茶叶自动包装机设计【11张PDF图纸+CAD制图+文档】
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本 科 毕 业 设 计 第 47 页 共 47 页1 绪论1.1 本课题的目的和意义当今社会正在飞快的发展，科技正在飞速进步，消费者对产品的要求也不断的提高。随着近些年国际包装机械的迅猛发展，消费者对包装机械传动系统自动化程度和位置跟踪精度的要求也不断提高。包装机械的科技含量越来越高，新兴的一些科学技术正在逐渐应用其中，如：微电子技术、信息处理技术、新传感器技术、激光技术等等。这些技术在包装机械中需求越来越多，应用也越来越广泛，这给从事包装机械设计研究的工程师带来了很大挑战，要求他们有更高的才能素质，同时也给他们带来了机遇。高素质的人才，加上新兴的科学技术，包装机械的前景势必一片光明，智能、快速、精准、柔性、易操作、环保终将成为它的代名词。最近几年，由于人们的消费水平提高，我国的包装机械行业的发展迅速，但是横向来看，与发达国家的包装机械产品相比，仍然有20年左右的技术差距。我国投入市场使用的一些包装机械产品中，所含的科学技术并不高，属于低端产品。但在发达国家，他们所生产的包装机械，已经广泛地应用了很多先进的科学技术，如：远距离遥控技术、激光技术、信息处理技术、自动柔性补偿技术等等。同发达国家相比，我国的包装机械的差距主要表现在精度低、可靠性和稳定性低、零件寿命短等。包装机械的技术落后，严重影响着我国包装工业快速稳定的发展，进而影响着一系列产业的发展。就如我所研究的茶叶自动包装机来说，茶叶自动包装机的落后，会影响茶叶包装工业的发展，深一步更影响茶叶产业的发展。中国作为世界经济发展增长最快国家之一，包装行业也在迅速发展。尤其是在中国加入WTO以后，中国包装机械行业在经济全球化的影响下，面临着许多机遇和挑战。为了跟上时代的步伐，只有努力学习并引进发达国家的优秀科学技术，才能是我国的包装机械在世界上占有一席之地。茶叶包装是一个新兴的行业，中国茶叶文化源远流长，人们对茶叶的需求量很大，在市场的激烈竞争下，茶叶包装行业脱颖而出。对于商品的包装，人们对其主要有两个方面要求，第一是对于商品的包装，要求外观漂亮，吸引消费者，并且包装质量要可靠，不能出现任何形式的破损。第二方面，确保商品包装所装商品重量精确，装多会增加生产商的成本，装少会损害消费者的利益，损害生产商的信誉，要求包装行业的计量误差在一定范围之内，一般误差在千分之五以内。正因为包装的商品重量计量影响着生产商和消费者的利益，所以商品的包装计量误差是包装机械行业时时刻刻不能忽略的一个重要标准。上面曾提到我国包装机械精度低，而发达国家的包装机械精度更高，这就要求我国包装机械学习发达国家包装机械的优点，引进先进的科学技术，不断地提高我国包装机械的精准度，使我国包装机械在世界上占有一席之地，赶上世界水平，甚至超过世界水平，以提高我国包装机械行业的市场竞争力。1.2 国内外包装机械发展状况1.2.1 包装机械概述包装机械是能够进行对产品的一系列包装过程的机械。包装机械的应用范围很广，它有很多优点，具有自动化、体积小、易安装、易操作、精度高、效率高等特点。包装机械所完成的包装工序大致上可以分为以下几类：封口、装填、裹包、灌装、打标、清洗、干燥、捆扎、杀菌等等。因为包装过程中会遇到这些包装工序，所以包装机械种类也五花八门。产品包装很大程度上影响着产品是否能够畅销，因此包装机械一定要保证传动装置紧凑、精度高，才能确保包装的美观漂亮。当今食品行业越来越注重包装外表，包装机械行业自然而然成为了一个较大行业，它在包装工业中起着非常大的作用，并占有着重要地位。包装机械使得包装过程得以快速、精准的完成，为包装行业提供了必要的生产设备，是商品得以畅销的必要条件。而对于包装小颗粒产品的包装机械，它能够使这些颗粒状产品方便使用，便于携带，并且使这些产品更加美观，吸引消费者眼球。1.2.2 国外包装机械的发展现状世界上包装机械的四大强国当属美国、德国、意大利和日本。美国的包装机械发展历史比较悠久，是世界上为数不多的国家，该国的包装机械已经有了一套独立的成熟的包装机械系统。美国的包装机械种类繁多，产量也很大，均排世界首位。十多年里，美国在世界上一直占据着包装机械最大生产国和消费国的王冠。美国的包装机械效率高、精度高，并融入了尖端的科学技术，包装机械采用了微电子技术、信息处理技术，与计算机完美结合，使得包装机械变得更加智能化。增长速度最快的包装机械产品种类当属填充类机械、封口类机械和成型类机械。自从二十世纪九十年代，美国的包装机械行业始终保持着稳定快速的发展。德国的包装机械行业在技术和性能方面处于领先地位，该国的包装机械计量精度非常的精准。由于德国的啤酒出名，很多包装机械的诞生都是为此服务。目前，针对啤酒等灌装产品的包装机械，德国的更加具备高效率、高自动化、高精度的特点，德国的这些包装机械受到了全球的一致认可。德国一些较大的包装机械企业应用了光电感应技术，使得包装精度大大提高。