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三角包裝袋形式的液體立式成型－充填－封口包裝機設計
成型－充填－封口包裝機是能夠完成包裝容器的成型，充填，封口的機器。按其功能可以分為袋成型－充填－封口包裝機和熱成型－充填－封口包裝機兩大類型。其中立式袋成型―充填―封口包裝機是包裝機械中應用最廣泛，批量最大的機型之一，其特點是被包裝材料的供料筒設置在制袋器內(nèi)側(cè)，制袋與充填物料由上到下沿豎直方向進行。該成型機器主要由計量裝置，傳動系統(tǒng)，橫封和縱封裝置，成型器，充填管及薄膜牽拉供送機構(gòu)等部件組成。本次設計的包裝機為三角包裝袋形式的液體立式成型－充填－封口包裝機，選用翻領(lǐng)式成型器，機械無級調(diào)速裝置，高頻加熱式橫封器，縱封牽拉滾輪通過傳動，執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)包裝機的包裝參數(shù)要求。
關(guān)鍵詞：包裝機，計量裝置，成型器，機械無級調(diào)速裝置
Title The Design of Triangular Form of Liquid Packaging
Bags Vertical Shaped-filling-sealing Packaging Machine
Abstract
Shaped-filling-sealing packaging machine is a machine which can model，fill，seal of the packing container。It can be divided into
two types by the function ,including bag modeling packing machine and hot modeling packing machine. The upright sack modeling― filling― sealing packing machine is the most applicative type. The character of this type of packing machine is as following .The material canister is in the bag making ware ，and bag making and atling is completed from top to bottom . This machine is mostly composed of metering device，transmission agent，crosswise and vertical envelop device，former，stowing pipe and film hauling and pulling feed deliver mechanism. The packing machine designed now is upright sack modeling― filling― sealing packing machine for paper cornucopia bag . In this machine ,there is lapel type former，mechanism infinite speed variation device，dielectric heating crosswise enveloping ware and the truck of vertical enveloping.
keywords packaging machine ,metering device, former, infinite speed variation
目 錄
引言 1
1 成型－充填－封口包裝機概述 2
1.1 成型－充填－封口包裝機的發(fā)展概況 2
1.2 成型－充填－封口包裝機的分類及特點 2
2 袋成型－充填－封口包裝機 3
2.1 分類及組成 3
2.2 立式袋成型－充填－封口包裝機 3
3 立式袋成型－充填－封口包裝機典型部件設計 4
3.1 三角袋成型器的設計 4
3.2 機械無級調(diào)速裝置 9
3.3 高頻加熱式橫封器 10
3.4 縱封牽拉滾輪 10
3.5 總體布局圖 12
4 設計數(shù)據(jù)計算 12
4.1 確定主軸轉(zhuǎn)速 14
4.2 軸的設計 14
4.3 選擇電動機 16
4.4 蝸輪減速器的設計 17
4.5 錐齒輪的設計 21
4.6 V帶設計 24
4.7 雙聯(lián)滑移齒輪設計 26
畢業(yè)設計總結(jié) 30
致 謝 31
參考文獻 32
附 錄 33
- III -
本科畢業(yè)設計說明書
引言
