（机械设计及理论专业论文）粉粒制袋充填封口包装虚拟样机设计及工艺参数的试验研究.pdf

摘要 本研究主要包括粉粒制袋 充填 封口包装机的结构改进设计及有限元分析 虚拟样机的 设计 并设计出试验裟置 进行封口j r 艺参数的试验研究 在整机设计中 通过对包装机总体方案的分析 编制了下作循环圈 确定主要装置 供 送 下料 成型 牵引 封切 传动 之间的相互配合关系 完成了粉粒制袋一充填一封口包 装机的结构改进设计平 理论分析及其主要参数的确定 应用c a x av 5 软件对分配轴进行有限 元分析 分析结果表明强度符合设计要求 并验证了横封装置封口的可行性 对横封装置进 行了改进没计 提山适应包装袋k 度可连续变化的翻领成型器 扩大了包装机的使用范围 并进行了理论研究 实现了并行计最供送物料的方式 本文的研究对其它袋装包装机械的没 计和开发有着积极的指导意义 在虚拟样机设计过程中 突破传统的设计方法 采用了虚拟样机设计技术 在设计计算 的基础上 廊 l jc a x a 实体发计软什对粉粒制袋一充填一封口包装机的整机实体建模 虚拟装配 完成了虚拟样机 并进行运动仿真的研究 仿真结果表明改进殴计能够满足设计要求 为物 理样机的加 i 提供了必要的依据 利刚设计的试验装置 进行包装材料的充填包装试验 并按照国家规定的试验条件 对 包装袋的封口进行了拉伸试验 耐静压试验 对试验所得的数据进行了分析 试验结果表明 封口强度符合国家标准 并得到许州包装的封口温度范围 扇形机构与平行机构包装封口强 度与时间 温度之间的关系和包装材料的最佳封口条件 本研究结果对包装材料的生产厂家 包装机械生产厂家 包装机械州户以及科研人员具有着十分重要的意义 关键词 包装机 横封装置 虚拟样机技术 有限元分析 材料拉伸试验 v t h ev i r t u a lp r o t o t y p e d e s i g na n d t e c h n i c a l p a r a m e t e rs t u d yw i t hf o m i n g f i l l i n g s e a l i n gp a c k a g i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i ss t u d yi n c l u d e dt h em o d i f i e ds t r u c t u r ed e s i g no ft h e f o r m i n gf i l l i n gs e a l i n gp a c k a g i n g m a c h i n e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds o l i dm o d e l e r b e s i d e s d e s i g n e dt e s t e ra n dt e s t e d s e a l i n g q u a l i t y 1 nt h ee n t i r em a c h i n ed e s i g n e s t a b l i s h e dw o r k i n gc y c l ea n dc o n f o r m e dw o r ki n r e l a t i o n so f m a i nf i x t u r e s f e e d i n g f o r m i n g r e t r a c t o r s e a l i n g d r i v i n g t h r o u g ha n a l y s i so fp a c k a g i n gm a c h i n e o v e r a l lp l a n c o m p l e t e dt h em o d i f i e ds t r u c t u r ed e s i g no ft h e f o r m i n gf i l l i n gs e a l i n gp a c k a g i n g m a c h i n ea n dc o n f o r m e dt h em a i np a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r d e s i g n e dt h eh o r i z o n t a ls e a l i n gf i x t u r e s a n da d v a n c e dn e wf o r m i n gf i x t u r ew h i c hc a na d j u s tt h ep a c k a g i n gl e n g t ha n de x t e n d e dt h eu s e a b l e r a n g eo f t h ep a c k a g i n gm a c h i n ea n ds t u d i e da tt h es a m et i m e o f f e r e dam e t h o do fp a r a l l e lm e a s u r e f e e d i n ga n df o u n d e dv i b r a t i o