这些企业所生产的大型自动包装机械包装容积很大，并且集多种包装工序于一体，如：制袋、称重、填充、抽真空、密封等，大大方便了人们的操作，也使得的包装机械更加智能化。多年来，德国的包装机械行业一直在稳定快速的增长，所生产的包装机超过80%用于出口，是世界上包装机械出口最大的国家。意大利的包装机械行业也很厉害，是继德国之后，世界上包装机械第二出口大国，仅次于德国，有近80%用于出口。意大利的包装机械以食品商业方向居多，该国的包装机械性能可靠，价格便宜，十分受用户的欢迎。关于日本的包装机械行业，起步发展比美国和德国晚。二十世纪六十年代前，日本的包装机械企业连六十家都不到，而且所生产的包装机械科技含量比较低，只能进行一些简单的商品包装，如：烟、糖果等。日本包装机械行业真正快速起步增长的时期，是在二十世纪六十年代到七十年代。随后的十年，包装机械的增长速度有所下降，但同世界包装机械行业发展速度相比，还是相对较快，增长率达13%。到了八九十年代，日本包装机械保持稳定的增长同时，开始更加注重科技的投入，在包装机械控制中采用微电子技术，另外还将模块化技术、机器人技术等等先进的科技应用到包装机械当中，使得该国的包装机械生产效率和生产精度大大提高，并更加智能化，在国际市场中竞争力大大提高。二十世纪六十年代到九十年代，日本包装机械行业的发展显著，总的历程经历了引进、吸收、发展三大过程。从这四个国家来看，它们的包装机械行业发展形势都非常的好，它们在发展包装机械的同时，十分看重对先进的科学技术的应用，用高科技成果同世界竞争。这些高效率、高智能、高精度、高可靠性、高技术含量的包装机械的不断出现，使得世界各国纷纷效仿美国、德国、意大利和日本。创造新型的包装机械，已经成为了世界包装机械发展的主导潮流。因此，我国包装机械行业要想在世界上站稳脚跟，就必须效仿美国、德国、意大利和日本，对包装机械应用先进的科学技术，使其更高效和智能。1.2.3 我国包装机械发展状况当前我国经济正在快速稳定的增长，人民的生活水平同前十年相比有了质的提高，人们不但消费在不断提高，消费质量也在提高，消费者现在对产品的外包装是否美观、包装是否环保、包装是否密封结实越来越看重。虽然在这种社会背景下，人们的精神需求给我国包装机械行业带来了很多机遇，但考虑到我国包装机械现有的科技实力，我国包装机还比较落后，想要满足人们日益增长的需求，还要面临着巨大的挑战。我国包装机械行业属于正在发展中的行业，企业不大，管理水平还不算成熟，技术研发人员欠缺，技术装备都不是很成熟。新的包装机械产品研发时间长，同快速发展变化的市场不能进行同步，大大折扣了包装机械的生产价值。另外，许多企业不是在追求包装机械的科技上的提高，而是在低技术含量的产品中进行改装设计，大大浪费了企业的精力和时间，这些外表不同，本质相同的包装机械也会造成企业的低价竞争，损害企业的利益。我国生产的包装机械质量并不稳定，科学技术含量很低，而且成本高。在世界激烈的竞争中，发达国家技术先进的包装机械严重的冲击着我国的包装机械行业。这也使我国的包装机械行业面临着巨大的挑战。不管是消费者消费质量的需求，同行业竞争的压力，或是国际包装机械之间的竞争，都是不容忽视的，想要解决这些难题，唯有引进先进的科学技术，努力的创新，以提高包装机械的精准度和效率，并使其更加智能化。1.3 本人的设计任务本次设计的茶叶自动包装机要能过对茶叶或颗粒状物料按照一定的质量进行称量并打包，装成一定规格的包装。该茶叶自动包装机的设计包括袋子成型，茶叶称量，袋子热封、切断等动作。结合市场的茶叶包装，对茶叶包装机做出基本参数要求：工作时间 16 h/天工作寿命 5年计量速度 120袋/min计量精度 5%计量规格 50g茶叶包装袋规格如下：长宽高 10040270（mm）包装所需包装塑料膜规格如下：宽度 300 mm一卷直径 400 mm2 茶叶自动包装机的总体结构设计茶叶自动包装机的种类很多，按总的布局大致上可归为两大类：卧式自动包装机和立式自动包装机。如图2.1（a）（b）所示： 图2-1（a）卧式自动包装机 图2-1（b）立式自动包装机茶叶自动包装机按照制袋的运动过程来划分，可分为间歇式包装机械和连续式包装机械。间歇式茶叶自动包装机效率低，尺寸结构大，但精度高；连续式茶叶包装机效率高，传动结构紧凑。在这里，本人将对茶叶包装机按照立式连续型进行总体结构设计。考虑到现实中可能需要产品的一机多用，我决定将茶叶自动包装机的制袋和装袋过程分开设计，满足茶叶自动包装机的基本要求外，还能够独立的制袋，销售包装袋。2.1 自动制袋、称量、热封、切断工艺流程图茶叶包装机的自动制袋、称量、热封、切断工艺流程如图2-2所示。图2-2 工艺流程图2.2 立式连续型茶叶自动包装机的总体机构设计2.2.1 塑料膜输送装置、袋子成型装置和物料供给系统 塑料膜输送装置茶叶自动包装机在制袋过程中，连续性长时间的工作，为了满足塑料膜的供应，减少塑料膜的占地空间，采用卷筒式的包装塑料膜卷。在制袋过程中，首先要将包装膜展开，此时包装膜卷会跟随相应转动。