颗粒包装机封口系统的设计

本科毕业设计(论文) 题目：颗粒包装机封口系统的设计

系别：机电信息系

专业：机械设计制造及其自动化

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指导教师：

2013年05月

颗粒包装机封口系统的设计

摘要

本论文是对颗粒包装机封口系统的设计，首先以相似类型的颗粒包装机为参考，讨论了许多包装机的封口方法，并指出各个封口方式的优劣，然后重点对热封形式进行研究和设计。依据包装工艺路线，确定了设计方案，根据对比分析结果，确定了横封、纵封以及切断机构的形式，从基本理论、基本工作原理、基本分析方法上对设计作了阐述，并进行了结构设计及相关计算。

封口对于包装来说是一道不可缺少的工序，只有封口以后才能密封保存和便于运输销售，因此对封口系统的详细研究设计就具有了一定的意义。

本设计能进一步提高包装机封口系统的性能，并且结构简单、结构尺寸较小，便于安装和维护，操作简单方便。

关键词：包装机；纵封；横封；切断

Design of Sealing System for Granule Packaging Machine

Abstract

The paper is about granule packaging machine , discusses the sealing method for many packaging machine, and points out that various sealing methods, and then focus on the research and design of the heat sealing form. On the basis of the packaging process, the design scheme is determined, according to the results of comparative analysis, to determine the horizontal, longitudinal sealing and cutting mechanism of form. From the basic theory, basic principle, basic analysis method of design is expounded, and the structure design and calculation.

Sealing is an indispensable procedure for packaging, only the sealing to storage and convenient transportation sales, so the design of a detailed study of the sealing system has a certain significance.

This design can improve the properties of packing packing machine, and has the advantages of simple structure, small size, convenient installation and maintenance, the operation is simple and convenient.

Keywords：packaging machine; sealing system; transverse sealing davice; the vertical sealing device

目录

1 绪论 (1)

1.1研究背景及意义 (1)

1.2包装机封口系统简介 (2)

1.3包装机、封口机国内外发展现状 (5)

1.4本文主要研究工作 (6)

2 包装机封口系统总体方案设计 (7)

2.1总体方案分析 (7)

2.2总体方案提出 (7)

2.3总体方案确定 (9)

2.4传动方案确定 (10)

2.5小结 (11)

3 包装机封口系统部件设计 (13)

3.1纵封器的设计 (13)

3.2横封器的设计 (15)

3.3偏心链轮的设计计算 (15)

3.4剪切机构的设计 (20)

3.5剪切相位调节机构的设计 (21)

3.6小结 (22)

4 链轮的设计计算 (23)

4.1链轮的介绍 (24)

4.2链轮的失效形式 (24)

4.3链轮的详细设计计算 (24)

4.4链传动的合理布置 (25)

4.5链传动的张紧 (26)

4.6链条的材料选用 (27)

5结论 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

毕业设计（论文）知识产权声明 (31)

毕业设计（论文）独创性声明 (32)

设计图纸和说明书联系QQ2576636538

3 包装机封口系统部件设计

塑料薄膜及其复合材料是自动制袋包装机中最常用的包装材料，特别是多层复合薄膜，因为它的气密性良好以及高强度而广泛应用于食品包装中。

塑料薄膜的封口采用热融封合的方法，具体操作是：对塑料薄膜的两个接触面加热，使其处于熔融的热塑化状态，再给封接部位施压，使薄膜两个封接面融合密封牢固。影响封合质量的因素主要是加热温度、封合压力和和作用时间。热融封合的方法有多种形式[2]，最常用的是电阻加热法和脉冲加热法，另外还有高频电加热封合、超声波加热封合、电磁加热封合和红外线加热封合等。每种方法均适用于一定品种范围的塑料材料。在自动制袋装填包装机中，广泛应用电阻加热的热融封合方法，因其具有机构简单，调控方便的特点。而且，用于食品包装的薄膜主要是聚乙烯及其复合材料居多，也就是说主要以聚乙烯为热封合材料，因此用电阻加热封合法是完全能满足要求的[3]。

