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編號 無錫太湖學院 畢業(yè)設計（論文） 相關資料 題目：圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 信機 系 機械工程及自動化專業(yè) 學 號： 　　　 0923145　　　　 學生姓名： 楊 文 浩 指導教師： 　何雪明（職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013年5月25日 目 錄 一、畢業(yè)設計（論文）開題報告 二、畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯及原文 三、學生“畢業(yè)論文（論文）計劃、進度、檢查及落實表” 四、實習鑒定表 無錫太湖學院 畢業(yè)設計（論文） 開題報告 題目：圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè) 學 號： 0923145 學生姓名： 楊文浩 指導教師： 何雪明 （職稱：副教授） （職稱： ） 2012年11月25日 課題來源 自擬 科學依據(jù)（包括課題的科學意義；國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢；應用前景等） （1）課題科學意義 我國在定量包裝設備的發(fā)展方面相對滯后，雖然自動定量充填包裝技術在我國發(fā)展了將近二十年，從八十年代開始，發(fā)展壯大，在定量充填的某些技術方面上發(fā)展比較成熟，但是國內(nèi)的定量充填設備生產(chǎn)企業(yè)大部分以小規(guī)模為主，產(chǎn)品設備的設計和自主研發(fā)環(huán)節(jié)非常的薄弱。定量包裝行業(yè)在過去長期處于一種生產(chǎn)效率低下、關鍵技術不高的狀況，相當一部分企業(yè)的經(jīng)驗模式仍然是照搬照抄國外先進技術，以此降低生產(chǎn)成本。還有很多家庭作坊式的小企業(yè)依然依賴一套圖紙生存，從不投資研發(fā)，這種單純的追求降低成本的發(fā)展模式，導致同行業(yè)之間互相抄襲，沒有自主知識產(chǎn)權，嚴重破壞國內(nèi)市場秩序。 因此，我們當前的任務比較艱巨，需要加大科研開發(fā)的力度，努力采用自動化控制技術和實現(xiàn)機電一體化作業(yè)，提高機器零件的加工工藝水平，盡量保證定量充填包裝商品的準確度，加強包裝新材料的研發(fā)和應用，保證被包裝商品的衛(wèi)生安全，注意減少對自然環(huán)境的破壞，注意包裝材料的二次利用，開發(fā)出運行可靠、定量精確、生產(chǎn)效率高的自動定量充填機，改變整個定量包裝機械行業(yè)的低水平發(fā)展，滿足我國廣大的市場需求，積極拓展更加廣闊的國際市場。 （2）粉末填充機的研究狀況及其發(fā)展前景 我國粉末包裝機在市場中占有重要地位，但是暫時還沒有完全取代過去的一些傳統(tǒng)的設備，主要還是因為思想先進但是技術落后，一些陳舊的設備在很大程度上制約著包裝機械的進步，很多企業(yè)已經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機，但是并沒有從根本上改變設備的性能。改革開放以來,隨著大量成套設備的引進及國際間經(jīng)濟技術交流活動的開展, 我國科技工作者對我國粉體包裝機械給予了足夠的重視?，F(xiàn)在我國已經(jīng)能自行設計制造出多種大、中、小型粉體包裝機械。除了各種自動計量充填機外，自動制袋、自動上袋、封口或縫口、印字，集裝等機械也造出了樣機。有的小袋自動包裝機質(zhì)量很好，不僅能滿足國內(nèi)市場需要，而宜還能出口，在國際上受到了好評。有的包裝機的技術性能已趕上當代國際先進水平。但總的來看，在這一領域我國與發(fā)達國家的差距還較大。 研究內(nèi)容 ① 研究粉末顆粒中的某一粒子在螺桿下料過程中的運動軌跡，通過數(shù)學方程描述其運動軌跡。 ② 建立數(shù)學模型，數(shù)學模型主要描述粒子在運動過程中的速度變化和加速度變化。 ③ 根據(jù)螺桿的運動軌跡方程及受力情況，對螺桿充填的效率進行分析，通過效率分布曲線確定出較好的螺旋升角及螺桿轉速范圍。 ④ 將粉末顆粒物料假設為流體，研究螺桿充填的機理。 擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析 （1）技術路線 首先研究粉末顆粒中的某一粒子在螺桿下料過程中的運動軌跡，通過數(shù)學方程描述其運動軌跡，建立數(shù)學模型，數(shù)學模型主要描述粒子在運動過程中的速度變化和加速度變化。其次根據(jù)螺桿的運動軌跡方程及受力情況，對螺桿充填的效率進行分析，通過效率分布曲線確定出較好的螺旋升角及螺桿轉速范圍。 （2）研究方法 ① 根據(jù)螺桿的運動軌跡方程及受力情況，對螺桿充填的效率進行分析。 ② 對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，為粉末填充機的工作機構動力學模型、進行仿真與分析作了必要的準備。 （3）可行性分析 通過數(shù)學方程描述其運動軌跡，建立數(shù)學模型的方法運用成熟，因此是可行的。 研究計劃及預期成果 研究計劃： 2012年11月12日-2012年11月16日：學習并翻譯一篇與畢業(yè)設計相關的英文材料 2012年11月20日-2013年1月20日：按照任務書要求查閱論文相關參考資料，填寫畢業(yè)設計開題報告書。 2013年1月25日-2013年2月10日：填寫畢業(yè)實習報告。 2013年2月20日-2013年3月10日：按照要求修改畢業(yè)設計開題報告。 2013年3月19日-2013年3月30日：根據(jù)開題報告完成任務書。 2013年4月1日-2013年4月30日：完成總裝圖及零件圖的繪制。 2013年4月30日-2013年5月25日：畢業(yè)論文撰寫和修改工作。 