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一、緒論
1.1課題提出及意義
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，如食品、輕工、醫(yī)藥、化工、電子和國防等生產(chǎn)中，主要包括三大基本環(huán)節(jié)，即原料處理、中間加工和產(chǎn)品包裝，包裝是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。包裝機(jī)械是使產(chǎn)品包裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的根本保證，因此包裝機(jī)械在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中起著相當(dāng)重要的作用。
此四連桿真空包裝機(jī)，兩下工作室公用一個(gè)上工作室，既節(jié)省了材料又有較高的工作效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約和高效的雙贏，因此具有重要的市場(chǎng)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
包裝工業(yè)作為一門新興工業(yè)，具有明顯的時(shí)代特征。它既是配套工業(yè)，也是當(dāng)今的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。在日益發(fā)展的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，包裝工業(yè)對(duì)其他工業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。主要表現(xiàn)在相關(guān)工業(yè)的發(fā)展方面：從所用包裝材料看，它推動(dòng)了造紙工業(yè)、塑料工業(yè)、冶金工業(yè)和化學(xué)工業(yè)等部門的發(fā)展；從包裝技術(shù)方面看，它對(duì)機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、印刷工業(yè)、新材料工業(yè)以及裝潢設(shè)計(jì)等方面提出了更高的要求；從消費(fèi)領(lǐng)域看，對(duì)食品、飲料、糧食、醫(yī)藥及日用化工品等，起到了重要的促進(jìn)作用。
九十年代以來，我國包裝機(jī)械工業(yè)每年平均以20%～30%的速度增長，發(fā)展速度高于整個(gè)包裝工業(yè)的平均增長速度的15%～17%，比傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)的平均增長值高4.7個(gè)百分點(diǎn)。包裝機(jī)械工業(yè)已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的非常重要的新興行業(yè)。我國目前從事包裝機(jī)械生產(chǎn)的企業(yè)約有1500多家，其中具有一定規(guī)模的企業(yè)近400家。產(chǎn)品有40類，2700多種，其中有一批即能滿足國內(nèi)市場(chǎng)需要，又能參與國際市場(chǎng)競(jìng)爭的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。目前我國包裝機(jī)械行業(yè)擁有一批開發(fā)能力較強(qiáng)的骨干企業(yè)，它們主要由以下幾方面組成：經(jīng)過技術(shù)改造，生產(chǎn)包裝機(jī)械的某些實(shí)力較強(qiáng)的機(jī)械類工廠；軍轉(zhuǎn)民企業(yè)；發(fā)展水平較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)。另一方面我國的包裝工業(yè)雖然發(fā)展，成就大，但與發(fā)達(dá)國家相比，無論在產(chǎn)品品種、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面都有很大差距。因此我們必須采用強(qiáng)有力的措施，進(jìn)一步加快包裝機(jī)械行業(yè)的發(fā)展速度，為早日趕上世界先進(jìn)水平而奮斗！
我國包裝機(jī)械工業(yè)歷史短，總體技術(shù)和生產(chǎn)能力較低，但近年來在國內(nèi)巨大包裝市場(chǎng)的促進(jìn)下并受國外先進(jìn)技術(shù)的影響，發(fā)展速度很快，局部技術(shù)水平有了明顯提高。根據(jù)我國國情，包裝機(jī)械工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是：
