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編號(hào) 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目：圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè) 計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 0923145 學(xué)生姓名： 楊文浩 指導(dǎo)教師： 何雪明（職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圓柱型產(chǎn)品填 充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究 所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo) 注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何 其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 93 學(xué) 號(hào)： 0923145 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著國內(nèi)各大企業(yè)的發(fā)展，包裝機(jī)械的國內(nèi)市場(chǎng)不斷壯大，粉 末包裝機(jī)也加快了步伐，成為一種常用的先進(jìn)設(shè)備，促進(jìn)我國商品 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)人們的生活影響重大。最近幾年隨著包裝技術(shù)的提 升，粉末包裝機(jī)的質(zhì)量穩(wěn)步提升，再上新臺(tái)階，對(duì)商品起到保護(hù)的 作用。 我國粉末包裝機(jī)在市場(chǎng)中占有重要地位，但是暫時(shí)還沒有完全 取代過去的一些傳統(tǒng)的設(shè)備，主要還是因?yàn)樗枷胂冗M(jìn)但是技術(shù)落后， 一些陳舊的設(shè)備在很大程度上制約著包裝機(jī)械的進(jìn)步，很多企業(yè)已 經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機(jī)，但是并沒有從根本上改變?cè)O(shè)備的性 能，無非是外型上發(fā)生了變化，內(nèi)部還是原來的材料和裝備，這種 做法根本無法改變發(fā)展現(xiàn)狀，想發(fā)展就必須徹底改變 。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： II 研究粉末顆粒中的某一粒子在螺桿下料過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過 數(shù)學(xué)方程描述其運(yùn)動(dòng)軌跡。 建立數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型主要描述粒子在運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化 和加速度變化。 根據(jù)螺桿的運(yùn)動(dòng)軌跡方程及受力情況，對(duì)螺桿充填的效率進(jìn)行分 析，通過效率分布曲線確定出較好的螺旋升角及螺桿轉(zhuǎn)速范圍。 掌握總體傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)。 將粉末顆粒物料假設(shè)為流體，研究螺桿充填的機(jī)理。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 楊文浩 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 III 2012 年 11 月 12 日 IV 摘 要 螺桿式粉末定量包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要稱重裝置，充填效率高，應(yīng)用十分廣泛。 螺桿式粉末定量包裝機(jī)中的主要研究對(duì)象時(shí)螺桿，其主要原理為通過控制螺桿的旋轉(zhuǎn)圈 數(shù)或旋轉(zhuǎn)時(shí)間來控制被充填物料的重量。 本文結(jié)合粉末顆粒物料的運(yùn)動(dòng)物理性質(zhì)，首先運(yùn)用單質(zhì)點(diǎn)法對(duì)粉末顆粒的下料過程利 用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行了描述，確定單個(gè)粒子的下料軌跡方程，并分析了粉末顆粒在 xyz 三個(gè) 方向的速度及加速度的變化。研究了運(yùn)動(dòng)中的粉末顆粒的受力情況，以及粉末顆粒的受 力與螺桿的幾何參數(shù)關(guān)系。其次分析計(jì)算阿基米德螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)螺桿導(dǎo)程所包含物料 容積的公式，阿基米德螺桿的軸向剖面是一個(gè)梯形，將整個(gè)梯形剖面分成兩個(gè)三角形與 一個(gè)矩形，利用積分方法分別求出它們的容積相加后即得整個(gè)螺桿導(dǎo)程內(nèi)所包含粉末物 料的容積。再次對(duì)螺桿充填的理論功率與實(shí)際功率做了分析，得到螺桿充填效率的表達(dá) 式。為了得到較高的螺桿充填效率，綜合考慮螺桿的幾何參數(shù)和螺桿轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 關(guān)鍵詞： 螺桿式；定量包裝機(jī)；顆粒物料； V Abstract The powder quantitative packaging machine is simple, do not need weighing device and, with high filling efficiency,the application has been used widespread. The screw play an important role in powder quantitative packaging machine. The main principle is that it can control the filling material weight by controlling the lap or rotating time. Based on the basic physics of powder materials properties.Firstly,use the mathematical method to descript the powder particles blanking process, determine the trajectory equation of the single particle materials and analyses powder particles velocity in three directions, that is xyz velocity and acceleration of change.Studied the movement of powder particles between the stress of powder particles and the screw geometry parameter relation. Secondly,analysis and calculate the volume of the Archimedes screw Archimedes screw axial profile is a whole trapezoidal profile trapezoid, will be divided into two triangles and a rectangular,using integral method respectively and ask out their volume, and then adding them, the whole screw palpitations volume will be get. Thirdly, analysis the theory of power and actual power,getting auger filling efficiency of expression. In order to get a higher auger filling efficiency,need consider the relationship between the screw speed the screw geometric parameters. Key words: Screw; Quantitative packaging machine; Particulate material VI V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 課題的研究?jī)?nèi)容和意義 ........................