預期成果： 我國市場前景廣闊，產(chǎn)品質(zhì)量性能逐漸滿足要求，因此產(chǎn)品的發(fā)展必須由單純的追求技術上的完善，轉向產(chǎn)品外觀質(zhì)量的提高，放到與技術改進放到同等重要的位置，通過本課題的研究，產(chǎn)品必定以合理的色彩以及人性化的結構方式提高自己的附加值，吸引到更多地客戶，加大自己產(chǎn)品的市場占有率，提高在行業(yè)中的競爭力。本文中對充填過程分析所使用的另外一個重要方法是流體力學法，因此了解粉末顆粒物料的基本性質(zhì)對充填過程的分析還是有很大幫助的。 特色或創(chuàng)新之處 ① 本課題采用實體建模的方式對設計結構進行強度分析。 ② 利用積分法對結構進行強度、剛度分析，其結構比常規(guī)的解析法更準確、可靠。 已具備的條件和尚需解決的問題 ① 實驗方案思路已經(jīng)非常明確，已經(jīng)具備建立仿真模型的能力。 ② 傳動系統(tǒng)的研究還不夠完善。 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日 教研室（學科組、研究所）意見 教研室主任簽名： 年 月 日 系意見 主管領導簽名： 年 月 日 編號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目：圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設 計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923145 學生姓名： 楊文浩 指導教師： 何雪明（職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）圓柱型產(chǎn)品填 充粉末料的自動機設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究 所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標 注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何 其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學 號： 0923145 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 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，包裝機械的國內(nèi)市場不斷壯大，粉 末包裝機也加快了步伐，成為一種常用的先進設備，促進我國商品 經(jīng)濟的發(fā)展，對人們的生活影響重大。最近幾年隨著包裝技術的提 升，粉末包裝機的質(zhì)量穩(wěn)步提升，再上新臺階，對商品起到保護的 作用。 我國粉末包裝機在市場中占有重要地位，但是暫時還沒有完全 取代過去的一些傳統(tǒng)的設備，主要還是因為思想先進但是技術落后， 一些陳舊的設備在很大程度上制約著包裝機械的進步，很多企業(yè)已 經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機，但是并沒有從根本上改變設備的性 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、本設計（論文或其他）應達到的要求： II 研究粉末顆粒中的某一粒子在螺桿下料過程中的運動軌跡，通過 數(shù)學方程描述其運動軌跡。 建立數(shù)學模型，數(shù)學模型主要描述粒子在運動過程中的速度變化 和加速度變化。 根據(jù)螺桿的運動軌跡方程及受力情況，對螺桿充填的效率進行分 析，通過效率分布曲線確定出較好的螺旋升角及螺桿轉速范圍。 掌握總體傳動方案的設計。 將粉末顆粒物料假設為流體，研究螺桿充填的機理。 四、接受任務學生： 機械 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、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所 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的結構簡單，不需要稱重裝置，充填效率高，應用十分廣泛。 螺桿式粉末定量包裝機中的主要研究對象時螺桿，其主要原理為通過控制螺桿的旋轉圈 數(shù)或旋轉時間來控制被充填物料的重量。 本文結合粉末顆粒物料的運動物理性質(zhì)，首先運用單質(zhì)點法對粉末顆粒的下料過程利 用數(shù)學表達式進行了描述，確定單個粒子的下料軌跡方程，并分析了粉末顆粒在 xyz 三個 方向的速度及加速度的變化。研究了運動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)關系。其次分析計算阿基米德螺桿旋轉時每個螺桿導程所包含物料 容積的公式，阿基米德螺桿的軸向剖面是一個梯形，將整個梯形剖面分成兩個三角形與 一個矩形，利用積分方法分別求出它們的容積相加后即得整個螺桿導程內(nèi)所包含粉末物 料的容積。再次對螺桿充填的理論功率與實際功率做了分析，得到螺桿充填效率的表達 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)和螺桿轉速之間的關系。 關鍵詞： 螺桿式；定量包裝機；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 課題的研究內(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 粉末充填機總體設計方案 .........................................................................................................