关于多功能自动封箱机的研究 ①

岳彦辰, 董轶男, 高琪轩, 穆冬雪

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154000)

0 引 言

包装在现实生活中运用到很多领域，特别是在目前电商盛行时代，产品的不断增加给包装工人提高了难度，所以拥有一个机械包装设备是很有必要的，不仅简单方便还减小了生产成本。

包装技术的发展前景愈加广阔。近年来,国家又进一步地加大了对于安全性的监管力度,对于产品制造和加工的关键零部件以及外壳组成的技术都提出了许多新的要求。一批封箱机企业先后投入了大笔的资本去开始研究生产封箱机设备,并且做了一系列的技术改革。对比传统产品和相类似产品，可以发现目前存在的诸多不足：如封箱机自动化程度低、价格整体居高、体积大，占地面积大、封箱品质不高等。通过调查发现，自动化程度高，体积小价格实惠的封箱机产品现在处于市场空白。

1 研究内容

1.1 封箱机构方案设计

通过传送带传送纸箱，通过压轮压紧胶带与纸箱贴合，通过连杆机构割断胶带，利用弹簧和连杆机构回位。具体方案示意如下：

1.2 设计方案的确定

1.2.1 传送机构设计方案的确定

选择连续性传递，方便纸箱的快速连续封箱。

1.2.2 调节机构设计方案的确定

(1)自锁性能的要求高选用丝杆，用圆盘手摇丝杆，安全便捷，确定选取螺纹大径30mm，螺距10mm，高度5mm。

(2)为达到两边同时调节宽度，选取丝杆相同的轴双向旋转调节两导轨之间的宽度。

1.3 传送装置设计

选取变速系统连续传送，通过皮带转动，到齿轮传送，到达平带传送来实现子项的连续传送。如图5所示：

电动机的选用

A 电机功率的选择

电机的选择都应该选择适合的组合而不是功率越大越好,都会直接或间影响涉及到整台电动机的正常运行和使用经济性。

负载的平稳、转动连续，根据电机的额定功率选择。选择时要确保

P0≥Pr

式中:P0为 电动机额定功率，kW；Pr为 工作机所需电动机功率，kW；所需电动机功率有下式计算

式中：PW为 工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数确定；η为电动机到工作机的总效率。

图1 封箱过程示意图(1)通过胶带滚轮

图2 封箱过程示意图(2)抬起带胶带的滚轮同时抬起后方滚轮

图3 封箱过程示意图(3)到达压轮

传动装置的总效率η，有传动装置的组成确定。多级串联的传动装置的总效率为：

η=η1·η2·η3…ηW

B 确定电动机的转速

考虑到包装速度v≥15箱/min，包装箱长度：180mm～550mm，因此输送带速度应满足：

纸箱传送，交代隔断的时间因素所以在这个过程中要调高传送带的速度，带速v=0.5m/s。

图4 封箱机构的改进图

图5 传动装置简图

本设计为纸箱运输。如果箱子的重量M=50kg，网上查找纸质材料与带之间的摩擦系数0.4-0.5，所以选取0.45.滚筒直径选100mm.

皮带的拉力

F=μmg=(0.45×50×9.81)N=220.73 N

圆形滚筒的功率

传动装置总效率η=η联.η齿轮.η轴承.η滚筒.η带

按《机械设计课程设计手册》表4.2-9取：

联轴器效率η联=0.99

齿轮传动效率η齿轮=0.97

滚动轴承效率η轴承=0.98

滚筒效率η滚筒=0.96

带传动效率η带=0.95

则传动总效率

η=0.99×0.97×0.98×0.96×0.95=0.81

所需电动机效率

滚筒转速

选择电机为Y801—4型号，额定功率P0=0.55kW，同步转速1500 r/min,满载转速1390 r/min。

由表4.12-2查得电动机中心高H=80mm，外伸轴段D×E=19mm×40mm

1.4 减速器的选用

根据前面计算本设计采用减速器传动的功率P=0.14 kW，且传动比为i减=8.73，转速n=1390 r/min，选圆柱齿轮减速器。

选择减速器的中心距离a=190mm，a1=78mm，a2=110mm。

根据表9-1-4选取减速器公称传动比系列i=5.8

根据表9-2-3 ZLY型减速器低速级许用输入功率P1=1.4 kW

根据表9-2-9 ZLY型减速器外形尺寸设计减速器的尺寸。

1.5 带传动的设计

V带传动主要选定了所需的机械材料和元件为一条 a 型普通专用 v 带(基准制为宽度制),其基础截面的尺寸规格及其宽度详细信息可参阅《机械设计实用手册》和附表8-1-4,选择一条 a 型专用 v 带,其基本截取面的尺寸大小:节宽高度=11mm ;宽度大小:顶宽节b= 14mm ,高度节宽h= 9mm ,楔角=39°。