(1) 引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，建立一批包裝機(jī)械骨干企業(yè)，包括個(gè)別中外合資企業(yè)。這是縮短我國包裝機(jī)械技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平差距的有效途徑。
(2) 大多數(shù)企業(yè)要重點(diǎn)發(fā)展中、小型包裝機(jī)械。我國大多數(shù)企業(yè)技術(shù)水平不高，生產(chǎn)能力較低，生產(chǎn)以單機(jī)為主的中、小型包裝機(jī)械為宜，但要在此基礎(chǔ)上不斷提高制造精度、自動(dòng)化程度和配套能力。
(3) 在包裝機(jī)械生產(chǎn)中大量引入高新技術(shù)，使包裝機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)先進(jìn)、使用可靠。
(4) 以滿足重點(diǎn)商品的包裝為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)展包裝機(jī)械新品種。目前，我國重點(diǎn)發(fā)展食品、醫(yī)藥、化工、日用品以及易碎、易腐爛變質(zhì)等商品的包裝技術(shù)和包裝機(jī)械。重點(diǎn)開發(fā)的包裝機(jī)械設(shè)備極其研究方向?yàn)椋汗嘌b設(shè)備、真空包裝設(shè)備、無菌包裝設(shè)備。
八十年代以來，國外包裝機(jī)械行業(yè)大量的應(yīng)用高新技術(shù)，如：微電子技術(shù)、激光技術(shù)、超聲波技術(shù)以及光電纖維等。從而使包裝機(jī)高度自動(dòng)化，使用效果更加理想可靠，包裝質(zhì)量更加提高。國外包裝機(jī)械工業(yè)已經(jīng)形成了獨(dú)立完整的體系，成為機(jī)械制造的一個(gè)重要分支。包裝機(jī)械產(chǎn)品門類齊全，品種繁多。包裝機(jī)械生產(chǎn)自成體系，并向?qū)I(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展。
國外包裝機(jī)械工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)為：
(1) 重點(diǎn)發(fā)展食品包裝機(jī)械。國外一些發(fā)達(dá)國家食品包裝機(jī)械占包裝機(jī)械的比重往往在50%以上。
(2) 在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，包裝單機(jī)向高速化方向發(fā)展。通過系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，把技術(shù)的先進(jìn)性、可行性與經(jīng)濟(jì)合理性有機(jī)結(jié)合起來。從而實(shí)現(xiàn)包裝單機(jī)向高速化方向發(fā)展。
(3) 一方面為滿足現(xiàn)代商品包裝多樣化的需求，發(fā)展適應(yīng)多品種、小批量的通用包裝技術(shù)及設(shè)備；同時(shí)又緊跟當(dāng)代高新技術(shù)的發(fā)展步伐，不斷研究和開發(fā)現(xiàn)代的先進(jìn)包裝技術(shù)，發(fā)展應(yīng)用高新技術(shù)的現(xiàn)代化專用型包裝機(jī)械。
(4) 在包裝機(jī)上廣泛應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)。
二、包裝機(jī)械體系及包裝技術(shù)
2.1 包裝機(jī)械體系
圖2-1 ISO標(biāo)準(zhǔn)包裝機(jī)械體系表
按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義，完成包裝工序的機(jī)械統(tǒng)稱為包裝機(jī)械。圖2-1所示是按ISO標(biāo)準(zhǔn)繪制的包裝機(jī)械體系表。
包裝機(jī)械的范疇非常廣，種類繁多，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)主要分為12大類，詳細(xì)分列如下：
(1)充填機(jī)械。將產(chǎn)品按預(yù)定量填充到包裝容器內(nèi)稱為填充機(jī)。主要包括：容積式充填機(jī)、重力式充填機(jī)、計(jì)數(shù)式充填機(jī)、推入式充填機(jī)、拾放式充填機(jī)。
(2)灌裝機(jī)械。將液體產(chǎn)品按預(yù)定量充填到包裝容器內(nèi)的機(jī)器稱為灌裝機(jī)。主要包括：負(fù)壓灌裝機(jī)、常壓灌裝機(jī)、等壓灌裝機(jī)、虹吸灌裝機(jī)、壓力灌裝機(jī)。
