。 ( 2 ) 由于靠摩擦传动，启动和停止时间长，发热量大，大大减少了带的寿命，并且 带传动的噪音比较大，振动增强。 针对上述深筒缠绕包装机中存在的实际问题，本样机采用新的传动方式和结构，来 消除和减少以上问题，进而通过增加包装机的速度来提高包装效率，以满足实际生产的 需要。因此本文开展的深筒缠绕包装机的设计研究工作，具有工程应用实际意义。同时， 深筒缠绕包装机的研究涉及到动力学，材料科学，数学优化，有限元分析，自动化控制 等多方面内容，具有广泛的理论和学术意义。 目前，国内在缠绕包装机的设计和研究方面取得了丰富的理论研究成果和良好的实 际应用价值，本文在参考了多种缠绕包装机设计思想的基础上，在满足深筒缠绕包装这 一特殊要求的前提下，拟在包装机整体结构设计，技术参数优化，及传动方式方面做尝 试，最终目标的是要解决包装机的速度和关键零部件寿命的问题，尽可能提高包装机的 包装速度进而提高包装效率，采用新的传动方式提高关键零部件的寿命。本文研制的深 筒缠绕包装机的技术指标为： ( 1 ) 线材卷外形尺寸及重量：外径：巾1 3 0 0 m m ：内径：巾7 0 0 m m ；长度：2 3 0 0 m m 重量：2 5 0 0 k g ( 2 ) 包装机技术参数： 设备外形尺寸：8 0 0 0 m m 1 1 7 0 m m 4 1 7 5 m m ： 环长：1 0 0 6 6 m m ； 穿梭小车速度：6 m s ； 穿梭小车每圈时间：1 6 s ： 气缸运动最大速度：o 8m s ； u 形门闭合时间：2 s 大连理工大学硕士学位论文 与同类深筒缠绕包装机相比，本样机的包装速度快，包装高，采用新的传动方式提 高了传动效率进而增加了能源的利用率，降低了产品的成本。采用伺服电机和p l c 变 频控制系统，便于实现多个驱去电机的同步控制，基本上实现了自动化，操作简单、方 便。 1 2 缠绕包装机的研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内缠绕包装机的研究机构和生产单位不少。上海奉业包装机械有限公司是一家专 业从事包装机械研究和制造的企业，为进一步适应与日俱进的国内国际市场竞争相适 应，已经研制出一系列包装精品；上海理查包装机械有限公司是一家专业从事缠绕包装 机研究和制造的企业，通过自身的研究，目前己经开发生产出国内缠绕包装界领先的 t j 系列圆筒薄膜裹绕机、l g 系列环体薄膜缠绕包装机、b g 系列水平( 棒料) 薄膜缠 绕包装机等多种薄膜缠绕包装机械【_ 7 1 。研究人员对缠绕包装机的研究工作主要在如下几 个方面： ( 1 ) 包装机的传动设计方面 对包装机传动方案的研究，前人做的相当多：郑州纺织工学院机械系梁睦，通过对 全自动包装机基本动作的分析，指出了现有包装机传动方案的缺陷，提出了步进电机驱 动的包装机设计方案及传动构想，并且分析了这种包装机的优点及改进意见 8 。 青岛大学机电工程学院张继忠、戴作强等为了实现包装机的预期功能，对其机械传 动系统进行设计。确定传动路线，并对传动比进行分配，给出了其传动系统结构简图和 主要参数【9 】。这对于我们在设计缠绕包装机时，设计合理的传动方案，优化传动路径具 有理论指导意义。 ( 2 ) 包装机的振动方面研究 振动问题是设计任何机械都必须考虑的首要问题。对于缠绕包装机也不例外，尤其 是深筒缠绕包装机。由于在包装机在对产品进行包装时包装材料与产品之间有相对运 动，对于大而长的环形产品，棒包装材料也比较重，这样在包装的过程中就会产生振动。 并且是速度越高振动越严重，这也是限制深筒缠绕包装机生产效率的主要问题。目前， 很多企业和单位的研究机构都在研究包装机械的振动问题，并且已经取得了一定的成 果。 ( 3 ) 包装机的强度分析 包装机强度方面所从事的工作主要是包装机卷筒轴和动滑车轮的强度计算方法的 研究，不少研究人员在这方面也做了大量工作，取得了不少成果。在进行强度计算时， 深筒缠绕包装机的研制 不仅要考虑所承受的静载荷，还要考虑在工作的过程由于振动和惯性所产生的动载荷。 因此，在强度计算时要将材料力学和动力学结合起来对包装机进行设计计算。 ( 4 ) 包装机生产效率分析 包装机的生产效率是指包装机在单位时间内包装产品的数量。包装机的生产率是评 价包装机性能的一个重要的依据，因此，有必要对它进行深入的分析，找出影响生产率 提高的主要因素，在设计初就考虑一些方法来消除或减少其对包装机生产效率的影响。 湖南大学衡阳分校的伍利群通过研究推导出了包装机的理论生产效率和实际生产效率 的计算公式，并且分析了影响包装机生产效率提高的主要因烈1 0 】。这为在设计包装机时 为了提高包装机的产生效率而应采取的措施提供了理论依据，从而使设计出的包装机更 能适应社会技术的发展，满足市场的需求，进而推动包装机械的发展。 ( 5 ) 自动化控制研究 提高自动化程度是包装机械发展的最重要的趋势。在自动控制方面国内很多人都在 研究，并且取得了一定的程度，很多研究都己用在实际生产中提高了包装机的生产效率。 例如：将传统包装机的机械传动部分改为步进电机控制，再通过利用步进电机控制器控 制步进电机工作，这种方案是通过提高控制系统来简化机械传动部分，同时利用步进电 机控制还具有人为误差较小，故障率较低，操作简单，包装材料利用率提高，容易维修 等优点【1 1 1 。还有武汉工业学院的李学忠、张国全等研究人员针对目前对包装机的控制要 求越来越高，传统的继电器已经不能满足现代生产的要求这一问题，设计了以f x 2 n 系 列p l c 为基础的全自动包装机的控制系统，文中主要介绍了控制系统的硬件配置、输 入输出点分配和软件设计【】2 1 。 国内对深筒缠绕包装机的研究还比较少，目前的深筒缠绕包装机在实际使用中出现 了很多问题，其生产效率和包装质量都不能满足要求。不过随着市场的需求，我国的深 筒缠绕包装机也在快速的发展。上海理查包装机械有限公司在深筒缠绕包装机研究方面 取得了一定的成果，并自主开发了一些产品。但还存在一些问题使其产品在实际生产中 生产效率低、故障多。因此，还需进一步研究深筒缠绕包装机，提高其性能，这也是本 课题的意义所在。 1 2 2 国外研究现状 国外对缠绕包装机的研究起步比较早，有近百年的历史，主要的生产制造厂有美国、 德国、日本、意大利等国的企业。这些公司都有完整的系列产品，同时又着力发展专用 机型，产品规格系列化，使得这些公司的产品在市场上有很强的竞争力。国外较著名的 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 包装机制造商有：美国l a n t e c hi n c 、美国i t w 、德国c y k l o p 、瑞士o r g a p a c k 、意 大利s l a t 、德国m k s 、同本k o h a n 和日本三兹各有限公司等。 美国是民办上包装机械发展历史较长的国家，早已形成了独立完整的包装机械业体 系，其品种和产量均居世界之首。因此，美国对包装机的研究和开发在世界上也处于领 先的地位。美国的包装机大以高、大、精、尖产品居多，包装机与计算机紧密结合，实 现了机电一体化控制。 日本与美国、德国相比，起步比较晚。日本通过自己的研究，成功地将微电子技术 应用于包装机械的控制，并将光导纤维技术、工业机器人技术、模块化技术应用于包装 机械，从而达到了安全性高、无人操作、高生产效率的水平。