nf e e d i n gf i x t u r e so fo s c i l l a t o r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n t h i ss t u d yc a l l d i r e c tt h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no fo t h e rb a gp a c k a g i n gm a c h i n ea c t i v e l y i nt h es o l i dm o d e l e rd e s i g n a d o p t e dv i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y i n s t e a do ft r a d i t i o n a l d e s i g n b a s e do nm a k i n gd e s i g nc a l c u l a t i o n s s t u d i e ds o l i dm o d e l v i r t u a la s s e m b l yo nt h ep l a t f o r m o fc a x aa n dn u m e r i cp r o t o t y p e t h em o v e m e n ts i m u l a t i o no fs o l i dm e c h a n i s mw a sr e a l i z e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h er e f o r m a t i v ed e s i g na n dp r o v i d e sb a s i st op r o c e s s i n gp h y s i c a l p r o t o t y p e c a r r i e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ee s s e n t i a ls t r u c t u r eb a s e do nc a x av 53 d t h ei n t e n s i t ya c c o r d e dd e s i g nr e q u e s t u s i n gt h et e s t e rc a r r i e so nt h ep a c k a g es e a l i n gt e s t t h et e n s i l et e s ta n dt h ee n d u r es t r e s st e s t t h a tt h et e s t sw e r eb a s e do nt h en a t i o n a l s t a n d a r d s e x p e r i m e n t e dd a t aa n dt h er e s u l t si n d i c a t e s e a l i n gi n t e n s i t yc o n f o r m st ot h en a t i o n a ls t a n d a r d t h r o u g hd a t aa n a l y s i so b t a i n e dt h ep e r m i t s p a c k i n gs e a l i n gt e m p e r a t u r er a n g ea n dt h er e l a t i o n so ft h es e a l i n gi n t e n s i t yo ft h eh o r i z o n t a l f i x t u r e sa n dt h ev e r t i c a l s e a l i n gf i x t u r e s t i m ea n dt e m p e r a t u r ea n dt h eb e s tp a c k i n gm a t e r i a ls e a l i n g c o n d i t i o n k e yw o r d s p a c k a g i n gm a c h i n e h o r i z o n t a lf i x t u r e s v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s m a t e r i a lt e n s i l et e s t p o s t g r a d u a t e x i a o l iz h a o m a j o r m e c h a n i c sd e s i g na n di t st h e o r y t u t o r p r o f x i nd o n g v 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含未获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并襄示谢意 