包装机械设计课程设计指导书(3)-圆形或方形料管翻领成型器

包装机械设计课程设计指导书（3）
机械工程学院
2012年十一月
一、课程设计的目的
《包装机械设计》课程设计是本课程各教学环节中重要的一环,它让学习者联系实际进一步深入理解、掌握所学的理论知识。

其基本目的是：
（1）培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用包装机械和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深和扩展有关包装机械设计方面的知识。

（2）通过制订设计方案，合理选择包装袋成型器的形式，正确计算和确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，之后进行结构设计，达到了解和掌握机械零件、包装机械经常采用的成型器的设计过程和方法。

（3）进行设计基本技能的训练。

例如计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和处理数据的能力。

二、设计内容与步骤
（一）设计内容
以袋成型-充填-封口机中包装袋成型器为题。

课程设计通常包括如下内容：了解设计题目要求；合理选择成型器的类型，具体计算和设计成型器的基本参数；进行结构设计；绘制零件工作图；编写计算说明书以及进行设计答辩。

（二）设计步骤：
（1）设计准备
认真研究设计任务书，明确设计要求、条件、内容和步骤；通过阅读有关资料、图纸、参观实物或模型、观看电视教学片、挂图等，了解设计对象；复习有关课程内容，熟悉零部件的设计方法和步骤；准备好设计需要的图书、资料和用具；拟定设计计划等。

（2）成型器类型的选择
根据题意，选择合适的成型器类型。

（3）参数设计和计算
计算和选择成型器的参数；确定成型器的有关尺寸；进行结构设计；完成图纸的绘制；审核图纸。

（4）零件工作图设计
（5）整理和编写计算说明书
（6）设计总结和答辩
三、设计要求
在课程设计之前，准备好必要的设计手册或参考资料，以便在设计过程中逐步去学习查阅资料。

确定设计题目后，至少应复习在课程中学过的相关内容。

完成本课程设计的具体要求如下：
１、设计说明书要全面反映设计思想、设计过程和结论性认识。

其工艺设计要有文字、计算、公式来源、参数选取的资料名称或代号、图表（草图）。

说明书用A4纸打印，约20页左右，并装订成册。

２、设计图样按“机械制图”、“公差与配合”等国家标准完成。

３、零件图按生产图样要求完成，零件的有关精度和技术要求要有合理的标注或说明。

设计过程中，提倡独立思考、深入钻研，主动地、创造性地进行设计，反对不求甚解、照抄照搬或依赖老师。

要求设计态度严肃认真、有错必改。

只有这样，才能保证课程设计达到教学基本要求，在设计思想、设计方法和设计技能等方面得到良好的训练。

四、设计指导
制袋成型器是自动袋装机的一个关键部件，其作用是使平面状的包装薄膜材料转变为圆筒状，并产生封接边以利于包装物料的进入。

制袋成型器的选择、设计、和使用，直接影响着产品的包装形式、包装袋的形状与尺寸、包装质量以及机器布局等。

1.翻领成型器
如图（1）所示，平张薄膜拉过该成型器后，成塔接或对接圆筒状。

翻领成型器成型阻力较大，容易使薄膜产生变形、发皱或撕裂，对塑料薄膜的适应性差，对复合膜适应性较好，常用于粉状、颗粒状物料以及部分液料的包装，立式枕型包装机应用较多。

每种规格的翻领成型器只能成型一种规格的袋宽，当袋宽规格发生变化时，需要更换相应尺寸的成型器，设计、制造以及调试都比较复杂。

图1 翻领成型器
2.圆形管翻领成型器的设计
（1）数学模型的建立
图2所示为圆形管翻领成型器的结构参数设计简图。

图2 圆形管翻领成型器计算简图
以圆形管的
oz 轴线为纵轴，建立直角坐标系xyz o -，管料与oxyz 平面相交所得
圆半径为r 。

直线AB 为包装材料从最后一根导辊引出后与成型器的接触线。

ABC 构成平面等腰三角形，并与xoy 平面的夹角为α角。

D 是AB 的中点，有∠ACD=∠BDC=β。

空间曲线ACS 、BCS 构成对称的两个曲面，SCS 为成型器领口交接曲线，S 为该曲线的最低点且位于ox 轴上；C 为该曲线的最高点，其在xoy 平面上的投影我为N 点，N 点位于ox 轴上，
令h N C ='。

将AC 延长至T ，DC 延长至T ，作ox CE oy T T oz E T //,//,//''，由此得
到的T CE '∠和T CT '∠均为直角，且T CT '∆与ABC ∆在同一平面，T CE '∆在xoz 平面，令e T C ='。