目前，日本采用压低高出 设定温度来减少包装机在包装过程中产生的热对包装机启动的影响，这种技术大大提高 了能源的利用率 13 1 。日本的包装机具有体积小、精密度高、易安装、操作方便、自动化 程度高等优点，从而大大提高了其在国际包装机械市场的竞争力。 德国对包装机的研究主要集中在计量、制造、技术性能等方面，并且其在这些领域 都处于领先的地位。另外，德国一些大公司研制的包装机集机一电一仪及微机控制于一 体，采用光电感应技术，以光标控制，并配有防静电装置。意大利是继美国、日本、德 国之后的世界上最大的包装机研究和制造国，其对包装机的研究主要集中在食品工业包 装机械上【1 3 】。 国外对包装机的研究主要集中在控制的自动化、动力学理论研究、包装机的结构优 化、生产效率的提高和运动的可靠性等领域。如在振动方面，国外采用无限迭代的方法 来计算液体包装机包装过程中由于液体晃动而产生的加速度对包装机的影响 1 4 ；被包装 产品的重量如果有严格要求，则在包装的过程中要对产品的重量进行实时检测，因此在 设计包装机时要对称重系统进行优化设计，使其能够满足包装的要求【1 5 1 。 1 3 本文的主要工作 本课题针对深筒缠绕包装机在实际生产中存在的常见问题，着眼于满足大型高级线 材和钢卷包装的实际需要，展开了对深筒缠绕包装机的设计研究，具体工作包括如下几 个方面： ( 1 ) 针对深筒缠绕包装机包装速度低等问题，并结合实际的设计要求，完成了包装 机的参数化建模及虚拟装配工作。 ( 2 ) 分析了影响深筒缠绕包装机速度的因素，将链传动和导轨传动结合起来，吸取 两者之长处，以种新的传动方式来达到提高包装速度的要求。 深筒缠绕包装机的研制 ( 3 ) 对设计样机的生产能力进行了计算和校验，确保其满足设计要求；对启动功率 和运转功率进行了计算，并在此基础上选择了驱动电机。 ( 4 ) 利用a n s y s 软件对链传动中的链板进行参数化建模，进行优化设计，实现在 满足所需的强度和刚度的情况下，达到链板的质量最轻，从而使整个链条的质量最轻， 以减小传动所需的功率。 ( 5 ) 对包装机中关键零部件进行了有限元分析，以达到在满足要求的情况下，实现设 备整体质量最小，从而降低包装机的成本。 1 4 本章小结 本章通过对国内外的缠绕包装机的研究现状，提出了本论文研究的目的意义和研究 的主要内容，提出了开发设计一种新型的深筒缠绕包装机的现实意义，同时对本文所设 计的深筒缠绕包装机进行了比较详细的介绍。 大连理t 大学硕士学位论文 2 深简缠绕包装机总体设计 2 1深简缠绕包装机的基本工作原理 深筒缠绕包装机( 下文中，若无特殊说明，包装机均指深筒缠绕包装机) 和复合式 自动穿梭缠绕包装机的结构和工作原理基本相同。主要由机架，导轨及链条，包装机构， 减速器，驱动电机，装料小车，控制系统等组成。其工作原理如图2 1 所裂1 6 】。 图2 1 深筒缠绕包装机工作原理图 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo ft h ed e e pc y l i n d e rw r a pp a c k a g i n gm a c h i n e 图2 1 中环形为载有包装机构链条的运动导轨，环形导轨分为左右两部分。包装机 工作时，左右导轨向中间相向运动而形成封闭的导轨系统，四个对称分布的分别有四个 电机通过减速器驱动的齿轮驱动载有包装机构的链条在导轨上运动，工件由装料小车上 的驱动系统驱动，通过控制系统实现包装机构和装料小车上工件的协调运动，从而实现 对工件进行多种材料的一次包装。 