咖啡粉枕式包装机总体设计及计量装置设计

目 录摘要1关键词21 前言32 咖啡粉枕式包装机总体设计4 2.1动力设计5 2.1.1电动机的选择5 2.1.2计算传动装置运动和动力参数6 2.1.3传动装置的总传动比及分配各级传动比的计算73 传动装置设计73.1V带设计83.3同步带传动设计153.4齿轮的设计173.5料盘轴的结构设计和校核194 计量装置设计214.1料盘装置设计234.2量杯尺寸确定234.3料盘结构尺寸确定244.4联接盘设计244.5料盘罩设计255结论25参考文献26致谢26附录27 咖啡粉枕式包装机总体设计及计量装置设计 摘 要：本设计是咖啡粉枕式包装机，课题来源于盐城市盛和轻工机械厂。主要设计内容为：咖啡粉枕式包装机的包装原理设计，计量装置工作原理，包装的总体结构设计及计量装置的总体结构设计，本包装机考虑到咖啡粉的特性和包装袋的要求以及该厂的实际生产条件，选用凸轮作为包装袋封口和牵引的主要机构；同时采用量杯式计量，并且通过开闭盖销对活动底盖的位置限制来实现量杯下料口的开闭，从而保证计量过程的稳定，本设计对咖啡粉包装的传动路线和包装路线进行了分析，并对传动比进行合理分配，解决了咖啡粉快速、稳定、自动包装等问题。实现了包装机的预期效果。 关键词：包装机；计量装置；咖啡粉The Design of Overall Packing Machine and Measurement Device for Coffee PowderStudent: Huang Cheng-QuanTutor:Wu Bin(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract : The design of overall packing machine for coffee powder ,subjects come from Yan cheng sheng he light machinery factory . The design of the principle of the packaging for coffee powder , measuring device principle, the overall structure of packaging design and the overall measurement device structure design. The packaging machine for coffee powder accounts into characteristics and requirements of the packaging plant and the actual production conditions, cam was taken into account during the design; While using measuring cup meter, serviced through the opening and closing of activities bottom cover the location restrictions to achieve the mouth of measuring cup opening and closing, measurement process so as to ensure stability. The design of the coffee powder packaged transmission and packaging line analysis and drive reasonable allocation. Resolved quickly coffee powder, stability,automatic packaging problem and so on . Implementation of the packaging machine achived expected goal .Key words : Packaging; Metering devices; Coffee Powder 1 前言食品包装是指为在流通过程中保护食品，方便储运，促进销售，按一定技术方法而采用容器、材料及辅助物等的总体名称，也为达到上述目的而采用容器、材料和辅助物的过程中施加一定技术方法的操作活动。