(3)封口機(jī)械。將容器的開口部分封閉起來的機(jī)器稱為封口機(jī)。主要包括：熱壓式封口機(jī)、熔焊式封口機(jī)、折疊式封口機(jī)、壓紋式封口機(jī)、插合式封口機(jī)、液壓式封口機(jī)、卷邊式封口機(jī)、壓力式封口機(jī)、旋合式封口機(jī)、縫合式封口機(jī)、釘合式封口機(jī)、膠帶封口機(jī)、粘合封口機(jī)、結(jié)扎封口機(jī)。
(4)裹包機(jī)械。用撓性材料全部或局部裹包產(chǎn)品的機(jī)器稱為裹包機(jī)。主要包括：折疊式裹包機(jī)、扭結(jié)式裹包機(jī)、接縫式裹包機(jī)、覆蓋式裹包機(jī)、纏繞式裹包機(jī)、拉伸裹包機(jī)、貼體裹包機(jī)、縮包裝機(jī)。
(5)多功能包裝機(jī)。能完成兩個(gè)或兩個(gè)以上包裝工序的機(jī)器稱為多功能包裝
機(jī)。主要包括：充填封口機(jī)、開箱充填封口機(jī)、開袋充填封口機(jī)、開瓶充填封口機(jī)、箱成型充填封口機(jī)、袋成型充填封口機(jī)、沖壓成型充填封口機(jī)、熱成型充填封口機(jī)、罐裝封口機(jī)、泡罩包裝機(jī)、真空包裝機(jī)、充氣包裝機(jī)。
(6)貼標(biāo)機(jī)械。在產(chǎn)品或包裝件上加貼標(biāo)簽的機(jī)器稱為貼標(biāo)機(jī)。主要包括:粘合貼標(biāo)機(jī)、收縮貼標(biāo)機(jī)、釘標(biāo)簽機(jī)、掛標(biāo)簽機(jī)。
(7)清洗機(jī)械。清洗包裝材料、包裝件等，使其達(dá)到預(yù)期清洗程度的機(jī)器。主要包括：干式清洗機(jī)、濕式清洗機(jī)、機(jī)械式清洗機(jī)、電解式清洗機(jī)、電離式清洗機(jī)、超聲波式清洗機(jī)。
(8)干燥機(jī)械。減少包裝材料、包裝件等的水分，使其達(dá)到預(yù)期干燥程度的機(jī)器稱為干燥機(jī)。主要包括：熱式干燥機(jī)、機(jī)械式干燥機(jī)、化學(xué)式干燥機(jī)。
(9)殺菌機(jī)械。清除或殺死包裝材料、產(chǎn)品或包裝件上的微生物，使其降到允許范圍內(nèi)的機(jī)器成為殺菌機(jī)。主要包括：熱式殺菌機(jī)、超聲波殺菌機(jī)、電離殺菌機(jī)、化學(xué)殺菌機(jī)。
(10)捆扎機(jī)械。通過捆扎或結(jié)扎封閉包裝容器的機(jī)器稱為捆扎機(jī)。主要包括：
機(jī)械式捆扎機(jī)、液壓式捆扎機(jī)、氣動(dòng)式捆扎機(jī)、捆結(jié)機(jī)、壓縮打包機(jī)。
(11)集裝機(jī)械。將若干個(gè)產(chǎn)品或包裝件集合包裝而形成一個(gè)銷售或搬運(yùn)單元
的機(jī)器稱為集裝機(jī)械。主要包括：集裝機(jī)、堆碼機(jī)、集裝件拆卸機(jī)。
(12)輔助包裝機(jī)械。凡是完成對(duì)產(chǎn)品、包裝材料、包裝件有關(guān)的作業(yè)，而又
不能編入上述第1至第11部分的包裝機(jī)械和設(shè)備，都?xì)w屬于此類。主要包括：打印機(jī)、整理機(jī)、重量選別機(jī)、異物檢測(cè)機(jī)、輸送機(jī)。
2.2 包裝作業(yè)的技術(shù)方法
包裝技術(shù)方法可謂形式多樣，并且不斷有創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，但較常用的發(fā)放概括有以下幾種：
(1)充填：將產(chǎn)品按預(yù)定量充填到包裝容器中。
(2)灌裝：將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)。
(3)裹包：對(duì)塊狀，并有一定剛度的物品進(jìn)行包裝。
(4)裝盒與裝箱：將包裝物放到盒、箱中進(jìn)行包裝的一種方法。
(5)收縮包裝：將產(chǎn)品用熱收縮薄膜裹包后再進(jìn)行加熱，使薄膜收縮后裹緊產(chǎn)品。
(6)拉伸包裝：將薄膜拉伸后包裝產(chǎn)品，利用薄膜的收縮性裹緊產(chǎn)品的包裝方法。
(7)真空和充氣包裝：包裝容器內(nèi)盛裝產(chǎn)品后，抽去容器內(nèi)空氣，達(dá)到預(yù)定真空度并完成封口；抽成真空后，再充入保護(hù)氣體，則為充氣包裝。
(8)泡罩包裝和貼體包裝
(9)熱封：用熱封合的方法封閉包裝容器
(10)粘合劑粘合
(11)加蓋、卷邊接縫
(12)捆扎：直接將單個(gè)或數(shù)個(gè)包裝物用繩、鋼帶、塑料帶等捆緊扎牢以便于運(yùn)輸、保管和裝卸。
(13)貼標(biāo)和打?。涸诋a(chǎn)品或包裝件上加貼或打印標(biāo)簽。
三、系統(tǒng)方案分析及選擇
包裝容器內(nèi)盛裝產(chǎn)品后，抽去容器內(nèi)空氣，達(dá)到預(yù)定真空度并完成封口工序的機(jī)器稱為真空包裝機(jī)。
真空包裝機(jī)主要用于包裝易氧化、霉變或受潮濕變質(zhì)的產(chǎn)品，以延長產(chǎn)品的有效期或防治精密零件或儀器生銹等。