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 ................................................................................................................1 1.3 課題研究目的和意義 ............................................................................................................3 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 ...........................................................................................................3 2 粉末充填機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 .........................................................................................................5 2.1 引言 .......................................................................................................................................5 2.2 粉末灌裝工藝過程及可行性分析 .......................................................................................5 2.2.1 工藝分析 .........................................................................................................................5 2.2.2 總體布局 .........................................................................................................................5 2.3 總體傳動(dòng)系統(tǒng) .......................................................................................................................6 2.3.1 上料系統(tǒng) .........................................................................................................................6 2.3.2 計(jì)量充填系統(tǒng) .................................................................................................................6 2.3.3 輸送系統(tǒng) .........................................................................................................................6 2.3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng) .................................................................................................................6 2.4 粉末物料的基本性質(zhì) ...........................................................................................................6 2.5 同心旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機(jī)理 ...................................................................................................6 2.5.1 渦旋的定義 .....................................................................................................................6 2.5.2 螺桿旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機(jī)理 .............................................................................................6 2.6 本章小結(jié) ...............................................................................................................................6 3 粉末顆粒下料的運(yùn)動(dòng)分析 .........................................................................................................6 3.1 引言 .......................................................................................................................................6 3.2 粉末顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程 .......................................................................................................6 3.2.1 研究方法 ........................................................................................................................6 3.2.2 速度分析 ........................................................................................................................6 3.2.3 軌跡方程 ........................................................................................................................6 3.3 粉末顆粒受力分析 ...............................................................................................................6 3.4 容積計(jì)算 ...............................................................................................................................6 3.4.1 研究方法 ........................................................................................................................6 3.4.2 展開高度 ........................................................................................................................6 3.4.3 三角形區(qū)域的容積 ........................................................................................................6 3.4.4 矩形區(qū)域的容積 ............................................................................................................6 3.5 本章小結(jié) ............................................................................................................................6 4 螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................................................................................6 VI 4.1 螺旋輸送機(jī)的簡(jiǎn)介 ...............................................................................................................6 4.2 旋輸送機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .......................................................................................................6 4.2.1 電機(jī)的選擇 ....................................................................................................................6 4.2.2 輸送機(jī)的螺旋直徑和螺旋軸的轉(zhuǎn)軸 ............................................................................6 4.2.3 螺旋輸送機(jī)的功率計(jì)算和驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)選擇 ........................................................6 4.2.4 螺旋葉片的表面展開尺寸 .............................................................................................6 4.3 驅(qū)動(dòng)端裝置設(shè)計(jì) ...................................................................................................................6 4.3.1 驅(qū)動(dòng)端軸的最小直徑的確定 ........................................................................................6 4.3.2 驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................................6 4.4 中間軸承裝置 .......................................................................................................................6 4.5 尾端裝置的設(shè)計(jì) ...................................................................................................................6 4.5.1 計(jì)算軸的最小直徑 .........................................................................................................6 4.5.2 尾端軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................................6 4.6 驅(qū)動(dòng)裝置和尾端裝置軸的校核 ...........................................................................................6 4.6.1 驅(qū)動(dòng)裝置的受力分析 ....................................................................................................6 4.6.2 前端軸的校核 ................................................................................................................6 4.6.3 尾端軸的校核 ................................................................................................................6 5 