连续制袋包装机中有两个封合装置：纵封装置和横封装置，分别实现包装袋的纵缝封接和横向封合。他们均采用电阻加热的封合方法。

3.1纵封器的设计

在连续式自动制袋装填包装机中，由于薄膜连续输送，因此其纵缝封接是连续进行的。为此采用一对滚轮式电阻加热的热融封接器来实现连续纵封。在此，热融封接滚轮不仅完成包装薄膜制袋的纵向热封，同时还起到对包装薄膜的辅助牵引输送作用。也就是说，牵引和纵封是同时进行的，牵引滚轮同时也是纵封滚轮

如下图3.1所示是纵封执行机构的结构。两纵封辊轮的圆筒内均装有加热器，发热元件一般用电阻发热线圈，绕装在支座上，再通过支座安装在轴承座或者安装板上。当纵封辊轮随轴旋转时，加热器固定不动，持续的对辊子的圆筒壁均匀加热。加热温度通过测温器测量，并由温控表控制器变化范围。

纵封器的动力来源在传动系统设计时候已经提到，通过链轮带动了纵封器的主动轴，纵封器的主动轴和被动轴通过一对相互啮合的齿轮同时驱动两轴，使纵封辊实现相对旋转。

1-加热线圈 2-套筒 3-纵封辊 4-弹性挡圈

5-调节支杆 6-导热套筒 7-轴承 8-纵封轴

图3.1 纵封器结构图

如图3.1所示，纵封装置主要由一对纵封辊1组成，辊子的外圆周表面紧密

压合，压合力来自弹簧力的作用。纵封辊分别安装在轴的左端，由螺母固定，使

得辊轮可随轴转动。轴7的两端轴承固定安装。另外一轴可以相对滑动，滑动的

目的是调节两纵封辊的相对距离和压力，其上端固定一个调节支杆8。

在纵封辊的封合圆柱表面上都加工有均匀细密的网纹，以增加封口的牢固

度，使热封美观而且质量得到保证。另外，由于纵封辊轮在工作中长时间处于加

热状态，并连续相对滚压运转，因此需要有较好的综合力学性能。在实际生产中

可采用合金结构钢加工，如40Cr 等钢材制造。

对于纵封辊轮的受力情况，已知低密度聚乙烯和钢之间的静滑动摩擦系数

f=0.27，设调节支杆上的弹簧的预紧力为200N ，则对纵封辊产生的摩擦力为：

F=200×0.27=54N （3.1）

已知纵封辊的直径为D=64mm ，由公式T=2

FD 可得： mm N ?=?==17282

6454T T 21 （3.2） 则纵封辊的功率，由公式（3.3）：

P 纵=9550

n T ?≈181W （3.3） 则主轴的功率P=P 纵×i=431W （3.4）

3.2横封器的设计

横封器用于复合薄膜包装袋的横向热熔封合。横封器是将经纵封器进行纵向封合后筒状的包装材料，按照工艺要求的长度规格进行横向封合，按照横封器工作的运动形式，可分为连续运动和间歇运动两种形式。根据设计需要，本次设计中采用连续式纵封装置。

因塑料袋装机有连续或间歇运动之分，故横封器在机能、运动形式、实现运动的机构及横封的结构方面往往有较大差异，即使是连续式横封器，若该机仅只需完成单一规格袋的，一般较简单，如要适用多规格可调的袋装机就较为复杂。

将一对轴线平行反向等速回转的滚轮的一方或双方加热，在二滚轮中通过封口薄膜进行封焊，其滚轮结构如下图3.2所示，这种结构又称横封器，用来对连续运动的薄膜进行塑料袋横向封口。滚轮依靠支杆4上的弹簧保持弹性接触，其压紧力大小可通过锁紧螺母1和调节套筒2等来获得。其中主动齿轮8带动从动齿轮14等速回转，横封辊也就等速回转接触加热。在滚轮内装有电热丝卷绕后外套钢管的加热棒，电流由碳刷5和滑环（图中未画出）与加热棒中的电热丝相通。滚轮外形呈菱形（见界面A-A），利用留下的圆弧部分封口，在圆弧面上可刻有网状花纹，以利封口美观并保证封口质量。热封辊的有效长度（150mm）必须大于最大袋宽（120mm），热封辊的半径r应使其热封时的线速度与塑料移动速度相等。横封辊材料可用40Cr钢，温度可在100～178摄氏温度范围内调节。