3.1包裝方案分析
真空包裝可采用的方案主要有以下三種：機(jī)械擠壓式、插管式、腔室式。
(1) 機(jī)械擠壓式真空包裝
圖3-1所示為機(jī)械擠壓式真空包裝示意圖。包裝袋填充結(jié)束后，在其兩側(cè)用海綿等彈性物品將袋內(nèi)的空氣排除，然后進(jìn)行封口的包裝方式，稱為機(jī)械擠壓式。這種方法簡單，但真空度低，用于真空度不高的場(chǎng)合。
圖3-1 機(jī)械擠壓式真空包裝示意圖
1-包裝袋 2-被包裝物 3-海綿墊 4-熱封器
(2) 插管式真空包裝
圖3-2所示為插管式真空包裝示意圖。從袋的開口處插入排氣管，開啟閥門，真空泵進(jìn)行抽真空，達(dá)到預(yù)定真空度后進(jìn)行封口的包裝方式稱為插管式真空包裝。這種結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，速度快，但真空度低。
圖3-2 插管式真空包裝示意圖
1、2-閥門 3-海綿墊 4-熱封器 5-包裝袋 6-被包裝物
(3) 腔式真空包裝
腔式可分為單室、雙室和多室等。除填充外，整個(gè)包裝過程均在腔室內(nèi)進(jìn)行。包裝時(shí)，裝有包裝物品的包裝袋放入腔室內(nèi)，合蓋后抽真空，達(dá)到預(yù)定的真空度后，熱密封器將袋口封住。這種方法真空度高，操作簡單。
3.2包裝方案的選擇：
由以上三種真空包裝方式比較，從可靠性和易操作性方面考慮，選擇第三種方案，即腔室真空包裝。
對(duì)于腔室真空包裝方式，其腔室可分為單室、雙室和多室等?？紤]到效率和經(jīng)濟(jì)性兩方面，本設(shè)計(jì)采用的是雙室結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)用四連桿機(jī)構(gòu)將包裝機(jī)做成兩個(gè)下工作室公用一個(gè)上工作室, 且上工作室為平面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上工作室移到左下工作室時(shí), 左下工作室開始工作, 移到右下工作室時(shí), 右下工作室工作。雙室共用一套抽真空系統(tǒng)，可交替工作，一個(gè)真空室抽真空、封口，另一個(gè)真空室可以放置包裝袋，即輔助時(shí)間與抽真空時(shí)間重合，從而提高了生產(chǎn)能力。
3.3 氣路系統(tǒng)方案分析
目前，真空包裝機(jī)的氣路系統(tǒng)主要有以下三種：電磁閥系統(tǒng)、電磁閥壓差系統(tǒng)以及組合壓差閥系統(tǒng)。
(1) 電磁閥系統(tǒng)
電磁閥系統(tǒng)氣路簡圖如圖3-3：
圖3-3 電磁閥系統(tǒng)
該系統(tǒng)是由一系列電磁閥和管道把真空泵和腔室連接起來，通過各電磁閥開關(guān)來達(dá)到吸氣抽氣的目的。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是各部件直接購買即可，連接方便。但是由于連接口較多，所以氣密性不是特別高。
(2) 電磁壓差閥系統(tǒng)
電磁壓差閥系統(tǒng)氣路簡圖如圖3-4：
圖3-4 電磁壓差閥系統(tǒng)
1-真空表 2-電磁閥 3-電磁閥 4-電磁閥 5-電磁閥 6-真空泵 7-壓差閥
該系統(tǒng)是將一個(gè)集成塊式真空系統(tǒng)替代多個(gè)獨(dú)立電磁閥由于不采用大通徑電磁放氣閥簡化了連接機(jī)構(gòu)，增加了可靠性，縮短充氣時(shí)間，但是制造復(fù)雜，成本較高。
(3) 組合壓差閥系統(tǒng)
組合壓差閥系統(tǒng)氣路簡圖如圖3-5：
圖3-5 組合壓差閥系統(tǒng)
該系統(tǒng)有兩個(gè)壓差閥，這兩個(gè)壓差閥組合在一起可以省去兩個(gè)電磁閥，可以更大的縮短充氣時(shí)間，但是制造復(fù)雜，成本高。
3.4 氣路系統(tǒng)方案選擇
由以上三種方案比較，三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：方案一電磁閥系統(tǒng)制造簡單，氣密型不是很高，但能滿足一般要求。方案二電磁壓差閥系統(tǒng)和方案三組合壓差閥系統(tǒng)氣路連接復(fù)雜，不易維修保養(yǎng)。
從制造、使用、維修和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用電磁閥系統(tǒng)。本設(shè)只用兩個(gè)電磁閥控制整個(gè)氣路，簡介實(shí)用，經(jīng)濟(jì)合理。
四、系統(tǒng)功能及工作原理
4.1 系統(tǒng)功能
本四連桿真空包裝機(jī)對(duì)于易氧化變質(zhì)的食品，易氧化生銹的金屬制品，形體蓬松的羽絨及棉麻等都可以進(jìn)行包裝。抽真空的目的是：
①除去空氣中的氧，以防止細(xì)菌繁衍導(dǎo)致食品腐敗，或阻止金屬的氧化生銹；