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 ..................................................................................................................6 5.1 帶式輸送機(jī)的應(yīng)用 ................................................................................................................6 5.2 帶式輸送機(jī)的工作原理 ........................................................................................................6 5.3 傳動(dòng)形式與驅(qū)動(dòng)裝置 ............................................................................................................6 5.3.1 傳動(dòng)形式的選擇 ............................................................................................................6 5.3.2 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 ............................................................................................................6 6 結(jié)論與展望 .................................................................................................................................6 6.1 總結(jié) ........................................................................................................................................6 6.2 問題與展望 ............................................................................................................................6 致 謝 .............................................................................................................................................6 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................................6 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 課題的研究?jī)?nèi)容和意義 最近幾年，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大力發(fā)展自主知識(shí)創(chuàng)新，對(duì)積極研發(fā)高速度高精度 的新產(chǎn)品產(chǎn)生了重要的影響。我國在粉末定量包裝設(shè)備的發(fā)展方面相對(duì)滯后，雖然自動(dòng) 粉末定量充填包裝機(jī)技術(shù)在我國從八十年代開始發(fā)展了將近二十年，發(fā)展逐漸壯大，在 粉末定量充填的技術(shù)上發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，可自主生產(chǎn)，不再依賴于進(jìn)口，但是生產(chǎn)規(guī) 模較小，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和自主研發(fā)環(huán)節(jié)的能力非常薄弱 1。之前由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢、 技術(shù)水平不高，粉末定量包裝行業(yè)長期處于生產(chǎn)效率低下的發(fā)展困境，大部分企業(yè)仍然 是借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑源私档蜕a(chǎn)成本，提高利潤。 但隨著社會(huì)的進(jìn)步，人民對(duì)生活水平要求也不斷提高，生活品質(zhì)也不斷提高，尤其 在我國進(jìn)入 WTO 之后 2，企業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各個(gè)企業(yè)面臨相互間更大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，因 此在商品的包裝方面，要求也越來越高。其中，比如，我們每天都用到的食鹽、糖等日 用品，還有洗衣粉、化肥等生產(chǎn)用品，以及病人經(jīng)常用到的藥品和營養(yǎng)食品等都是粉末 狀物料，粉末顆粒狀物料與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和我們的日常生活密切相關(guān)，這些粉末料都需要 按各種規(guī)格進(jìn)行定量充填和包裝。因此，大力發(fā)展粉末料的自動(dòng)充填機(jī)對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā) 展有著戰(zhàn)略意義。 由于我們國家人口較多，對(duì)粉末充填包裝商品的消耗量無疑是巨大的，而我國的包 裝產(chǎn)品發(fā)展與國外相比還有一定的差距，因此大多依賴進(jìn)口，但如果單純依靠先進(jìn)的進(jìn) 口設(shè)備，成本就會(huì)增加，這使我國很多小包裝生產(chǎn)企業(yè)都難以承受。因此，我們需要大 力發(fā)展先進(jìn)的包裝科技，加強(qiáng)包裝新材料的研發(fā)和應(yīng)用，提高機(jī)器零件的加工工藝水平， 保證定量充填包裝商品的精度，注意減少對(duì)自然環(huán)境的破壞，保證被包裝商品的衛(wèi)生安 全，開發(fā)出運(yùn)行可靠、定量精確、生產(chǎn)效率高的自動(dòng)定量充填機(jī)，提高整個(gè)粉末定量包 裝機(jī)械行業(yè)的發(fā)展水平，滿足我國廣大的市場(chǎng)需求，爭(zhēng)取在廣闊的國際市場(chǎng)中占有一席 之地 3。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 廣闊的市場(chǎng)，繁華的街道，粉末包裝機(jī)默默的為各行業(yè)提出最好的幫助。隨著國際 科技的發(fā)展，日新月異的產(chǎn)品陸續(xù)邁向了市場(chǎng)，包裝設(shè)備也不例外，為適應(yīng)市場(chǎng)的巨大 變化，粉末包裝機(jī)時(shí)刻站在市場(chǎng)的前列，不斷創(chuàng)新，先從自身做起，重抓技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì) 量，開拓先河 4。目前，國內(nèi)對(duì)塑料擠出機(jī)螺桿和食品擠壓或者食品膨化螺桿研究較多， 而對(duì)于充填螺桿的研究相對(duì)較少。螺桿的精確加工可以保證螺桿的精度，對(duì)充填精度的 提高有很大幫助。 