1-锁紧螺母2-调节套筒3-机架4-支杆5-碳刷6-横封辊7-横封主动轴8-主动齿轮9-轴套10-从动链轮11-传动链轮12-螺母13-从动轴14-从动齿轮

15-弹簧挡圈16-加热棒17-弹性垫片18-支架

图3.2 横封器

横封器的一些设计计算：

由于包装袋袋宽范围为：70-120mm ，所以横封辊的长度>120mm ，这里设计

为150mm 。

由于包装袋的袋长范围为：60-180mm ，设计选择的长度为100mm ，平均袋

长Lp=120mm ，单轴热封头头数取q=2，所以横封辊半径r 可由下式（3.5）得出：

r=π2qLp =π

21202?≈38mm （3.5） 应用于连续制袋式袋装机上的横封机构有如下一些工艺要求应满足，设计连

续式袋装机的横封器应能满足如下一些工艺要求：

（1） 速度的同步

热封时，热封头与连续运动着的袋筒须具有同步的速度。否则，封口部位就

可能发生起皱或拉长，甚至断裂等不现象。当袋长规格有变化时，尤其要注意这

一点。因此，采用回转型的热封头，由于半径固定不变，往往采用不等速运动机

构（如偏心轮机构、转动导杆机构等）来带动，以便适应调节其封合线速度满足

热封要求。

（2） 横封头的不等速运动

由于横封时，要求横封头在袋筒运动方向上的线速度和袋筒的运动速度相

同，所以横封头必须作不等速运动。此外，工作中的横封头是处于高温状态（温

度高于100℃），为了防止包装材料发生过热现象，应使横封头的横封动作结束，

就很快速让开，所以横封头也必须作不等速运动，常用的不等速机构有偏心链轮

机构和传动导杆机构，本次设计采用的是偏心链轮机构。

（3） 速度的无极可调

当包装机的生产能力和包装袋袋长规格变化时，由于横封头的回转半径不能

调，所以只有改变横封头的回转速度，即横封速度的连续可调。

3.3偏心链轮的设计计算

偏心链轮机构是一种不等速机构，它被广泛应用在立式包装机连续横封辊的

传动链中。通过调节偏心链轮不等速机构，可使连续式包装机的横封辊满足如下

一些工艺要求：热封时，热封头与连续运动着的袋筒必须具有同步的线速度，否

则，封口部位就可能发生起皱或拉长甚至断裂等不良现象，当袋长规格有变化时，

尤其应当注意这一点。

如图3.3所示，偏心链轮不等速回转机构它由两个相同齿数的主从动带轮2、

4和一个张紧轮5，再绕以套筒辊子带3构成。其中主动带轮2由分配轴带动作

匀速回转，其偏心距可以借助滚花手轮1进行调整。从动带轮4则绕定轴作不等

速回转，并经中间传动装置带动热封器的热封头实现不等速回转。

1-辊花手轮 2-主动带轮 3-套筒辊子带 4-从动带轮 5-张紧轮

图3.3偏心链轮不等速回转机构

运动规律分析：图3.4所示为偏心链轮机构工作原理简图。设O 、O 2分别表

示主从动链轮的回转中心，其中心距OO 2=L ，节圆半径O 1A=O 2B=R ；主动带轮

的偏心距OO 1=e ，角速度为w 0。若某瞬间的角位移为θ，相应的从动带轮的角位

移为ψ，当主动带轮节圆上任一点A 转到与带AB 相切时，该点的瞬时线速度为

v A ，其值v A =w 0ρ，（ρ=AO ，为A 点的瞬时回转半径），设它与带同向分速度为v ＇

A ，令v A 与v ＇A 的夹角为β，则其值由公式（3.6）得：

图3.4 偏心链轮机构工作简图

βωβc o s c o s 10AO V V A A ==' （3.6）

???