为了保证在包装膜卷转动过程中始终保持稳定，可将包装膜卷轴孔处与轴过盈配合，同时为了方便包装膜卷的每次装夹，可将转动轴与机架设计成快速安放型，如图2-3。 图2-3 快速安放型结构考虑到在制袋过程中，塑料膜需要进行两次的成型引导，为了防止机械在牵引塑料膜过程中使已成型的塑料膜在力的作用下变形，可将引导辊和牵引辊同时受力，使其同时起着引导和牵引的作用。如图2-4所示，引导辊和纵封辊同时受力。图2-4 引导辊和纵封辊关于包装膜的输送过程，还需要考虑一个非常重要的问题，就是每次开机启动，塑料膜都会瞬间受到一个力的冲击，这使得包装机械的精准度大大降低。为了解决这一难题，我采用了一种缓冲机构，它靠活动轴自身的重力，缓冲掉开机启动时的冲击。当开机启动时，迅速绷紧的塑料膜会牵引活动轴上升，减缓包装膜的紧绷。缓冲机构如图2-5。图2-5 缓冲机构 袋子成型装置当前，市场上的茶叶包装机主要是在制袋的过程中装袋，因此，多以翻领成型器和象鼻成型器为主，这些成型器能够保证制袋的过程中进行装袋。我所设计的茶叶自动包装机，制袋的过程不需装袋，只需进行两次成型，因此，我采用了两种成型器。第一种成型器进行包装膜的第一次成型，需要将包装膜由片状翻折成U型，结构模型如图2-6，包装膜从成型器缝隙中间通过；第二种成型器进行包装膜的第二次成型，将包装膜由U型再次翻折，结构模型如图2-7，成型器伸入以翻折的包装膜内部，将包装膜再次成型。 图2-6 初次成型器 图2-7 最终成型器 物料供给系统目前的茶叶自动包装机计量多采用定容法计量，定容法计量有很多形式，如对液体产品，可进行容杯式计量，对粉末或颗粒状产品，可以使用转鼓式计量、螺旋推料式计量和柱塞式计量等。使用这种方法生产效率高，但物料内部可能有密有疏，这使得包装一定质量的误差很大。为了满足包装产品的质量精度，首先要考虑产品的密度的疏密，为了排除密度不同对包装质量的影响，我采用称重传感器直接测量质量，而不是通过容积计算。但使用直接称量质量法，物料下落的冲击避免不了，为了减小物料下落冲击带来的质量误差，就要保证物料均匀的下落。因此，在直接称量的基础上，采用螺旋推料，称量的结果反馈给螺旋轴，使每次称量能够进行调整补偿，这使包装计量精度大大提高。螺旋推料装置和称量装置如图2-8和图2-9。 图2-8 螺旋推料装置 图2-9 称量装置2.2.2 传动系统方案的设计要完成茶叶包装的一系列过程，即制袋、下料、称量、装袋、封口等动作，需要对每个动作细化，采用合适的机构完成该动作。由于下料、称量、装袋、封口与制袋独立，下料、称量、装袋封口等一系列动作可采用气缸和摆动气马达带动。制袋过程细分可化为牵引、导向压实、纵向封口、横向封口和切断等动作，可采用电动机带动，通过一根主轴进行齿轮传动，实现这些一系列动作。制袋的过程机械传动简图见图2-10。图2-10 制袋过程机械传动简图动力由电动机输出，经过带传动，传递给蜗轮蜗杆减速器，再由减速器输出到主轴上，再通过主轴传动，形成四路传动。一路通过直齿圆锥齿轮和直齿圆柱齿轮，将动力传动到引导牵引辊上，引导牵引包装膜；一路通过直齿圆锥齿轮和直齿圆柱齿轮，将动力传动到纵向封口辊上；牵引包装膜并对其进行纵封；一路通过直齿圆锥齿轮将动力传递给链轮，再通过链传递将动力传递给引导牵引辊，引导牵引包装膜；一路通过凸轮，将旋转运动转变为往复的直线运动，带动横封块、切断刀，完成横封、切断动作。3 茶叶自动包装机的设计计算及校核3.1 电动机的计算选型因为引导牵引辊和纵封辊拉动包装塑料膜的拉力不大，设包装塑料膜拉力最大20 N，5个辊转速相同，同时作用，因此，5个辊平分对包装塑料膜的拉力，每个辊牵引力F=4 N。包装袋子高220 mm,包装机制袋速度60袋/min,即牵引辊转速n=60 r/min。包装塑料膜牵引速度 m/min已知每个辊的牵引力F和牵引速度V，则辊子轴所需功率为： 查机械设计手册的机械传动效率表，可知：齿轮传动效率 ，V带传动效率 ，链传动效率 ，蜗轮蜗杆减速器传动效率 ，轴承传递效率 ，联轴器传递效率 。由此，可得动力从电机传递到各个辊的总效率：式3-1传递到、轴上的传递总效率 =0.970.960.990.80.99 =0.68式3-2传递到、轴上的传递总效率 =0.970.960.990.80.99 =0.71传递到轴上的传递总效率式3-3 =0.970.960.960.990.80.99 =0.65所以电动机所需提供的工作功率为式3-4 根据所算功率查电机手册，因为茶叶包装机械多为包装企业使用，使用电压为380V,所以，选用三相异步电动机Y90S-4-B35，参数如下表3-1。表3-1 三相异步电动机Y90S-4-B35参数电动机额定功率额定电压转速效率Y90S-4-B351.1 kw380 V1400 r/min78%式3-5根据电动机的输出功率进行校核： =1.10.78=0.858 kw 所以，所选电动机符合要求。