包裝機械根據(jù)包裝物與包裝材料的供給方式，可分為全自動包裝機械及半自動包裝機械；按包裝物的使用范圍劃分，還可分為通用包裝機、兼用包裝機及專用包裝機；依包裝種類可分為內(nèi)包裝機及外包裝機等。近幾年來我國的包裝機械雖然發(fā)展很快，產(chǎn)品水平也上升到了新臺階，開始顯現(xiàn)規(guī)?；⒊商谆?、自動化的趨勢，傳動復雜、技術(shù)含量高的設備開始出現(xiàn)。但是與國外產(chǎn)品相比仍然存在很大的技術(shù)差距。我國現(xiàn)有的一些包裝機械產(chǎn)品技術(shù)含量不高，而國外已將很多先進技術(shù)應用在包裝機械上，如遠距離遙控技術(shù)(包括監(jiān)控)、步進電機技術(shù)、自動柔性補償技術(shù)、激光切割技術(shù)、信息處理技術(shù)等。國內(nèi)大多以生產(chǎn)單機為主，而國外大多為成套生產(chǎn)線，很少單機銷售。我國的食品和包裝機械單機多、成套少，通用機型多、滿足特殊要求、特殊物料的設備少;技術(shù)含量低的多，高技術(shù)附加值、高生產(chǎn)率的產(chǎn)品少；智能化設備還處于研制階段。我國食品和包裝機械產(chǎn)品的質(zhì)量差距主要表現(xiàn)在穩(wěn)定性和可靠性差、造型落后，外觀粗糙、基礎(chǔ)件和配套件壽命短、無故障運行時間短、大修周期短，且絕大多數(shù)產(chǎn)品還沒有制定可靠性標準。同時我國食品和包裝機械主要還是仿制、測繪，稍加國產(chǎn)化改進，很少有自行研究開發(fā)的。目前國內(nèi)的科研、開發(fā)投人較少。我們的開發(fā)手段落后，現(xiàn)在好一點的企業(yè)開展了“甩圖版工程”，但真正使用CAD的還很少。產(chǎn)品開發(fā)缺少創(chuàng)新，難上水平。生產(chǎn)手段落后，大部分還是用陳舊的通用設備加工。新產(chǎn)品開發(fā)不但數(shù)量少，而且開發(fā)周期長。在企業(yè)管理上，往往重生產(chǎn)加工、輕研究開發(fā)、創(chuàng)新不夠，不能緊跟市場需求及時提供產(chǎn)品。 現(xiàn)在隨著人們膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和飲食習慣的改變，促進了食品加工業(yè)的快速發(fā)展，增加了對高品質(zhì)的包裝機械和食品加工機械的需求。所以現(xiàn)代包裝機設計應該滿足“綠色設計”，即人性化設計的要求。它是面向質(zhì)量設計、裝配設計、制造設計、維修設計、可靠性設計的綜合設計。包裝機械的設計要考慮到可靠性、安全性、環(huán)保性、低噪音等各方面的因素。充分體現(xiàn)原理優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造優(yōu)化、造型優(yōu)化。按包裝機械的工作原理與結(jié)構(gòu)性能通常將包裝機械分成八個組成要素：
Ⅰ，被包裝物品的計量與供送系統(tǒng)；該系統(tǒng)是指將被包裝物品進行計量，整理，排列，并輸送至預定工位的裝置系統(tǒng)。有的還完成被包裝物品的成型和分割。
Ⅱ，包裝材料的整理與供送系統(tǒng)；該系統(tǒng)是指將包裝材料進行定長切斷或整理排列，并逐個輸送至預定工位的裝置系統(tǒng)。
Ⅲ，主傳送系統(tǒng)；該系統(tǒng)是指將被包裝物品和包裝材料由一個包裝工位順次傳送到下一個包裝工位的裝置系統(tǒng)。
Ⅳ，包裝執(zhí)行機構(gòu)；
Ⅴ，成品輸出機構(gòu)。
Ⅵ，動力機與傳動系統(tǒng)；該系統(tǒng)是指將動力機的動力與運動傳遞給執(zhí)行機構(gòu)和控制元件，使之實現(xiàn)預定動作的裝置系統(tǒng)。
Ⅶ，控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)由各種自動和手動控制裝置組成，是現(xiàn)代包裝機械的重要組成部分，包括包裝過程及其參數(shù)的控制，包裝質(zhì)量，故障與安全的控制等。
Ⅷ，機身；機身用于支撐和固定有關(guān)零部件，保持其工作時要求的相對位置，并起一定的保護和美化外觀等作用。本次包裝機械的畢業(yè)設計涉及到大學期間所學的機械原理，機械設計，機械系統(tǒng)設計，機電傳動控制，測試與傳感等多門課程。作為大學四年的最后一次大型的綜合性設計它會提升我們綜合運用所學知識，融合各個學科，交叉運用各個學科知識的能力，很好的培養(yǎng)了我們的研究能力，設計能力和動手能力，認真完成本次的畢業(yè)設計可以為我們將來的學習和工作打下良好的基礎(chǔ)。
三角包裝袋形式的液體立式成型－充填－封口包裝機設計
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1 成型－充填－封口包裝機概述
1.1 成型－充填－封口包裝機的發(fā)展概況