食品包装是生产的继续，是实现食品价值和使用价值并增加价值的一种手段，它对食品生产有着重大意义。食品包装是食品生产的最后一道工序，是商品的组成部分；它是食品进入流通领域的必要条件；它有利于食品的卫生；它能减少食品损耗，降低生产成本。食品包装应主要考虑：食品的性质和特点；食品的生产、流通与消费的社会性；合适的包装材料与包装机械。随着食品生产与商品流通的发展，食品包装的形式日益繁多，按照食品包装在商品流通中的作用进行分类，它分为销售包装与运输包装两类。销售包装（包括内包装和中包装）的主要目的是促进商品的销售，它除具有保护食品，方便流通基本功能外，还具有美化食品、宣传食品，促进销售的功能。销售包装一般与充填、包封、灌装、封口及贴标签等机械联系在一起1。食品包装技术的应用及其创新，极大地推动着包装机械的发展。应用与现代食品工业的自动化包装大多数以生产线的形式出现，集机、电、气、液控制于一体，成套性强、可靠性高。并且，以模块化组合的形式出现，具备系列化、标准化、通用化的特点。此外，越来越多采用的微机控制、模拟控制等高新技术，使包装机械跃上一个新台阶。咖啡粉枕式包装机是实现咖啡粉销售包装的主要机械工具。包装机械工具的使用不仅体现了现代生产的发展方向，同时也是提高经济效益的重要途径。1）包装机的使用大大提高了产品的数量和质量，提高了产品的竞争能力。2）包装机械不仅可以大大改善操作条件，而且能最大限度的避免操作人员同食品直接接触是可能产生的污染，从而保证食品的清洁卫生和金属制品的防锈防蚀。采用机械化包装就可以把人们从复杂、笨重的手工劳动中解放出来，减轻了体力劳动的强度，增进了工人的健康。3）机械包装的生产能力一般比手工包装提高几倍、十几倍甚至几十倍，不仅提高了劳动生产率，而且能更好的适应市场的实际需要，加速产品的更新换代。4）咖啡粉在手工包装过程中容易发生逸散、飞溅现象，采用机械包装则会大大地减少损失，节约原料，有利于提高经济效益。随着市场经济的发展，包装工业在国民经济中所占的比重和作用也越来越大。我国成功加入WTO后，全球经济贸易一体化进程的发展促使商品流通领域的竞争更加激烈，人们在追求商品内在质量的同时，对商品包装的要求也越来越高。20世纪80年代后，我国的包装机械的生产和设计取得了巨大的发展，大量填补国内空白的包装机械问世，品种规格不断增加，同时出现了很多包装机械的生产企业，许多研究机构着手研究包装机械，高等院校也纷纷设立了包装工程专业，从而形成了一个独立的的包装机械行业。进入21世纪，包装机械除继续增加新品种外，在产品的技术水平、内在质量和性能等方面都有了很大进步，这一切都与包装机械的设计有着密切的联系2。本课题设计的内容是设计咖啡粉枕式包装机。课题来源于盐城市盛和轻工机械厂。本课题一个人参与，本人设计的内容为咖啡粉枕式包装机，具体任务是进行总体设计、计量装置设计及横封切断装置设计。需要解决的问题主要有:根据包装袋的形状、尺寸、袋内咖啡粉的体积、封边方式的要求完成包装袋封口位置、装料位置及计量装置形式的选择；卷筒、光电检测器、成形器、牵引棍、纵封棍等部件先后位置的确定;横封头及加料装置的设计;不等速机构、无级变速机构的设计及位置布置。本课题设计原理：咖啡粉从料斗倒下进入料斗装置进行定容，定容主要靠2个量杯的上下移动来调节咖啡粉的容积，因为咖啡是均匀的所以重量可以确定。从料斗下来，成形的咖啡粉进入成形装置进行成形。已经成形的咖啡粉被一层PP膜包围着，然后进入竖封装置进行密封，密封之后在走料装置的作用下，咖啡粉进入了横封装置进行横向密封，最后包装成形。工艺方案确定后，根据封袋的大小及咖啡粉的多少来确定各个部分的尺寸，保证各个部件之间工作连续可靠，包装机总体结构的紧凑，本装置用容积计量装置对粉式装料咖啡进行计量。为保证封袋两侧大小相等，故在机构中有成形器和牵引棍。为保证包装纸的运动速度与横封速度的同步，故用光电传感器对其进行检测并用超越电机动作使之运动或制动停止达到对速度误差进行补偿的目的。