②便于密封后加熱殺菌，否則空氣膨脹會(huì)使包裝件破裂；
③可以縮小蓬松物體積，便于保存、運(yùn)輸，并節(jié)省費(fèi)用；
④防止食品氧化變質(zhì)。
本四連桿真空包裝機(jī)的每個(gè)工作室都有兩個(gè)密封條，可一次密封一個(gè)較大物體的上下兩個(gè)密封口，也可一次密封兩個(gè)較小物體，具有較好的實(shí)用功能。
4.2 腔室真空包裝原理
腔室真空包裝原理圖如圖4-1：
圖4-1 腔室真空包裝原理圖
1- 真空泵 2、8-閥門 3-腔室
2- 4-包裝袋 5-被包裝物 6-真空表7-熱封器
包裝時(shí)，將裝有包裝物品5的包裝袋4放入腔室3中，合上上蓋后，打開閥門2，真空泵1開始抽真空，一定時(shí)間后，真空表6指示腔室3內(nèi)達(dá)到預(yù)定的真空度后，熱封器7將袋口封住，一定時(shí)間后，閥門8打開，往腔室3內(nèi)充入氣體，打開上蓋，取出密封好的包裝物。
4.3 壓緊器工作原理
壓緊器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2：
圖4-2 壓緊器結(jié)構(gòu)示意圖
1-壓條 2-氣囊 3-真空室蓋 4-導(dǎo)柱 5-彈簧 6-加熱條
如圖所示，氣囊2設(shè)在真空室蓋3上，與真空室隔斷。它與壓條1、導(dǎo)柱4、彈簧5等組成袋口壓緊器。工作時(shí)，氣囊和真空室內(nèi)氣體被抽盡后，加熱條開始加熱，一定時(shí)間后，給氣囊充氣，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)高于真空室內(nèi)壓強(qiáng)，氣囊膨脹壓縮彈簧，則壓條下降，開始封口。封口冷卻后，給真空室和氣囊同時(shí)充氣，氣囊和真空室內(nèi)壓強(qiáng)相等，在彈簧力作用下，壓條上升，離開加熱條，封口結(jié)束。
4.4 氣路系統(tǒng)工作原理
氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-3：
圖4-3 氣路結(jié)構(gòu)示意圖
1-真空泵 2-兩通電磁閥 3-加熱條 4-真空室 5-氣囊
6-壓條 7-導(dǎo)氣管 8-真空表 9-多通氣嘴 10-三通閥
如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)電磁閥、多通氣嘴和橡膠管組成。工作時(shí)，三通電磁閥打開，真空泵開始抽真空，由圖可知，真空泵同時(shí)對(duì)氣囊和真空室抽真空。達(dá)到預(yù)定真空度后，三通電磁閥抽真空通道關(guān)閉，加熱條加熱，達(dá)到封口溫度后，充氣通道打開，給氣囊充氣，壓條下降開始封口，封口完畢，兩通電磁閥打開，給真空室充氣，完成一個(gè)工作循環(huán)，在進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。
五、主要幾何參數(shù)的計(jì)算
在四連桿真空包裝機(jī)設(shè)計(jì)過程中, 包裝機(jī)幾何尺寸的確定是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作。以下通過對(duì)四連桿真空包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)分析, 得到工作室安裝的最優(yōu)位置, 并推導(dǎo)出包裝機(jī)幾何尺寸的計(jì)算公式，由此得出四連桿真空包裝機(jī)的主要尺寸。
5.1 包裝機(jī)特征參數(shù)的確定
真空包裝機(jī)是用來真空密封被包裝物的, 被包裝物的幾何尺寸決定了真空包裝機(jī)的尺寸, 因此, 把真空包裝機(jī)的封口長度即加熱條長度作為其特征參數(shù)。真空包裝機(jī)的特征參數(shù)確定以后, 就要確定包裝機(jī)的其它尺寸。
5.2 四連桿真空包裝機(jī)的工作過程及各變量的含義
四連桿真空包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)示意如圖所示。連桿上端鉸連在上工作室上, 下端鉸連在機(jī)架上, 四連桿真空包裝機(jī)為兩個(gè)下工作室公用一個(gè)上工作室, 且上工作室為平面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上工作室移到左下工作室時(shí), 左下工作室開始工作, 移到右下工作室時(shí), 右下工作室工作。
圖5-1 四連桿真空包裝機(jī)工作示意
1.熱條總成 2.右加熱條總成 3.上工作室
圖中各變量的意義如下:
上工作室內(nèi)部的長×寬×高為；加熱條總成的長×高為；連桿長度為；連桿下鉸鏈點(diǎn)距上工作臺(tái)面的距離為；上鉸鏈點(diǎn)距上工作室下端面的距離為；上工作室壁厚為；當(dāng)上工作室分別在左右工作位置時(shí), 上工作室的左面與右面之間的距離；為上工作室左外緣運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓心；為上工作室右內(nèi)緣運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓心； (-,)為左加熱條總成的右上角；為右加熱條總成的右上角。
5.3 上工作室的最優(yōu)位置的確定
在包裝機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)滿足上工作室的內(nèi)緣不碰加熱條總成和工作室的外緣不碰另一工作室的加熱條總成的條件下, 使包裝機(jī)總長度最小, 從而達(dá)到節(jié)省材料的目的。
上工作室內(nèi)緣與加熱條總成不碰的臨界條件是:
|| = || =
= 4.1
上工作室外緣與加熱條總成不碰的臨界條件是:
|| = || == 4.2
為了使加熱條總成與上工作室內(nèi)緣與外緣的最小間隙相等, 應(yīng)使
|| = || 4.3
把4.1和4.2式代入4.3式, 得到下式:
4.4
在其它尺寸不變的條件下, 討論以下3 種情況:
①當(dāng)時(shí), 則||>||,即要使內(nèi)緣不碰加熱條總成所需要的連桿長度比外緣不碰加熱條總成所需的連桿長度要長, 因?yàn)榘b機(jī)的連桿只有一個(gè), 因此在的情況下逐漸的縮短連桿的長度, 工作室內(nèi)緣先碰加熱條總成。
②當(dāng)時(shí), 則|| < || , 即要使外緣不碰加熱條總成所需要的連桿長度比內(nèi)緣不碰加熱條總成所需的連桿長度要長。
③當(dāng)時(shí), 則|| = || , 即內(nèi)外緣不碰加熱條總成所需要的連桿長度是相同的, 內(nèi)緣碰, 則外緣也碰, 內(nèi)緣不碰, 則外緣也不碰。加熱條總成在內(nèi)緣和外緣的軌跡中心。
通過上述分析, 情況①要滿足內(nèi)緣不碰加熱條總成則需加長連桿。情況②要滿足外緣不碰加熱條總成, 需要增加上工作室的長度。因此①、②都不屬于理想方案, 使下工作室臺(tái)面變長, ③是最優(yōu)方案, 使連桿的長度最短(在加熱條長度一定的情況下) , 下工作室臺(tái)面長度最短。的含義就是當(dāng)上工作室分別在左右工作位置時(shí), 上工作室的左面與右面之間要重疊一部分, 重疊量為上工作室的壁厚。上工作室的擺動(dòng)位置確定了, 則兩加熱條總成的位置也就確定了。
由于上工作室內(nèi)外緣碰加熱條總成的機(jī)會(huì)相同, 因此, 在下面的討論過程中只考慮上工作室內(nèi)緣與加熱條總成的間隙問題。
5.4 被包裝物經(jīng)濟(jì)高度
被包裝物截面為矩形是最易被上工作室碰著的, 現(xiàn)就以此情況進(jìn)行討論。圖中和為尺寸不同但周長相同的被包裝物的包絡(luò)線,為臨界高度的被包裝物截面。被包裝物的高度低于時(shí), 被包裝物的包絡(luò)線在上工作室內(nèi)緣運(yùn)動(dòng)軌跡的下方, 在此范圍內(nèi), 不碰加熱條總成就一定不碰被包裝物, 只需考慮上工作室內(nèi)緣不碰加熱條總成即可。被包裝物超過值時(shí), 被包裝物的包絡(luò)線在上工作室內(nèi)緣運(yùn)動(dòng)軌跡的上方, 只需考慮上工作室內(nèi)緣不碰被包裝物即可, 解決的方法是通過增大上工作室的長度來實(shí)現(xiàn), 使被包裝物截面與真空總截面之比得到降低, 包裝機(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性下降了。除了特別需要, 一般把作為被包裝物的最大高度, 上工作室的深度也不應(yīng)超過此值。因此以后只考慮加熱條總成與上工作室之間間隙, 而不必考慮被包裝物與上工作室的間隙。
5.5 主要參數(shù)的計(jì)算
(1) 連桿長度的計(jì)算
在計(jì)算以前, 應(yīng)先確定連桿的下鉸鏈點(diǎn)離下工作室臺(tái)面的距離和上鉸鏈點(diǎn)距上工作室下端面的距離的值。和的值越小越好, 其中有兩個(gè)方面的原因, 一是和越小,在加熱條長度一定的情況下連桿的長度就越短,節(jié)省材料；另一個(gè)更重要的原因是和越小, 上工作室內(nèi)緣的軌跡在加熱條總成附近的切線與軸之間的夾角就越小, 碰加熱條總成的可能性就越小。由于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的限制,和的值不能太小。
由4.1式和4.4式可得到
=||
= 4.5
式中———加熱條總成與上工作室內(nèi)緣最小間隙
對(duì)于本設(shè)計(jì)選用的加熱條：加熱條總長，加熱條高度，在本設(shè)計(jì)中，上工作室壁厚，連桿下鉸鏈點(diǎn)距上工作臺(tái)面的距離，上鉸鏈點(diǎn)距上工作室下端面的距離。代入4.5式得：
=