成型－充填－封口包裝機是能夠完成包裝容器的成型，充填，封口的機器。我國的成型－充填－封口包裝機起步較晚，80年代以前只能生產(chǎn)幾個品種，且水平很低。自70年代末，80年代初起，由于我國改革開放，經(jīng)濟飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對包裝產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的需求不斷增加。這種市場需求的刺激，加上國家和政府主管部門的重視，政策引導和積極扶持，使成型－充填－封口包裝機的研究，設計和制造得到迅速的發(fā)展。機電一體化和微機控制也為研發(fā)成型－充填－封口包裝機提供了廣闊的前景。
1.2 成型－充填－封口包裝機的分類及特點
成型－充填－封口包裝機按其功能可以分為袋成型－充填－封口包裝機和熱成型－充填－封口包裝機兩大類型。
1 袋成型－充填－封口包裝機 袋成型－充填－封口包裝機是將卷筒狀的撓性包裝材料制成袋筒，充入物料后，進行封口，三個功能自動連續(xù)完成的機器。袋成型－充填－封口包裝機應用廣泛，可包裝液體，糊狀物料，也可以包裝顆粒和固體物料。包裝袋的形式有枕形袋，三封袋，四封袋，磚形袋，屋形袋，角形自立袋等多種類型。
2 熱成型－充填－封口包裝機 熱成型－充填－封口包裝機是在加熱的條件下，對熱塑性的片狀包裝材料進行深沖形成包裝容器，然后進行充填和封口的機器。該機器一般使用兩層卷料，一層是“成型”卷料，另一層是“蓋封”卷料?！俺尚汀本砹辖?jīng)過加熱成型制成包裝容器，由工人或自動充填裝置填料后，再將“蓋封”覆蓋在容器上，用加熱的方式與容器四周凸面密封，再由沖裁裝置沖裁成單個的包裝盒。
2 袋成型－充填－封口包裝機
2.1 分類及組成
袋成型－充填－封口包裝機常用于包裝塊狀，片狀，粒狀，梗枝狀，粉狀以及流體和半流體物料。其特點是直接用卷筒狀的熱封包裝材料，自動完成制袋，計量和充填，排氣或充氣，封口和切斷等多種功能。熱封包裝材料主要有各種塑料薄膜以及由紙，塑料，鋁箔等制成的復合材料，它們具有防濕阻氣，易于熱封和印刷，質(zhì)輕柔，價廉，易于攜帶和開啟等優(yōu)點。根據(jù)制袋與充填物料的方向不同，袋成型－充填－封口包裝機一般分為立式和臥式兩種類型。
2.2 立式袋成型－充填－封口包裝機
立式袋成型―充填―封口包裝機是包裝機械中應用最廣泛，批量最大的機型之一，其特點是被包裝材料的供料筒設置在制袋器內(nèi)側(cè)，制袋與充填物料由上到下沿豎直方向進行。該成型機器主要由計量裝置，傳動系統(tǒng)，橫封和縱封裝置，成型器，充填管及薄膜牽拉供送機構(gòu)等部件組成。其工作原理（如圖1所示）為：放置在支承裝置上的卷筒薄膜1，繞經(jīng)導輥組2，張緊裝置3，通過成型器4卷成薄膜圓筒裹包在充填管5的表面。先用縱向熱封器6對卷成圓筒的接口部位薄膜進行縱向熱封，得到密封管筒，然后筒狀薄膜移動到橫封器7處進行橫封，構(gòu)成包裝袋筒。計量裝置（圖中未畫出）把量好的物料，通過上部的充填管5充填到包裝袋內(nèi)，再由橫向熱封器7熱封并在中間切斷，形成包裝袋單元體，同時形成下一個筒袋的底部封口。
圖1 立式袋成型－充填－封口包裝機工作原理圖
1－卷筒薄膜；2－導輥組；3－張緊裝置；4－成型器；5－充填管；6－縱向熱封器；7－橫向熱封器
3 立式袋成型－充填－封口包裝機典型部件設計
3.1 三角袋成型器的設計
三角袋立式成型－充填－封口包裝機的三角袋有四個側(cè)面，外形象粽子，常用于包裝小份量的咖啡，牛奶，袋乳品，蜂蜜，糖漿，果汁或者其他類似的產(chǎn)品。因這種袋開口后還須保持原形而依然挺立，所以應該采用金屬或其他較厚的材料制成。翻領(lǐng)式成型器由外表為領(lǐng)狀而內(nèi)表面為圓形的內(nèi)外工作曲面組合而成，平張薄膜沿著翻領(lǐng)外表面翻折并沿著管子內(nèi)壁下降。當其強制通過該成型器后，其縱縫就互相搭接或者對接而形成筒狀，成型時運動阻力較大，容易造成拉伸等塑性變形，故對單層塑料薄膜的適應性較差，而適用于金屬膜或者其他較厚的材料。這種成型器廣泛的應用于立式充填封口機上，該設計中的袋寬尺寸通過更換成型器來實現(xiàn)。
薄膜在通過該成型器的時候應該力求不產(chǎn)生縱向與橫向拉伸變形，使成袋的外形平整美觀，符合制袋要求。因此，在設計翻領(lǐng)式成型器的時候，不但要考慮形狀和尺寸，更主要的在于確定其領(lǐng)口交接曲線，該設計中選用圓形加料管翻領(lǐng)式成型器。
圖2 圓形料管翻領(lǐng)式成型器的幾何圖形及參數(shù)關(guān)系圖
如上圖2，圓形料管翻領(lǐng)式成型器的幾何圖形及參數(shù)關(guān)系圖，為推導方便，取直角坐標，設料管的中心線為Oz軸，它同平面的相貫線是以r為半徑的一個圓。平張薄膜經(jīng)過導輥引至成型器未折彎以前要求與ABC共面，則構(gòu)成等腰三角形，且與平面的夾角為，顯然D是AB直線的中點，,則ACS與BCS對呈對稱曲面，SCS即為翻領(lǐng)式成型器的交接曲線。S是該曲線的最低點，位于x軸上，c為最高點，在平面上的投影點是N，也位于x軸上。