3.2 计算总传动比，并分配各级传动比3.2.1 总传动比的计算茶叶包装机制袋机构的总传动比为： 3.2.2 分配各级传动比 式3-6考虑到包装机械的实际运动，初定： =1.17 =20 =0.5 =13.3 计算传动部件的转速以及动力参数3.3.1 计算各轴及链轮轴转速 V轴： 轴： =120 r/minIII轴： =120 r/minVI轴： =120 r/minII轴： =120 r/minIV轴： =120 r/min链轮轴： =120 r/min3.3.2 计算各轴及链轮轴的输入功率V轴： 式3-7 =1.10.960.80.990.78 =0.65 kw轴： 式3-8 =1.10.960.80.990.780.990.97 =0.61 kwIII轴： =1.10.960.80.990.780.990.97 =0.61 kwVI轴： =1.10.960.80.990.780.990.97 =0.61 kwII轴： 式3-9 =1.10.960.80.990.780.990.97 =0.59 kwIV轴： =1.10.960.80.990.780.990.97 =0.59 kw链轮轴： 式3-10 =1.10.960.80.990.780.990.970.96 =0.57 kw3.3.3 计算各轴及链轮轴的输入转矩三相异步电动机轴的输出转矩为： =9.5510 式3-11 =9.5510=5.85810 NmmV轴： = 式3-12 =5.858100.80.991.1720=1.08510 Nmm轴： = 式3-13 =1.085100.970.990.5=5.15810 NmmIII轴： = =1.085100.970.990.5=5.15810 NmmVI轴： = =1.085100.970.990.5=5.15810 NmmII轴： = =5.158100.970.991=4.90410 NmmIV轴： = =5.158100.970.991=4.90410 Nmm链轮轴： = =5.158100.960.991=4.85310 Nmm将以上计算的转速、输入功率和输入转矩进行整理，归纳成表3-2。表3-2 各轴转速、输入功率和输入转矩轴名功率P/kw转矩T/(Nmm)转速n/(r/min)V轴0.651.0851060轴0.615.15810120III轴0.615.15810120II轴0.594.90410120IV轴0.594.90410120VI轴0.615.15810120链轮轴0.574.853101203.4 V带的计算选型本设计中，需要将功率从电机传递到减速器，因此需要用V带或是滚子链等与三相异步电动机和减速器相连。因所选电动机转速为1400 r/min,转速相对较高，V带更适合中高速传递，所以，选用V带进行从电机到减速器之间的传递。已知用V带由电动机带动，电动机额定功率由表3-1可知，P=1.1 kw，小带轮与电机轴相联，转速n=1400 r/min。一天工作16小时。传动比=1.17，因此，大带轮转速=1200 r/min。3.4.1 确定计算功率通过机械设计手册查表，得工作情况系数K=1.1，可得功率P： =1.11.1=1.21 kw3.4.2 选择V带的型号根据上面所计算出的P=1.21 kw和小带轮的转速n=1400 r/min，通过普通V带选型图，选用Z型带。3.4.3 计算确定V带轮的基准直径d,并计算带速1) 根据V带的选型，查表，选取小带轮的基准直径d d=71 mm2) 计算V带的带速V V= m/s计算的V带带速V在5 m/s30 m/s之间，所以V带带速符合要求。3）设计计算大带轮的基准直径d。 d=82.83 mm根据查表选取d=80 mm。则从动轮的实际转速为： n= 式3-14取=0.02 n=1400（1-0.02） =1217.65 r/min转速误差为： =-1.47%所计算误差在-5%到+5%之间，故符合要求。3.4.4 计算确定大小带轮的中心距a，计算选择V带的基准长度L根据初定中心距公式，得 0.7（d+d）a 式3-15 0.7（71+80）a2（71+80） 105.7a302 mm初步计算确定大小带轮的中心距a=200 mm。根据公式，计算相应的V带带长L，得： L 式3-16 2200+（71+80）+ 637.29 mm通过查表，选取V带的基准长度L=630 mm。通过公式计算，计算大小V带轮的实际中心距a: =196 mm通过公式计算，计算大小V带轮中心距a变动范围： =(196-0.015630)=186.55 mm =(196+0.03630)=214.9 mm3.4.5 计算验算小带轮上的包角 故包角符合要求。3.4.6 计算确定V带的根数通过公式计算，得： 式3-17通过查表可知，用内插法得P=0.30 kw，通过查表，得=0.02 kw,通过查表可知，用内插法得K=0.99，通过查表可知，用内插法得K=0.96.=所以，选取V带根数为Z=4 根。