? ??-++='θθωcos 2sin 220eL L e eL R V A （3.7） 由图3.4可见，同一根带在张紧时A 、B 两点的线速度应该相等，即v B =v ＇

A 若v

B 与从动带轮的节圆相切，并令该轮的瞬时速度为ω，则由公式（3.8）：

???

? ??-++==θθωωc o s 2s i n 220eL L e eL R R V B （3.8） 故得：

???

? ??-++=θθωωc o s 2s i n 1220eL L e R eL （3.9） 上式表明， 当主动偏心轮以w 0等角速回转时，则从动链轮作变角速度转动。

偏心链轮输出运动的特性曲线见图（图3.5）， 实质上它反映了w-θ的变化规律。

根据不同袋长需要，输出满足工艺要求的角速度带动横封器，是设计偏心链

轮机构时必须考虑的可调问题，欲得到所需的角速度，在实际应用中有两个不同

的途径:直接调节选用热合瞬时角，调解主动链轮上的偏心距。

调节选用热合瞬时的θ角，即是利用式(3.9)或图（图3.5）特性曲线，使其

中偏心距e 、链轮半径R 及两轮回转中心距L 不变的条件下，根据输出的角速度

ω，找到相应的主动轮瞬时转角θ，在该瞬时使横封器的热封件与料袋上的光电

色标处在封合状态。由此可见，当袋长变化时应先打开不等速回转机构输出轴到

横封器输入轴间的传动链。待偏心轮上OO 1连线与两回转中心连线O 1O 2调到应

有的θ夹角时，让横封器的热封件相啮合，再合上暂时打开了的传动链，横封传

动时开时合，且找准θ夹角也十分麻烦，一般采用甚少。

图3.5偏心链轮机构输出运动特性曲线

调节主动链轮的偏心距同样亦可达到改变输出角速度满足热封的需要， 它

是利用特性曲线的两个极值点作为专门的热封点， 偏心距的改变可使输出的极

大角速度在-ω0( 1+ e/R)~ω0之间；同样也可使输出的极小角速度在

ω0( 1-e/R )～ω0之间。与此同时，速度极限角ω1、ω2 分别有向π/2、3π/2靠拢的

微小变化，包装机在规定的袋长范围内，其中偏小规格利用min ω的极点进行热合，

偏大规格利用max ω这一极点输出角速度进行热合。

如将经换算后袋长值刻在相应的偏心距的标尺上，只要调节偏心距到预定的

袋长刻度上并加以固定，就能立即使用。这种方法调整方便，得到广泛应用。这

种机构就叫可调式偏心链轮，见图3.6。

图3.6可调式偏心链轮结构简图

调整时首先松开调整螺杆上的锁紧螺母，然后转动调整螺杆，使偏心链轮所

需调整的刻度值对准传动轴中心，调节好之后将其锁紧即可。偏心链轮偏心位置

相对横封辊的位置调整见图3.3。偏心链轮与链轮1的齿数相同，前后横封辊齿

轮的齿数相同，后横封辊齿轮齿数是齿轮1齿数的2倍。这样，偏心链轮沿传动

轴转一圈，链轮1与齿轮1也相应转一圈，而前后横封辊齿轮只转半圈。这就是

说， 偏心链轮沿传动轴转一圈，横封辊转半圈，对一袋进行封口。经主机点动

运转，当前横封辊上的A 点与后横封辊上的B 点重合时，调节偏心轴的位置，

使偏心链轮的偏心方向与链条紧边运动轨迹方向垂直，并使偏心轴处于链条紧边

的一侧，然后将齿轮1与后横封辊齿轮相啮合即可。

由于偏心链轮不等速回转机构输出角速度的大小与偏心距e 、链轮半径R 、

两轮轴中心距L 各参数有关，因此设计偏心链轮不等速机构时，e 、R 、g 也是必

须计算确定的重要参数。由前分析可知，主动链轮的输出角速度的两个极限值:

R

e R

e -=+=110m i n 0m a x ωω?ω （3.10） 两式左端

0max ωω、0

min ωω为从动轮与主动轮的角速度之比，用字母i 表示，改写成:

R e i R e

i -=+

=11m i n m a x （3.11）

如前所述，制袋工艺要求热封件在热合瞬间与包装料袋运动线速度相同， 则

有：

h f R h ω=

60

QL （3.12） 式中：R h -横封件的回转半径，故得： h R QL q R e 6010=??