为了避免包装过程中得到的袋长误差，故有调节无级变速差动机构可以对得到的袋长加以调整。本课题需要解决的问题主要有:根据包装袋的形状、尺寸、袋内咖啡的体积、封边方式的要求完成包装袋封口位置、装料位置及计量装置形式的选择；卷筒、光电检测器、成形器、牵引棍、纵封棍等部件先后位置的确定;横封头及加料装置的设计;不等速机构、无级变速机构的设计及位置布置;差动机构的设计;误差补偿机构对各个部分误差进行补偿。咖啡粉是粉状食品，包装速度为30袋/min，包装膜为PP卷、最大宽度50mm、长度50m。咖啡粉包装机由计量充填装置、封口装置、牵引装置、动力机构组成。各个装置之间通过一定的传动关系联系在一起，协调的工作。本设计的重点是在完成包装机总体设计的基础上完成计量装置的具体设计和横封切断机构的三围结构设计。本包装机为粉类食品专用，其料盘上的主要零件均为自行设计加工。设计时尽量使用标准件和通用件，非标准件设计尺寸是取整，以便缩短设计周期，降低加工难度，提高经济效益。所设计的包装机为企业的生产提供参考。本课题的设计意义及价值：所设计的设备应能满足咖啡粉包装要求，保证包装膜对正，便于调整，结构简单、运转平稳，工作可靠，便于维修。2 咖啡粉枕式包装机总体设计咖啡粉枕式包装机的包装原理： 咖啡粉枕式包装机整体是由几个机构组成，主要有：料盘装置，横封装置，竖封装置，走袋装置，料卷装置，电机等通过一定的传动关系组成。塑料薄膜卷在料卷装置上通过成型器成型形成卷筒状然后通过竖封装置热封，再通过牵引机构向前走袋，在走袋的过程中料盘装置把计量好的咖啡粉通过料斗注入竖封好的袋中，最后通过横封机构横封切断，包装完成。根据包装机的要求，在包装过程中要确保各个装置之间运动协调。传动方案要满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率、使用维护便利、工艺和经济性好等要求。经过分析与比较,决定采用如下运动方式：电动机带动V带轮转动,经过蜗杆蜗轮减速带动凸轮轴转动，然后一部分动力通过用同步带轴，同步带轴通过一对齿轮把动力传给料盘轴。用蜗杆蜗轮减速是因为它的传动比大可以一次将转速降到需要的大小，使结构简单；用一根轴同时带动横封机构、竖封机构、走带机构既能使结构简单又能保证三者之间同时协调的工作；用同步带传动既能保证准确的传动比又能实现较大中心距的传动。 整个机构结构紧凑，传动平稳，冲击小。对机电产品包装，重点推进“专业定点、资质认证、统一标准、国际接轨、扩大出口”的试点工作。按照专业化、标准化、市场化的要求，以及建设节约型社会的要求，推进节材代木工作，推广应用“单板层积材”为代表的人造板材，开发研制农秸干包装板材，为扩大机电产品出口、为农民增收、为改善我国生态环境和发展循环经济服务。 图1 包装机总体结构图 Fig.1 The overall structure of the packaging machine2.1 动力设计2.1.1 电动机的选择电动机的容量（功率）选得是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作装置的正常工作，或电动机因长期过载而过早损坏；容量过大则电动机的价格高，能量不能充分利用，且因经常不在满载下运动，其效率和功率因数都较低，造成浪费。料盘转速的计算： (1) =7.5 r/min (2)传动效率的计算：由于传动装置较为复杂，取保险效率 式中 ,，确定电机的输出功率 P：由于料盘的转速很慢P 80100)时才进行轮齿弯曲疲劳强度计算。对于开式传动，则按蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度进行设计。按接触疲劳强度计算 1)选 , 取=4则 (30) 2)蜗轮转矩初选 3)载荷系数K 查文献9表7.8 得K=1.1 4)材料系数 查文献9表7.9 得5) (31)6)初选m, 查文献9表7.1 取m=4mm、=40mm、q=10,此时=6407.导成角8.