橢圓齒輪法優(yōu)化顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的研究

橢圓齒輪法優(yōu)化顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的研究

0顆粒一機(jī)關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)該包裝設(shè)備是將小型顆粒（如藥物）放入包裝中的設(shè)備。結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)量高，應(yīng)用廣泛。目前,很多學(xué)者及研究人員對顆粒包裝機(jī)進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種顆粒包裝機(jī)擺動式充填機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)采用二次下料方案解決了包裝速度與下料的關(guān)系。文獻(xiàn)50-52利用偏心鏈輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了包裝袋大小的可調(diào)性。本文中我們將橢圓齒輪機(jī)構(gòu)引入顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)中,通過與偏心鏈輪法優(yōu)化的顆粒包裝機(jī)對比,表明橢圓齒輪法優(yōu)化的顆粒包裝機(jī)在橫封封接速度不變的情況下,生產(chǎn)效率顯著提高。同時明確了偏心率的合理取值范圍以及偏心率大小對生產(chǎn)效率的影響。為實(shí)現(xiàn)包裝袋大小的可調(diào)性,提出縱封輥半徑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),為顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1裝置的組成顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作原理簡圖如圖1所示。封接裝置由橫封和縱封組成,成型器可引導(dǎo)包裝袋進(jìn)入封接裝置,包裝袋先進(jìn)行縱封,然后進(jìn)行橫封,最后利用切斷裝置將包裝袋在橫封處切開,形成最終的產(chǎn)品。2心鏈輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為了能夠?qū)崿F(xiàn)包裝袋大小的可調(diào)性,顆粒包裝機(jī)中通常都使用偏心鏈輪作為橫封運(yùn)動的前置機(jī)構(gòu)。偏心鏈輪機(jī)構(gòu)簡圖371如圖2所示。O、O2分別為主、從動鏈輪的回轉(zhuǎn)中心,OO2=L,O1A=O2B=R,主動鏈輪的偏心距OO1=e,角速度為ω0。如果主動鏈輪某時刻的角位移為θ,則此時從動鏈輪的角位移為φ,角速度為ω。根據(jù)文獻(xiàn)372,可知從動鏈輪的角速度ω可表示為3主動齒輪的節(jié)曲線方程橢圓齒輪是非圓齒輪中最常用的一種。當(dāng)用兩個相同的橢圓齒輪傳動時,隨著橢圓偏心率的不同,可得到不同的傳動比變化曲線,以完成各種機(jī)構(gòu)的變速傳動或作為速度和加速度調(diào)節(jié)之用。如圖6所示,橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心在其上的一個焦點(diǎn)上。當(dāng)主動齒輪轉(zhuǎn)過Ф1角時,從動齒輪轉(zhuǎn)過Ф2角,節(jié)曲線上轉(zhuǎn)過的弧長相等。這時,主動齒輪的向徑R1與從動齒輪向徑R2之和應(yīng)等于兩輪的中心距,即R1+R2=A。當(dāng)以回轉(zhuǎn)中心F1為原點(diǎn),F1M方向?yàn)闃O軸時,則主動橢圓齒輪的節(jié)曲線方程式為式中,Ф1為向徑R1的極角;a為橢圓的長半軸;b為橢圓的短半軸;c為橢圓的對稱中心到焦點(diǎn)的距離;ε為橢圓的偏心率,ε=c/a。若主動齒輪以等角速度ω1回轉(zhuǎn),則從動齒輪的瞬時角速度為由式(3)可得橢圓齒輪從動輪角速度曲線圖如圖7所示。4橢圓齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1齒輪機(jī)構(gòu)的裝配由圖7可知,橢圓齒輪機(jī)構(gòu)是一種具有周期性輸出的變速機(jī)構(gòu),因此可以將其應(yīng)用在顆粒包裝機(jī)的縱封機(jī)構(gòu)中。考慮到熱封時,熱封頭與連續(xù)運(yùn)動著的袋筒必須具有同步的線速度,否則,封口部位就可能發(fā)生起皺或拉長甚至斷裂等不良現(xiàn)象50。本文選擇橢圓齒輪機(jī)構(gòu)從動輪角速度最低時刻為橫封的熱封點(diǎn)。假設(shè)縱封輥轉(zhuǎn)一周,切刀切一次,則式中,l為袋長;Rz為縱封輥半徑。橢圓齒輪主動輪角速度為式中,nz為縱封電機(jī)轉(zhuǎn)速。橢圓齒輪從動輪角速度為從動輪的極限角速度為縱封輥角速度為縱封輥的極限角速度為取ωzmin時刻進(jìn)行橫封封接,則此時縱封輥的線速度為橫封輥角速度為式中,nh為橫封電機(jī)轉(zhuǎn)速。橫封封接線速度為式中,Rh為橫封輥半徑。為保證橫封的封接質(zhì)量,要求橫封輥和縱封輥在橫封時的封接線速度相等,即4.2心率的價值范圍縱封輥速度相對誤差為為保證縱封的封接質(zhì)量,要求縱封輥的速度相對誤差滿足下面條件由式(14)和式(15)可推出4.3偏心鏈輪法封接速度由式(4)和式(10)可知,當(dāng)袋長和橫封線速度一定時,ε的值越大,nz越大,則加工效率就越高。因此,根據(jù)式(16),可選偏心率ε=0.05。取l=50mm,則Rz=7.9577mm。為保持與偏心鏈輪法的封接速度相等,vzf=250.13mm/s,可計(jì)算出nz=331.7514r/min。經(jīng)圓整,nz=331r/min,則vzf=249.5635mm/s。不同偏心率、不同袋長所對應(yīng)的封接速度如表1所示。圖8為不同偏心率對應(yīng)的生產(chǎn)效率對比圖。由圖8可知,應(yīng)用橢圓齒輪后,顆粒包裝機(jī)的生產(chǎn)效率為306~331袋/分,與偏心鏈輪法優(yōu)化后的顆粒包裝機(jī)(150袋/分)相比,生產(chǎn)效率顯著提高。4.4縱封輥的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)由式(4)可知,縱封輥半徑只與所加工包裝袋的袋長相關(guān),而與所用橢圓齒輪的參數(shù)無關(guān),因此可將縱封輥半徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。即設(shè)計(jì)一系列標(biāo)準(zhǔn)半徑的可自由更換的縱封輥,根據(jù)所加工包裝袋的袋長來選擇對應(yīng)的縱封輥。這樣,可實(shí)現(xiàn)袋長的可調(diào)性,方便生產(chǎn),提高效率。圖9給出了不同袋長對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化縱封輥半徑。5顆粒包裝的運(yùn)動特性本文中提出將橢圓齒輪機(jī)構(gòu)引入顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)中,通過與偏心鏈輪法優(yōu)化的顆粒包裝機(jī)對比,表明經(jīng)橢圓齒輪法優(yōu)化的顆粒包裝機(jī)在橫封封接速度不變的情況下,生產(chǎn)效率顯著提高。同時明確偏心率的合理取值范圍以及偏心率大小對生產(chǎn)效率的影響。為了實(shí)現(xiàn)包裝袋大小的可調(diào)性,提出縱封輥半徑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),為顆粒包裝機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。由于篇幅所限,對橢圓齒輪法優(yōu)化的顆粒包裝機(jī)動力特性等方面的研究成果將另文發(fā)表。由式(1)可計(jì)算出ω0=5πrad/s時,偏心鏈輪機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動特性曲線如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)52中的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分析。設(shè)備的生產(chǎn)效率為150袋/分,即橫封電機(jī)轉(zhuǎn)速nh=150r/min,主動偏心鏈輪角