第八章 转动系统.ppt

业精于勤荒于嬉 行成于思毁于随 第八章传动系统传动系统的组成及要求传动系统的分类传动系统分析及计算传动系统方案及设计准则 第八章传动系统 对于包装执行机构的动作来讲 是复杂且多种多样的 而作为动力机输出的运动却是有限的转动 摆动和移动等几种形式 这样 在动力源与执行件之间 就要设置一个能使两者联系起来 并传递所需的动力和保证各执行件之间的正确运动联系的工作系统 该系统即为传动系统 由此可见 传动系统的功能 就是改变原动机运动的速度和形式 其结构形式决定着包装机的传动方案 总体布局并对包装机的使用性能 结构 制造成本有着很大的影响 第一节传动系统的组成与要求一 传动系统的组成包装机自动化程度较高 属于自动机的一种 由于它的执行件较多 而且各种执行件之间又必须协调配合才能完成包装工作 故包装机的传动系统比较复杂 通常有机械式 液压式 电气式等几种形式 高 中速自动包装机多采用机械式传动系统 大型低速包装机以气动式传动系统应用较为广泛 液压式系统 因其价格稍高 且易漏油污染产品 若运动平稳性要求不是很高 液压系统优越性发挥不充分 所以应用的场合不广泛 电气式传动系统常与机械式并用 实现前级的大范围调速 随着包装产业的迅猛发展 现代包装机及包装线的组成设备已越来越多地 采用以机为主 兼有电 光 液 气的综合传动系统 传统的传动系统通常包括以下几个组成部分 1 定比传动机构即具有固定传动比的传动机构 通常采用齿轮 皮带 链 蜗轮副 联轴节等传动机构 借此按预定的要求把动力源输出的动力和运动传递给有关执行机构 2 变速装置包装机的变速装置有齿轮变速机构 机械无级变速机构以及液压无级变速装置 多速电机等 包装机中常用的是有级变速装置和无级变速装置 3 运动转换装置包装机执行机构的运动形式是多样的 如转动 移动 摆动 间歇运动 不等速运动等等 因此 包装机中常设置运动转换装置如连杆机构 凸轮机构 槽轮机构 齿轮齿条 丝杠螺母等装置 以保证执行机构所需要的运动规律 4 操纵控制装置包括操控启动 停止 离合 制动 调速 换向以及按规定程序进行自动控制运动所需要的各种操纵装置 元件 组件 借以通过不同的方式方法来改变传动系统的状态和参数 设计时一般操纵装置的方案与传动系统同时加以考虑 5 润滑与密封装置为保证传动系统正常工作 必须有良好的润滑与密封装置 防止出现漏油漏水 污染被包装物 包装材料及环境 并可延长使用寿命 现代包装机及包装生产线的组成设备已越来越多地采用以机为主兼有电 液 气的综合传动系统 二 对传动系统的要求包装机的传动系统与整机的技术经济指标有密切关系 它影响包装机的结构 布局 包装精度 传动效率 制造以及制造成本 操作与调整是否方便等 因此 设计传动系统时必须注意满足下列要求 1 各执行件必须有足够的调速范围 而且往往要求速度无级变化 以满足生产率和包装袋尺寸 规格等连续变化的要求 2 各电动机和全部传动机构需能满足足够的功率和扭矩 并且具有较高的传动效率 3 各执行件的位置 速度应有比较准确的相对关系 又要便于独立调整 4 结构简单 润滑与密封良好 操作方便可靠 便于加工装配 成本低 5 便于实现包装机的自动化和组成自动包装生产线 6 为便于调整试车 传动系统中应设手动微调装置或其它调整机构 第二节传动系统的分类一 按传递运动形式分类若将复杂的运动分解为最基本的形式 则有 1 连续回转运动主要有带传动 链传动 摩擦轮传动 谐波传动 圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 