若將AC任意延長至T點，依次作，，，由此得知，均為直角，且與共面，與共面。在領(lǐng)口交接線上任取一點P，連PT，令，，P點在平面上的投影為Q點，令，。為求PQ與u的函數(shù)關(guān)系，又令，，并寫出P點的坐標：，，，同理可以寫出T點的坐標：，，，進而求得：
代入以上各坐標值則得：
通過解析作圖法求解，得到交接曲線上任意點P的軌跡方程：
設計中如果能首先確定袋子的凈寬b，料管半徑r，翻領(lǐng)三角平面的后傾角及其半頂角，領(lǐng)口交接曲線的最大高度h，則可以求得e值。再利用公式（1－1）計算出與每一段弧長u對應的在交接曲線上各點高度，便不難連成交接曲線（scs為成型器的領(lǐng)口交接曲線）
確定各參數(shù)必須滿足包裝工藝的要求：
①圓形料管的半徑。
由于袋筒的內(nèi)表面與料管的外表面近似直接觸，故取
②翻領(lǐng)三角平面的后傾角
翻領(lǐng)三角平面的后傾角與三角板成型器的安裝角相似，角越大則薄膜通過成型器的阻力越大，而結(jié)構(gòu)尺寸卻趨于減小，這樣包裝機的總體尺寸就顯得更加緊湊。生產(chǎn)實踐表明，翻領(lǐng)式成型器后傾角的可取范圍較寬，即，此設計中取。
③翻領(lǐng)三角平面的尺寸
由圖可知，三角平面ABC是將平張薄膜從導輥牽至成型器最高點C，在開始折彎成型之前用來引導和承載包裝材料的，其形狀尺寸應該由底AB=2b，高DC＝ (或者頂角)來決定。如前所述值與袋子尺寸有關(guān)，至于值的大小實際上反映了引導面的大小，若值太小不僅起不了引導與承載的作用，而且會使薄膜在交接曲線附近的運動阻力過大，容易引起拉伸變形。反之，若太大又會導致成型器結(jié)構(gòu)不夠緊湊，并增加了薄膜與成型器表面之間的摩擦。設計中可取，則；設計時為使領(lǐng)口交接曲線比較精確，對來說在范圍內(nèi)一般不應少于八個計算點，而在之間因曲線對稱，無需重復計算。
④領(lǐng)口交接線的最大高度。
由于領(lǐng)口交接線是一條空間曲線，因此對于某一特定的, 和而言，由式（1－2）可見，其領(lǐng)口交接線的最大高度與線段的長度有關(guān)。當值由變化時，則由某一高度值逐漸趨小，直至減為；當值取得較大時，較小，成型器較矮，薄膜在成型時變形急劇，阻力增大，不利于制袋。當值取得較小時，較大，成型器較高，雖然薄膜成型時變形和阻力較小但是結(jié)構(gòu)不緊湊，而且導致加料管懸臂增長，受力情況變差，對制造與使用都會帶來困難。當時，的變化已經(jīng)極為緩慢，所以可以取。將（1－2）代入上述不等式中，得到：；（1－3）為了不使成型器尺寸過大，通常值在計算值附近取整數(shù)。
翻領(lǐng)成型器的參數(shù)計算：
設計參數(shù)：制袋尺寸：長120－180mm，寬100－150mm；后傾角。袋寬取100mm進行計算，其他袋寬尺寸的算法與此相同。
⑴確定圓形料管的半徑r
由式31.83mm
⑵確定三角平面的頂角及領(lǐng)口交接曲線的最大高度
取翻領(lǐng)成型器的引導面長與領(lǐng)口交接曲線的最到高度相等，則，再運用式（1－3）求交接曲線的最大高度的計算值化簡得：
解得：；故取
⑶確定領(lǐng)口交接曲線的軌跡點：
由式（1－2）代入得：
若沿著料管的半周長分成10等分，并分別將u值代入下列曲線高的計算式： 經(jīng)計算得出下表所示值：
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
109.26
106.73
101.97
94.69
84.72
72.07
56.91
39.54
20.40
0
3.2 機械無級調(diào)速裝置
圖3 無級調(diào)速裝置
1－螺母；2－v形帶；3－鍵；4－彈性定位套；5－分離錐盤；6－可動分離錐盤；7－調(diào)節(jié)螺母；8－調(diào)節(jié)螺桿；9－手輪；10－鎖緊螺母
本機采用機械式無級調(diào)速裝置，根據(jù)實際需要包裝速度可以在15－20袋/min范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，圖3所示為無級調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)圖。分離錐盤5是不動的，由輸出軸通過彈性定位套4加以固定，當需要變速時，首先松開鎖緊螺母10，轉(zhuǎn)動手輪9，調(diào)節(jié)螺桿8轉(zhuǎn)動時，帶動調(diào)節(jié)螺母7軸向移動，分離錐盤6也軸向移動，使三角膠帶沿徑向外移或內(nèi)嵌。因而改變輸入與輸出輪的作用半徑，達到無級調(diào)速的要求。機械無級調(diào)速機構(gòu)的類型很多，但多數(shù)是利用摩擦傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，由于其結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，噪聲小，使用維修方便，效率高，所以在各類機械中得到了廣泛的應用。但由于摩擦副元件的彈性滑動，存在速度損失，所以不能用于要求調(diào)速精度高的場合。該設計采用寬V帶式機械無級調(diào)速裝置，其傳動比范圍為2－4。
