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0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)包裝機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。在很多領(lǐng)域內(nèi)， 人們都需要對(duì)一些粉粒狀物料進(jìn)行定量的包裝。 手工包裝的效率低、包裝質(zhì)量差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，針對(duì)以上問(wèn)題，有必要采用粉粒包裝機(jī)包裝。此外，人們對(duì)包裝質(zhì)量和包裝效率要求也越來(lái)越高， 這就需要我們進(jìn)一步分析包裝機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，從而能夠改善包裝機(jī)的性能。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)分析已作了很多研究， 而對(duì)包裝

機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的分析還不是很多。

為了提高包裝機(jī)的使用效率， 有效避免包裝機(jī)的共振現(xiàn)象， 對(duì)包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)身進(jìn)行了系統(tǒng)性的有限元模態(tài)分析， 從而得出了包裝機(jī)的機(jī)身的固有頻率和振型的相關(guān)的數(shù)據(jù)， 并將模態(tài)分析得出的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終確定了該包裝機(jī)的固有頻率和振型。 由于采取凸輪分配軸的機(jī)械控制方式， 在包裝機(jī)高速運(yùn)行時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊、 振動(dòng)和機(jī)身抖動(dòng)的現(xiàn)象，從而引起較大的噪聲，這些不良的現(xiàn)象都會(huì)致使計(jì)量的數(shù)值超過(guò)其所允許的誤差范圍， 從而會(huì)出現(xiàn)不能滿足使用要求和不合格的包裝好的成品以及空包現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，大大降低包裝的精度。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上， 運(yùn)用靜力學(xué)分析方法， 對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)的分配軸進(jìn)行更精確的工程分析，從而有利于掌握傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，找出系統(tǒng)存在的問(wèn)題，加以改進(jìn)，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高包裝機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

1 包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

 顆粒包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主電機(jī)、減速器、拉袋凸輪、拉袋電機(jī)、切刀、滾輪、熱封凸輪、齒輪副、分配軸、離合器等零部件組成

包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要工作原理： 由主電機(jī)提供動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)子軸與 V 帶相連，并驅(qū)動(dòng)減速器，從而驅(qū)動(dòng)減速器輸出端的分配軸，分配軸通過(guò)鍵連接裝有拉袋凸輪、 熱封凸輪和小圓柱齒輪等傳動(dòng)件。通過(guò)拉袋凸輪將動(dòng)力傳給齒輪副，進(jìn)而傳給滾輪；通過(guò)熱封凸輪將動(dòng)力傳給熱封臂板，進(jìn)而帶動(dòng)切刀和熱封器的開(kāi)合； 通過(guò)齒輪副將動(dòng)力傳給供料機(jī)構(gòu)以及給光電補(bǔ)償、計(jì)數(shù)提供同步信號(hào)。

2 包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析中， 模態(tài)分析是其研究的基礎(chǔ)內(nèi)容， 通過(guò)確定機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率和振型，優(yōu)化包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)，使包裝機(jī)在工作過(guò)程中避免發(fā)生共振。以下是用 ANSYS Workbench 模塊對(duì)包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)分析，經(jīng)過(guò)分析可以得到包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的前 6 階固有頻率和振型。

包裝機(jī)的固有頻率決定著其振動(dòng)特性， 如果包裝機(jī)的激勵(lì)頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合， 則該包裝機(jī)會(huì)產(chǎn)生共振 ［ 1-3 ］ 。 包裝機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)情況，不僅影響包裝精度，而且還會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生噪音影響，縮短使用壽命，更嚴(yán)重的會(huì)造成包裝機(jī)局部破壞等。當(dāng)包裝機(jī)在工作過(guò)程中旋轉(zhuǎn)頻率與固有頻率相等或者相近時(shí)，該包裝機(jī)處于共振狀態(tài)，隔振系統(tǒng)受到干擾后會(huì)快速越過(guò)共振區(qū)域， 在此期間最大瞬時(shí)位移是正常值的 3~7 倍。
 

3 包裝機(jī)的頻譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)

振動(dòng)設(shè)計(jì)中常碰到系統(tǒng)的固有頻率很難確定的問(wèn)題， 解決這類(lèi)問(wèn)題唯一可靠方法是測(cè)試。 目前，測(cè)試結(jié)構(gòu)的固有頻率的試驗(yàn)方法很多，而為了能夠通過(guò)測(cè)試的方法來(lái)得到包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率， 本次實(shí)驗(yàn)方法是首先將包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中需要獲得其振動(dòng)的固有頻率值的位置處作為測(cè)試點(diǎn)，運(yùn)用采集加速度信號(hào)的方法，利用振動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試， 然后利用振動(dòng)分析軟件對(duì)該測(cè)試點(diǎn)的加速度信號(hào)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換得到頻譜圖， 頻譜圖中的最高點(diǎn)即為該測(cè)試點(diǎn)的固有頻率值。