=
=318mm
取，則
319mm
(2) 上工作室內(nèi)部長度的計(jì)算
當(dāng)上工作室工作于右端時(shí), 連桿構(gòu)成一直角形, 滿足以下方程
求解方程得到
= 4.6
代入上面求得的數(shù)據(jù)得上工作室內(nèi)部總長為
=
=
=564mm
(3) 最大包裝高度和上工作室深度的計(jì)算
被包裝物的尺寸(長×寬) =
被包裝物的封口長度為被包裝物周長的一半, 即。加熱條封口長度應(yīng)大于等于被包裝物的封口長度,臨界情況為
4.7
的坐標(biāo)為,的斜率為- 2, 方程為
4.8
上工作室在右端工作時(shí), 上工作室右內(nèi)緣坐標(biāo)為
上工作室右內(nèi)緣運(yùn)動(dòng)的軌跡方程為:
4.9
聯(lián)立4.8式和4.9式, 得到如下方程
求解此方程,即為最大被包裝物高度, 用表示, 上工作室的深度應(yīng)小于。
將已知數(shù)據(jù)代入4.9式得：
解的：90.8或-65.2(舍去)
則=90.8mm,那么上工作室深度應(yīng)小于這個(gè)數(shù)值。
本設(shè)計(jì)取上工作室深度為86mm<90.8mm，滿足要求。
至此四連桿真空包裝機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)確定, 依據(jù)幾何關(guān)系, 很容易計(jì)算其它相關(guān)尺寸。
5.6 結(jié)論
① 四連桿包裝機(jī)上工作室在左右工作時(shí), 應(yīng)重疊一個(gè)壁厚。
② 被包裝物在經(jīng)濟(jì)高度內(nèi), 上工作室不碰加熱條總成就一定不碰被包裝物。
③ 推導(dǎo)出連桿長度、上工作室內(nèi)部長度和上工作室深度等關(guān)鍵尺寸的計(jì)算公式。
六、系統(tǒng)工作參數(shù)的計(jì)算
6.1抽氣時(shí)間的計(jì)算
與真空包裝機(jī)配套的泵是容積式旋片泵。對(duì)一定體積的容器進(jìn)行抽氣，容積壓強(qiáng)隨時(shí)間變化是按指數(shù)規(guī)律下降：
設(shè)被抽真空室體積為V，泵的抽速為S，根據(jù)抽速定義經(jīng)過dt后抽除氣體量為，而容積內(nèi)的壓強(qiáng)變化為，抽除氣體量為，顯然這兩個(gè)氣體量應(yīng)相等，建立微分方程：
圖6-1 壓強(qiáng)隨抽氣時(shí)間變化規(guī)律
初始條件：
代入上式理想狀態(tài)抽氣時(shí)間與真空度成幾何規(guī)律變化：
考慮真空系統(tǒng)泄露，則：
6.1
式中 ——抽真空達(dá)到的最低壓強(qiáng)(Pa)
——真空室容積(L)
——真空泵抽速(L/s)
——修正系數(shù)，考慮真空系統(tǒng)泄露引入
由上一章計(jì)算可知，真空室的長×寬×高為564mm524mm86mm,則：
=56452486
=25416096
=25.4L
本設(shè)計(jì)采用抽速10L/s的旋片式真空泵, 在包裝過程中令真空室的真空度達(dá)-0.1Mpa,修正系數(shù)為1.4，帶入6.1式得：
=
3s
6.2 真空室放氣時(shí)間的計(jì)算
真空放氣時(shí)間的計(jì)算，即時(shí)間與氣口直徑的關(guān)系。
放氣現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是一種分子運(yùn)輸現(xiàn)象，放氣時(shí)間與擴(kuò)散管道直徑成反比，與真空室容積成正比：
其中 V——真空室容積(L)
d——管道直徑(mm)
t——放氣時(shí)間(s)
K——擴(kuò)散系數(shù)，K系數(shù)與擴(kuò)散管道長度和溫度有關(guān)系，在常溫20?C管道長度等于400mm條件下，通過氣態(tài)擴(kuò)散微分方程求得
因而 6.2
本設(shè)計(jì)的放氣管道直徑d=16mm,由6.2得=25.4L,帶入6.2式得：
=
1s
6.3 工作效率的計(jì)算
真空包裝的過程控制，實(shí)際上是一連串工序通過時(shí)間調(diào)控而實(shí)現(xiàn)的, 其效率受到各工序時(shí)間的影響, 其單位時(shí)間工作循環(huán)計(jì)算公式為:
6.3
式中：——工作循環(huán)(1/min)；
——合蓋時(shí)間(s)；
——抽真空時(shí)間(s)；
——熱封時(shí)間(s),一般取1～3s；
——冷卻時(shí)間(s),—般取2～3s；
——放氣時(shí)間(s)；
——開蓋時(shí)間(s)；
——輔助時(shí)間(s)。
合蓋時(shí)間和開蓋時(shí)間,受操作者的速度影響。一般設(shè)定為3～4s。
熱封時(shí)間與包裝材料有關(guān),而且應(yīng)配合不同的熱封溫度來選擇, 通過改變熱封電壓可改變熱封溫度, 因此, 應(yīng)根據(jù)不同的包裝材料選擇不同的熱封電壓以及熱封時(shí)間。