3.3 高頻加熱式橫封器
圖4 高頻加熱式橫封器
1，3 封合電極 2，彈性夾板 4，加熱切刀
上圖4所示為高頻加熱式橫封器的截面圖。它左右兩只電極，即封合電極。其間通入高頻電流進行加熱。在電極兩外側(cè)各配置一對彈性夾板，以利于減少電極合攏時的剛性沖擊和對封口縫的拉力。電極表面膠粘著環(huán)氧板及聚四氟乙烯編織物作為耐熱，絕緣，防粘材料，與薄膜偶爾被熱穿時可以防止高頻加熱切刀與封合電極直接接觸而產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象。這種高頻加熱式橫封器兼有橫封和切斷的功能。
3.4 縱封牽拉滾輪
該立式包裝機的縱封牽拉滾輪選用熱輥加壓封合，如圖5所示，將一對或其中一個相向等速回轉(zhuǎn)的輥筒1加熱，使連續(xù)通過其間的薄膜2受壓封合，因為三角袋立式包裝機袋用材料較厚，所以易采用這種熱封加壓封合方法。這組縱封牽拉滾輪兼有縱封和牽拉薄膜的功能。該設計中縱封滾輪的轉(zhuǎn)動是通過一對錐齒輪傳動從主軸上得到。
圖5 熱輥加熱封合
1－輥筒；2－薄膜；3－封縫
3.5 總體布局圖
1，料斗 2，閥開度調(diào)節(jié)器 3，翻領(lǐng)式成型器 4，錐齒輪 5，雙聯(lián)滑移齒輪 6，二軸 7，凸輪 8，主軸 9，蝸輪減速器 10，無級調(diào)速裝置 11，電動機
4 設計數(shù)據(jù)計算
設計參數(shù) 制袋尺寸：長120－180mm，寬100－150mm
計量范圍：150－550ml
包裝速度：15－20袋/min
見主傳動示意圖6，設電動機的轉(zhuǎn)速為，無級調(diào)速裝置輸出軸的轉(zhuǎn)速為，主軸的轉(zhuǎn)速為，二軸的轉(zhuǎn)速為，帶動縱封滾輪轉(zhuǎn)動的軸的轉(zhuǎn)速為，無級調(diào)速裝置的傳動比為，蝸輪減速器的傳動比為，主軸與二軸之間齒輪的傳動比為。其中：；；；；為兩橫封凸輪之間的間隔時間，（；為兩凸輪之間的夾角，該設計中，即）
故
縱封滾輪的角速度；
線速度（為縱封滾輪的半徑）
包裝袋的袋長
由上式可以看出：包裝袋的袋長取決于和，縱封滾輪的半徑 在設計的過程中是個定值，所以要想改變包裝袋的袋長尺寸必須改變傳動比。該設計采用一對雙聯(lián)滑移齒輪來改變的值。
袋長取120和180兩種尺寸規(guī)格進行計算，縱封滾輪的半徑取定值，則
當時，
當時，
4.1 確定主軸轉(zhuǎn)速
該包裝機時采用縱封滾輪實現(xiàn)連續(xù)牽拉和縱封，采用兩組相互垂直的橫封裝置連續(xù)工作實現(xiàn)對包裝袋的橫封和切斷，所以包裝機工作的時候其包裝速度取決于兩垂直橫封器之間的間隔時間，間隔時間越長每分鐘包裝的袋子就越少，正因為這樣我們可以知道橫封器的間隔時間又與主軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，主軸轉(zhuǎn)速越高，兩垂直橫封器之間的間隔時間就越短。由設計參數(shù)我們知道該包裝機的包裝速度為15－20袋/min，即橫封器的間隔時間為3－4s/袋。主軸旋轉(zhuǎn)一周包裝機完成兩次包裝，所以主軸的轉(zhuǎn)速為7.5－10r/min
4.2 軸的設計
軸是機器中的重要零件之一，主要用來支承旋轉(zhuǎn)的機械零件（如齒輪，蝸輪，帶輪，鏈輪和聯(lián)軸器等），并且傳遞動力及運動。根據(jù)承受載荷的不同，軸可以分為轉(zhuǎn)軸，心軸和傳動軸三種。工作中既要承受彎矩又要承受扭矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸，如齒輪減速器中的軸；只承受彎矩而不承受扭矩的軸稱為心軸，心軸又分為轉(zhuǎn)動心軸和固定心軸兩種；只承受扭矩而不承受彎矩的軸稱為傳動軸。按軸線的形狀不同，軸還可以分為直軸和曲軸。
軸通過軸承與機架相聯(lián)接，裝在軸上的零件都圍繞軸心線回轉(zhuǎn)運動，形成了一個以軸為基礎(chǔ)的軸系部件。因此，在軸的設計過程中，不能只考慮軸本身，還必須計及軸系零部件對軸的影響，軸的設計主要解決軸的結(jié)構(gòu)設計和工作能力計算兩方面的問題。
