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1、.纸筒卷管机的设计机电技术教育 胡升华指导老师 易克传摘要：纸筒是食品、种子、纺织和轻工等行业普遍使用的一种管状包装材料,传统的纸管加工一般采用手工加工,费力费时,不能满足现代化生产的需求。本设计在传统的纸管卷管机的基础上,通过对卷管原理和运动机构的分析,对卷管机的总体结构和方案进行了论证,着重对动力传动装置、进纸机构、卷管机构等部分进行了设计,并完成了总装配图的绘制。为纸罐加工和现代化生产提供理论依据。关键词：纸筒；卷管机；结构；设计前言随着社会的发展和人们生活质量的提高,人们对美的追求和对环保意识的加强,各行业对商品包装要求也越来越高,纸罐包装因其独特可变的外形和环保优势成为包装行业的首选
2、。纸管产品可广泛用于纺织、印染、五金、塑料造纸、医药、食品、饮料等行业的包装1、2。用于纸罐包装的纸管产品的加工工序主要有卷管、切管和封盖等,其中卷管是首道也是最重要的一道工序,它主要将纸条进行卷制成形,形成纸管。传统的卷管机多为手工或半自动卷管,耗费大量的人力物力,生产效率不高。目前,许多厂家在从事纸管卷管机的研究,有些产品已上市,但是在文献资料中很少介绍其设计和加工工艺的。本设计以传统的卷管机为依据,对其整体结构、传动机构、卷纸机构和芯轴等进行设计。这次设计也是对自已的科研能力和综合知识能力进行一次锻炼。1 卷管机的基本结构和工作原理纸管是食品、种子、纺织和轻工等行业普遍使用的一种包装材料
3、。而纸管卷管机是专业生产纸管的机械设备,因卷管机加工效率高,卷管质量好被广泛应用在以上相关行业。纸管卷管机主要由机架、动力机构、上纸机构、卷纸机构和控制机构等部分组成3、4。其基本的工作原理见图1所示。图1 纸管卷管机工作原理简图滚筒为主动部件,一般有两个,分别布置在芯轴的两侧；两侧滚筒通过皮带连接,而皮带在芯轴上作交叉缠绕。电动机的动力经过减速后带动一侧滚筒转动,该滚筒通过皮带带动另一侧的滚筒转动,同时通过皮带带动套筒上的纸带作旋转运动。在此过程中,当纸带送入运动的皮带和套筒之间,在皮带的摩擦力之下将纸带紧紧的按螺旋规律旋紧在转动的套筒上。套筒在皮带带动下继续转动,从而将卷好的纸管顺利的送出
4、,如图所示。图中的纸带在上一道工序浸胶中已单面或双面浸胶,被卷制后形成紧密的纸管。卷出的纸管厚度主要取决于单条纸带的厚度和纸带的层数,纸管的内径取决于套筒的外径,而纸管的致密度则决定于两滚筒的中心的连线与芯轴之间的夹角。2 卷管机的总体方案设计纸管卷管机按其滚筒机头的数量来分类,主要有两机头纸管卷管机、三机头纸管卷管机、四机头纸管卷管机等形式：两机头的纸管卷管机常用于对纸管紧密度要求不高的场合,在实际的使用中也是最广泛的；三机头和四机头的纸管卷管机加工纸管的紧密度高、所得产品质量好,但是成本高,加工工艺复杂。纸管卷管机也可按纸管卷管机所加工的纸管大小来分,主要有小型纸管卷管机、中型纸管卷管机、
5、大型纸管卷管机：小型纸管卷管机加工的纸管用于烟花,鞭炮和特定小物件的包装材料上,一般纸管直径d20mm；中型纸管卷管机加工的纸直径20mmd100mm一般用于纺织行业中做布坯包装内芯；大型纸管卷管机所加工的纸管直径d100mm,一般运用在有特殊要求的场合。本次设计的纸管卷管机加工的纸管内径为40mm。本次设计是基于满足棉籽种子包装纸罐的卷管机设计,故对纸管直径尺寸要求不大,对纸管筒体质量要求也不是很高。所以本次设计的方案是设计二机头中型纸管卷管机。其拟采用的动力传动方案见图2所示。图2 纸筒卷管机动力传递示意图3 卷管机的结构设计3.1卷管机原始参数本次设计以加工棉籽种子包装纸罐的卷管机为样本