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 總體傳動系統(tǒng) .......................................................................................................................6 2.3.1 上料系統(tǒng) .........................................................................................................................6 2.3.2 計量充填系統(tǒng) .................................................................................................................6 2.3.3 輸送系統(tǒng) .........................................................................................................................6 2.3.4 自動控制系統(tǒng) .................................................................................................................6 2.4 粉末物料的基本性質(zhì) ...........................................................................................................6 2.5 同心旋轉形成的渦旋機理 ...................................................................................................6 2.5.1 渦旋的定義 .....................................................................................................................6 2.5.2 螺桿旋轉形成的渦旋機理 .............................................................................................6 2.6 本章小結 ...............................................................................................................................6 3 粉末顆粒下料的運動分析 .........................................................................................................6 3.1 引言 .......................................................................................................................................6 3.2 粉末顆粒運動軌跡方程 .......................................................................................................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 ............................................................................................................................6 4 螺旋輸送機結構設計 .................................................................................................................6 VI 4.1 螺旋輸送機的簡介 ...............................................................................................................6 4.2 旋輸送機總體結構設計 .......................................................................................................6 4.2.1 電機的選擇 ....................................................................................................................6 4.2.2 輸送機的螺旋直徑和螺旋軸的轉軸 ............................................................................6 4.2.3 螺旋輸送機的功率計算和驅(qū)動裝置的型號選擇 ........................................................6 