冷卻時(shí)間的選擇應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫度、時(shí)間過長影響包裝效率,過短則影響封口質(zhì)量。
輔助時(shí)間主要是人工放置及取出包裝物的時(shí)間。
七、總結(jié)
本課題主要是對(duì)真空包裝機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該包裝機(jī)為四連桿雙室真空包裝機(jī)，兩個(gè)下工作室公用一個(gè)上工作室，減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)能力。
本次設(shè)計(jì)主要完成的工作是：對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行分析論證，選擇合適設(shè)計(jì)方案。為后面的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。對(duì)連桿，真空室等主要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋找出最優(yōu)尺寸，作出包裝機(jī)的裝配圖和零件圖。
本學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了不少東西，在機(jī)械設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面得到很大提高。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對(duì)包裝機(jī)械有了一定的了解，并且閱讀了一些有關(guān)設(shè)計(jì)的資料。但是由于時(shí)間有限，對(duì)包裝機(jī)控制系統(tǒng)方面沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)，還須進(jìn)一步完善。
八、致謝
本文是在導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)下完成的。在大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)期間， XXX老師在學(xué)習(xí)、研究和生活方面都給了我精心的指導(dǎo)和莫大的幫助。XXX老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、為人師表的品格、孜孜不倦的進(jìn)取精神和富于創(chuàng)新的科學(xué)精神，一直感染并激勵(lì)著我，給我留下了深刻印象，并將使我終身受益。導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上的教誨將是學(xué)生一生的精神財(cái)富，在生活上的關(guān)懷學(xué)生將畢生難忘。值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)熤乱哉\摯和深切的謝意！
在半年多的學(xué)習(xí)研究生活，曾得到許多老師和同學(xué)的幫助，在此不勝感激。特別要感謝的是同組XXX等同學(xué)，在畢業(yè)課題的進(jìn)行當(dāng)中，他們自始至終在學(xué)習(xí)上和生活上都給予本人熱情的幫助，非常欽佩其忘我的工作精神和樂于助人的優(yōu)秀品格，在此表示衷心的感謝。 還要感謝同學(xué)XXX同學(xué)在試驗(yàn)裝置的研制方面給予的大量幫助和建議，在試驗(yàn)及論文撰寫方面也給予了很大的幫助，在此一并表示謝意！
謹(jǐn)向所有給予關(guān)心和幫助的同學(xué)和老師表示衷心感謝！
最后，要感謝評(píng)閱、評(píng)議論文和出席論文答辯會(huì)的各位專家學(xué)者，感謝他們?cè)诎倜χ薪o予的指導(dǎo)和建議。
九、時(shí)間安排
1—2周 查找資料（收集國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，制定課題研究內(nèi)容）
3—4周 翻譯資料，學(xué)習(xí)電子圖板的使用
5—15周 系統(tǒng)方案分析及選擇，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行計(jì)算，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及零件圖。
16—17周 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯
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