2 2 深筒缠绕包装机的总体方案思路 现有的普通小型缠绕包装机，如下图2 2 所示，包括机架1 0 及固定于其上的主动定 滑轮2 0 、被动滑轮3 0 ，一运动钢环4 0 ，设置于机架1 0 主动定滑轮2 0 、被动滑轮3 0 上， 深筒缠绕包装机的研制 钢环4 0 上方有一断口4 0 1 ，可容环形产品进出，运动钢环4 0 上设置一包装材料料筒5 0 ， 运动钢环4 0 靠由电机6 0 传动主动定滑轮2 0 及被动滑轮3 0 摩擦传动、旋转，带动包装 材料料筒5 0 进行缠绕包装环形物体7 0 。但是，它的局限性在于受运动钢环4 0 开口度的 限制，包装的产品的长度不能太长 1 7 】。 图2 2 普通小型缠绕包装机 f i g 2 2 t h eo r d i n a ym i d g e tw r a pp a c k a g i n gm a c h i n e 目前，市场上有用于包装钢帘线、钢卷等大型盘卷的缠绕包装机。但是，这种缠绕 包装机靠摩擦传动来实现滑轮的运动来完成对盘卷的包装。这种缠绕包装机的包装速度 慢，由于是带通过摩擦来驱动带有包装材料的滑轮组运动，因此此存在缠绕包装机的寿 命短，能源利用率低及包装速度不易控制等问题。 本包装机采用导轨链传动，采用齿轮来驱动载有包装材料的链条在轨道上运动，进 而完成对盘卷材料的包装。本深筒缠绕包装机，其特征在于，包括：一个龙门架，其上 设有滚动导轨；两个u 形门，滑设于龙门架导轨上，其上分设一u 形轨道，形成一个 可开合的封闭轨道；u 形门驱动装置气缸组，设置于龙门架上，与u 形门相连接，以驱 动两个u 形门开合。包装机构，分别设置于两个u 形门上，包括传动装置，包括数个 动滑轮车、齿轮、减速器和伺服电机；动滑轮车通过链板连接起来形成链条分别设置于 u 形门u 形轨道内，电机通过减速器来驱动齿轮，进而对u 形轨道内的链条进行驱动 来完成包装；至少两个包装卷筒分别设置于由动滑轮车组成的两个链条上；动滑轮车组 成的链条由齿轮驱动，动滑轮车带动包装卷筒穿梭于u 形轨道，对产品进行包装。对于 一8 一 大连理上人学硕士学位论文 装载盘卷的装料小车采用现在市场上已经有的，不作为本包装机设计的设计内容。奉包 装机在结构及传动方式上针对目前包装机存在的问题，提出了新的结构和传动方式，进 而提高了包装机关键零部件的寿命和包装速度。其总体方案思路如图2 3 所示。 图2 3 深筒缠绕包装机结构简剀 f i g2 3 t h es t r a c t u r a ls c h e m eo f m e g h a n i 锄d e e pc y l i n d e r w r a p p a c k a g i n g m a c h i n e 23 包装机基本设计要求 ( 1 ) 设备外形尺寸：8 0 0 0 r a m 1 1 7 0 m m 4 1 7 5 m m ； ( 2 ) 环长：1 0 0 6 6 m m ： ( 3 ) 穿梭小车速度：6 m s ； ( 4 ) 穿梭小车每圈时间：i6 s ： ( 5 ) 气缸活塞运动速度：0 8 m s ； ( 6 ) u 形门开台时间：2 s ； ( 7 ) u 形门行程：1 3 0 0 m m 。 凰脚孙盐 深筒缠绕包装机的研制 2 4 包装机机械结构设计 深筒缠绕包装机技术参数包括结构设计和操作参数，其中操作参数指链条的运动速 度1 ，及四个驱动电机间的转速差n 。在本包装机的设计中，给定了驱动电机的最大转速 为1 5 0 0r r a i n ；通过采用伺服电机来使四个驱动电机转速差达到最小。合理的结构设计 可以提高链条的运动速度，进而提高包装机速度，本包装机的结构设计主要指：u 形轨 道设计、u 形门结构设计、动滑轮车设计、纸筒基架设计及龙门架的设计，以及与这些 机构相关的参数。 2 4 1 u 形轨道设计 轨道设计主要考虑动滑轮车组各部份重量、运行引起的侧向力及动载荷。