学位论文作者签名 菩焉珂冕丽 日期 2 椰劳占月洳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权学校可以将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 汇编学位论文 保密的学位论文在解 密后适用本授权书 学位论文作者签名 渤蜘 日期 上切萨伊 b 日 咿 导师签名 讥 日期 土一年6 月b 日 1 前言 1 1 课题研究的目的和意义 随着社会的发展 生活水平的提高 尤其是加入l i f 0 后 人民对商品包装提出了更高的 要求 与人民生活和 农业生产密切相关的粉粒状物料 如生活日用品 营养食品 药品 种子 化肥 农药 化工原料等j i 农业生产 j 品 都需要精确的定量包装 这些物料如果刚 手 l 进行包装 其劳动强度人 速度慢 效益和质母差 而且粉粒状物料b 溅严重 造成环 境恶劣 污染严重 同时 食鼎 药品类手 l 包装不能满足卫生要求 因此 需采用粉粒自 动包装机 包装机械是现代包装 i 业的基本殴各 是商品生产中必不可少的关键性技术设备 随着 人类社会的进步 国民经济的发展 人民生活水平的提高 人们越来越重视包装的质量 品 种类型 包装机械在包装领域中起着重要的作用 包装机械是使产品包装实现机械化 自动 化的根本保证 它能够火幅度地提高生产效率 降低劳动强度 改善必动条1 保护环境 垤约原材料 降低产品成本 有利丁被包装产晶的卫生 提高产品包装质墩 增强市场销售 的竞争力 由于包装机械的计龄精度高 产品包装的外形美观 整齐 统一 封口严密 提 高了产晶包装的质量 增强了产品销售的竞争力 可获得较高的经济效益 延长产品的保质 期 方便产品的流通 包装机械保证包装产鼎质量高 生产效率高 品种多 生产环境好 生产成本低 环境 污染小 冈而获得较强的市场竞争能力 带来巨大的社会效茄羊 经济效髓 粉粒自动包装机 被堪称为拥有漫k 发展历史和寓有强火生命力的主导机型 现已被各国视为前景较好的包装 机械 据调查 现有粉粒制袋一充填一封口包装机存在以下问题 l i 包装精度低目前我国此类包装机械的包装精度 计量精度 均在 2 3 之间 有的还在 3 以上 而国外同类殴各的包装精度都在 1 以f 而且稳定可靠 2 包装速度低目前国产包装机的包装速度 小袋包裟在6 0 1 2 0 袋 分之间 包装速 度超过8 0 袋 分时包装质最将下降 中袋包装为3 5 6 0 袋 分 国外殴备的包装速度已达 到小袋包装为1 2 0 0 袋 分 中袋包装为1 6 0 袋 分 3 封口质量难以保证 1 外观质量 国家规定 包装袋的封口处应平整 网纹清晰 不得有灼化和压穿现象 而现有的包装机不能很好的达到国家的标准 2 包装成品的封口强度低 3 由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用 在塑料袋内壁上会吸附细小的被包 装物粉粒 若不除去会造成横封口处封1 3 不牢 严重影响包装袋封口质量 4 粉粒自动包装机的横封机构运动形式的不合理 将导致封口质最问题 我国现有一些 包装机采州纵横封加热装置一体或传送袋与纵封一体 此封口形式工作速度低 封口质量差 传统的制袋一充填一封1 3 机的封口机构 其左右封块是扇形开合 封口部位热封时间不同 导 东北农业大学工学硕士学位论文 致封口处不平滑 部分灼化或者部分强度不够 还有一种典型的机构如图卜1 所示 由于只 有左横封块运动 两横封块对包装袋的作用力不同 所以其封口不匀 而且封1 3 周期长 包 装速度慢 由于现有包装机械存在的缺陷 并且缺少设计指导理论 所以进行研究是非常有意义的 包装容器的封口 是包装j l 艺中不可缺少的 序 封口的好坏将直接影响包装产品的外观质 量和保质期 因此 包装质量在很大程度上取决于封1 3 质量 所以封口机构的研究改进对提 高封1 3 质量有着重要的意义 本研究在鹅机研究的基础上 针对横封封口形式影响封1 3 质量 这个问题进行深入的研究 同时 通过一系列试验 研究总结山较为完整的工艺参数 对实 际生产具有十分重要的现实意义 l 4 z e t 1i n 1眵n l j k 讨 一 幽l 队 幽i l ii矧 a b 卜凸轮2 一弹簧 拉簧 3 4 一滑杆 内 外 5 包装袋 图卜1 横封机构封合状态图 f i gi it h eo r g a n i z a t i o no f h o r i z o n t a l l ys e a l i n gs t a t em a p 本文以粉粒制袋 充填 封口包装机为研究对象 首先对包装机进行改进设计 并为后续 的三维建模研究提供必要的参数 在此基础上研究包装袋的封口强度羽 耐静压强度 获得温 度 时间和强度之间的参数关系及塑料薄膜的热封参数 对薄膜生产厂家 包装机械生产厂 家 包装机械 l 户以及科研人员提供了有价值的参考依据 1 2 包装机械发展概述 包装机械是指完成全部或部分包装过程的机械 包装过程包括充填 裹包 封口 捆扎 机等主要包装 序 以及与其相关的前后 l 序 如开箱 洗瓶 堆垛和拆卸等 此外还包括 在包装件上打印平 计最等附属设备 见图1 2 图1 2 包装机械的构成 f i g 1 2t h ec o n s t