改革開放以來，隨著大量成套設(shè)備的引進(jìn)及國際間經(jīng)濟(jì)技術(shù)交流活動(dòng)的開展，我國 科技工作者對(duì)我國粉體包裝機(jī)械給予了足夠的重視。現(xiàn)在我國已經(jīng)能自行設(shè)計(jì)制造出多 種大、中、小型粉體包裝機(jī)械。除了各種自動(dòng)計(jì)量充填機(jī)外，自動(dòng)制袋、自動(dòng)上袋、封 口或縫口、印字，集裝等機(jī)械也造出了樣機(jī)。有的小袋自動(dòng)包裝機(jī)質(zhì)量很好，不僅能滿 足國內(nèi)市場(chǎng)需要，而宜還能出口，在國際上受到了好評(píng)。有的包裝機(jī)的技術(shù)性能已趕上 當(dāng)代國際先進(jìn)水平。但總的來看，在這一領(lǐng)域我國與發(fā)達(dá)國家的差距還較大。主要表現(xiàn) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 在 5： 1、科研水平低。我國對(duì)粉體物性的測(cè)試缺乏現(xiàn)代化的儀器設(shè)備，缺乏專業(yè)人才。開 展學(xué)術(shù)研究和交流活動(dòng)也較差。我們?cè)谘兄七@類機(jī)械時(shí)往往不得不用實(shí)際產(chǎn)品做試驗(yàn)， 反復(fù)多次， 費(fèi)功、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢。效果還不理想，使產(chǎn)品的研制周期拖長。 2、自動(dòng)化程度低。近幾年來，許多單位只著重進(jìn)行了自動(dòng)計(jì)量充填機(jī)的研制，缺乏 對(duì)包裝自動(dòng)線的研制。 3、設(shè)備成套性差。機(jī)械中的元件、器件或輔助機(jī)械往往配套難。如近年來引進(jìn)了國 外氣缸制造技術(shù)但引進(jìn)的氣缸接口為英制螺紋，在國內(nèi)難以選購到適合的氣路接頭。又 如氣缸用的關(guān)節(jié)軸承也難以選購到相配的產(chǎn)品。還有，有很多廠生產(chǎn)環(huán)帶式熱封機(jī)，但 是很難找到能直接用在包裝自動(dòng)線上的熱封機(jī)。 4 、品種規(guī)格少。粉體的種類很多，物理性能差別很大，不可期望研制出一種萬用 型粉體自動(dòng)計(jì)量充填機(jī)，只能針對(duì)具體對(duì)象采用具體的解決辦法，以滿足各類用戶的不 同需要。現(xiàn)在不僅品種少，規(guī)格也少，例如計(jì)量在 1 -10 k g 之內(nèi)的粉體自動(dòng)充填機(jī)國內(nèi) 還是空白。 5、專業(yè)化程度差?，F(xiàn)在有許多國產(chǎn)機(jī)型剛剛研制出樣機(jī)，沒有改進(jìn)定型，沒有專業(yè) 化廠家生產(chǎn)，因此外形設(shè)計(jì)及制造工藝水平較低。 6、設(shè)計(jì)方式落后。包裝機(jī)械行業(yè)現(xiàn)在還沒有普遍采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)周 期長，對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力差。 7、元件器件質(zhì)量差。國產(chǎn)元件、器件的質(zhì)量一般都比進(jìn)口件差，以電子秤用的稱重 傳感器為例， 國外的產(chǎn)品能用數(shù)年不壞， 國產(chǎn)件則遠(yuǎn)不如它。 8、產(chǎn)品的耐用性、可靠性有待提高。 9、對(duì)自動(dòng)包裝機(jī)的使用管理方式也落后。國內(nèi)用戶仍然輕視包裝作業(yè)，不設(shè)立專門 的技術(shù)總管人員，硬將機(jī)電一體化的包裝機(jī)分成幾個(gè)部分交幾個(gè)部門分別管理。而且維 護(hù)人員往往不進(jìn)行運(yùn)行前的檢查和調(diào)整，要等機(jī)器用壞了才來修理。這樣的管理方式是 很難保證機(jī)電一體化產(chǎn)品的正常運(yùn)行的。 為了提高皮帶傳動(dòng)精度、準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，采用齒形帶傳動(dòng)。小帶輪為塔形結(jié) 構(gòu)，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計(jì)量螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)。為了進(jìn)一步提高計(jì)量精度， 采用螺桿加光電碼盤的計(jì)量方式。攪拌電機(jī)動(dòng)力通過減速器后，由鏈傳動(dòng)副傳至攪動(dòng)桿， 用來破壞料斗中物料的應(yīng)力分布，改善物料流動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定物料進(jìn)人螺桿時(shí)的堆積密度， 以提高計(jì)最精度。計(jì)量電機(jī)通過小帶輪使大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，光電碼盤同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)計(jì)量開始 時(shí)，電磁離合器接受信號(hào)，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大帶輪吸合，螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)計(jì)量螺旋軸及光電碼盤轉(zhuǎn)過預(yù)定圈數(shù)滿足計(jì)量要求時(shí)，對(duì)電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，離 合器與大帶輪脫開，制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)，計(jì)量與充填過程結(jié)束。 我國粉末包裝機(jī)在市場(chǎng)中占有重要地位，但是暫時(shí)還沒有完全取代過去的一些傳統(tǒng) 的設(shè)備，主要還是因?yàn)樗枷胂冗M(jìn)但是技術(shù)落后，一些陳舊的設(shè)備在很大程度上制約著包 裝機(jī)械的進(jìn)步，很多企業(yè)已經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機(jī)，但是并沒有從根本上改變?cè)O(shè) 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 3 備的性能，無非是外型上發(fā)生了變化，內(nèi)部還是原來的材料和裝備，這種做法根本無法 改變發(fā)展現(xiàn)狀，想發(fā)展就必須徹底改變。 粉體是指固體仰料的粒度在 1mm 以下的集合體。在食品、化工、建材等許多行業(yè)中 常常需要進(jìn)行粉體或粉?；旌衔锏挠?jì)量和包裝作業(yè)二過去靠人工操作不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大， 而且飛楊的粉塵污染環(huán)境，有損操作人員的健康，尤其是有毒性粉塵危害更加嚴(yán)重。況 且人工操作時(shí)計(jì)量往往不準(zhǔn)確，難免有些散失，有些較貴重的粉體因此造成的經(jīng)濟(jì)損失 和能源消耗是相當(dāng)大的。在發(fā)達(dá)國家中，隨著生產(chǎn)的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這類作業(yè) 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)或半自動(dòng)的機(jī)械化生產(chǎn)。 國外的粉體自動(dòng)計(jì)量充填機(jī)在朝著高精度，高速度、高自動(dòng)化、高可靠性方向發(fā)展 6。 一方面不斷改進(jìn)已有機(jī)型，另一方面也在按市場(chǎng)需要研制新的機(jī)型.