軸的結(jié)構(gòu)設計是根據(jù)軸上的零件的安裝，定位以及軸的制造工藝等方面的要求。合理的確定軸的各部分形狀和結(jié)構(gòu)尺寸，軸的結(jié)構(gòu)設計不合理將會影響軸的工作能力和軸上零件的可靠性，造成軸上零件裝配困難等。
軸的工作能力的計算指的是軸的強度，剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算，多數(shù)情況下軸的工作能力的計算主要取決于軸的強度，這時只需要對軸進行強度計算，防止軸斷裂或塑性變形，對剛度要求較高的軸和受力大的細長軸，還應該進行剛度計算，防止軸工作的時候產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的軸還應改進行振動穩(wěn)定性的計算，防止軸因發(fā)生共振而破壞。
軸的結(jié)構(gòu)設計包括決定軸的合理結(jié)構(gòu)和全部結(jié)構(gòu)尺寸。在進行軸的結(jié)構(gòu)設計時，一般應已知：裝配簡圖，軸的轉(zhuǎn)速，傳遞的功率，軸上零件的主要參數(shù)和尺寸等。軸的設計應該以強度計算為基礎(chǔ)，但在軸的結(jié)構(gòu)設計前，不知道支反力的作用點，因而不能按彎扭合成的強度條件確定軸的直徑，通常按扭轉(zhuǎn)強度初步估算出軸端直徑，如果該軸端需要開鍵槽，應該將此軸徑圓整成標準值并作為軸端最小直徑，在此基礎(chǔ)上再合理地定出軸的結(jié)構(gòu)形狀以及相關(guān)配置的結(jié)構(gòu)。軸的合理外形應該滿足：軸和裝在軸上的零件定位準確，便于裝拆和調(diào)整，軸應該具有良好的制造和裝配工藝性。
軸的設計的目的，是要確定軸的形狀和全部結(jié)構(gòu)尺寸，軸徑一般按許用扭轉(zhuǎn)剪應力的計算方法估算，估算公式為，該設計中軸的材料選用的是45號鋼，故式中值為： ；初估軸徑作為軸的最小直徑，若該軸段有鍵槽，應該增大3％，并圓整為標準尺寸。下面是根據(jù)設計要求建立的二軸三維模型：
圖6 主傳動示意圖
1－錐齒輪；2－凸輪；3－蝸輪減速器；4－縱封滾輪
4.3 選擇電動機
電動機一般由專業(yè)工廠按標準系列成批大量生產(chǎn)，在機械設計中應該根據(jù)工作載荷，工作要求，工作環(huán)境，安裝要求及尺寸，重量有無特殊限制等條件從產(chǎn)品目錄中選擇電動機的類型和結(jié)構(gòu)型式，容量和轉(zhuǎn)速，并確定其具體的型號。生產(chǎn)單位一般采用三相交流電源，如果沒有特殊要求通常采用Y系列三相交流異步電動機。電動機的容量主要根據(jù)運行時發(fā)熱條件決定，額定功率是連續(xù)運轉(zhuǎn)下電動機的發(fā)熱不超過許用溫度的最大功率，滿載轉(zhuǎn)速是指負荷相當于額定功率時的電機轉(zhuǎn)速，同一類型的電動機按額定功率和轉(zhuǎn)速的不同具有一定的型號，對于長期連續(xù)運行的機械，要求所選的電動機的額定功率應該大于等于電動機所需要的功率，通常不必校驗發(fā)熱和啟動力矩。電動機工作要求的功率Pw應該由機器工作阻力和運動參數(shù)計算求得，設計過程中按進行計算，該包裝機的主軸轉(zhuǎn)速為7.5－10r/min。通過上式可以知道所需電動機的非常小，根據(jù)設計資料選取Y90S－6三相異步交流電動機，其額定功率為0.75KW，滿載轉(zhuǎn)速為910r/min。
4.4 蝸輪減速器的設計
因為所選的電動機的滿載轉(zhuǎn)速為910 r/min，而主軸的轉(zhuǎn)速為7.5－10r/min，調(diào)速范圍很大，所以選擇傳動比比較大的蝸桿傳動實現(xiàn)調(diào)速。電動機輸出軸與無級調(diào)速裝置相聯(lián)，選用寬V帶無級調(diào)速裝置，其傳動比為2－4。蝸桿傳動的單級傳動比為10－40，選取傳動比為40進行計算。則此時無級調(diào)速裝置的傳動比為2.3－3.0，在所選取的無級調(diào)速裝置的傳動比范圍之內(nèi)，所以滿足要求。
電動機驅(qū)動，電動機的型號為Y90S－6，額定功率為0.75KW，滿載轉(zhuǎn)速為910r/min。則蝸桿軸輸入功率＝＝0.71 KW；蝸輪軸的轉(zhuǎn)速為10 r/min，載荷平穩(wěn)，單向連續(xù)運轉(zhuǎn)，預期使用壽命為16000h。
1 選擇蝸桿，蝸輪材料，確定許用應力。
選擇材料：
由于是自動生產(chǎn)線上的傳送機構(gòu)，較為重要，選擇蝸桿的材料為40Cr，表面淬火，硬度為45－50HRC；蝸輪齒圈的材料為ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造。
確定許用應力：
應力循環(huán)次數(shù)
查表10-4（參考《機械設計》教材，以下計算過程中所查的圖，表未注明的與此相同）得：；
2 選擇,
根據(jù)傳動比，參考10-2節(jié)的推薦，?。?