4.2.4 螺旋葉片的表面展開尺寸 .............................................................................................6 4.3 驅(qū)動端裝置設計 ...................................................................................................................6 4.3.1 驅(qū)動端軸的最小直徑的確定 ........................................................................................6 4.3.2 驅(qū)動軸的結構設計 ........................................................................................................6 4.4 中間軸承裝置 .......................................................................................................................6 4.5 尾端裝置的設計 ...................................................................................................................6 4.5.1 計算軸的最小直徑 .........................................................................................................6 4.5.2 尾端軸的結構設計 ........................................................................................................6 4.6 驅(qū)動裝置和尾端裝置軸的校核 ...........................................................................................6 4.6.1 驅(qū)動裝置的受力分析 ....................................................................................................6 4.6.2 前端軸的校核 ................................................................................................................6 4.6.3 尾端軸的校核 ................................................................................................................6 5 帶式輸送機結構簡介 ..................................................................................................................6 5.1 帶式輸送機的應用 ................................................................................................................6 5.2 帶式輸送機的工作原理 ........................................................................................................6 5.3 傳動形式與驅(qū)動裝置 ............................................................................................................6 5.3.1 傳動形式的選擇 ............................................................................................................6 5.3.2 驅(qū)動裝置的選擇 ............................................................................................................6 6 結論與展望 .................................................................................................................................6 6.1 總結 ........................................................................................................................................6 6.2 問題與展望 ............................................................................................................................6 