许用接触应力=242MPa其中计算传动效率1)滑移速度 2)齿合效率由Vs=1.26m/s 查文献9表7.5得 =2.433 （32）0.703)传动效率 （轴承效率=0.99，润滑效率=0.98）4)检验值 （33） =2521.3 (34) （35） 640 原选参数强度足够5)确定传动的主要尺寸 m=4mm, =40mm, =2, 中心距 a=100mm蜗杆尺寸1）分度圆直径d =40mm2）齿顶直径 (36)3)直径 (37)4)导程角 右旋5)轴向齿距 (38)6)轮齿部分长度 (39)取=60mm 蜗轮尺寸1)分度圆直径d 2)齿顶圆直径 (40)3)齿根圆直径 (41)4)外圆半径 (42)5)蜗轮轮齿宽度 (43) 6)螺旋角7)齿宽角 (44)8)咽喉母圆半径 (45)润滑方式 根据其具体的功用，采用喷油润滑。蜗轮蜗杆的结构设计 蜗杆：车制 蜗轮：采用齿圈压配式结构3.3 同步带传动设计1)传动功率 (46) 2)小带轮转速 大带轮转速 3)传动用途：轻型包装机 原动机种类：交流电动机 工作制度：8-10小时/天由于转速不大 所以选择模数制同步带 4)设计功率 =1.2=0.67kw (47) 5)带型或模数m根据和=30r/min由图12-1-8选取m4 6)小带轮齿数 取 (48) 7)小带轮节圆直径 (49)8) 带速v m=4mm (50)9)传动比 i10 合适-大带轮转速r/min (51) 10)大带轮齿数 (52) 11)大带轮节圆直径 (53) 12)初定中心距 (54)初选mm初定带的节线长度及其齿数=687.244mm查表12-1-548取 13)实际中心距 (55) 得a=202.178mm 14)小带轮啮合齿数 (56) 15）带宽模数制=(57)=148.4mm取=-小带轮啮合齿数系数=7所以=1.00单位带宽许用应力查表12-1-768得：=因为v100mm时，单键槽增大3，双键槽增大7；d100mm时，单键槽增大57，双键槽增大1015。最后对d进行圆整。查表C=103 (当所受弯距较小或只受转距、载荷较平稳，无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转；反之，取小值，C取较大值。)料盘的实际功率很小，扭矩约等于零，取P=0.1kw,n=7.5r/min (72)最小直径处有键槽，增大5%取=26mm 4)各轴段直径和长度的确定轴的结构如图2所示：图2 轴 Fig.1 Shaft段轴头的长度，此处要装料盘、联结盘、法兰，取。 确定、选择滚动轴承型号,取 查轴承样本，选用型号为36206的角接触球轴承，其内径d=30mm,外径D=62mm,宽度B=16mm。段直径，为方便安装，应略大于，取=36mm。段长度，根据料盘总体结构取=68mm。5)轴承的选择选择滚动轴承的类型，一般从载荷的大小、方向和性质入手。在外廓尺寸相同的条件下，滚子轴承比球轴承承载能力大，适用于载荷较大或有冲击的场合。当承受纯径向载荷时，通常选用径向接触轴承或深沟球轴承；当承受纯轴向载荷时，通常选用推力轴承；当承受较大径向载荷和一定轴向载荷时，可选用角接触球轴承。根据轴的应用场合可知，轴主要受到径向力和轴向力。查询常用滚动轴承的性能和特点，选择角接触球轴承。角接触球轴承的性能特点：可同时承受径向负荷和轴向负荷，也可承受纯轴向负荷。应用场合：适用于刚性较大跨距不大的轴及须在工作中调整游隙的场合。 6)轴承的润滑润滑对于滚动轴承具有重要意义。轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还具有散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等。润滑方式与轴承速度有关，一般根据轴承的d值（d为滚动轴承内径，单位mm；n为轴承转速，单位r/min）做出选择。如表2所示： 表2深沟球轴承润滑方式Tab.2 Deep groove ball bearing lubrication.轴承类型脂润滑油润滑深沟球轴承1625 7)滚动轴承的密封轴承工作时，润滑剂不允许很快流失，且外界灰尘、水分及其他杂物也不允许进入轴承，故应对轴承设置可靠的密封装置。密封装置可分为接触式和非接触式两类。接触式密封通过轴承盖内部放置的密封件与传动轴表面的直接接触而起密封作用。