(1)V带的数据选择。

1)确定计算功率Pc：

已知：P=0.13kW；nm=238.83r/min；

查《机械设计基础》表13-8得工况系数：

Ka=1.2；

则：Pc=KA·P=1.2×0.13kW=0.156kW

2)选取V带型号：

根据Pc,nm查《机械设计基础》图13-15选用Z型V带,

3)确定大、小带轮的基准直径dd

(a)初选小带轮的基准直径：

dd1=50mm；

(b)计算大带轮基准直径：

dd2=i带·dd1(1-0.02)=

2.5×50×(1-0.02)=122.5mm；

圆整取dd2=125mm，误差小于5%，是允许的。

4)确定V带的基准长度和传动中心距：

(a)中心距：

0.7(dd1+dd2)

初选中心距a0=200mm

(b)基准长度：

对于Z型带选用Ld=710mm

(c)实际中心距：

5)验算主动轮上的包角α1：

主动轮上的包角合适。

6)计算V带的根数z：

(a)nm=1390r/min，dd1=50mm查《机械设计基础》表13-3 得：

P0=0.15kW；

(b)nm=1390r/min，i带=2.5，查表得：

ΔP0=0.03kW；

(c)由α1=159.92°查表得，包角修正系数Kα=0.95

(d)由Ld=710mm，与V带型号Z型查表得：KL=0.99

综上数据，得

取z=1<10合适。

8)V带传动的主要参数如下：

带型Z，带轮基准直径d1=50mm，d2=125mm，传动比为2.5，基准长度710mm，中心距214mm。

(2)研究带轮的结构

1)材料的选择：

采用铸铁式带轮

2)选择带轮的机构：

V型带轮的直径大小与带轮的结构息息相关。小型电动机的带轮，da1=50mm较小，所以采用实心式结构带轮。

1.6 主轴部分的设计

1.6.1 轴材料的选择

应为在本次的封箱设计中轴的负载比较小，在保证充足的动力下不会有误差轴的材料可以选择45号钢，调质处理。

1.6.2 各轴段直径和长度的确定

(1)初步确定主轴的最小直径

由于弯矩较小，载荷平稳，无轴向载荷，所以[τy]取较大值，τy=30MPa，A0取较小值,A0=112mm2，则轴的最小许用直径为：

轴上键槽对轴有削弱作用，所以本次设计选取最小主轴直径dmin=16mm。

(2)轴上各段长度和直径的初步确定

根据总体分析取主轴总长l=300mm，根据设计要求轴的在不同运输过程中的作用，选择不同段的尺寸。

轴上1段安装带轮，初定尺寸：l1×d1=20×16mm；轴上2段安装深沟球轴承，初定尺寸：l2×d2=12×20mm，轴上3段安装滚筒，初定尺寸：l3×d3=600×25mm，轴上4段安装深沟球轴承，初定尺寸：l4×d4=12×20mm。

(3)确定轴的配件与轴承

根据主轴初步尺寸选择配件。由于不承受轴向力，故选用深沟球轴承,选择代号6204(GB/T276-1994)安装在2和4两段轴上，其基本尺寸：d×D×B=20×47×12mm，ysmin=0.6mm，安装尺寸：

damin=25mm，Damax=37mm，Yamax=0.6mm。

(4)精确确定各轴段的尺寸

轴1段：

l1×d1=20×16mm

轴2段：

l2×d2=12×20mm

轴3段：

l3×d3=600×25mm

轴4段：

l4×d4=12×20mm

1.7 滚筒的设计

滚筒的是根据起于工作台的连接还有其在工作时的作用，设计圆形滚筒使其承载能力加强，结构也非常简单，并且还可以节省更大的空间，如图6所示。

图6 滚 筒

1.8 封箱机构设计

工作台高度的调节机构

为了适应工作的高度，工作台设计为可调高度形式，在工作台的4更支撑柱下面开4个矩形落空，通过螺栓来调节工作台的高度，可调节的高度在200mm以内，结构简单，易于操作，降低成本。

图7 机架部件

2 结 语

通过以上内容的研究与讨论，可以总结出该项设备具有以下几点作用：

1)较多采用钢丝绳传动，提升机械传递效率，价格低廉，质量轻，节省空间；钢丝绳上的弹簧既可以提供张紧力，还起到了过载保护的作用。

2)折边机构采用四个空间凸轮同步旋转，异步折边，仅需一个电机即可实现单侧折边，稳定高效；同时凸轮还起到支撑纸箱的作用，结构精巧，体积极小。

3)封胶机构依靠单自由度机构受力后的独特运动完成封胶，重复性好，可靠度高，节省动力，相比传统的采用四连杆的封胶机构体积更小巧。

4)广泛采用3d打印等先进技术，机电一体化设计，更加体现其先进性。

5)本产品体积小巧，功能全面，成本低，耗电少，噪音小，极适合初期创业人员打包使用。