螺旋齿轮传动 摆线针轮传动 蜗杆传动 磁力传动 液压传动 万向联轴节等 它们往往被用于改变运动速度 回转方向 或者传动轴的布局及方位 2 往复移动和摆动主要有螺旋传动 齿条传动 液压传动 气压传动 连杆机构 凸轮机构等 其中最常见的 是将动力机的等速回转变换为执行机构的往复直线运动 3 间歇运动主要有非圆齿轮传动 不完整齿轮传动 棘轮传动 槽轮机构 蜗形凸轮机构 齿轮连杆机构 槽轮连杆机构 凸轮连秆机构 气液压连杆机构以及其它形式的组合机构等 正如前述 无论是较小或较大动停比的间歇传动 包括瞬停 在包装机的供送与主传送系统中都有广泛的应用 二 按传动比变化状况分类1 定传动比传动可使传动装置的输入与输出速度相对稳定或者需对应变化的传动 2 变传动比传动 1 有级变速 将动力机的输出速度变换为执行机构若干个不同输入量的传动 2 无级变速 将一个速度变换为在某一范围内获得无限多个输出量的传动 3 周期性有规律变速 实现函数传递 以改善执行机构运动和动力特性的传动 三 按传动能流路线分类1 单流传动 动力机输出的能量 流经每一传动件后传至执行机构 多用于功率小 传动元件少 配置要求紧凑的设备 2 分流传动由动力机输出的能量 分配给几个传动元件 并 由这些传动元件分别传至各自联接的执行机构 它有利于灵活安排传动路线 提高传动效率和缩小传动元件结构尺寸 因而 特别适用于有较多执行机构的包装机 3 汇流传动即动力源由若干台小功率的动力机发送 分别传至对应的传动元件 最后传给同一执行机构 该传动适用于低速 重载 大功率设备 因动力源分散 化大为小 改善了传动机构 提高了传动效率 此外 采用若干个相同或不同的动力装置还能使执行机构有效地完成所需的复合运动及速度变化节拍 4 混流传动混流传动是前述三种传动组合 第三节传动系统分析及计算一 传动系统图为了便于分析包装机的运动和传动情况 以便设计包装机 通常应用包装机的传动系统图 包装机的传动系统图是表示包装机全部运动传动关系的的示意图 包装机的传动系统图应尽量画在一个能反映包装机外形和各主要部件相互位置的投影面上 在图中 各传动元 件是按照传动顺序 以展开图的形式画出来的 由于包装机很复杂 要吧一个立体的传动结构展开并绘制在一个平面图中 有时不得不把其中某一根轴绘成用折断线连接的两部分 或弯曲成夹角的折线 有时对于展开后失去联系的传动副 要用大括号后虚线连接起来以表示他们的传动联系 传动系统图只能表示传动关系 并不代表各元件的实际尺寸和空间位置 在图中通常还须注明齿轮及蜗轮的齿数 模数 带轮直径 丝杠的导程和头数 电动机的转速和功率 传动轴的编号等 传动轴的编号通常从动力 如电机等 开始 按传动顺序 依次用罗马数字 等表示 下面就以典型的卧式枕型制袋 充填 封口机为例 说明传动系统图的分析与计算方法 图8 2就是这台卧式枕型包装机的传动系统图 根据被包装物的形状 大小 包装材料的质地厚薄及生产能力的不同要求 这种通用包装机采用可控硅控制的直流调速电机 M0 做主动力源 功率为0 75千瓦 通过定比传动机构 使本机的生产能力控制为25 175包 分 设有光电控制装置可进行商标定位 为校正定位误差另设有三台25瓦伺服电机 M1 M2 M3 另设一台0 1千瓦的输出电机 M4 全机传动部分是由齿轮 滚子链和摩擦带等主要传动元件组成 补偿及调整运动通过锥齿轮差动器输入 使包装机执行机构能够连续协调地工作 传动系统图所示的全部传动关系可用如下的传动结构式表示 主电机M0经皮带轮带动轴 