密封元件主要用毛毡、橡胶圈、皮碗等软性材料，也有用减磨性好的硬质材料如石墨、青铜、耐磨铸铁等。非接触式密封接触式密封必然在接触处产生摩擦，非接触式密封则可以避免此类缺点，故非接触式密封常用于速度较高的场合。由于转速大于5r/min 选择非接触密封。4 计量装置设计为保证封袋两侧大小相等，故在机构中有成形器和牵引棍。为保证包装纸的运动图3 料盘装置结构 图3 料盘装置结构 Fig.3 A tray device structure 速度与横封速度的同步，故用光电传感器对其进行检测并用超越电机动作使之运动。为了避免包装过程中得到的袋长误差，故有调节无级变速差动机构可以对得到的袋长加以调整。 速度与横封速度的同步，故用光电传感器对其进行检测并用超越电机动作使之运动。为了避免包装过程中得到的袋长误差，故有调节无级变速差动机构可以对得到的袋长加以调整。 图4 量杯Fig.Measuring cup图5 料盘 Fig.5 Material tray料盘装置工作原理是：料盘装置是由料盘，料盘罩，转轴，法兰，连接盘，活动底盖，开盖销，闭盖销等主要部件通过一些辅助件连接在一起。其工作原理：料盘是可以转动的，料盘中有圆周等分装配的4个量杯，在各个量杯的底部均有一个活动底盖封闭其出口，在料盘内还设计一个料盘罩，上部开有一个圆孔，可以通过料斗进料。转轴带动法兰旋转，法兰通过连接盘带动料盘连续旋转，由于料盘罩固定不动，因此料盘罩可以把充填入量杯的物料面刮平，保证各量杯所盛的物料容积相同。当量杯随料盘转到卸料位置时，活动底盖被开盖销碰开，物料靠自重向下卸出，经成型器充填入包装内。随后料盘继续回转，使活动底盖碰到闭盖销令其回复原位，重新另一个充填的过程。4.1 料盘装置设计如图34.2 量杯尺寸确定杯内径可以按照包装粉剂的体积多少来做相应大小的量杯，由于包装咖啡的体积小，选择量杯外径40mm，为了加工方便其他尺寸相应取整。其尺寸如图4。4.3 料盘结构尺寸确定 料盘直径的大小决定了料盘装夹量杯的尺寸和排部，料盘的直径不宜过大，太大会增加总体的尺寸，导致制造成本的提高；料盘直径过小，达不到量杯排部的要求。综合因素考虑取料盘直径294mm,高度100mm。料盘的材料为2Cr13图6 联接盘 Fig.6 Connecting plate4.4 联接盘设计联接盘的主要作用是连接料盘和法兰。上端用两个销与料盘相连，下端用四个螺钉与法兰连接。其尺寸受料盘尺寸限制。其结构如图6图7 料盘罩 Fig.7 Tray cover4.5 料盘罩设计料盘罩的作用是挡料，一方面防止料从料斗下落时发生的逸散、飞溅，另一方面是在装料过程中刮平量杯里的料，其结构尺寸由料盘尺寸和量杯的位置确定。5 结论 本课题是经过对包装要求和条件的分析，选择型号为Y802-4的电机，选择了v带和蜗杆蜗轮机构作为减速机构，运用了齿轮传动和同步带传动并且对齿轮、轴、带轮、蜗杆蜗轮进行了设计校核，所设计的包装机横封、竖封、走带都是用凸轮机构，主要针对用塑料袋包装的食品。其计量装置采用容积计量主要是针对咖啡粉一类粉状食品设计的。计量用的量杯可以根据包装食品体积的不同做相应大小的内径。料盘采用回转式圆盘，四周均匀分布四个量杯，其回转一周可以完成四个计量动作。设计的包装机能满足加工要求，运转平稳，工作可靠，结构简单，便于调整和维修。 参考文献1 宫相印主编.食品机械与设备M. 北京：中国商业出版社，19932 陆振曦、陆守道主编.食品机械原理与设计M.北京：中国轻工业出版社，19953 伍水顺、张裕中主编.食品机械自动控制M. 北京：中国轻工业出版社，19944 徐灏主编.新编机械设计师手册M.北京:机械工业出版社,19955 叶伟昌主编.机械工程及自动化简明设计手册(上册) M.北京:机械工业出版社,20016 叶伟昌主编.机械工程及自动化简明设计手册(下册) M.北京:机械工业出版社,20017 M编写组编.中国轴承新旧型号对照手册.北京:兵器工业出版社,19958 成大先主编.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,20049 徐锦康主编.机械设计M.北京:机械工业出