3.4.7 计算确定V带的初拉力F通过查表，得q=0.06 kg/m通过公式进行计算： =45.98 N3.4.8 计算压轴力F通过公式，进行计算，得： =2445.98=367.74 N3.5 减速器的计算选型已知大V带轮的转速为1200 r/min,即减速器的输入轴转速为n=1200 r/min,V轴的转速n=60 r/min。所以i=20,在这里，通过根据传动比，选择传动比20的蜗轮蜗杆减速器，通过查表，选择WPO80-20蜗轮蜗杆减速器。3.6 直齿圆锥齿轮的设计计算及校核通过茶叶自动包装机传递的结构进行分析，制袋过程中，主轴向下一级传动，需要三组相同的直齿圆锥齿轮传递。在这里，对其中一组直齿圆锥齿轮进行设计计算以及校核。已知两直齿圆锥齿轮的两轴交角为90度，单向进行传递。考虑到茶叶自动包装机的工作环境，制袋过程中，只在刚刚启动时，载荷有轻微冲击，包装机每天工作16个小时，有五年的工作寿命（250个工作日/年），传递的功率即为V轴的输入功率P=0.65 kw,主动轮转速即为V轴的转速n=60 r/min,传动比为i=0.5。通过对传动结构简图进行分析，小直齿圆锥齿轮设计成悬臂布置，大直齿圆锥齿轮设计成两端支撑。3.6.1 选择大小直齿圆锥齿轮的精度等级，以及材料和齿数1） 精度等级的选择通过主动轮转速60 r/min可知，大小圆锥齿轮的传动速度不是很高，所以，可以选择精度等级为8级精度。2）两齿轮材料的选择考虑到在齿轮传动过程中的直齿圆锥齿轮传动，小的直齿圆锥齿轮有可能做成齿轮轴，可选用软齿面传动。通过查表，可将大小直齿圆锥齿轮的材料均选为调质45钢，令小圆锥齿轮齿面的平均硬度为250HBS,大圆锥齿轮的齿面平均硬度比小圆锥齿轮的平均硬度低40HBS，为210HBS。3）选择大直齿圆锥齿轮的齿数=60,小直齿圆锥齿轮的齿数=i=600.5=30。4） 计算大小齿轮的齿数比 计算传动比误差 =05%传动比误差符合要求。3.6.2 设计计算通过设计计算公式进行估算，即 式3-181） 查取确定计算公式内的各数值试选择载荷系数K=1.6。大直齿圆锥齿轮的传递转矩为 T=5.15810 Nmm通过查表可知，齿宽系数通常取0.250.35，在这里，选取齿宽系数=0.3。通过查表可知，z=189.8 MPa。经查得，小直齿圆锥齿轮=560 MPa, 大直齿圆锥齿轮=520 MPa通过计算公式，计算大小齿轮的应力循环次数 =60601（163605）=1.03710 =1.037100.5=2.07410已知大小齿轮的应力系数，可查得: 小直齿圆锥齿轮K=0.95，大直齿圆锥齿轮K=0.95计算大小圆锥齿轮的接触疲劳许用应力通过查表，选取安全系数S=1，失效概率取1%，由公式得： =5600.95=532 MPa =5200.95=494 MPa大直齿圆锥齿轮的接触疲劳许用应力数值小。2） 计算计算小直齿圆锥齿轮的分度圆直径d,将上面计算的中较小的数值代入计算公式 87.00 mm试计算在平均分度圆处，得圆周速度平均分度圆直径计算： =87.00（1-0.50.3）=62.86 mm由平均分度圆直径可得，在平均分度圆处，圆周速度得： =0.39 m/s计算载荷系数通过查表可得，使用系数K=1;已知，在平均分度圆处，圆周速度0.39 m/s,所选的精度等级为8级精度，通过动载系数值图表进行查取，按图表中精度等级降一级的精度等级曲线，选取动载系数K=1.05;根据齿间载荷分配系数表，选取齿间载荷分配系数=1;通过查得轴承系数表，因为小直齿圆锥齿轮采用两端支撑，大直齿圆锥齿轮采用一端支撑、一端悬臂，所以，选取=1.25，=1.251.5=1.875。所以，可计算载荷系数 K=K=K= 式3-19 =11.0511.875=1.969根据计算的实际载荷系数，校正验算所得的分度圆直径，通过公式得： d=93.23 mm计算大小齿轮的模数m。 m=3.11 mm 通过查表，选取一个模数标准值，取 m=3 mm3) 对大小圆锥齿轮的外形尺寸进行设计计算计算两个圆锥齿轮大端分度圆直径 大圆锥齿轮 d=zm=603=180 mm 小圆锥齿轮 d=zm=303=90 mm计算确定两个圆锥齿轮的分锥角 =63.4349 =26.5651锥距验算 R=100.63 mm齿宽的计算 b=30.19 mm校核齿根强度 校核弯曲强度的式子为： 式3-20根据查图，得 =380 MPa，=340 MPa通过查图，取K=K=0.90许用应力的计算选取安全系数S为1.4，通过计算公式，得： =244.286 MPa =218.571 MPa齿数当量和齿形系数计算 =134.16 =33.54通过查表，用插值法求得 =2.4704，=2.1527弯曲疲劳强度计算 式3-21 =131.76 MPa =126.80 MPa 通过校核计算，大小圆锥齿轮的强度满足要求。3.7 凸轮的设计及计算3.7.1 凸轮的分类及特点凸轮在我们的生活中极其的常见，很多机械中，都能看到凸轮的身影，特别是自动化程度很高的机械中，经常应用到凸轮机构。