i t u t i o no fp a c k a g i n gm a c h i n e r y 从广义而言 现代包装机械的含义和领域很广 包括各种自动化和 p 自动化的包装机械 2 前言 运输包装机械 包装容器的加i i i 机械 装潢印刷机械等 这些相互密切联系的机械设备组成 了现代化的包装机械体系 我国现在的包装机械分类的标准 1 作正在研究中 参考和借鉴国外的分类方法 结合我 国的具体情况 现可分三大类 1 包装材料制造机械 瓦楞纸板成型机 造纸机械 吹塑薄膜机 聚丙烯扃丝拉伸机 2 包装容器制造机械 如制瓶 制罐机械 纸箱 纸盒 塑料容器加工机械等 3 产品包装机械 充填 罐装 裹包 封口 捆扎 打包 装箱 装盒 收缩吸塑 真 空和空气 贴标 计量等包装机械和各种多功能包装机械 此外 还包括包装前期和后期 作过程的辅助机械 例如 清洗机械 灭菌 烘干 检测 选别分类 堆卸 输送连接和废 物处理机械 以及各类连续作业的包装自动线 如一台万能多用途的卧式枕型包装机 从制 袋成型 到充填 封口装箱是一连续的作业线 许林成 1 9 8 9 1 2 1 国内包装机械发展现状 我国包装机械行业是改革开放后发展起来的 械行业实现了高速增k 初步形成门类比较齐全 十火产业之一 起步于1 9 5 8 年 到8 0 年代以后 包装机 品种基本配套的产业 并成为机械工业的 截至到2 0 0 i 年 我国包装机械的年销售额已达1 7 2 亿元 产量达5 3 3 万台 套 比 1 9 8 9 年销售额增k 了1 2 倍 目前 我国有包装机械制造企业约1 6 0 0 多家 其中具有一定规 模的企业近4 0 0 家 产品有4 0 多类 2 7 0 9 多种 有一批既能满足国内市场需要 又能参与 国际市场竞争的优质产品 锄白孥命 a 最杯式b 计量泵式c 螺杆式d 单件计数式 图卜3 充填计带计数示意图 f i g 1 3s k e t c hm a po ff i l l i n gm e a s u r e m e n ta n dc o u n t 我国包装机械的品种已经可以满足人们目前的要求 如充填机 我国已经有十几种类型 按计量原理与充填方法的不同 充填机分为 容积式充填机 称重式充填机 计数式充填机 图 卜3d 灌装机 重力式充填机 推入式充填机 拾放式充填机 其中容积式充填机还可分 为量杯式充填机 图1 3a 计量泵式充填机 图1 3b 螺杆式充填机 图l 一3c 插管式 充填机 料位式充填机 定时式充填机 随着社会的发展 高新技术正引入到包装机械领域内 裹包机和充填机横封切断装置利 用热管与电热丝的有机组合可改善热封效果 由于提高了封头的热容量和匀导热性 使得封 口质最稳定可靠 还降低了加热温度与能量消耗 另外 也可让发热比较强烈集中的构件通 过热管散发多余热量 我国包装机械正日趋高速化 自动化发展 在原有机型的基础上 应硐微电子计算技术 新研制的块状物料高精度计量组合秤 称重计价贴标机 制袋一充填一封口机 自动装盒 箱 机 捆扎机 高速喷墨印刷机等也都配备了微机自动控制系统 徐警珩 1 9 9 8 吴国荣 何宗 金 2 0 0 3 1 2 2 国外包装机械的发展现状 国外的包装机械发展很快 凡粉状 颗粒 块状食品包装都实现了机械化与自动化 计 量 计数 制袋 袋装 封袋 折盒 装盒 封口及打包等形成了流水线作业 包装效率很 高 包装机械设备晶种很多 各国厂商有其各自的名称和型号 品种繁多 国外包装机械的特点 1 包装机械产量稳定增长 由于消费结构和销售形式的变化 加上国际贸易的发展 社 会对包装机械的需求日茄增加 因此国外包装机械的产龄逐年增蚝 2 包装机械产品齐全 品种繁多 3 包装机械生产臼成体系 并向专业化生产方向发展 在美国 德国 瑞典等经济发达 的国家 主要包装机械 二业企业 l 乎都有近百年的历史 它们在进行基础技术研究的基础上 向专业化生产发展 现已生产出各具特色的包装设备 美国包装机械一 业发展较甲 起步于2 0 世纪初期 己发展成为门类齐全 实力雄厚 水 平很高 有着完整而独立的j l 业体系 其产量和总产量居世界首位 美国包装 f 业总额占世 界包装总额的2 5 美国8 0 年代拥有大中型包装机械生产企业0 0 0 多家 现已有包装机械生 产厂家7 0 0 多家 美国包装机械以高 大 精 尖产品为主 利用电子计算机进行辅助设计 的c a d 技术 提高了包装机械的自动化程度 美国包装产业在新型包装材料开发方面的投入 也很大 通过新型包装材料的应用替代旧的包装材料和包装方式 从而带动了相应的包装机 械的生产和销售 其包装生产线已经向柔性自动化和 无人化 过渡 在包装生产线中更多 的引入微机 智能机器人等先进技术 用于包装生产线中物料供送控制 产品质量检测 故 障诊断和管理等方面 使包装生产线的生产效率更高 成本更低 包装产品质量更稳定 臧 其梅 1 9 9 9 日本是包装机械的后起之秀 是第二次世界大战结束后才发展起来的 发展速度很快 2 0 世纪6 0 年代步入发展轨道 7 0 年代初期达到世界先进水平 成为第二包装大国 生产厂 家发展到1 6 3 家 包装机械的平均年产量为6 0 万台 套 其年增长率为1 0 由于日本善 于引进 仿制 创新和经营 仅用十余年的时间就奠定了初步基础 7 0 到8 0 