成型器领口交接曲线上任一点P 在xoy 平面上的投影为Q ，令弧长u Q N =
，P 点的高
即为交接曲线函数)(ϕψ，则P 点的直角坐标值为：
)(,sin ,cos ϕψϕϕ===z r y r x
T 点的直角坐标值为：
h e z e y r e x T T T +=-=--=αβαsin ,tan ),cos (
连接P,T 两点，并令f=PT ，有：
2222)()()(z z y y x x f T T T -+-+-=
将P 、T 两点的直角坐标值带入上式得： 2222
)](sin [)sin tan ()cos cos (ϕψαϕβϕα-++--+-+-=h e r e r r e f
（1）
将成型器沿S S '剪开并展平，如图（3）所示，PT 长度可由下式表达：
222
)]([)](tan [ϕψϕβ--++=e h u e f
（2）
对于同一成型器，展开前后，PT 的长度不会改变，也即f 值不会改变，联立式（1）,式（2），消去f ，可得领口交接曲线上任意点P 的高度)(ϕψ的表达式：
)
sin 1()(21
)cos 1)(cos ()]()([tan )(2
αϕϕαϕϕβϕψ++--+--
=e u r e r rdain u e h （3） 此式的边界条件为：
0)(=ϕu 时，h =)(ϕψ；πϕ=)(u 时，0)(=ϕψ （4）
令0)(=ϕψ，代入式（3），可求得线段T C '的长度值e ：
α
βαcos 2tan )sin 1(22122
r a h r a e --+-= （5）
由此可见，设计中若能首先包装袋净宽a 、管料半径r 、翻领三角形ABC 的半顶角β、翻领三角平面的后倾角α以及成型器领口交接曲线的最大高度h ，则可求得e 值，再利用式（3），计算出每一段弧长所对应的在交接曲线上各点的高度)(ϕψ，即成型器的领口交接曲线。

其整体设计步骤如下：
(2)参数a 、β、h 的确定
①包装袋净宽a 。

包装袋袋筒的内表面与料管的外表面近似直接接触，故取r a π
≈。

②翻领三角平面的后倾角α。

与三角成型器安装角相似，α角越大，则薄膜通过成型器的成型阻力亦大，但结够尺寸小，包装机总体尺寸紧凑。

生产实践表明，翻领成型器的后倾角α取用范围较大，一般在︒
︒
-60~60。

③翻领三角形平面的形状尺寸。

如图3所示，三角形平面ABC 将平张薄膜从导辊牵引至成型器最高点C ，在开始拆弯成型器之前用来引导和承载包装材。

其形状尺寸由底a AB 2=、高b DC = (或顶角β2=∠ACB )来决定。

a 值与包装袋袋尺寸有关。

b 值大小反映了引导面的大小，如果b 值太小，会使包装薄膜在交接曲线附近的运动阻力过大，引起包装薄膜材料的拉伸变形；反之，则会导致成型器结构不够紧凑，且增加 薄膜与成型器表面之间的摩擦。

设计时可取h b ≈，则
h
a
b a ==
βtan （7）
图3 圆形管翻领成型器展开示意图
④领口交接曲线的最大高度h 。

领口交接线是一条空间曲线，对某一特定的r 、α和β而言，其领口交接线的最大高度h 与线段e 的长度有关。

当e 值由0→ ∞变化时，h 由某一高度值逐渐减小（起初h 值随e 变化较大，而后越来越小），值至减为
α
α
βsin 1cos 2tan 2++=
r a h （8）
当e 取值较大时，h 较小，成型器较矮，包装薄膜在成型时变形急剧，阻力增大，不利于制袋；当e 取值较小时，h 较大，成型器较高，虽然薄膜成型时的变形或阻力较小，但结构不紧凑，导致加料管悬臂增长，受力情况变差，给制袋成型器的制造与使用带来困难。

由图（4）可知，当αcos 2r e >
时，h 的变化已极为缓慢，一般可取α
cos 20r
e <<。

将式（5）代入此不等式，推导得
1sin 1tan cos cos 4
h a r a h =+++>α
β
ααπ
为不使成型器尺寸过大，h 值通常在1h 计算值附近取整数。

设计时，为使领口交接曲线较精确，对ϕ来说，在π~0的范围内一般不应少于8个计算点，在ππ2~之间，因曲
线对称，则无需重复计算。

⑤确定领口交接曲线的轨迹点由式（5）
α
βαcos 2tan )sin 1(22122
r a h r a e --+-=
)
sin 1(21
)cos 1)(cos ()]sin([tan )(2αϕαϕβψ++--+--
=e u r e r r u e h u
五、设计题目与分组
按学号顺序（或自由组合）每组学生人数为1～2名。

同组同学之间的内容不能雷同。