由于凸轮机构的结构都非常的简单，结构紧凑，并且能够实现很多复杂的机械运动规律曲线，而且，只需设计出凸轮轮廓外形，这对实现一套复杂的往复循环运动而言，所设计的工作量非常小，所以，凸轮常常被人们采用。按照凸轮的外形划分，凸轮可分为盘型凸轮、圆柱型凸轮和移动型凸轮等。如图3-1所示：图3-1（a） 盘型凸轮图3-1（b） 移动型凸轮 图3-1（c） 圆柱型凸轮按照从动件的形状来划分，从动件可分为尖顶型从动件、滚子型从动件和平底型从动件。如图3-2所示。图3-2（a） 尖顶型从动件图3-2（b） 滚子型从动件图3-2（c） 平底型从动件3.7.2 凸轮的选型结合茶叶自动包装机的制袋过程，可用凸轮机构带动横封切断机构。主轴每转动一次，拉动包装膜走两个包装袋袋长的长度。所以，主轴每转动一圈，需要进行两次横封切断，因此，所设计的凸轮需要两个推程和两个回程。考虑到凸轮的工作环境情况，从动件需带动横封切断机构，受到较大的力，并且需要从动件柔性冲击，凸轮机构处在低速重载的情况下，所以，选用余弦加速度的运动规律曲线。选用滚子型从动件，盘型凸轮，对心布置。3.7.3 凸轮的计算1）选择设定行程考虑到茶叶自动包装机的实际制袋运动，令从动件的行程h=20 mm2）选择设定凸轮的推程角和回程角因为凸轮的推程有两个，回城也有两个，所以，取推程角=90，回程角=90。3）根据从动件位移方程，计算位移 推程位移方程： 式3-22 回程位移方程： 式3-23 等分推程角和回程角，分成6份，根据位移方程求得： =0: s=0 mm =30: s=5 mm =60: s=15 mm =90: s=20 mm =120: s=15 mm =150: s=5 mm =180: s=0 mm另一个推程角和回程角的位移与其相同： =210: s=5 mm =240: s=15 mm =270: s=20 mm =300: s=15 mm =330: s=5 mm =360: s=0 mm将计算的各个角度时的位移归纳成表3-3表3-3 各个角度对应位移表/度0306090120150180210240270300330360S/mm05152015505152015503.7.4 凸轮的轮廓设计确定1）凸轮的基圆半径确定根据凸轮实际运动情况，试确定凸轮的基圆半径为r=50 mm2）确定凸轮的理论轮廓、实际轮廓及滚子直径 根据凸轮的基圆直径和从动件的运动规律曲线，确定凸轮的理论轮廓，凸轮的理论轮廓如图3-3所示。图3-3 凸轮的理论轮廓线计算滚子半径 r=(0.10.5)r=19 mm选取滚子轴承 KR22PP通过运动传递，选取一个凸轮合适的厚度30 mm根据凸轮的理论轮廓曲线和滚子的半径，确定凸轮的实际轮廓曲线，凸轮实际轮廓曲线如图3-4所示。 图3-4 凸轮实际轮廓曲线3.8 滚子链的设计计算3.8.1 链在机械中的应用及其分类链在机械传动中，发挥着重要作用，很多地方上，有着不可替代的地位。链的种类主要有三种，一种用于传递动力，可以称为传动链；一种主要用于吊起重物，叫做起重链；还有一种主要负责物体的移动，用于牵引，成为牵引链。这三种链如图3-5所示。图3-5（a） 传动链图3-5（b） 起重链图3-5（c） 牵引链3.8.2 链的选择根据茶叶自动包装机的工作需求，一个牵引辊的转动，需要用到带或链的传动。由于带适合高速传动，但传动精度不高；链却恰恰相反，适合中低速传动，传动精度高。考虑到茶叶包装机在这处的传动，要求传动精度高，而传动速度不高，所以，选用滚子链。已知，传递的功率为VI轴的输入功率P=0.61 kw,两个链轮转速都为VI轴的转速，n=n=120 r/min,启动时，有轻微的冲击。3.8.3 链及链轮的计算1）确定链轮、设链的速度V在0.6m/s3m/s,取=17 则=i=172） 中心距、链节数 设=40P = 式3-24 =97 节一般链节取偶数，所以，=98 节。3） 计算功率 式3-25查表取K=1.1通过公式得K、: K=0.89 =0.99选用单排链，所以，计算得： =0.76 kw3.8.4 选取链条型号和链条节距P通过功率=0.76 kw和转速=120 r/min,选取08A型号的链条查表得：P=12.70 mm3.8.5 实际的中心距通过公式计算： 式3-25 =514.35 mm取=514 mm3.8.6 验算速度V 0.44 m/s0.6 m/s与所设不符，VS=4即链条及链轮符合要求。3.8.8 压轴力 =，取=1.2 式3-27 =1.22773=3327.6 N3.9 直齿圆柱齿轮的设计通过茶叶自动包装机传递的结构进行分析，我们需要用到两组相同的圆柱齿轮。下面，对其中一组齿轮，进行设计计算。传递功率即为轴的输入功率，所以，P=0.61 kw,两个齿轮轴向平行，水平放置，一个齿轮悬臂，另一个齿轮两端采用轴承支撑。3.9.1 选择直齿圆柱齿轮的精度等级，以及材料和齿数1） 精度等级的选择通过主动轮转速120 r/min可知，齿轮的传动速度不是很高，所以，可以选择精度等级为8级精度。