经可分离锥齿轮无级变速器使轴 转动 在轴 上装有差速器C1 C1的输出齿轮Z1与轴VI上的齿轮Z2啮合 再经链轮带动轴 旋转 轴 经链轮 截锥元级变速器和链轮传动供纸辊 轴 经锥齿轮带动拉纸辊 轴 又经链轮传动 经轴 上的链轮Z12传动链轮Z13使毛刷旋转 又经轴 上的截锥式无级变速器 链轮 锥齿轮驱动纵封辊旋转 工作中商标定位出现误差由伺服电机M1经齿轮 通过差速器C1进行补偿 包装袋尺寸长短的调整 是由伺服电机M2 经链轮 锥齿 轮带动丝杠 旋转 从而改变分离轮无级变速器的传动比值来达到的 轴I上的齿轮Z19 与齿轮Z20啮合带动轴 经链轮使传动轴 旋转 安装在轴 上的差速器C2的输出端上的链轮Z23 通过链条带动链轮Z24 调整偏心不等速运动机构的偏心量 由链轮Z25 Z26带动轴 从而使物料输送传动带工作 物料位置调整可通过手轮1 锥齿轮 蜗轮副 差速器C2来完成 又轴 上的链轮Z21通过链条带动链轮Z28 轴旋转 通过差速器C3 链轮 带动轴 经轴 上的差速器C4驱动位置调整凸轮 每次调整后开机前先按下位置调整按钮 使伺服电机M3旋转 经齿轮将运动输入给差速器C4 使凸轮转至起始位置 以通过开关实现计数 并与电眼配合进行补偿工作 通过差速器C3输出端链轮Z29 带动链轮Z37 又可将运动传至轴 经链轮偏心不等速机构 链轮 差速器C5将运动传至轴 由链轮直接驭动横封器 调整包装机横封器的位置可由手轮3 通过蜗轮副差速器C5来实现 也可由手轮2通过锥齿轮蜗轮副及差速器C3实现 输出电机M4通过皮带轮传动输出传送带 轴 上的链轮Z64带动链轮Z65旋转 从而驱使输出毛刷旋转 离合器L1 L2可切断供物 拉纸及横封之间的联系 以便于单独进行调整 二 传动系统分析与计算1 执行件各级转速 工作速度 的计算为设计 计算方便 采用传动比与一般自动机械的传动比的概念相同 即 8 1 式中 i 传动比n主动 n被动 分别为主动轴 被动轴转速z主动 z被动 分别为主动 被动齿轮 链轮 齿数d主动 d被动一分别为主动 被动带轮 摩擦轮 直径通用包装机一般都适应于一定的包装工艺范围 即生产率在一定的范围内变化 并允许尺寸规格及包装对象有所变化 这就要求通用包装机的执行件具有不同的工作速度当这种工作速度是分级变化时 一般是通过分级变速机构来实现的 各级工作速度的值等于动力源的转速与该级工作速度下所有参加传动的传动件的传动比值的乘积 即执行件转速n n电 l1 l2 l3 8 2 若执行件不是回转运动 而是直线运动或其它运动规律时 还要乘以运动关系转换的数值 2 传动效率包装机结构形式很多 故其传动能流路线也不尽相同 不同的能流路线传动效率也不相同 1 单流传动 如图8 3为一单流传动的包装机传动系统图 动力输出的能量要流经每一个传动元件 则总的传动效率为 8 3 可见传动元件越多传动效率越低 因此该传动方式多用于功率小 传动件少的设备 2 分流传动 图8 4分流传动框图 传动路线如图8 4所示时 其功率为 显然 8 4 0 分流传动部分的总效率 8 5 可见分流传动有利于灵活安排传动路线 提高传动效率 缩小传动元件的结构尺寸 适用于有较多执行件的包装机 如图8 2所示卧式枕形包装机传动系统就属于分流传动 3 汇流传动汇流传动形式如图8 5所示 图8 5汇流传动框图总效率 8 6 这种能流路线的特点是 对于低速 重载 大功率设备可将动力源 化整为零 以便配备中小型动力机 可简化传动机构 提高传动效率 采用两个或多个相同或不同类型的动力机 使执行机构有效地完成所要的复合运动形式及速度变化节拍 