致 謝 .............................................................................................................................................6 參考文獻 .........................................................................................................................................6 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 1 1 緒論 1.1 課題的研究內(nèi)容和意義 最近幾年，國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，大力發(fā)展自主知識創(chuàng)新，對積極研發(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備的發(fā)展方面相對滯后，雖然自動 粉末定量充填包裝機技術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上發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，可自主生產(chǎn)，不再依賴于進口，但是生產(chǎn)規(guī) 模較小，產(chǎn)品結構的設計和自主研發(fā)環(huán)節(jié)的能力非常薄弱 1。之前由于我國經(jīng)濟發(fā)展較慢、 技術水平不高，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 是借鑒國外的先進技術和管理經(jīng)驗模式，以此降低生產(chǎn)成本，提高利潤。 但隨著社會的進步，人民對生活水平要求也不斷提高，生活品質(zhì)也不斷提高，尤其 在我國進入 WTO 之后 2，企業(yè)經(jīng)濟不斷發(fā)展，各個企業(yè)面臨相互間更大的競爭壓力，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，這些粉末料都需要 按各種規(guī)格進行定量充填和包裝。因此，大力發(fā)展粉末料的自動充填機對我國的經(jīng)濟發(fā) 展有著戰(zhàn)略意義。 由于我們國家人口較多，對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，因此大多依賴進口，但如果單純依靠先進的進 口設備，成本就會增加，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)展先進的包裝科技，加強包裝新材料的研發(fā)和應用，提高機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)出運行可靠、定量精確、生產(chǎn)效率高的自動定量充填機，提高整個粉末定量包 裝機械行業(yè)的發(fā)展水平，滿足我國廣大的市場需求，爭取在廣闊的國際市場中占有一席 之地 3。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 廣闊的市場，繁華的街道，粉末包裝機默默的為各行業(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，包裝設備也不例外，為適應市場的巨大 變化，粉末包裝機時刻站在市場的前列，不斷創(chuàng)新，先從自身做起，重抓技術和產(chǎn)品質(zhì) 量，開拓先河 4。目前，國內(nèi)對塑料擠出機螺桿和食品擠壓或者食品膨化螺桿研究較多， 而對于充填螺桿的研究相對較少。螺桿的精確加工可以保證螺桿的精度，對充填精度的 提高有很大幫助。 改革開放以來，隨著大量成套設備的引進及國際間經(jīng)濟技術交流活動的開展，我國 科技工作者對我國粉體包裝機械給予了足夠的重視?，F(xiàn)在我國已經(jīng)能自行設計制造出多 種大、中、小型粉體包裝機械。除了各種自動計量充填機外，自動制袋、自動上袋、封 口或縫口、印字，集裝等機械也造出了樣機。有的小袋自動包裝機質(zhì)量很好，不僅能滿 足國內(nèi)市場需要，而宜還能出口，在國際上受到了好評。有的包裝機的技術性能已趕上 當代國際先進水平。但總的來看，在這一領域我國與發(fā)達國家的差距還較大。主要表現(xiàn) 無錫太湖學院學士學位論文 2 在 5： 1、科研水平低。我國對粉體物性的測試缺乏現(xiàn)代化的儀器設備，缺乏專業(yè)人才。開 展學術研究和交流活動也較差。我們在研制這類機械時往往不得不用實際產(chǎn)品做試驗， 反復多次， 費功、費時、費錢。效果還不理想，使產(chǎn)品的研制周期拖長。 2、自動化程度低。近幾年來，許多單位只著重進行了自動計量充填機的研制，缺乏 對包裝自動線的研制。 3、設備成套性差。機械中的元件、器件或輔助機械往往配套難。如近年來引進了國 外氣缸制造技術但引進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，但 是很難找到能直接用在包裝自動線上的熱封機。 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 型粉體自動計量充填機，只能針對具體對象采用具體的解決辦法，以滿足各類用戶的不 同需要?，F(xiàn)在不僅品種少，規(guī)格也少，例如計量在 1 -10 k g 之內(nèi)的粉體自動充填機國內(nèi) 還是空白。 5、專業(yè)化程度差?，F(xiàn)在有許多國產(chǎn)機型剛剛研制出樣機，沒有改進定型，沒有專業(yè) 化廠家生產(chǎn)，因此外形設計及制造工藝水平較低。 