年代是日本包 装机械持续高速发展的阶段 年生产值增长率在1 3 以上 1 9 8 0 年突破2 0 0 0 亿日元 年产量 在4 8 3 万台 9 0 年代 进入相对稳定发展时期 年均增长率仍为1 0 左右 1 9 9 1 年达4 6 2 3 亿日元 出口达3 2 63 亿日元 已经成为世界上最大的包装机械生产大国 日本包装机械的 种类繁多 品种齐全 产品品种近5 0 0 种 规格近7 0 0 多个 其中包装机械以中小型单机为 多 日本的包装机械技术先进 性能优良 质量可靠 并且有体积小 精密度高 安装容易 操作方便 自动化程度高等特点 臧其梅 1 9 9 8 德国的包装机械工业非常发达 现拥有世界晟大规模的包装机械制造厂 包装机械工业 总产值仅次于美国 2 0 0 2 年德国包装机械产值达3 4 亿欧元 生产总产值占欧洲的7 0 其生 前言 产的7 7 的包装机械出口 占世界包装机械出口市场的2 9 居世界第一 中国是德国包装机 械的重要山口国 尤其是食品加 及包装机械 2 0 0 3 年德国公司与中国己交付的机械设备的 营业额达到了i 5 亿欧元 中国己成为德国的第五大出口市场 法国包装机械市场白1 9 9 8 年以来以4 5 的比率稳定增长 目前是第三火包装机械市 场 法国包装机械2 1 业主要由中 小型高度专业化的公司组成 其进口产品大部分来自欧盟 美国 日本 同时出口也主要是欧盟和美国 章文灿 2 0 0 0 1 3 粉粒制袋一充填一封口包装机的发展现状 1 3 1 粉粒制袋一充填一封口包装机的国内发展现状 我国通过参考国外同类型产品 进行消化 吸收及白行开发研制 技术上有了很大的发 展利提高 我国现有的粉粒制袋 充填 封口包装机应用广泛 机型分为立式利卧式两种如图 卜4 所示 可包装液体 糊状物料 粉状物料 颗粒雨 l 州体物料 包装形式有枕形袋 三封 袋 四封袋 砖形袋 履形袋 角形自立袋等多种类型 计量范同分为2 9 1 0 9 2 0 9 5 0 卧 5 0 9 1 0 0 9 i o o g 2 5 0 9 2 5 0 9 5 0 0 9 5 0 0 9 1 0 0 0 9 1 0 0 0 9 2 0 0 0 9 通过p l c 和p c 控制技 术的不断推厂 雨f 应j i j 使制袋一充填一封口包装机的自动化程度得到了很火的提高 n 1 劲松等 2 0 0 2 典型的粉粒制袋一充填一封口包装机的生产厂家所生产的包装机及其相关参数 见表i 1 北京大松惠基包装机械公司生产的立式粉粒制袋一充填一封口包装机 应用范围比较广泛 适用于调味粉 奶粉 味精 食晶添加剂 洗农粉 粉末农药 包装袋属于中型袋 采用的 横封装置是连续对辊式 其缺点是开机雨 关机时 在辊轮中间都要夹持部分包装材料 既难 于清洗 叉浪费材料 广州铭科包装机械有限公司生产的包装机 横封装置采用的是扇形开 合的封口方式 只适用于小包装袋的包装 当包装袋的尺寸扩大后 其封口质量难以保证 a 立式b 卧式 图l 4 立式和卧式粉粒制袋一充填一封口包装机 f i g 1 4v e r t i c a la n dh o r i z o n t a lt y p ef o r m i n gf i l l i n gs e a l i n gp a c k a g i n gm a c h i n e 东北农业大学工学硕 b 学位论文 表1 i 我国粉粒制袋 充填 封口包装机的生产厂家 t a b 1 1i no u rc o n t r a y t h ep r o d u c e r o f f o r m i n gf i l l i n gs a l i n gp a c k a g i n g g r a i n y m e c h i n e 1 3 2 粉粒制袋 充填 封口包装机的国外发展现状 国外的粉粒制袋 充填 封口包装机生产采用模块化设计思想 将计量装置 制袋成型器 物料输送 包装材料输供 热封装置等设计成多种标准模块 通过标准模块的合理组合 以 适应不同物料特性 不同材料种类和不同包装容量的要求 促进了包装机械生产在一定范围 内实现标准化 通用化和系列化 突出了包装机械的特殊功能 日本生产的n w 一4 0 5 型卧式枕型包装机的包装速度已达每小时1 5 万包 美国已经开发了蒋封式拉链袋 包装在开封后可以再封 以保持物品的鲜度 英国也开 始采用这种包装形式 国外在完成物料封装的同时 采用真空包装技术 增加了对产品的保护功能 如日本 n i p a k 机械株式会社生产的s v a 型包装机能在无菌条件下完成颗粒状物料的无菌包装 但国 产机型中尚缺少这类功能只能完成对物料的包装 很少附加保护性包装功能 国外的执行机构和传动系统趋于简单 横封 纵封等动作的执行机构采用气动元件 包 装动作简捷快速 整机噪声小 采用变频调速装置 实现无级变速 不仅调速范围大 平滑 性好 低速特性 而且可实现恒转矩调速 节电效果也十分明显 意大利m a r t i m 公司生产的 包装机械在包装材料输送系统中 利用真空吸附技术均衡地调整包装材料的输送速度 既简 化了结构 又使包装材料的输送过程更加稳定可靠 1 4 课题研究的主要内容 1 在调研的基础上 根据对几种不同类型粉粒制袋一充填一封口包装机的特点和总体方案 的分析 将分析主要j r 作机构 供送 