＝＝＝40，?。?1，則實際傳動比＝41；
3 按齒面接觸疲勞強度設計
由表10-7查得：；
由于較低，估計，??；
因載荷平穩(wěn)，通過跑合可以改善偏載程度，??；
載荷系數(shù)；
當時，取
=123002
由表10-6查得，
將以上數(shù)值代入接觸疲勞強度設計公式，求得
＝
按疲勞強度要求，，查表10-1選出，，，，，＝
中心距，
不是標準中推薦的中心距，如取推薦的中心距，蝸輪變位系數(shù)，本設計不采用變位，取。
4 驗算初設參數(shù)
蝸輪圓周速度
原估計選值相符。
滑動速度
，選用錫青銅為蝸輪材料適合。
蝸桿傳動效率＝，根據(jù)，查表10-8得，
傳動效率，初選與之相符。
5 驗算齒根彎曲疲勞強度
蝸輪當量齒數(shù)，由圖9-19查得時的齒形系數(shù)，
，彎曲強度滿足。
6 蝸桿，蝸輪幾何尺寸計算
蝸桿齒頂圓直徑
蝸桿齒根圓直徑：
蝸桿齒寬
蝸輪喉圓直徑：
蝸輪齒根圓直徑：
蝸輪咽喉母圓直徑
蝸輪齒寬＝（?。?
選蝸輪輪齒端面為錐面結(jié)構(gòu)，見表10-3
蝸輪輪緣高度：
取
為切去頂圓齒尖，蝸輪頂圓直徑：
為了不損傷齒寬
取
4.5 錐齒輪的設計
取主軸的轉(zhuǎn)速設計傳動比為的雙聯(lián)滑移齒輪，則對應的；
該設計中，縱封滾輪的轉(zhuǎn)動是通過一對錐齒輪傳動從主軸上得到，傳遞功率，錐齒輪的轉(zhuǎn)速為14.34r/min，傳動比，載荷穩(wěn)定，使用壽命為18000h；
1 選擇齒輪材料，熱處理
因是開式齒輪傳動，選用軟齒面齒輪，參考表9-1，選用45號鋼。小齒輪調(diào)質(zhì)，齒面硬度為220－230HBS；大齒輪正火，齒面硬度為190－200HBS。
2 選擇齒輪精度等級，齒數(shù)，齒寬系數(shù)
選用8級精度，開式齒輪傳動，推薦，選擇，；錐齒輪推薦齒寬系數(shù)，因齒輪懸臂布置，取。
3 確定相關(guān)參數(shù)
，
，
當量齒數(shù)：；
當量齒輪端面重合度
；
4 按齒根彎曲疲勞強度設計
開式齒輪傳動，主要失效形式是齒面磨損，按彎曲疲勞強度設計，通過增大模數(shù)考慮磨損的影響。由式9-35：
確定式中各項數(shù)值：
因載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不高，可以初選載荷系數(shù)；
由式9-13，
由圖9-19，9-20，按，查取
，
，
由式9-12，；
；
由圖9-21，查得,；
由表9-8，選；
由圖9-22c，按小齒輪齒面硬度均值225HBS，在ML線上查??；同理，由圖9-22b，查??；
齒輪單向傳動
；
；
取，設計齒輪的模數(shù)。
將確定的數(shù)值代入設計式，求得：
修正：
由表9-5，查??；
由圖9-7，按，精度等級為9級查取值，；
由圖9-10，查取，圖中；
由表9-6，查?。?
；
；
因是開式齒輪傳動，考慮磨損影響，將模數(shù)加大，即：
；
由表9-1，選取錐齒輪大端標準模數(shù)。
5 確定錐齒輪傳動主要幾何參數(shù)
；
；
；
；
取齒寬；
4.6 V帶設計
所選的電動機的型號為Y90－6，額定功率P＝0.75KW，轉(zhuǎn)速910r/min,傳動比；
1 確定設計功率
，由表7-7查；
；
2 選擇V帶型號
選用普通V帶，根據(jù)和，由圖7-8選取用型V帶
3 選擇帶輪直徑，
由表7-4查，型V帶，應使?？紤]小帶輪轉(zhuǎn)速不是很高，結(jié)構(gòu)尺寸又沒有特別的限制，所以選??；
驗算帶速：
；
帶速在之間，也不過低，選擇合適。
；
查考表7-8給出的帶輪基準直徑系列，考慮滑動率的影響，應該往小圓整至基準直徑系列，故??；
轉(zhuǎn)速誤差＝；
4 確定中心距和帶長
設計條件中沒有限制中心距，故初選中心距，由式7-18
得：；
初選；
帶長：
查表7-3，??；
中心距；
的調(diào)整范圍：
；
；
5 驗算小帶輪的包角
由公式7-5，得：
，合適。
4.7 雙聯(lián)滑移齒輪設計
在該設計中，主軸與二軸之間采用雙聯(lián)滑移齒輪嚙合，通過操縱機構(gòu)撥動齒輪之間的嚙合關(guān)系從而改變二軸的轉(zhuǎn)速，用以實現(xiàn)對包裝機包裝袋長的改變，在上面的數(shù)據(jù)計算過程中我們知道兩對齒輪之間的傳動比分別為1.3和1.9，對應的二軸的轉(zhuǎn)速為；，功率0.52以下是對雙聯(lián)滑移齒輪設計的數(shù)據(jù)計算和校核：
1 選擇齒輪材料和熱處理，精度等級，齒輪齒數(shù)
考慮到傳遞功率較小，并且要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長，由表9-3選大小齒輪材料用40MnB鋼，齒面硬度48-55HRC。精度等級8級，參考《機械制造裝備設計》教材中有關(guān)雙聯(lián)滑移齒輪的設計，查表選取兩對齒輪的齒數(shù)和；第1對齒輪齒數(shù)：；。第2對齒輪齒數(shù)：；；