6、設計方式落后。包裝機械行業(yè)現(xiàn)在還沒有普遍采用計算機輔助設計技術，設計周 期長，對市場的應變能力差。 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)件則遠不如它。 8、產(chǎn)品的耐用性、可靠性有待提高。 9、對自動包裝機的使用管理方式也落后。國內(nèi)用戶仍然輕視包裝作業(yè)，不設立專門 的技術總管人員，硬將機電一體化的包裝機分成幾個部分交幾個部門分別管理。而且維 護人員往往不進行運行前的檢查和調(diào)整，要等機器用壞了才來修理。這樣的管理方式是 很難保證機電一體化產(chǎn)品的正常運行的。 為了提高皮帶傳動精度、準確地控制螺桿轉數(shù)，采用齒形帶傳動。小帶輪為塔形結 構，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計量螺桿的轉數(shù)。為了進一步提高計量精度， 采用螺桿加光電碼盤的計量方式。攪拌電機動力通過減速器后，由鏈傳動副傳至攪動桿， 用來破壞料斗中物料的應力分布，改善物料流動狀態(tài)，穩(wěn)定物料進人螺桿時的堆積密度， 以提高計最精度。計量電機通過小帶輪使大帶輪轉動，光電碼盤同時轉動。當計量開始 時，電磁離合器接受信號，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大帶輪吸合，螺旋軸轉動。 當計量螺旋軸及光電碼盤轉過預定圈數(shù)滿足計量要求時，對電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，離 合器與大帶輪脫開，制動器同時制動，計量與充填過程結束。 我國粉末包裝機在市場中占有重要地位，但是暫時還沒有完全取代過去的一些傳統(tǒng) 的設備，主要還是因為思想先進但是技術落后，一些陳舊的設備在很大程度上制約著包 裝機械的進步，很多企業(yè)已經(jīng)在嘗試研發(fā)新的粉末包裝機，但是并沒有從根本上改變設 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 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 常常需要進行粉體或粉?；旌衔锏挠嬃亢桶b作業(yè)二過去靠人工操作不僅勞動強度大， 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重。況 且人工操作時計量往往不準確，難免有些散失，有些較貴重的粉體因此造成的經(jīng)濟損失 和能源消耗是相當大的。在發(fā)達國家中，隨著生產(chǎn)的發(fā)展及科學技術的進步，這類作業(yè) 已經(jīng)實現(xiàn)了自動或半自動的機械化生產(chǎn)。 國外的粉體自動計量充填機在朝著高精度，高速度、高自動化、高可靠性方向發(fā)展 6。 一方面不斷改進已有機型，另一方面也在按市場需要研制新的機型.其重要的技術措施是 盡量利用成功的經(jīng)驗，盡量采用先進技術開展科學研究，改進制造工藝，不僅追求優(yōu)良 的技術性能，而且外觀質(zhì)量和造型設計也很講究。國外在包裝機械設計中較普遍地運用 了計算機輔助設計技術，再加上自成體系的標準化工作，所以對市場需求反應較靈活， 能較快地設計并制造出新的機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入中國市場，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，人們越來越注重食品安全，包裝塑料袋對人體危害較大，因 此有著替代塑料袋包裝趨勢的鐵罐包裝逐漸擁有越來越高的市場占有率。傳統(tǒng)的半自動 灌裝機多為臺式機型，結構簡單，只能實現(xiàn)稱量過程自動化，其它過程都靠手工完成， 生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟利益也較低，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。 目前我國市場上的粉末罐裝產(chǎn)品占有率逐年飆升，已經(jīng)達到了百分之七十左右，面 對如此多的罐裝商品，罐裝商品的質(zhì)量和定量問題也同樣值得關注。然而，有調(diào)查顯示 罐裝商品的定量問題十分嚴重 7。一些較為貴重的罐裝商品存在的問題更為嚴重，比如 茶葉、奶粉等。為什么定量包裝商品會存在如此嚴重的虧量，究其原因，除了有些生產(chǎn) 企業(yè)投機取巧獲取非法利潤外，包裝設備落后則是主要原因。 我國的灌裝機械行業(yè)，在經(jīng)歷了七十年代起步，八十年代發(fā)展和九十年代實現(xiàn)高速 增長，在國家和有關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)。隨著相關行業(yè)的迅速發(fā)展，已形成一批重點骨干企業(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)勢產(chǎn)品。 最近幾年，我國部分大型企業(yè)的定量包裝技術有了較快的發(fā)展，但大多數(shù)中小型企 業(yè)，依然存在生產(chǎn)設備差、生產(chǎn)技術水平低等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品運行不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得 不到保障，產(chǎn)品性能單一，在國際市場上缺乏競爭力 8。早在九十年代初期，發(fā)達國家的 小稱量定量包裝機械發(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 四分之三的包裝機械產(chǎn)品，技術含量也越來越高。