2）两齿轮材料的选择两齿轮选择HT300，220HBS的硬度。3） 齿数的选定因为传动比为1，所以，选定两齿轮=294） 齿数比 =1=i =03.9.2 设计计算1）通过设计计算公式进行估算，即 式3-282）确定数值试选择载荷系数K=1.5。传递转矩为 T=5.15810 Nmm通过查表，=0.8。应力循环次数计算 =601201163605=2.07410。经查得： =0.95按照齿面硬度，可查得: =130 MPa许用应力取S=1.4,由公式得： =88.21 MPa =88.21 MPa查取、 由表查得： =1.62 =2.53计算 式3-29 =0.0465，=0.04653) 计算模数的试算 =2.72 mm分度圆直径 =292.72=78.88 mm圆周速度V的计算 =0.25 m/s齿宽b =0.878.88=63.10 mm齿宽齿高比齿高： h=2.252.72=6.12 mm =10.31载荷系数通过查表，得=1.25根据V=0.25 m/s，查得=1.05查得1通过查表，得=1.2009 =1.0340所以， K 式3-30 =1.251.0511.0340 =1.357校核模数 =2.63 mm m=1.12.63=2.89 mm取标准模数m=3 mm4) 齿轮的几何尺寸分度圆直径 =293=87 mm =293=87 mm中心距 =87 mm齿宽 b=0.887=69.6 mm b=0.887=69.6 mm圆整取 b=70 mm3.10 纵封辊及牵引辊的设计3.10.1 牵引辊由于上面所求的直齿圆柱齿轮中心距为87 mm,牵引辊与圆柱齿轮同轴，所以，两牵引辊的中心距为87 mm,因为一组牵引辊直径相同，所以： D=87 mm所以牵引轮圆周周长为S=D=873.14=273 mm270 mm因为牵引轮2 r/min，袋子也是一分钟制两袋，所以，牵引轮转动一圈，袋子制一袋，即S=袋子高，已知袋子高270 mm,所以，牵引轮直径符合要求。包装带膜宽300 mm,经过U型翻折，宽150 mm,所以牵引轮长度应大于150 mm,取230 mm。另一组牵引辊应保证包装膜带速与上面牵引辊同步，所以，D=87 mm,L取214 mm。3.10.2 纵封辊由于上面所求的直齿圆柱齿轮中心距为87 mm,纵封辊与圆柱齿轮同轴，所以，两纵封辊的中心距为87 mm,因为一组纵封辊直径相同，所以： D=87 mm所以纵封轮圆周周长为S=D=873.14=273 mm270 mm。因为纵封辊2 r/min，袋子也是一分钟制两袋，所以，纵封辊转动一圈，袋子制一袋，即S=袋子高，已知袋子高270 mm,所以，纵封直径符合要求。纵封宽度为10 mm,可取纵封辊L=15 mm,有10mm长接触膜带。3.11 主轴的设计计算3.11.1 轴的分类及特点轴的应用相当普遍，它能很好地传递转矩。轴的种类很多，根据外形不同，可将轴分为两类：曲轴和直轴。如图3-6所示。图3-6（a） 曲轴图3-6（b） 直轴在这里，根据茶叶自动包装机的运动，选择直轴。3.11.2 材料的选择主轴转速为120 r/min,属于低速，结合实际情况，主轴的载荷不是很大，可选用45钢。3.11.3 主轴的装配考虑到主轴上需要装配零件，这些零件影响着各个轴段的长度，所以，确定主轴的装配，结构如图3-7。图3-7 主轴的装配3.11.4 主轴的尺寸确定及装配零件的选择因为主轴的输入功率P=0.65 kw,转速为60 r/min,所以，最小直径d得： 式3-31其中，A=110，所以d=19.34 mm因为轴上需四个键槽，所以 d=22.63 mm最小端通过联轴器与减速器相联，已知减速器输出端为32 mm,选取GY5联轴器,所以，主轴最小端直径d=30 mm。结合主轴的装配，主轴外形如图3-8。图3-8 主轴17段：17段与联轴器相联L=65 mm,d=30 mm。选用键1056。16段：需要设有定位轴肩，L=10 mm,d=35 mm。15段：L=11 mm,d=39 mm。14段：该段装配轴承，L=14 mm,d=40 mm,轴承选取角接触轴承7008C。13段：需要设有定位轴肩，L=40 mm,d=46 mm。12段：该段装配凸轮，L=30 mm,d=52 mm。选用键1625。11段：L=100 mm,d=58 mm。10段：该段装配齿轮，L=19 mm,d=64 mm。选用键B1818。9段： 需要设有定位轴肩，L=8 mm,d=70 mm。8段： L=200 mm,d=64 mm。7段： 需要设有定位轴肩，L=8 mm,d=70 mm。6段： 该段装配齿轮，L=19 mm,d=64 mm。选用键B1818。5段：需要设有定位轴肩， L=120 mm,d=58 mm。4段： 该段装配齿轮，L=19 mm,d=52 mm。选用键B1618。3段： 需要设有定位轴肩，L=200 mm,d=46 mm。