下料 成型 牵引 封切 传动 之间的相互配合关 系 完成对粉粒制袋一充填一封口包装机的结构改进设计和理论分析及其主要参数的确定 并 6 利用c a x av 5 软件对关键部件进行有限元分析 2 在设计过程中 突破传统的殴计方法 将采j i 虚拟样机设计技术 在设计计算的基础 上 应用c a x a 实体设计软件研究粉粒制袋一充填一封口包装机的整机实体建模 虚拟装配 完 成数字样机 并对数字样机进行运动仿真 验证其是否满足设计要求 3 利刚设计的试验台 进行封口的包装试验 即包装袋的封口试验 拉伸试验 耐静压 试验 得山许用包装的封口温度范嗣 扇形机构与平行机构包装强度与时间 温度之间的关 东北农业大学工学硕士学位论文 2 粉粒制袋 充填一封口包装机的设计 通过对粉粒制袋一充填 封口包装机总体方案设计和整机的功艺分析 绘制出 作循环图 并分别对动力系统 传动系统和执行系统进行了设计 2 1 总体方案设计 按照功能要求 在对粉粒制袋 充填一封口包装机进行 艺分析基础上 殴计编制 i 作循 环图 使执行机构之间得到了紧密的配合 2 1 1 功能要求和适用范围 1 功能要求 能够自动完成成型 计量 充填 封合及分切等 i 序 并解决现有儿种包装机所存在的 封口质量的问题 可以达到生产要求 2 适用范围 根据对市场包装机种类及性能的调查再结合现有样机的类型 本研究中包装机的适用范 围如下 1 包装材料 防潮玻璃纸 聚乙烯 尼龙 纸 聚乙烯 聚酯 铝箔 聚乙烯 聚酯 聚 丙烯 2 包装物料 小颗粒物晶及不易粘附的粉状物品的包装 如化肥 种子 麦片 砂糖 味精 豆粉 豆奶 芝麻糊 米粉 医药 化 原料 茶叶等 3 包装规格 包装袋长5 0 1 4 0 r a t a 宽5 0 1 3 0 m m 计量范围5 5 0 9 4 生产能力 5 0 8 0 袋 分钟 5 整机功率 1 2 k v r 2 1 2 工艺分析 根据功能要求 粉粒制袋一充填一封口包装机的包装 过程循环如图2 1 所示 机器类型的选择如f 1 工位 分为单 二位和多1 位 单工位包装机的所有包装操 作都集中在 个工位上完成 当一件 组 物品完成全 部包装并输山之后 f 一什 组 物品才能进入机器开 始包装 多 l 位包装机 物品从输入到输出 必须经过 多个工位 而且在不同的 1 位上依次完成各个包装操 作 由于粉粒制袋一充填一封口包装机的包装过程比较 复杂 需要较多的执行机构 供料 计量 充填 封 图2 1 包装过程循环图 f i g 2 1t h ec y c l ep a c k i n gp r o c e d r u r e 厕l 尚未恙 一蛩 一 塑蛩 阿 一籼一一洲一 i蒌一 一黼一 雠 一粉 械 阿 口 切断等 将包装操作分散在不同的工位上同时进行 能够提高生产效率 所以选择多 位 2 运动形式 运动形式分为间歇运动和连续运动 间歇运动指物品由一个i j 位转移到另一个工位作间 歇步进运动 主要包装操作可在物品静i l 时完成 一般适 i f 丁执行机构比较多的机器 但其 惯性力和冲击现象不利下提高生产率 连续运动是物品及传送系统均作连续等速运动 在包 装机进行 1 作时 各个执行机构是并行工作的 这样既能够提高生产率 缩短生产周期 也 能减小机器空间 根据分析 本设计采用间歇式运动 3 单头型和多头型 特指连续运动多 1 位包装机完成同一包装操 作的执行机构的数目 每一物品的包装操作都依 次经过所有执行机构 则称为单头连续运动 若 完成同一包装操作的执行机构有多个则称为多头 连续运动多 i 位包装机 当执行机构种类较多时 为减少执行机构的数目 宜于选用单头型 许林 成 1 9 8 8 综上分析 本课题研究的包装机采用多 r 位 单头间歇运动型 2 1 3 主要构成及工作原理 1 主要构成 粉粒制袋一充填一封口包装机由动力系统 电 机1 传动系统 分配轴7 传袋轴 执行系统 横封装置2 传袋装置3 纵封装置5 成型装 置6 传送装置8 计量装置1 0 细供料装置1 1 粗供料装置1 2 和控制系统组成 2 作原理 l 作时 由供料装置1 1 1 2 将物料 粉粒 颗粒等 送入粉粒制袋一充填一封口包装机的料仓 后 计量装置1 0 将完成定量的物料送入制袋成型 装置6 同时包装材料经薄膜传送装置8 引入成 型器卷绕成筒状 纵封装置5 完成纵向封1 3 横 封装置2 完成包装袋的顶封和下一个袋的底面封 口 成为两道焊缝 由于一f 料通道被包装袋裹住 纵封封合后就可直接向袋内填充物料 随之由拉 袋装置3 移动一个 位完成顶封封口 并用切刀 切断完成包装 i 序 见图2 2 9 l 一电机2 一横封装置 3 一传袋装置4 一除静电装置 5 纵封装置6 一成型装置 7 分配轴8 一传送装置 9 薄膜1 0 一计量装置 11 一细供料装置 1 2 一粗供料装置 图2 2 粉粒制袋一充填一封口包装机结构图 f i g2 2s k e t c hm a po f f o r m i n g f i l l i n gs e a l i n gp a c k a g i n gm a c h i n e 2 1 4 工作循环图编制 包装机的各执行机构运动是多样的 要使其能够自动可靠地完成包装操作 每个执行机 构都必需按给定的规律运动 并且它们之间的动作必须协调配合 