我國雖然由于人口眾多，發(fā)展成生產(chǎn) 包裝機械的大國，但并沒有成為生產(chǎn)包裝機械的強國，技術水平相對落后，在機械的設 備、質(zhì)量等很多方面跟發(fā)達國家還有一定的差距。因此我國面對如此嚴峻的發(fā)展形勢， 需要積極開發(fā)研究定量充填包裝技術。本文即是對容積式定量充填包裝技術常用的一種 無錫太湖學院學士學位論文 4 方式螺桿式定量充填技術的研究。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 本課題針對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參數(shù)對充填 的影響，找出粉末顆粒在螺桿下料過程中的運動軌跡，建立數(shù)學模型，對螺桿設計提供 理論指導，還有粉末料的輸送機的設計以及罐體輸送機的設計。 本課題具體研究內(nèi)容如下： （1）研究螺桿式充填機的總體設計結構，然后對關鍵結構進行設計計算。 （2）根據(jù)螺桿的受力情況及運動軌跡方程，對螺桿充填的效率進行分析，通過效率 分布曲線確定出較好的螺桿轉速范圍及螺旋升角。 （3）對粉末料的送料機構進行設計，包括電機的選擇以及驅(qū)動裝置的設計。 （4）對圓柱型罐體輸送機進行設計，即皮帶輸送機的設計。 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 8 2 粉末充填機總體設計方案 2.1 引言 灌裝機從整體結構上來分，主要有氣流式灌裝機和螺桿式螺旋下料灌裝機。從其應 用對象來分又有液體灌裝機、粉料灌裝機和大顆粒灌裝機。各種灌裝機的工作原理和結 構都有其不同之處 9。氣流式灌裝機，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，原理是通過控制螺桿的轉速，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 粉末灌裝機是針對粉末顆粒進行外包裝的一種手段。在工藝分析中，首先對內(nèi)裝物 物件的特性、灌裝材料和灌裝過程作詳細的分析和研究，并對單功能機的分析，進行擴 展其功能，如擴展它的灌裝尺寸范圍、擴展它的灌裝物件、擴展它的灌裝材料、擴展它 的灌裝生產(chǎn)力等。這些擴展涉及到的主要部件的分析比較，以便得出可靠的機構。 2.2.2 總體布局 灌裝工藝確定以后，要考慮如何實現(xiàn)這種灌裝動作。因此，要求選擇合適的傳動、 操作和執(zhí)行機構。這些機構組成若干個部件，這些部件相互位置怎樣安排，它們又是怎 樣聯(lián)系和形成一個完整的總體，這就是灌裝機總體設計的任務。灌裝機的傳動與控制機 構，可以采用機械式，液壓式，或氣動式。應根據(jù)產(chǎn)品的特點、生產(chǎn)能力、使用者的情 況等具體條件以及機器動作的復雜程度而定。 粉末灌裝機要求每分鐘生產(chǎn) 15-20 盒。要實現(xiàn)這樣高的灌裝速度，而且要保證動作的 相互協(xié)調(diào)和工作可靠穩(wěn)定，用液壓式或氣動式控制機構稍微有點困難，因為液體粘度大， 氣體有很強的壓縮性，當運動處于高速狀態(tài)時慣性發(fā)熱高、沖擊大，液體還會因溫度的 升高而使粘度發(fā)生變化，影響生產(chǎn)運動的可靠性，所以一般只用于動作較慢的活塞往復 運動機械。目前國內(nèi)外在粉料灌裝機中大多采用機械傳動方式。因為機械傳動機構能嚴 格保證動作的可靠性 10，并配合先進的微機控制技術和電子技術，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復雜的 生產(chǎn)動作，從而能進一步提高生產(chǎn)率。 本文設計的粉末灌裝機的操縱系統(tǒng)采用機械式控制系統(tǒng)，涉及有：鏈條傳動，帶(齒 形帶)傳動，齒輪傳動等傳動機構。 布局形式的選定，最主要根據(jù)灌裝工藝的特點即決定于灌裝的工藝性。布局式要便 于灌裝，使機構簡化，工人操作和維修方便。根據(jù)灌裝工藝，碳粉灌裝機布局形式宜采 用立式布局，這樣便于進料、送盒、灌裝等。 在設計中總體布局要求： (1) 在能滿足生產(chǎn)設備多功能的基礎上，保證傳動結構設計簡單； (2) 機械操作，操作簡單，易上手； (3) 操縱手柄要安放在便于操作的位置； (4) 送料機構的擺放位置要方便安全； (5) 移動安裝方便，外形簡潔。 無錫太湖學院學士學位論文 6 2.3 總體傳動系統(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)振動對稱量的影響，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 7-稱料斗 8-控制柜 圖 2.1 全自動粉末灌裝機結構示意圖 2.3.2 計量充填系統(tǒng) 螺桿式充填系統(tǒng)主要由伺服電機、進料口、出料口、儲料倉、螺桿、控制室等組成 12， 如圖 2.2 所示。 圖 2.2 計量充填系統(tǒng)示意圖 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 7 螺桿計量裝置是通過控制螺桿旋轉的轉數(shù)或時間來量取產(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，只要準確地控制螺桿轉數(shù)或更換螺 桿，就能完成計量。為了提高皮帶傳動精度、準確地控制螺桿轉數(shù)，采用齒形帶傳動。 小帶輪為塔形結構，調(diào)整齒形帶在帶輪上的位置，即可調(diào)整計量螺桿的轉數(shù)。為了進一 步提高計量精度，采用螺桿加光電碼盤的計量方式。攪拌電機動力通過減速器后，由鏈 傳動副傳至攪動桿，用來破壞料斗中物料的應力分布，改善物料流動狀態(tài)，穩(wěn)定物料進 人螺桿時的堆積密度，以提高計最精度。計量電機通過小帶輪使大帶輪轉動，光電碼盤 同時轉動。當計量開始時，電磁離合器接受信號，于是與螺旋軸連在一起的離合器和大 帶輪吸合，螺旋軸轉動。