包装机上 的u 形轨道由直线段和圆弧段组成，由于总体尺寸比较大，所以在加工安装时是分段加 工安装的。这就对加工安装时的精度要求的比较高，只有保证了轨道加工安装精度才能 保证动滑轮车组在轨道上运行时的平稳性，从而减小由于动滑轮车组运行而产生的动载 荷【1 8 】。包装机中的u 形轨道的结构示意图见图2 4 所示，u 形轨道的截面示意图见图 2 5 所示。 图2 4u 形轨道结构示意图 f i g 2 4 t h es t r u c t u r a ls c h e m eo fm e c h a n i s m u s h a p e dt r a c k 大连理工大学硕十学位论文 孑 图2 5u 形轨道截面示意图 f i g 2 5 t h es t r u c t u r a ls c h e m eo fs e c t i o no ft h eu - s h a p e dt r a c k u 形轨道由两部分组成，固定在u 形门上，图中侧面l 与为防止动滑轮车组侧偏的 轮相接触来减少动滑轮车组运行时产生的侧向力。平面2 为动滑轮车组运行的轨道平面， 动滑轮车组有两个轮子沿着轨道2 运动。侧面3 为u 形轨道与u 形门相接触的平面， 通过螺栓连接固定u 形轨道，同时可以通过调整其固定螺栓来调整左右轨道面使其处在 同一水平面上，来提高动滑轮车组运行的光滑性，进而减少动滑轮车组因运动而产生的 动载荷。 2 4 2 纸卷机构设计 纸卷机构的作用是将纸筒固定在动滑轮车组上，随动滑轮车组运行，完成对产品的 包装。纸卷机构的设计应主要考虑基架的刚度和强度、快速更换纸卷和防纸卷的惯性自 转。纸卷机构的整体结构示意图见图2 6 所示。 图2 6 纸卷机构示意图 f i g 2 6 t h es t r u c t u r a ls c h e m eo fm e c h a n i s mo ft h es c r o l l 深筒缠绕包装机的研制 图中1 为带油封型带座轴承，固定在基座2 上，用于支撑纸卷轴。图中3 为纸卷的 支撑臂，由铜板焊接而成。图中1 、2 和3 组成了纸卷的支撑机构，此机构与4 通过螺 栓相连接，4 为连接动滑轮车用于固定纸卷的链条连接扳。在更换纸卷时将纸卷的支撑 机构与4 分离，实现对纸卷的快速更换。图中5 为纸卷的轴向锁紧螺母，用于调整同定 纸卷的轴向位置6 为球头柱塞是一端为球内有弹簧将球弹起顶在轴上当力纸卷所 受的拉力小于一定值时，纸卷就不会因为前一段的自转的惯性而自动转动，因此其作用 是防止当纸卷停止包装时，由于纸眷转动的惯性而继续转动。每个纸卷机构上一端有三 个球头柱塞用来防止纸卷由于惯性的转动。 24 3 动滑轮车设计 动滑轮车是深筒缠绕包装机对产品进行包装的运动执行部分，动滑轮车通过连接板 连接形成链条。为了减小由于动滑轮车运动而产生的侧向力和动载荷及摩擦而造成的能 量的损失，在动滑轮车中所有相对转动的部分均采用滚动摩擦。这样可以大大减小动持 轮车高速运动时对轴的磨损从而可以克服普通链条由于磨损而造成的链条的变长。动 滑轮车的结构示意圈见图27 所示。动滑轮车的侧向轮与轨道的侧面相接触，通过侧向 轮的支撑可以防止动滑轮车在运动的过程中产生倾斜，一端的两个主动轮沿着轨道运 动，滚子与心轴日j 通过轴承安装在一起，滚子和轴之间只存在滚动摩擦可心减少滚子 由于长时间转动磨损而产生动载荷。 ”“l4 2 幽27 动滑轮车结构示意崮 f i g27 t h es 眦c h ts c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es k a t e m o b i l e 大连理工大学硕士学位论文 2 4 4u 形门结构设计 u 形门通过滑块布置在龙门架梁上的导轨上，通过气缸来驱动u 形门的开合。