按一定的程序依次完成 为了保证执行机构的动作能够按 i 作要求取得密切的配合 并尽量缩短运动循环周期时间 完成包装并提高生产率 所以要编制工作循环图 许林成 1 9 8 8 2 1 4 1 执行机构的动作配合 本机执行机构主要为包装材料传送装置8 传袋装置3 计量装置1 0 封口装置2 5 见图2 2 包装材料传送装置 间歇运动 卷筒包装材料 通过输送辊 压纸辊和牵引辊匀速输送 一个包装袋的长度后 停i 运动 此时充填 封口 传袋装置 间歇运动 当包装材料传送装置输送一个袋疑后 由滚轮传送包装材料下移 个袋距 然后停i e 运动 计量装置 连续运动 送料后 粗计量与细计量同步 l 作 在包装材料完成封口时 物 料充填完全 封口装置 间歇运动 包装材料与物料输送时 在开状态停i e 完成一个袋的输送后 封口装置匀速运动完成封口 在封口期间有停留时间 包装袋切断后 匀速运动回到原位 各执行构件问动作应该相互协调 运动时间尽量重叠 便于缩短运动周期 提高生产率 2 1 4 2 执行构件的行程时间与速度 对于各个包装操作的 r 艺时间及许朋速度 加速度 当前还缺少确切数据 根据多年来 的实践经验 一般认为这种间歇送纸的许用速度可取0 5 m s 而执行构件的平均运动速度 可达0 4 5 0 5 m s 如果速度过高 机器工作不够稳定 容易出故障 包装质量也下降 现 参照这些经验数据来确定执行构件的运动速度和时间 在包装机中 对于具体的执行机构来说 完成一个包装件的全部工作运动和空程运动 包 括停i e 的时间是该执行机构的运动循环周期 简称运动周期7 通常包括三部分组成 l f r 十r 2 1 r 7 作运动时间 r 一空程运动时间 t 一停i t 时间 本研究以分配轴7 旋转一圈作为运动周期 根据本机的适删范围和要求 生产能力为5 0 8 0 袋 分 袋 垂为5 0 1 4 0 m m 1 分配轴 当生产能力为5 0 袋 分时 旋转一圈的 作时间为6 0 5 0 1 2 s 当生产能力为8 0 袋 分 1 0 粉粒制袋 充填 封口包装机的设计 时 旋转一圈的工作时间为6 0 8 0 07 5 s 2 薄膜传送装置 间歇传送 i 作时作匀速运动 传送速度为0 5 m s 则当薄膜前进5 0 m m 时 需要时间 为0 0 5 0 5 0 1 s 当薄膜前进1 4 0 m m 时 需要时间为01 4 0 5 0 2 8 s 3 拉袋装置 间歇旋转运动 取运动平均速度为0 5 m s 则当滚轮转动周k5 0 m m 时 需要时间为 0 0 5 o 5 0 1s 当滚轮转动周长1 4 0 m m 时 需要时间为0 1 4 0 5 0 2 8 s 传袋轴 作时 离合器通电 所以需要时间为0 1 s o 2 8 s 制动器通电时间就为分配轴旋转时间与离合器 通电之差为06 5 s 0 9 2 s 4 计量装置 连续运动 物料在计餐料斗的行程为1 3 0 m m 从计龉料斗内开始一f 料到封口处的行程为 3 7 0 m m 靠重力向f 填充 则 s 2 2 2 胆 垒塑 0 1 6 j vgv1 0 胆 竺坚 o2 8 5 i2 1 r 0 2 8 5 考虑到下料过程中受到摩擦 所以物料在称重阶段的流动时间为0 2 s 充填阶段的流动 时间为0 3 s 5 封口装置 进行封口运动时 行程为3 5 m m 速度为0 1 5 m s 需要时间是0 0 3 5 0 1 5 0 2 3 s 2 1 4 3 绘制工作循环图 根据初步拟定的运动规律和动作配合 绘制工作循环图 对于机械传动 要将执行构件 运动与时间的关系转换为与分配轴转角的关系 本研究选取直角坐标式运动循环图 取水平轴表示一个运动循环周期 将各个执行机构 在此周期内的运动状况分别表示山米 在该图中用直线表示运动的执行机构 用水平直线表 示静i t 或连续匀速转动及振动 如图2 3 所示 由于粉粒制袋一充填一封口包装机的分配轴是连续转动的 所以其运动周 期是分配轴旋转一圈的时间 表示了在一个运动循环周期1 2 s 内 袋长为1 4 0 m m 时 各个执 行机构的运动规律平 i l 作程序 将各个执行机构运动的时间转换成分配轴所对应的旋转角度 计量装置 称重斗r 料需分配轴旋转6 0 0 2 s 进行称重需时分配轴旋转9 0 打开料 斗进行充填f 料需分配轴旋转9 0 0 3 s 关上料斗需分配轴旋转9 0 在计量装置下完料 后 对应分配轴旋转了1 8 0 要包装封口装置已进行封合 横封装置和纵封装置的运动是同步的 其进程需分配轴旋转7 0 封口时间为分配轴旋 转1 3 0 回程时间也为7 0 横封装置进行封口时分配轴旋转了1 6 0 在1 6 0 2 9 0 时 进行封合 c 作 在2 9 0 时 完成切断 i 作 东北农业大学工学硕士学位论文 拉袋装置 在横封装置完成切断后 进行拉袋动作 需分配轴旋转8 4 袋长1 4 0 m r a 印2 9 0 3 7 4 包装材料供送 l 作时间需分配轴旋转8 4 要在拉袋装置 i 作之前动作 所以工作时 间为2 0 6 2 9 0 连稳t 6 0 封口 2 弋9 0 横封 9 q 一 一 3 0 0 料斗9 0 一 称盈l 一一 9 0 3 0 0 h 己9 0 袭供送 一 2 9 0 锩l 动器 1 4 离合器 妒1 2 9 拉袋 4 i 2 