其重要的技術(shù)措施是 盡量利用成功的經(jīng)驗(yàn)，盡量采用先進(jìn)技術(shù)開展科學(xué)研究，改進(jìn)制造工藝，不僅追求優(yōu)良 的技術(shù)性能，而且外觀質(zhì)量和造型設(shè)計(jì)也很講究。國外在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中較普遍地運(yùn)用 了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，再加上自成體系的標(biāo)準(zhǔn)化工作，所以對(duì)市場(chǎng)需求反應(yīng)較靈活， 能較快地設(shè)計(jì)并制造出新的機(jī)型以滿足各類用戶的不同需要。 1.3 課題研究目的和意義 近年來，隨著人民生活水平的不斷提高及世界著名食品公司不斷進(jìn)入中國市場(chǎng)，我 國奶粉和高質(zhì)量、高營養(yǎng)的蛋白粉等粉料類食品消耗量與日俱增，粉料加工行業(yè)發(fā)展速 度日益加快。與此相適應(yīng)，人們?cè)絹碓阶⒅厥称钒踩b塑料袋對(duì)人體危害較大，因 此有著替代塑料袋包裝趨勢(shì)的鐵罐包裝逐漸擁有越來越高的市場(chǎng)占有率。傳統(tǒng)的半自動(dòng) 灌裝機(jī)多為臺(tái)式機(jī)型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能實(shí)現(xiàn)稱量過程自動(dòng)化，其它過程都靠手工完成， 生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)利益也較低，只能用于小規(guī)模生產(chǎn)，不能滿足大規(guī)模的生產(chǎn)要求。 目前我國市場(chǎng)上的粉末罐裝產(chǎn)品占有率逐年飆升，已經(jīng)達(dá)到了百分之七十左右，面 對(duì)如此多的罐裝商品，罐裝商品的質(zhì)量和定量問題也同樣值得關(guān)注。然而，有調(diào)查顯示 罐裝商品的定量問題十分嚴(yán)重 7。一些較為貴重的罐裝商品存在的問題更為嚴(yán)重，比如 茶葉、奶粉等。為什么定量包裝商品會(huì)存在如此嚴(yán)重的虧量，究其原因，除了有些生產(chǎn) 企業(yè)投機(jī)取巧獲取非法利潤外，包裝設(shè)備落后則是主要原因。 我國的灌裝機(jī)械行業(yè)，在經(jīng)歷了七十年代起步，八十年代發(fā)展和九十年代實(shí)現(xiàn)高速 增長，在國家和有關(guān)政府主管部門的支持下，經(jīng)過全行業(yè)的努力，初步形成了門類比較 齊全、品種基本配套的產(chǎn)業(yè)。隨著相關(guān)行業(yè)的迅速發(fā)展，已形成一批重點(diǎn)骨干企業(yè)，形 成了一批既能滿足國內(nèi)需求，又有部分暢銷國外的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品。 最近幾年，我國部分大型企業(yè)的定量包裝技術(shù)有了較快的發(fā)展，但大多數(shù)中小型企 業(yè)，依然存在生產(chǎn)設(shè)備差、生產(chǎn)技術(shù)水平低等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得 不到保障，產(chǎn)品性能單一，在國際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力 8。早在九十年代初期，發(fā)達(dá)國家的 小稱量定量包裝機(jī)械發(fā)展迅猛，日本、德國、美國和意大利四國共同壟斷了世界上大約 四分之三的包裝機(jī)械產(chǎn)品，技術(shù)含量也越來越高。我國雖然由于人口眾多，發(fā)展成生產(chǎn) 包裝機(jī)械的大國，但并沒有成為生產(chǎn)包裝機(jī)械的強(qiáng)國，技術(shù)水平相對(duì)落后，在機(jī)械的設(shè) 備、質(zhì)量等很多方面跟發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。因此我國面對(duì)如此嚴(yán)峻的發(fā)展形勢(shì)， 需要積極開發(fā)研究定量充填包裝技術(shù)。本文即是對(duì)容積式定量充填包裝技術(shù)常用的一種 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 方式螺桿式定量充填技術(shù)的研究。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對(duì)粉末料利用螺桿充填下料的問題，主要研究分析螺桿的各個(gè)參數(shù)對(duì)充填 的影響，找出粉末顆粒在螺桿下料過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)螺桿設(shè)計(jì)提供 理論指導(dǎo)，還有粉末料的輸送機(jī)的設(shè)計(jì)以及罐體輸送機(jī)的設(shè)計(jì)。 本課題具體研究?jī)?nèi)容如下： （1）研究螺桿式充填機(jī)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 （2）根據(jù)螺桿的受力情況及運(yùn)動(dòng)軌跡方程，對(duì)螺桿充填的效率進(jìn)行分析，通過效率 分布曲線確定出較好的螺桿轉(zhuǎn)速范圍及螺旋升角。 （3）對(duì)粉末料的送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括電機(jī)的選擇以及驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。 （4）對(duì)圓柱型罐體輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)。 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 8 2 粉末充填機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 2.1 引言 灌裝機(jī)從整體結(jié)構(gòu)上來分，主要有氣流式灌裝機(jī)和螺桿式螺旋下料灌裝機(jī)。從其應(yīng) 用對(duì)象來分又有液體灌裝機(jī)、粉料灌裝機(jī)和大顆粒灌裝機(jī)。各種灌裝機(jī)的工作原理和結(jié) 構(gòu)都有其不同之處 9。氣流式灌裝機(jī)，原理是利用真空吸取定量容積粉劑，再通過凈化干 燥壓縮空氣將粉劑吹入袋或瓶中。螺桿式灌裝機(jī)，原理是通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速，來量取 定量粉劑再裝入袋或瓶中。 2.2 粉末灌裝工藝過程及可行性分析 2.2.1 工藝分析 粉末灌裝機(jī)是針對(duì)粉末顆粒進(jìn)行外包裝的一種手段。在工藝分析中，首先對(duì)內(nèi)裝物 物件的特性、灌裝材料和灌裝過程作詳細(xì)的分析和研究，并對(duì)單功能機(jī)的分析，進(jìn)行擴(kuò) 展其功能，如擴(kuò)展它的灌裝尺寸范圍、擴(kuò)展它的灌裝物件、擴(kuò)展它的灌裝材料、擴(kuò)展它 的灌裝生產(chǎn)力等。這些擴(kuò)展涉及到的主要部件的分析比較，以便得出可靠的機(jī)構(gòu)。 2.2.2 總體布局 灌裝工藝確定以后，要考慮如何實(shí)現(xiàn)這種灌裝動(dòng)作。因此，要求選擇合適的傳動(dòng)、 操作和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)組成若干個(gè)部件，這些部件相互位置怎樣安排，它們又是怎 樣聯(lián)系和形成一個(gè)完整的總體，這就是灌裝機(jī)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)。