6、,根据有关企业提供的参数进行设计,具体参数见表1。表1 卷管机的性能参数卷纸层数310层操作人数1-2人芯轴固定方式卡紧式+法兰式双向固定卷管速度318米/分钟卷杆直径12110mm切割方式单盘刀主动切割卷绕机头单机单双皮带主机规格16009002500主机功率2kw纸管壁厚15mm主机转速150-300r/min滚筒直径320mm3.2各级传动载荷参数的计算已知主机转速为150-300r/min,设计中按243r/min进行计算,初步选定的电机转速=960rmin,所以可得总传动比。初步选定减速器传动比,带传动传动,滚筒和套筒之间传动比,所以有。 根据卷管机设计中预选的传动装置,可计算出卷管
7、机总的传动效率5、6。式中：1为联轴器的传动效率,根据机械实用设计手册,选择1=0.96；2为减速器传动效率,根据机械实用设计手册,选择2=0.74；3为联轴器传动效率,根据机械实用设计手册,选择3=0.96；4为带传动传动效率,根据机械实用设计手册,选择4=0.95；5为滚筒与皮带之间的传动效率,根据机械实用设计手册,选择5=0.90。于是得： =0.583。所以可得: 传动轴转速；带轮转速；套筒转速；3.3电动机的选择电动机类型的选择。常用电动机主要有Y系列异三相异步电动机、防爆电动机和直流电动机,Y系列异步电动机具有效力高、起动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高等特点,适用于不含易燃、易爆
8、或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上,如：金属切削机床、泵、风机、运输机械、农业机械、食品机械等。也可以用于对起动转矩有较高要求的机械,如压缩机等。防爆电动机和直流电动机大多应用在有特殊要求的场合,成本很高。根据卷管机的工作性能要求,查阅有关电机手册,拟选用Y系列异步电动机。电动机功率的选择。电动机的功率选择是否恰当,对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小,不能保证工作机的正常运行或使电动机长期过载而过早损坏；功率选得过大,则电动机价格高,且经常不在满载下运行,电动机效率和功率因数都较低,造成很大的浪费。电动机功率的确定,主要与其载荷大小、发热、工作时间长短有关。根据原始资料提
9、供的数据,主机的功率为2kw,根据3.2节的初步计算纸筒卷管机传动装置的总效率58%。P=一般选择时,保证电动机的额定功率P稍大于电动机的所需功率P即可,即PP。取P=4kW。电动机转速的选择。同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等几种同步转速。一般来说,电动机的同步转速愈高,磁极对数愈少,外廓尺寸愈小,价格愈低；反之,转速愈低,外廓尺寸愈大,价格愈贵。当工作机转速高时,选用高速电动机较经济；而工作机转速较低时也选用高速电动机,则会使总传动比增大,导致传动装置的结构复杂,造价也高。所以在确定电动机转速时,要全面分析,权衡选用。一般机
10、械中,用的最多的是同步转速为1500r/min和1000r/min这两挡的电动机。由于此次所设计的纸筒卷管机的转速比较低,为32r/min。为了使总的传动比不太大,传动装置的结构简单,从而使造价降低,故选用同步转速为1000r/min的电动机。根据以上分析,查机械实用设计手册,确定选择Y-132M1-6三相异步电动机作为本次设计的纸筒卷管机的动力源。其性具体性能参数见表2所示,结构参数见表3所示。安装尺寸见图3。表2 电机参数型 号功 率kW电 流A转速r/min效率%功率因数cos额定转矩额定电流最大转矩重量kg噪 声AdBY-132M1-649.4960840.772.06.52.2807