然而有时为了保证各动力机的均载和同步 最好在传动系统中设有浮动或者柔性的构件 图8 6所示包装容器成型机的传动系统就属于汇流传动 该设备具有两种动力装置 液压缸可使螺杆产生不同速度的直线往复运动 同时电动机使螺杆产生等速的回转运动 4 混流传动混流传动实质上是前述三种传动能流路线的组合形式 如图8 7所示 其传动效率可按下面方法计算 图8 6包装容器成型机传动系统图 图8 7混流传动框图 4 7 式中 0 1 图8 8所示糖果包装机传动系统就是典型的混流传动 主电机经宽三角带槽轮无级变速器51 斜齿轮4 5传动到主轴 主轴上的蜗杆凸轮34使滚子33做间歇转动 从而使分粒盘39旋转 将糖块整理好送到特定位置 主轴上的链轮6 经链条48 链轮7 齿轮10 11 使擦纸轮12转动擦纸 剪纸凸轮27使剪刀28剪纸 将纸送到分粒盘39顶糖部分的上面 主轴上的链轮37 使链36 偏心轮41 35转动 使上 下送糖杆运动 将糖块和纸向上送给爪钳47 链轮7经链条49 链轮14 使拨盘15转动 从而使马氏盘剥16 抓迁怒47旋转60度 将糖和纸送到扭结中心 齿轮17使齿轮19 20 21同期传动 机械手持46 26由杠杆25 24 凸轮22 23送进完成扭结工作 抄纸 凸轮9使抄纸板13抄纸 打糖杆18排除糖块 油泵40由链轮38 链条50 链轮37带动润滑全机 分电机29经齿轮30 31使毛刷32传动整理糖块 手动轮经44 45也可使全机运动 综合对各种能流传动路线所做的分析和计算 可以看出 传动系统的效率不仅与传动元件的结构形式 工作表面状态 摩擦阻力类型 润滑条件 工作状态等因素有关 同时与各传动元件的组合及传动路线的布局也有很大关系 因此 合理的安排能流路线把动力传递和辅助运动适当分开 尽量缩短传动路线 减少运动副和消极约束 传动系统中尽量避免大的封闭循环 这对提高传动效率 减少能量损失是有效的 第四节传动系统方案的设计准则拟定包装机的传动系统必须考虑多方面因素 而且首先应当满足包装工艺和总体结构的要求 同时要合理选择动力机 传动与控制装置的类型及其组合方式 再根据传动系统图和传动路线图简明地表示出所要设计的技术方案 一般来说 为实现同一的工艺要求就有可能设想出若干个不同的传动方案 所以 一定要根据实际情况进行广泛的调查研究 并参照现有的类似机器加以对比分析 才有可能选出一个比较理想的方案作为整机设计的依据 图8 9所示为金属卷带间歇供送装置的两种传动方案示意图 图8 9金属卷带间歇供送装置的传动示意图1一偏心轮2一连杆 下端为球面副 3 4 摆杆套环5一星轮6 7 牵引棍8一制动器9 ll一带轮10一同步齿形带12一蜗形凸轮13一滚子轮 图8 10卷带牵引辊运动状况的对比分析 图8 10反映了卷带与冲头的运动相位关系以及牵引辊角加速度的变化情况 经实测得知 采用传动方案 a 定位精度约为土0 2mm 而采用传动方案 b 一般为土0 05mm 并且运行平稳 噪声轻微 生产率高 其主要原因 在于两者所选的传动类型不同 以致运动 动力特性和实际工作效果也有所区别 下面扼要地加以分析 1 原动轴输出运动的比较 在方案 a 中 由等速回转的偏心轮1带动连杆2 下端为球面副 作往复的空间运动而使摆杆3产生摆动 由于惯性较大将限制其运行速度的提高 而在方案 b 中 则采用高强度的同步齿形带10和带轮9 11 这种挠性啮合传动 传动比准确 惯性小 能缓和冲击 传动效率高 适合于高速工作 2 牵引辊输入运动的比较在方案 a 中 