u 形 轨道固定在u 形门内，同时u 形门上还固定着驱动齿轮、减速器及伺服电机。u 形门将 其连接在一起够成了一个完整的系统，来实现对目标产品的包装。深筒缠绕包装机上的 u 形门由钢板和型材焊接而成，u 形门骨架是一个由型材焊接而成的框架，然后将钢板 与框架相连，再将u 形轨道、减速器、伺服电机等安装在u 形门上。u 形门整体结构示 意图见图2 8 所示。图中u 形门挂架用于与滑台相连，u 形门架框为u 形门的整体骨架， 轨道固定板用于固定调整u 形轨道的安装位置，以达到设计要求，实现动滑轮车组的正 常运行。 、一 厶 ；越j l | l r 越互 口? ：；：】n：i ： l脶劾 崎衙i ll 图2 8u 形门结构示意图 f i g 2 8 t h es t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eu s h a p e dg a t e 2 4 5 龙门架结构设计 所谓龙门架就是一个由梁柱构成的类似于门的平面构架，仅有单跨龙门架和双跨龙 门架两种。从龙门架所用的材料来看，柱子就可采用钢筋混凝土结构、钢一混凝土组合 结构( 如箱形截面内浇灌细石混凝土) 或钢结构，而梁由于龙门架跨度都较大，故常采 用钢箱梁或钢桁架式梁，以减轻自重和降低内力峰值。龙门架是包装机的机架，由支柱 和横梁两部分组成。包装机的龙门架采用钢结构，柱子采用型材，梁则采用钢箱梁结构 【19 1 。 深筒缠绕包装机的研制 龙门架的载荷主要来自其本身的自重、u 形门系统的重量和动滑轮车组运动所产生 的动载荷。前两种载荷为龙门架的竖向荷载，也是龙门架所受的主要荷载，其计算和一 般杆结构相同。对于动载荷由于是在u 形门内部产生的，所以对龙门架的影响一般可以 不考虑。由龙门架所受的荷载作用特点可知，龙门架在竖向荷载作用下的内力分析并不 复杂，根据一般的结构力学原理即可分析出其内力分布情况，其在竖向荷载受力及其荷 载作用下的弯矩图见下图2 9 、2 1 0 所示： 图2 9 龙门架竖向荷载受力 f i g 2 9 t h ev e r t i c a ll o a do f t h ep o r t a l - t y p ef r a m e 图2 1 0 龙门架竖向荷载作用下弯矩图 f i g 2 10 t h eb e n d i n gm o m e n td i a g r a mo ft h ep o r t a l - t y p ef r a m e 从上面龙门架内力图可知，龙门架梁为双向弯曲梁，需采用双向弯曲梁的强度和稳 定公式验算其强度和整体稳定。根据上述龙门架梁受力特性，梁采用钢箱梁结构。龙门 架柱子从内力图来看受力是较复杂的，有轴力和双向弯矩。根据上述受力特性，龙门架 柱子截面形式需选取抗侧扭刚度大的和双轴对称的闭合截面，本龙门架柱子采用矩形 钢，通过焊接组合而成。龙门架柱脚设计为刚性柱脚，需具有足够的抗弯刚度和抗扭刚 度，为了加强柱脚的刚度，应采用增设加劲肋。龙门架的结构示意图如图2 1 l 所示。 大连理工大学硕士学位论文 垤 21 1 包装机龙门架结构示意幽 f i g21 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a m o f t h e p o r t a l - t y p e f l a l l l e o f w r a p p a c k a g i n g m a c h i n e 2 46 外摆线齿轮设计 传统的链传动如图2 1 2 所示。