2 對閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于齒面彎曲強度，故先按彎曲強度設計，驗算接觸強度，由式9-15：
確定式中各項數(shù)值：
；
；
根據(jù)相關(guān)資料，查得，，；
；
；
插圖9-19，9-20查得；；；
根據(jù)式9-12，齒輪工作應力循環(huán)次數(shù)：
；
，，
，；
由圖9-21查得：，；
由表9-8查得：；
由圖9-22d，按齒面硬度均值51HRC，在ML線上查得：
則；
；
；
；
取設計齒輪模數(shù)。
將確定的各項數(shù)值代入設計公式，求得：
；
；
修正：
；同理求得；
由圖9-7查得；由圖9-10查得；由表9-6查得；
則；
，則；
；
由表9-1，選取第一系列的標準模數(shù)；
齒輪的主要幾何尺寸：
第1對齒輪：
，；
；
；取，；
第2對齒輪：，；
；
；取，；
3 校核齒面接觸疲勞強度
由表9-7查得；
由圖9-14查得；
由圖9-13查得；
由圖9-15，按不允許出現(xiàn)點蝕，查得, ；
由圖9-16e，按齒面硬度均值51HRC，在MQ和ML線中間查出
；
由表9-8，選??；
，；
將確定的各項數(shù)值代入接觸強度校核公式，得：
第1對齒輪：
；
第2對齒輪：
；
所以兩對齒輪的接觸強度滿足要求。
畢業(yè)設計總結(jié)
本次包裝機械的畢業(yè)設計涉及到大學期間所學的機械原理，機械設計，機械系統(tǒng)設計，機電傳動控制等多門課程。作為大學四年的最后一次大型綜合性的畢業(yè)設計很好的提升了我們綜合運用所學知識，融合各個學科，交叉運用各個學科知識的能力，很好的培養(yǎng)了我們的研究能力，設計能力和動手能力，本次畢業(yè)設計我設計的題目是三角袋形式的液體立式成型－充填－封口包裝機，本次所涉及的設計內(nèi)容是自己在本科階段沒有接觸過的，對包裝機械也沒有太多的了解。在這次畢業(yè)設計的過程中自己查閱了大量包裝機械的相關(guān)內(nèi)容，對包裝機械也有了很大程度的了解，這無疑是對自己知識的進一步擴充。從了解包裝機械到著手設計包裝機械，這個過程不僅僅是對自己以前所學知識的綜合運用和總結(jié)，也是對自己能力的最大考驗和肯定，毫無疑問這次畢業(yè)設計給我們提供了一次很好的鍛煉機會。在這次畢業(yè)設計過程中，自己難免會遇到很多困難，但是自己從來都沒有放棄過，遇到困難的時候我會首先查閱相關(guān)的參考資料，實在是自己解決不了的問題我會請教身邊的同學和老師，在困難中學習，每次從遇到困難到解決困難的過程都是知識的進一步積累，也是自己經(jīng)驗和能力的一種提高，在這些困難中我學到了很多教科書上學不到的東西。感謝機械學院能給我這次鍛煉自己的機會，也感謝在畢業(yè)設計的過程中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W。
參考文獻
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18 馮辛安.機械制造裝備設計.機械工業(yè)出版社.2002.3.
附 錄
c程序設計
#include
main()
{ float D0,E,d,a,b,c,L,I; /*常數(shù)變量*/
float XA,OB,OC; /*計算變量，撓度XA,轉(zhuǎn)角OB,OC*/
float XA1,OB1,OC1;
float XA2,OB2,OC2;
float Fhe，F(xiàn)Q; /*徑向作用合力Fhe，齒輪產(chǎn)生的徑向力FQ*/
L=570.0; /*變量負值*/
E=200000.0;
D=32.0;
I=600000.0;
scanf("%f,%f,%f",&a,&b,&c); /*輸入變量值*/
printf("a=%f,b=%f,c=%f",a,b,c); /*輸出變量值*/
scanf("%f,%f",&Fhe,&FQ); /*輸入變量值*/
printf("Fhe=%f,FQ=%f",Fhe,FQ); /*輸出變量值*/
if(Fhe!=0) /*在只有徑向作用合力作用時*/
{
XA1=Fhe*a*a*(L+a)/(3*E*I);
OB1=Fhe*a*L/(3*E*I);
OC1=-Fhe*a*L/(6*E*I);
printf("XA1=%f,OB1=%f,OC1=%f",XA1,OB1,OC1);
}
if(FQ!=0) /*在只有齒輪產(chǎn)生的徑向力作用時*/
{
XA2=-FQ*b*a*c*(L+c)/(6*E*I*L);
OB2=-FQ*b*c*(L+c)/(6*E*I*L);
OC2=FQ*b*c*(L+b)/(6*E*I*L);
printf("XA2=%f,OB2=%f,OC2=%f",XA2,OB2,OC2);
}
/*產(chǎn)生的變形疊加，注意符號*/
XA=XA1+XA2;
OB=OB1+OB2;
OC=OC1+OC2;
printf("XA=%f,OB=%f,OC=%f",XA,OB,OC);
}