當計量螺旋軸及光電碼盤轉過預定圈數(shù)滿足計量要求時，對電 氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，離合器與大帶輪脫開，制動器同時制動，計量與充填過程結束。 然后進行包裝，當包裝完畢后，再重復下一個同樣的計量循環(huán) 14。 圖 2.3 工作時序圖 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，其中實體型螺桿是最常用的，它適用于輸送流動性較 好、干燥的、小顆?；蚍勰钗锪?16。 無錫太湖學院學士學位論文 8 圖 2.4 螺旋葉片形式 2.3.2.2 螺桿充填機的特點 對粉粒狀物料進行自動定量充填包裝，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)在廣泛應用能自動計量的機電秤和電子秤，其靜態(tài)計量精度可達 0.05 %18，電子 秤的分辨率還可高于此值 1 倍以上，并能采用減重式計量。電子秤可以自動調(diào)零，能打 印輸出計量結果，還能自動修正計量偏差，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， 如電阻應變片式、電容式、差動變壓器式及振動弦式 等，其中以電阻應變片式應用最為廣泛。近十年來，國外的電子稱量技術發(fā)展很快，逐 步克服了性能不穩(wěn)定、不可靠的缺點，在自動計量包裝機械中大有取代其它秤的趨勢。 機電秤一般沒有自動調(diào)零功能，不能自動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。機電秤的響應速度較快，抗干擾能力強，用戶易于掌握和維修， 因此機電秤在自動計量包裝機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現(xiàn)定量充填的，它的優(yōu)點是 結構簡單，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 而有較大變動是其缺點，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，結構相對較為復雜，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，分別是機械式杠桿秤、電子稱和機械電子組合 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給料和多級給料。一 般采用多級給料方式，即一邊給料一邊稱重的動態(tài)稱量。 圓柱型產(chǎn)品填充粉末料的自動機設計 9 2.3.3 輸送系統(tǒng) 本設計采用皮帶輸送機，輸送帶初步設計長 4 米，左端連接上罐平臺，灌裝口位于 整條帶的中部，灌裝口下方安裝控罐機構，使空罐定位在灌裝位置，定位完成后傳感器 傳送信號，電機啟動，稱量螺桿旋轉，開始下料灌裝，旋轉速度和時間由控制系統(tǒng)自動 設置。灌裝完成后，罐前行下一空罐進入灌裝位置。 2.3.4 自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)采用先進的可編程控制器自動控制生產(chǎn)全過程，液晶顯示屏顯示當前 灌裝狀態(tài)，自動計數(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動軌跡，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，粗細顆粒的分布、 顆粒的大小形狀對產(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 同心旋轉形成的渦旋機理 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引起周圍流體作圓周運動的流動現(xiàn) 象，是渦量聚集的渦結構，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 圍繞渦核旋轉。我國北航教授陸士嘉也指出，流體的本質(zhì)運動就是渦，因為流體經(jīng)不起 搓，一搓就搓成了渦。這里所提到的“搓”是指流體在運動中所受到的剪切力 20。 德國物理學家、近代力學奠基人之一屈西曼，簡單而又明了的說明了渦旋在流體運 動中的重要性，即渦旋是流體運動的肌腱。陸教授指出了固體與流體的本質(zhì)區(qū)別，也說 明了流體運動中出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象的原因。在螺桿式粉末定量包裝機中，旋轉的螺桿對儲料 器中粉末物料起到了“搓”的作用，使粉末物料的流動速度、運動密度等發(fā)生了變化， 粉末物料的流動變?yōu)橛行鲃?，形成了流體運動中的漩渦。 2.5.2 螺桿旋轉形成的渦旋機理 同心旋轉的定義為兩同心圓柱之間的相對旋轉，螺桿式粉末定量包裝機內(nèi)部就屬于 同心旋轉的范疇，從相對運動學的角度出發(fā)，由于螺桿與儲料倉是同心的，雖然螺桿外 圍的儲料倉是靜止不動的，但當螺桿旋轉時，螺桿與外部儲料倉屬于同心旋轉。在不同 的條件下同心旋轉運動會產(chǎn)生結構各異的渦形，同心旋轉最典型的的流動模型為兩同心 圓柱之間旋轉形成的庫埃特流，而庫埃特流也是形成渦旋的典型流動方式 21。 典型的庫埃特流實驗的示意圖如下所示，為內(nèi)外圓柱的同心相對旋轉。 無錫太湖學院學士學位論文 10 （a）旋轉庫埃特流； （b）同心圓筒間的泰勒渦 圖 2.5 旋轉庫埃特流實驗示意圖 圓柱的內(nèi)半徑為 1R，以角速度 1 旋轉，圓柱的外半徑為 2R，以角速度 2 旋轉 22， 經(jīng)典的庫埃特流模型為內(nèi)外圓柱同心旋轉，同時旋轉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)外圓柱的長度遠遠大于內(nèi)外圓柱之間的