灌裝機(jī)的傳動(dòng)與控制機(jī) 構(gòu)，可以采用機(jī)械式，液壓式，或氣動(dòng)式。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)、生產(chǎn)能力、使用者的情 況等具體條件以及機(jī)器動(dòng)作的復(fù)雜程度而定。 粉末灌裝機(jī)要求每分鐘生產(chǎn) 15-20 盒。要實(shí)現(xiàn)這樣高的灌裝速度，而且要保證動(dòng)作的 相互協(xié)調(diào)和工作可靠穩(wěn)定，用液壓式或氣動(dòng)式控制機(jī)構(gòu)稍微有點(diǎn)困難，因?yàn)橐后w粘度大， 氣體有很強(qiáng)的壓縮性，當(dāng)運(yùn)動(dòng)處于高速狀態(tài)時(shí)慣性發(fā)熱高、沖擊大，液體還會(huì)因溫度的 升高而使粘度發(fā)生變化，影響生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)的可靠性，所以一般只用于動(dòng)作較慢的活塞往復(fù) 運(yùn)動(dòng)機(jī)械。目前國內(nèi)外在粉料灌裝機(jī)中大多采用機(jī)械傳動(dòng)方式。因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能嚴(yán) 格保證動(dòng)作的可靠性 10，并配合先進(jìn)的微機(jī)控制技術(shù)和電子技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的 生產(chǎn)動(dòng)作，從而能進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。 本文設(shè)計(jì)的粉末灌裝機(jī)的操縱系統(tǒng)采用機(jī)械式控制系統(tǒng)，涉及有：鏈條傳動(dòng)，帶(齒 形帶)傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 布局形式的選定，最主要根據(jù)灌裝工藝的特點(diǎn)即決定于灌裝的工藝性。布局式要便 于灌裝，使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，工人操作和維修方便。根據(jù)灌裝工藝，碳粉灌裝機(jī)布局形式宜采 用立式布局，這樣便于進(jìn)料、送盒、灌裝等。 在設(shè)計(jì)中總體布局要求： (1) 在能滿足生產(chǎn)設(shè)備多功能的基礎(chǔ)上，保證傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單； (2) 機(jī)械操作，操作簡(jiǎn)單，易上手； (3) 操縱手柄要安放在便于操作的位置； (4) 送料機(jī)構(gòu)的擺放位置要方便安全； (5) 移動(dòng)安裝方便，外形簡(jiǎn)潔。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2.3 總體傳動(dòng)系統(tǒng) 2.3.1 上料系統(tǒng) 上料系統(tǒng)由貯料斗、提升螺桿、電機(jī)和支架組成 11。上料系統(tǒng)的貯料斗為螺旋式， 防止物料粘連，保證輸送順暢，容積大可貯藏一定量的物料，滿足后期 的 連 續(xù) 化 生 產(chǎn) 需 要 。 螺 桿提升物料，速度快，占地少。上料管與稱料斗連接處采用軟連接，防止上料系 統(tǒng)振動(dòng)對(duì)稱量的影響，保證灌裝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。軟連接用帆布袋，可透氣，能清洗。 1-上料系統(tǒng) 2-輸送帶 3-支架 4-稱量灌裝系統(tǒng) 5-灌裝口 6-電機(jī) 7-稱料斗 8-控制柜 圖 2.1 全自動(dòng)粉末灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3.2 計(jì)量充填系統(tǒng) 螺桿式充填系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、進(jìn)料口、出料口、儲(chǔ)料倉、螺桿、控制室等組成 12， 如圖 2.2 所示。 圖 2.2 計(jì)量充填系統(tǒng)示意圖 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 7 螺桿計(jì)量裝置是通過控制螺桿旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)或時(shí)間來量取產(chǎn)品。螺桿每圈螺旋槽都有 一定的理論容積，在物料的堆積密度恒定的前提下，只要準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)或更換螺 桿，就能完成計(jì)量。為了提高皮帶傳動(dòng)精度、準(zhǔn)確地控制螺桿轉(zhuǎn)數(shù)，采用齒形帶傳動(dòng)。 小帶輪為塔形結(jié)構(gòu)，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計(jì)量螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)。為了進(jìn)一 步提高計(jì)量精度，采用螺桿加光電碼盤的計(jì)量方式。攪拌電機(jī)動(dòng)力通過減速器后，由鏈 傳動(dòng)副傳至攪動(dòng)桿，用來破壞料斗中物料的應(yīng)力分布，改善物料流動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定物料進(jìn) 人螺桿時(shí)的堆積密度，以提高計(jì)最精度。計(jì)量電機(jī)通過小帶輪使大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，光電碼盤 同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)計(jì)量開始時(shí)，電磁離合器接受信號(hào)，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大 帶輪吸合，螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)計(jì)量螺旋軸及光電碼盤轉(zhuǎn)過預(yù)定圈數(shù)滿足計(jì)量要求時(shí)，對(duì)電 氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，離合器與大帶輪脫開，制動(dòng)器同時(shí)制動(dòng)，計(jì)量與充填過程結(jié)束。 然后進(jìn)行包裝，當(dāng)包裝完畢后，再重復(fù)下一個(gè)同樣的計(jì)量循環(huán) 14。 圖 2.3 工作時(shí)序圖 2.3.2.1 螺桿葉片的形狀 螺桿根據(jù)螺旋葉片旋向的不同可分為左旋和右旋螺桿，也可以根據(jù)頭數(shù)的不同分為 單頭、雙頭和三頭螺桿。多頭螺桿一般用于食品加工方面，比如食品的攪拌和混合等， 本文中主要研究定量充填所用的螺桿，其中最常用的是單頭右旋螺桿 15。螺旋葉片的形 式主要有以下幾種，如圖 2.4 所示，其中實(shí)體型螺桿是最常用的，它適用于輸送流動(dòng)性較 好、干燥的、小顆?；蚍勰钗锪?16。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 2.4 螺旋葉片形式 2.3.2.2 螺桿充填機(jī)的特點(diǎn) 對(duì)粉粒狀物料進(jìn)行自動(dòng)定量充填包裝，從定量原理的角度來看，主要有兩種方式： 容積式定量充填包裝和稱重式定量包裝 17。 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用能自動(dòng)計(jì)量的機(jī)電秤和電子秤，其靜態(tài)計(jì)量精度可達(dá) 0.05 %18，電子 秤的分辨率還可高于此值 1 倍以上，并能采用減重式計(jì)量。