通过摆杆3另一端的套环4和内部滚子的摩擦作用而使星轮5及其同轴相连的下牵引辊6产生余弦加速运动 因伴有柔性冲击 加之在起动时套环与滚子会打滑 停止时又会引起星轮产生一定的惯性超越现象 结果必然影响牵引辊的定位精度 为克服这一缺点 有的附加 了制动器8 而在方案 b 中 代之以蜗形凸轮机构12 它啮合性能好 传动精度高 而且凸轮曲线接近于正弦加速度的变化规律 故能很好地改善牵引辊的工作性能 此外 为了有效地供送金属卷带 要求牵引辊6 7之间能保持足够的压力 并可灵活调整 通常 将从动辊放在主动辊的上方 以便配备弹簧压紧装置 同时增强保险作用 由此可见 为了更好地设计包装机的传动控制系统 要善于根据科学理论和积累的实际经验加以概括和总结 因地制宜地运用 并在此基础上进一步求得丰富和发展 为此 提出若干注意事项供设计参考 一 按执行机构工作情况选择动力机的类型首先要按执行机构的工作情况合理选择动力机的类型 应该考虑所选的动力机 其驱动力矩 运动形式 输出速度以及调速 反转 制动等一系列因素 对确定传动与 控制装置所产生的影响 下面扼要地介绍一下包装机几种常用动力机的主要工作性能及适用范围 1 三相交流异步电动机这种电动机结构简单 维护容易 价格便宜 能经受频繁地起动和反转 然而却只能在负载转矩小于该电机机械特性曲线上的最小转矩时起动 并且还只能在该曲线上的稳定区段实现正常的运转 但输出速度会随着负载转矩的增大几乎呈线性递减 至于起动能力和过载能力则一般为2左右 该机已被厂 泛应用于负载比较平稳 不需调速 长期工作的包装机 2 交流滑差电动机这种电动机由异步电动机 电磁滑差离合器 测速发电机以及有关控制回路组成 具有高起动力矩 能反转 吸振性能好 在适当的负载力矩变化范围内改变电磁滑差离合器的激磁电流可实现稳定的无级调速等优点 不过 滑差率大时 传递动力的效率偏低 所以 对要求大幅度 无级变速且使运行速度稳定的包装机传动系统 比较适用 若将三相交流异步电动机配备变频装置同样可以实现无级调速 不仅变速范围宽 效率也高 有的包装机已开始采用 3 直流串激电动机这种电动机的起动和过载能力都强 改变激磁电流的大小和方向能无级调速和反转 但需直流供电 价格较贵 主要用于塑料 造纸 印刷等部门包装材料加工机械中的卷绕机构 以完成牵引力与速度都应保持稳定的恒功率驱动过程 4 交流伺服电动机这种电动机实质上就是微型的两相异步电动机 它运行稳定 响应迅速 有良好的可控性 近年来在包装机的传动控制系统中获得了有效的使用 当电机起动以后 若将控制电压突然取消 仅保留激磁电压单相供电 则会产生制动转矩迫使转子迅速停止 其制动所需时间 比两相电压同时取消单靠摩擦作用要快得多 为此 在开机期间定子的激磁绕组必须始终接通电源 它的运转方向是随控制信号极性的变化而变化 而转动与否以及速度的快慢 则取决于控制信号的有无及其强弱的变化状况 选择电动机时要注意 它的极数愈多 同步转速愈低 则体形愈大 造价愈高 因此 电动机转速应同整个传动系统的输出速度及中间速比的分配相协调 力求简单 紧凑 实用 可靠和经济 事实上 包装机广泛采用三相交流异步电动机 其同步转速多为1500r min 就是这个道理 从执行机构工作特性 能流分配和传动效率来看 有时选用一台动力机驱动几个传动链并不一定合算 反而会使传动系统复杂化 在这种情况下 可考虑采取若干台动力机 同类型或不同类型 联合驱动的方案 图8 11所示为塑料包装容器注射成型机的螺杆传动装置 有两种动力源 电动机1和油缸6 当预塑时 