利用專(zhuān)用分析軟件對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行處理，在實(shí)際運(yùn)行中選取前 6 階固有頻率， 采取隔振等方法來(lái)減輕包裝機(jī)分配軸旋轉(zhuǎn)速度在啟動(dòng)、工作、停止過(guò)程中達(dá)到或者接近固有頻率產(chǎn)生的共振。
為了能夠更直觀地比較固有頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值和分析計(jì)算的數(shù)值， 將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和分析計(jì)算值列表。
 

通過(guò)表 2 的對(duì)比結(jié)果可知， 包裝機(jī)的固有頻率的分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之間的誤差最大為 6.4% ，在有效誤差范圍之內(nèi)。 這進(jìn)一步驗(yàn)證了包裝機(jī)的固有頻率的分析計(jì)算結(jié)果的正確性，有利于改善包裝機(jī)的性能， 為以后分析包裝機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)，對(duì)減振、隔振分析提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 并為設(shè)計(jì)包裝機(jī)時(shí)避免出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題提供了有力參考。
 

4 包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中的分配軸的分析

分配軸是包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中比較重要的零部件， 分配軸的好與壞直接影響著包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)， 而包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)又是包裝機(jī)的核心部分，它會(huì)影響到包裝質(zhì)量和包裝效率。 因此，對(duì)包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的分配軸作相應(yīng)的靜力學(xué)分析是很有必要的。

用 ANSYS Workbench 模塊對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的分配軸進(jìn)行靜力學(xué)分析 。分配軸劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為 5 256 ，單元數(shù)為 2 613 ，由圖可以看出最大應(yīng)力為 368.6 MPa, 超過(guò)了所規(guī)定的許用應(yīng)力，不符合實(shí)際使用要求，因此需要對(duì)分配軸進(jìn)行優(yōu)化。

提高軸強(qiáng)度的常用措施： 合理布置軸上零件以減小軸的載荷， 本設(shè)計(jì)中為了減小軸所承受的彎矩，傳動(dòng)件靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支撐形式，力求縮短支撐跨距及懸臂長(zhǎng)度，可以在軸中間位置加一個(gè)固定軸承 ［ 4-6 ］ ；改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷； 改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中的影響； 最后可以改進(jìn)軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強(qiáng)度。

在距離分配軸底部 400 mm 處加一個(gè)軸承，限制軸 X ， Y 方向移動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行靜力分析，得到的分析結(jié)果如圖 4 所示。 分配軸優(yōu)化后的最大應(yīng)力為228.02 MPa ，其數(shù)值在規(guī)定的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，故優(yōu)化后的分配軸符合實(shí)際的使用要求， 從而在一定程度上能夠提高包裝機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

（ 1 ）運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析， 從而獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型， 而固有頻率和振型能夠很好地反映出包裝機(jī)在工作過(guò)程中的振動(dòng)特性。 在設(shè)計(jì)包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)， 要避免包裝機(jī)在工作時(shí)所產(chǎn)生的頻率與其固有頻率相同或接近，即避免共振 ［ 7 ］ ，從而能夠有效減小振動(dòng)和降低噪聲， 有利于提高包裝機(jī)的整體性能。 同時(shí)，通過(guò)分析，也有助于選取合適的隔振方法， 從而可以減輕包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的分配軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。

（ 2 ）利用相應(yīng)的振動(dòng)測(cè)試儀器和采集加速度信號(hào)的方法來(lái)對(duì)包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)做相應(yīng)的頻譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)，從而最終得到正確的固有頻率值，并將其與分析計(jì)算得到的值進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)其試驗(yàn)測(cè)得值和分析計(jì)所得值沒(méi)有太大的誤差， 進(jìn)而反映了有限元分析計(jì)算的數(shù)值的準(zhǔn)確性， 可以有效避免設(shè)計(jì)包裝機(jī)時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題。

（ 3 ）對(duì)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析計(jì)算與評(píng)估，保證了數(shù)值分析的可靠性。

（ 4 ）對(duì)包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的分配軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，從而得到其應(yīng)力、應(yīng)變和總變形的情況，并根據(jù)應(yīng)力的大小對(duì)分配軸進(jìn)行了優(yōu)化， 進(jìn)而能夠提高包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

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