链轮布置在封闭链条的内部，链轮和链条为内啮合 方式，经常有较多个链节围绕在链轮齿豳上。但是，在链齿圈传动啪1 与轨道链传动“1 等传动装置中( 如图21 3 所示) ，会出现链轮布置在封闭链条外侧的情形，这种啮合 为外啮合方式，单纯从运动简图上看，链轮与链条几乎处于啮合状态。至于链轮实际参 加啮合的链轮齿数或重合度系数均与链轮齿形、传动参数等因素有关，难以直接判断。 如图21 3 所示的结构可以看出，外啮合链传动类似于销齿传动，链条围成的齿圈相 当于一个销齿轮，而链轮则相当于一个齿轮，按文献】的分析，销齿传动的齿轮齿廓曲 线应是摆线。常用的销齿轮销齿直径与齿距的比值为0 4 7 5 ，而由链条围成的链条齿圈 其滚子直径与链节距之比为0 6 2 5 左右，齿厚较薄，故从提高啮合的平稳性与减少轮齿 承受的最大载荷值出发，设计外啮合链轮时均应尽量提高其啮合时的重合度系数。因此， 合适的外啮台链轮齿形及传动参数需要在文献1 与2 ”的基础l 自行设计。 深筒缠绕包装机采用的是导轨链传动外啮合的形式，驱动链轮有四个，采用对称的 布置方式，链轮的布置如图21 4 所示。从图中可以看出，链轮与链条的啮合类似于销 轮啮合，因此，链轮的齿形应该为外摆线而不是渐开线齿轮。根据此传动的特性，进行 链轮齿形的设计。 深筒缠绕包装机的研制 孽界孑z 翁 心一。攀 嘏 图2 1 2 常规链传动形式 f i g 2 12 t h ef o r mo ft h eg e n e r a lc h a i nd r i v e 图2 1 3 轨道链传动形式 f i g 2 13 t h ef o r mo ft h e 订a c kc h a i nd r i v e 图2 1 4 链轮布置图 f i g 2 14 t h el a y o u td r a w i n go ft h ec h a i nw h e e l ( 1 ) 齿廓线方程 在销轮啮合中，采用两个齿轮之一的瞬心线( 图2 1 5 上半径为_ 的圆) 作为按c a m u s 方法形成摆线齿廓的辅助瞬心线。半径为厂l 的圆沿半径为吃的圆滚动时，形成两支外摆 线：p a 和即。于是可以采用下面的曲线作为两齿轮的齿廓：a ) 与齿轮1 相固连的p 点； b ) 与齿轮2 相固连的曲线p a 和即。但在实际中，这两种齿廓将由它们的等距的曲线 大连理工大学硕士学位论文 ( 沿齿廓法线等距离的曲线) 来代替：a ) 半径为l 的圆；b ) 分别和两支外摆线等距的曲 线砌和谢。 图2 1 5 销轮啮合瞬心线图 f i g 2 15 t h ec e n t r o d eo f p i ng e a re n g a g e m e n t 两理论齿廓的啮合线就是半径为 的圆弧。如果齿轮的回转方向如图2 1 5 所示，并 厂、 且齿轮1 是主动件，则啮合线的工作段为圆弧p e 。与理论齿廓等距的两个实际齿廓啮合 时，啮合线是曲线p m ( 图2 1 6 ) 。可以通过利用下面的方法来求得：设销轮1 转过仍角， 而销轮中心从尸移到p 。销齿与其共轭齿廓在齿廓法线上的一个点相接触。因为理论齿 廓之一是外摆线，所以当两齿廓在尸7 点接触时，法线就是弦尸尸。实际采用的理论理论 齿廓的等距齿廓，在它们接触点处的法线与理论齿廓的法线是相同的。由此可知，接触 点就是m 点。 深筒缠绕包装机的研制 一 图2 1 6 实际齿廓啮合线图 f i g 2 16t h el i n eo fa c t i o no ft h ea c t u a lt o o t hp r o f i l e 在固定坐标系x ，y 中( 见图2 1 6 ) 啮合线由下面的方程式确定： x = p m c