電子秤可以自動(dòng)調(diào)零，能打 印輸出計(jì)量結(jié)果，還能自動(dòng)修正計(jì)量偏差，所以它不僅適用于不粘附的粉體及顆粒體， 而且還適用于有些粘附力的粉體。不僅適用作有斗秤，而且適用作無斗秤。電子秤由于 其傳感器類型不同而有多種型式， 如電阻應(yīng)變片式、電容式、差動(dòng)變壓器式及振動(dòng)弦式 等，其中以電阻應(yīng)變片式應(yīng)用最為廣泛。近十年來，國外的電子稱量技術(shù)發(fā)展很快，逐 步克服了性能不穩(wěn)定、不可靠的缺點(diǎn)，在自動(dòng)計(jì)量包裝機(jī)械中大有取代其它秤的趨勢(shì)。 機(jī)電秤一般沒有自動(dòng)調(diào)零功能，不能自動(dòng)扣除秤斗上粘附的粉體的重量，所以只適用于 干燥的粘附性小、流勺性好的粉體及顆粒料。機(jī)電秤也可以作成無斗秤，但要求包裝容 器自重誤差較小才好。機(jī)電秤的響應(yīng)速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，用戶易于掌握和維修， 因此機(jī)電秤在自動(dòng)計(jì)量包裝機(jī)械中仍然占有一定位置 19。 容積式定量充填包裝是通過控制被充填物料的容積來實(shí)現(xiàn)定量充填的，它的優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要稱重裝置，成本較低，充填效率高，充填精度根據(jù)被充填物料的不同 而有較大變動(dòng)是其缺點(diǎn)，主要依賴于被充填物料視比重的穩(wěn)定性、物料顆粒的大小均勻 程度以及物料的吸濕性和松散程度等特性。 與容積式定量充填相比，稱重式定量充填是通過控制被充填物料的重量來保證充填 的精度，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，成本也較高，利潤較低，充填效率也低于容積式充填。目 前稱重式定量充填采用的秤主要有三種，分別是機(jī)械式杠桿秤、電子稱和機(jī)械電子組合 秤。為了提高定量精度和給料速度，根據(jù)給料方式的不同分為單級(jí)給料和多級(jí)給料。一 般采用多級(jí)給料方式，即一邊給料一邊稱重的動(dòng)態(tài)稱量。 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 9 2.3.3 輸送系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用皮帶輸送機(jī)，輸送帶初步設(shè)計(jì)長 4 米，左端連接上罐平臺(tái)，灌裝口位于 整條帶的中部，灌裝口下方安裝控罐機(jī)構(gòu)，使空罐定位在灌裝位置，定位完成后傳感器 傳送信號(hào)，電機(jī)啟動(dòng)，稱量螺桿旋轉(zhuǎn)，開始下料灌裝，旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間由控制系統(tǒng)自動(dòng) 設(shè)置。灌裝完成后，罐前行下一空罐進(jìn)入灌裝位置。 2.3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的可編程控制器自動(dòng)控制生產(chǎn)全過程，液晶顯示屏顯示當(dāng)前 灌裝狀態(tài)，自動(dòng)計(jì)數(shù)，按鈕可以調(diào)整灌裝速度、灌裝容量。 2.4 粉末物料的基本性質(zhì) 若想要分析某一種粉末在定量充填過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，首先要了解粉末料的基本物 理性質(zhì)，而其中最基本的一個(gè)性質(zhì)是粉末的半徑的物理性質(zhì)。粉末顆粒的形狀大小及顆 粒分布狀態(tài)對(duì)粉末充填的過程影響是極大的。如傳統(tǒng)材料中的咖啡，粗細(xì)顆粒的分布、 顆粒的大小形狀對(duì)產(chǎn)品性能有著非常大的影響，例如醫(yī)藥行業(yè)中的某些藥劑，可以通過 改變藥劑的顆粒大小來改變藥劑的用量和吸收性。 2.5 同心旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機(jī)理 2.5.1 渦旋的定義 渦旋是指一種半徑很小的圓柱在靜止流體中旋轉(zhuǎn)引起周圍流體作圓周運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)現(xiàn) 象，是渦量聚集的渦結(jié)構(gòu)，一般旋渦內(nèi)部有一渦量的密集區(qū)，稱為渦核，一群流體微團(tuán) 圍繞渦核旋轉(zhuǎn)。我國北航教授陸士嘉也指出，流體的本質(zhì)運(yùn)動(dòng)就是渦，因?yàn)榱黧w經(jīng)不起 搓，一搓就搓成了渦。這里所提到的“搓”是指流體在運(yùn)動(dòng)中所受到的剪切力 20。 德國物理學(xué)家、近代力學(xué)奠基人之一屈西曼，簡(jiǎn)單而又明了的說明了渦旋在流體運(yùn) 動(dòng)中的重要性，即渦旋是流體運(yùn)動(dòng)的肌腱。陸教授指出了固體與流體的本質(zhì)區(qū)別，也說 明了流體運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象的原因。在螺桿式粉末定量包裝機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的螺桿對(duì)儲(chǔ)料 器中粉末物料起到了“搓”的作用，使粉末物料的流動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)密度等發(fā)生了變化， 粉末物料的流動(dòng)變?yōu)橛行鲃?dòng)，形成了流體運(yùn)動(dòng)中的漩渦。 2.5.2 螺桿旋轉(zhuǎn)形成的渦旋機(jī)理 同心旋轉(zhuǎn)的定義為兩同心圓柱之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，螺桿式粉末定量包裝機(jī)內(nèi)部就屬于 同心旋轉(zhuǎn)的范疇，從相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度出發(fā)，由于螺桿與儲(chǔ)料倉是同心的，雖然螺桿外 圍的儲(chǔ)料倉是靜止不動(dòng)的，但當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿與外部?jī)?chǔ)料倉屬于同心旋轉(zhuǎn)。在不同 的條件下同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)各異的渦形，同心旋轉(zhuǎn)最典型的的流動(dòng)模型為兩同心 圓柱之間旋轉(zhuǎn)形成的庫埃特流，而庫埃特流也是形成渦旋的典型流動(dòng)方式 21。 典型的庫埃特流實(shí)驗(yàn)的示意圖如下所示，為內(nèi)外圓柱的同心相對(duì)旋轉(zhuǎn)。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 （a）旋轉(zhuǎn)庫埃特流； （b）同心圓筒間的泰勒渦 圖 2.5 旋轉(zhuǎn)庫埃特流實(shí)驗(yàn)示意圖 圓柱的內(nèi)半徑為 1R，以角速度 1 旋轉(zhuǎn)，圓柱的外半徑為 2R，以角速度 2 旋轉(zhuǎn) 22， 經(jīng)典的庫埃特流模型為內(nèi)外圓柱同心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)的圓柱之間充滿了一定黏性系數(shù)的 流體。 庫埃特流模型規(guī)定，如果內(nèi)外圓柱的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)外圓柱之間的