根据原料的塑化条件借齿轮变速箱2的有级变速确定所需的转速 并使螺杆5产生单向回转和勾速后退 后退速度取决于活塞的背压 的复合运动 而当注射时 使其产生由慢到快再到慢的变速直线移动 实践表明 这种传动装置既满足了成型加工工艺的要求 又提高了传动效率 另外 拆除和清理螺杆也都比较方便 图8 11塑料包装容器注射成型机螺杆传动装置l 电动机2一齿轮变速箱3一公共齿轮4一交换齿轮一螺杆6一油缸7一预塑计量行程开关 二 确定传动系统的起动条件和空载特性设计传动系统应事先明确设备的起动条件和动力机的起动空载特性 如果要求周期性的频繁起动或者负载的起动转矩会超过动力机的承载能力时 则在动力机与传动机构之间最好增设离合器 也可在变速装置内安排 空档 以便进行空载起动 有的场合往往还要配备过载保护装置如安全联轴节 安全弹簧 安全销等 但是 如果传动装置本身己具备了这种性能 就无需另设了 值得注意的是 象摩擦传动带之类 虽然过载时会打滑而起一定的保护作用 可是却不宜在易燃易爆的环境里采用 也不允许作分度传动链 三 紧急停车时的制动在产品包装的过程中 为排除设备故障常需紧急停车 对那些转动惯量大而速度又高的设备 欲达到较高的定位精度 则必须采取相应的制动措施 例如 旋转型灌装机 大都用三相交流异步电动机或交流滑差电动机来驱动 对此设置速度继电器进行反接制动已取得明显的成效 除此以外 使用摩擦式电磁制动器也日趋增多 还有的包装机经常处于正反向工作状态 特别是重载 长行程的 首先要充分利用动力机 包括液气压传动装置 的反向运动功能 而实有困难和不便 只好在传动系统中增设专用的反向机构 四 拟定传动路线和各级传动比拟定传动系统方案必须妥善安排传动路线和各级传动比 其准则是 1 结合具体传动装置在通用范围内选取适当的传动比 若发现某一级的传动比过大 可考虑采用多级传动 力求减小传动元件的尺寸和重量 对于传动效率的高低 也应做具体分析 例如 单级蜗杆的传动效率往往就不如具有同样传动比的多级圆柱齿轮传动 2 鉴于包装机的传动链多属于减速传动 所以 除带传动 因要求较大的包角 外 一般都要遵循传动比分配 前小后大 变速级数 前多后少 转速排列 前密后疏 的原 则 同时不让相邻的两级传动比差得过于悬殊 这样 可使靠近动力机的传动轴的转速高些 较高速级数多些 而转矩小些 以利于缩小整个传动系统的结构尺寸和空间位置 由图8 11和图8 12所示的塑料包装容器注射成型机螺杆传动装置及其转速图可见 它具有一只公共齿轮 五根轴 四种变速 变速级数的分配式为4 2 2 l l 大致符合上述原则 附带说明 在 两轴还配有三对交换齿轮和棘轮反向 图8 12预塑 注射螺杆传动装置转速图 制动元件 图中未示 以便扩大变速范围 3 对于大传动比传动 尤其是当传动链的传递功率较大时 最好少用蜗轮蜗扦副 螺旋副以及某些行星齿轮机构 功率较小时却可适当采用 尽管如此 为减小结构尺寸 提高传动效率起见 通常也总把它们安排在靠近动力机输出轴的部位 同理 对挠性摩擦传动也多作类似处理 并使其更好地发挥吸振和过载保护的作用 五 分配轴的配置方式与传动元件凡属分配轴的传动部分都要采用啮合类型的传动元件 以保证传动比准确 至于系统中分配轴的根数及其配置方式 则在很大程度上取决于有关执行机构 的工作要求 相互联系和总体布局 而且同传动路线 传动比分配也有一定关系 参阅本章所示各包装机传动系统图 考虑到设备的试车 调整 维修和操作等实际需要 有时在分配轴上要安装盘车手轮以及卸载用的离合机构 参见图8 13中的单向超越离合器 六 合理制订传动系统方