分配轴 0 9 0 1 8 0 2 7 0 3 6 0 图2 3 工作循环图 f i g 2 3t h ew o r k i n gc y c l e 2 2 动力系统设计 动力系统采用电动机驱动 通过类比调商法 确定本包装机选择j y 2 b 一4 单相异步电动机 其额定功率为0 5 5 k w 额定转速为1 4 0 0 r m i n 电压为2 2 0 v 最大转矩为3 7 5 n m 2 3 传动系统设计 传动系统将电动机提供的动力 通过分配轴 传给拉袋装置 热封装置等 根据包装工艺和 l 作循环过程可知 主要装置的传动要求如下 1 物料的充填周期与包装袋的尺寸相适应 充填周期要求满足展大包装袋尺寸 下料时 物料的充填速度要与供送材料的速度一致 2 保证包装袋被切断时 物料充填进行下一个周期 3 横封装置廊在两袋之间的中间位置热封并切断 要适当调整运动周期 以符合包装袋 1 2 粉粒制袋 充填 封口包装机的设计 尺寸和计量的改变 4 包装材料的牵引辊和传袋装置滚轮的运动要保证材料在整个 作循环过程中有适宜 的张紧力 并且运动速度要与包装袋的长度相适应 根据上述要求进行设计传动方案 并采用c a x av 5 软什对分配轴进行有限元分析 2 3 1 传动简图 如图2 4a 所示为分配轴传动图 电动机i 经带传动至蜗轮蜗杆减速器2 减速器通 过分配轴8 将动力输山 分配轴上装有横封凸轮3 4 驱动传袋轴偏心盘5 纵封凸轮6 7 偏心盘5 还驱动传袋装置9 间歇转动 如图2 4b 所示为传袋轴传动图 传袋轴7 通过分配轴上的偏心箍5 驱动 通过离合 器l 和制动器2 控制 传袋轴上装有齿轮3 齿轮3 与齿轮4 啮合 带动传袋滚轮5 运动 寸学 a 分配轴传动图b 传袋轴传动图 卜电动机2 一减速器3 4 横封凸轮5 一偏心盘卜电磁制动器2 一电磁离合器3 一大齿轮 6 7 纵封凸轮8 一分配轴9 传袋装置4 5 一传袋轮6 一小齿轮7 一传动轴 图2 4 传动系统简图 f i g 2 4d r i v i n gs y s t e m 2 3 2 分配轴转速确定 要求包装机的生产能力是5 0 8 0 袋 分钟 所以确定分配轴8 的转速可在5 0 8 0r m i n 的范围内作无级调解 电动机转速为1 4 0 0 r m i n 则总的传动比i 为 i 1 4 0 0 5 0 8 0 1 7 5 2 8 因而 电动机至分配轴的降速比应能在1 7 5 2 8 的范围内无级调 1 为此采用两级降速 第一级用宽三角带无级变速 第二级采用蜗轮蜗杆降速 2 3 3 基于o a x av 5 软件的有限元分析 由于 i 作时 分配轴在输出动力的同时 驱动横封 纵封装置及传袋等传动部件的运动 所以要对分配轴进行强度分析 故本文基于c a x av 5 软件对分配轴进行了有限元强度分析 f i 2 5t h ef o r c e dm a p 在 程设计中 有限元法可分析零部件的 强度 刚度及其动态特性 预知所设计的零部 件是否满足要求 分配轴的受力分析如图2 5 所示 分析步骤如图2 6 所示 选定分配轴的材料为4 5 号钢 调质处理 对分配轴进行单元划分 施加约束和载荷见图 2 7a 由于包装机械所受载荷为轻载荷 所 以忽略带轮对轴的影响 然后进行求解计算 当求解结束后 进行后处理过程 得到分析结 果 位移图 主席力图 见图2 7b c d e 所示 图2 6 有限元分析步骤 f i g 2 6t h ep r o c e s so f g e n e r a t i v ea s s e m b l y s t r u c t u r a ia n a l v s i s c a 主应力图 4 f 等效应力云图 幽2 7 结果图 f i g 2 7t h er e s u l tm a p 根据结果图f 等效应力云图可知 e 点为危险截面处 有 叭x 7 3 3 5 o 1 6 0 m p a 满足强度条件 所以分配轴符合设计要求 根据位移图 可知最火变形量为0 0 0 8 2 3 7 m m 包装材料的厚度一般为0 0 5 0 0 8 m 所以 在 i 作时 该变形不会影响到封口装置完成封口的功能 2 4 执行系统设计 执行系统是包装机实现制袋 充填 封口功能的关键 由横封装置2 与纵封装置5 供 料装置i i 1 2 计鼙装置1 0 供送装置8 制袋装置6 传袋装置3 等构成 如图2 2 所示 本节将完成执行系统中横封装置 计量装置 制袋装置的改进设计及其他装置的理论研究 东北农业大学工学硕士学位论文 2 4 1 横封装置 横封装置是粉粒制袋 充填 封口包装机中最重要的机构 横封装置的作 i i 是利川加热元 件配合相应的运动从而实现包装袋的横向 项部或底部 封口 包装的封口是包装 艺中不 可缺少的工序 封口的好坏将直接影响包装产品的外观质龄和保质期 因此 包装质量在很 大程度上取决于封口质量 所以 横封装置的改进设计是更为重要的 2 4 1 1 驱动形式 封口形式的选择 1 驱动形式 常用的横封机构有气动式 机械式和机械气缸组合式3 种 气动式需要两个以上专门的 气缸和供气系统 机械气缸组合式是经多个典型的机构 如多杆组合机构 曲柄滑块机构 凸轮摆杆机构或曲柄摆杆机构等 与气缸组合而成 由于气动元件成本高 并且中 小型厂 家没有