2段： 该段装配轴承，L=14 mm,d=40 mm。轴承选取角接触轴承7008C，1段： 该段为螺纹，装配圆螺母，L=11 mm,d=39 mm。选用圆螺母M391.5。其中两个角接触轴承采用面对面式装配。3.12 螺旋推料的设计计算3.12.1 计算螺旋轴径（1） 计算螺旋轴外径查得茶叶的密度为0.26 t/m,已知螺旋输送距离为L=0.15 m，每分钟制120袋，所以，计算得最大输送量： Q=1206050=360000 g/h=360 kg/h=0.36 t/h螺旋轴外径： 式3-32其中：查得K=0.0558，=0.25,C=1.0所以， D=0.08386 m=83.86 mm取D=100 mm(2) 螺旋轴内径 d=0.35D=0.35100=35 mm令叶片厚3 mm,采用不锈钢材料。3.11.2 计算螺旋轴螺距螺距： S=KD 式3-33对于水平的螺旋推料，取K=0.8 所以， S=0.10.8=0.08 m=80 mm3.12.3 计算转速 n= 式3-34查得物料综合特性系数：A=45所以，n=142 r/min圆整为以下转速：20 r/min,30 r/min,35 r/min,45r/min,60 r/min,75 r/min,90 r/min,120 r/min,150 r/min,190 r/min。校核： =0.130因为计算的低于0.250.30,可降低螺旋轴转速，使使用寿命得到提升，取n=60 r/min计算得： =0.30所以，取D=100 mm,n=60 r/min。3.12.4 计算传动功率螺旋推料的总功率包含空载时的功率、推料时的功率和附加功率。经计算： =0.000088 kw=0.088 w =0.84 W电动机P: P=K取1.2，=0.85所以，P=1.19 w=0.00119 kw所需电动机输出功率太小，所以一个适合的电动机MSMD02PC,参数如表3-4。表3-4 电动机MSMD02PC额定输出功率(kw)额定转矩（N.m）最大转矩（N.m）额定转速（r/min）0.20.641.913000选择FCWDKS50蜗轮蜗杆减速器,减速比为50。3.13 气缸的选型3.13.1 升降称量漏斗的气缸选型因为气缸需要支撑漏斗平稳运动，所以选用三个气缸竖直支撑漏斗。行程为200 mm,需要往复运动每秒2次。所以，v=2004=800 mm/s,大于500mm/s,负载率为30%.估计每根支撑的重量为18 N。 式3-35 F=60 N根据公式F= 式3-36P取3 MPa,竖直方向n取0.5， 60=0.53s S=40 mm所以，选取DSNU-40-200-P-A3.13.2 取袋气缸的选型因为取袋的过程中，有一定的载荷，所以负载率为70%。行程为60 mm。估计承受载荷时的重量为24.5 N。 F=35 N根据公式F=P取1 MPa,水平方向n取0.7， 35=0.71s S=50 mm所以，选取TN-2560-S。吸袋的吸盘可选用ZPR20CN-04-A6，吸盘的吸附面积为20 mm。选取四个，负责对袋子的拿取和撑口。3.13.2 横封气缸的选型横封所选用的气缸，受力及行程跟取袋的气缸差不多，选取行程为60 mm。估计承受载荷时的重量为24.5 N。=70%. F=35 N根据公式F=P取1 MPa,水平方向n取0.7， 35=0.71s S=50 mm所以，选取TN-2560-S。气缸端头装上加热横封块。3.13.3 控制开关门的气缸的选型一共两处控制开关门的气缸，行程要求55 mm每秒开关门2次，所以v=554=220 mm,速度在50 mm500 mm,负载率为50%估计承受载荷为3.5 N。=50%. F=7 N根据公式F=P取1 MPa,水平方向n取0.7， 7=0.71s S=10 mm所以，选取气缸型号为CJP2L10-55D。端部联接抽拉门。3.14 称重传感器的选型本设计采用三个微压式传感器呈三角式安放测量质量，由于考虑到整个称量漏斗装置本身重量，估计称量装置本身重2kg左右，每个传感器承受重量不超过700g,选择01 kg量程的传感器。综合考虑到每袋只有50g，误差不超过千分之五，所以选择灵敏度不超过0.25g。所以，选择微压式传感器MPM388，量程01 kg,灵敏度0.1g。4 茶叶自动包装机的使用操作在启动茶叶自动包装机前，需进行包装袋膜的准备工作和料斗上料的准备工作。首先，将包装袋膜夹持固定好，将茶叶放入料斗。然后，按下封口加热按钮，将纵封和横封装置温度升高到规定的温度。随后，开启制袋装置，将一开始因夹持没有经过封口的包装袋去除。待包装袋斗里积累了一定量的包装袋后，开启装袋装置，此时就实现了茶叶的自动包装过程。停止茶叶自动包装机的过程如下：首先，关闭装袋装置。然后，关闭制袋装置。随后，按下封口停止加热按钮。 结束语虽然我们也有过一些实际的手工操作实习和多次到工厂一线去参
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