11、1BCDEFGDGBB17889388010833238表3 电机安装尺寸单位图3 电机安装尺寸 电动机电器保护。在纸管卷管机使用过程中,电机难免会出现短路、过载、突然断电等情况,为保证人身和财产安全对电机电路进行保护设计是必要的。异步电动机起、停、保护电气控制电路是广泛应用的,也是最基本的控制线路,如图4所示。该线路能实现对电动机的起动,停止的自动控制,并且具有必要的保护,如短路保护、过载保护、零压保护。在如图4所示的电气控制线路中,三相交流异步电动机和由其拖动的机械运动系统为控制对象,通过由控制器、熔断器、热继电器和按钮所组成的控制装置对控制对象进行控制。控制装置根据生产工艺过程对控制对象
12、所提出的基本要求实现其控制作用。起动电动机,合上闸刀开关Qs,按下起动按钮SB2,接触器KM的吸引线圈得电,其主触点KM闭合,电动机起动。由于接触器的常开触点KM并联于起动按钮,而且这时已经闭合,因此当松手断开起动按钮后,吸引线圈KM通过其辅助常开触点可以继续保持通电,维持其吸合状态,故电动机不会停止。这个并联接于起动按钮的辅助常开触点通常称为自锁触点。此控制电路称为自锁电路,触点的自锁作用叫做记忆功能。使电动机停转：按停止按钮SB1,接触器KM的吸引线圈失电释放,所有KM常开触点断开。KM主触点断开,电动机失电停转；KM辅助触点断开,消除自锁电路,清除记忆。图4 电机电气控制线路图短路保护绝
13、缘保护、负载短接、接线错误等故障,都可能产生短路现象。短路的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍而使电气设备损坏。短路保护要求具有瞬动特性,即要求在很短的时间内切断电源。由于电机容量较大,则主电路和控制电路都单独设置了短路保护熔断器FU1、FU2。过载保护过载也是指电动机运行电流大于其额定电流,但超过额定电流的倍数更小些。过载保护是采用热继电器与接触器配合动作的方法完成保护的。FR在过载时其常闭触点动作,使接触器KM失电,电动机停转而得到保护。零压保护通过接触器KM的自锁触点来实现。当电源电压消失如停电,或者电源电压严重下降,使接触器KM由于铁心吸力消失或减小而释放,这时电动机停转并失去自
14、锁,而电源电压又重新恢复时,要求电动机及其拖动的运动机构不能自行起动,以确保操作人员和设备的安全。由于电网停电后自锁触点KM的自锁已消除,所以不重新按起动按钮就不能起动。通过上述电路的分析可以看出：电器控制的基本方法是通过按钮发布命令信号；而由接触器执行对电路的控制；继电器则用以测量和反映控制过程中各个量的变化,例如热继电器反应被控制对象的温度变化,并在适当的时候发出控制信号使接触器实现对主电路的各种必要的控制。3.4 联轴器的选择常用的联轴器主要有刚性联轴器和挠性联轴器两种类型。刚性联轴器适用于两轴能够严格对中并在工作中不发生相对位移的地方；挠性联轴器适用于两轴有偏斜可分为同轴线、平行轴线、
15、相交轴线或在工作中有相对位移可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件之分,后两种统称为弹性联轴器。弹性联轴器都具有缓和冲击的作用。用非金属弹性元件构成的弹性联轴器以及用金属弹性元件构成的弹性元件间有磨擦作用的弹性联轴器,除有缓冲作用外,还有减振作用。对于载荷平稳、转速稳定、同轴度好、无相对位移的可选用刚性联轴器；对于有相对位移的需选用无弹性元件的挠性联轴器；载荷和速度不大、同轴度不易保证的,宜选用刚度弹性联轴器；载荷、速度变化较大的最好选用具有缓冲、减振作用的变刚度弹性联轴器；对于动载荷较大的机器,宜选用重量轻、转动惯量小的联轴器；另外,对联轴器的选择还应考虑的几个因素是：1装拆方便；2尺寸较小；3质量较轻；4维护简单等。目前,常用联轴器已经标准化或系列化。一般情况下,可以根据主、从动机械传动特点和要求选择合适的联轴器,必要时可进行专门的设计。设计时,可根据工作要求轴径、计算转矩、工作转速、位移量、工作温度等确定联轴器型号。在重要场合,对其中个别关键零件应作必要的验算,甚至进行系统的动力学计