? ??+ω （3.13） 在设计时可在规定袋长范围内取中间袋长或称平均袋长l p 的热封计算值，

可使e=0、i=1，由式(3.13)可知：

h

p R Ql q 600=ω （3.14） 设偏心链轮的转速为n 0(r/min)，由于：

0ω=πn 0/30 （3.15）

则：

π

ω2600p p h ql Ql q

R == （3.16） 代入（3.10），可得：

ωf =（l/l p ）ω0 （3.17） 也可写i f =l/l p 。

与式（3.11）联立，求得不同袋长所对应的主动链的偏心距：

e f =±（1-i f ）R （3.18）

根据机械设计手册上链轮齿数选取的优先数列，先取链轮的齿数Z=31，链

条节距P 取8mm ，中心距为300mm ，则此偏心链轮的节圆半径R 应为：

R=mm 40Z

180csc 21≈???P （3.19） 则当袋长为100mm 时，偏心链轮的偏心距为：

mm Lp Li R e fi 6.6)1(=-

= （3.20） 令偏心链轮（分配轴）的转速为n 0，则根据公式（3.14），可得n 0=30r/min 。

在装配和调整不等速机构时，可遵循以下方法：

1） 首先把偏心链轮调节在0=e 处，即链轮中心和主轴中心重合。转动偏

心链轮使其偏心线（即调节螺杆轴线）垂直于两链轮轴的中心连线，同时使最小

袋长值的一边靠近链条主动边。

2） 确保横封辊正处于热合状态，即封切刀相互接合状态。

3）配上链条，完成安装。

4）按要求调节偏心值e到需要的袋长值，如此即可启动机器工作。

偏心链轮不等速机构的优点在于结构简单，精度要求较低，使用调整方便。但其调速范围因为取决于链轮偏心值e，因此受到结构的限制。而且e值大侧带张紧轮摆动范围大，其张力波动大，对运动不利。另外，此结构不适于高速运动和可逆传动，速度越高，带跳动越历害。

3.4剪切机构的设计

利用卷筒包装材料来实现物料的包装，都存在着成为单个包装产品的切断工序，切断的方式根据热封方式、包装材料输送形式和切断方法可分为热切和冷切两类，热切如高频加热到、脉冲电加热熔断和电加热切刀等；冷切如回转刀、铡刀、剪刀、和锯齿刀等多种。

热切：它是靠薄膜受热熔化和施加一定压力而使薄膜分开的一种方法。采用热切的切断机构可与横封机构合在一起，在横封同时，进行热切断。热切中有高频加热刀，电热丝熔断及电加热切刀等。其中高频加热刀用在间歇式袋装机上，对聚氟乙烯薄膜袋进行封口，同时完成切断，实际是一只具有刃口的电极；电热丝中间的一根1～2毫米左右直径的圆电热丝，根据需要可选择断续或连续通入脉冲电流，电热丝与薄膜直接接触使熔化的薄膜切断；电加热切刀是具有刃及热量可使薄膜切断。

冷切及其机构：冷切是利用金属刀刃的锋利度使薄膜在横截面上受剪切力而分开薄膜的料袋方法。下图3.7为辊刀式切断装置。

1-转刀2-定刀

图3.7 辊刀式切断装置

回转刀切断机构如图3.7所示，由转刀与固定组合而成，两刀的形状尺寸完全相同，仅安装方向相反，回转刀顺料袋前进方向作等速回转，每袋一周，动刀与定刀间有微隙，保证无袋时不会打坏刀尖。有袋时顺利分切。工作时。回转刀刃与定刀刃间不是全线同时相遇的，而是在刀刃的的全长上按1～2左右的倾角

依次相遇的，这样似剪刀一般，更有利于将薄膜分割开。

回转刀切断包装袋的速度应大于薄膜前进的速度。为保持切刀锋利，两刃间有微隙，这样切断薄膜袋时，并不是靠两把金属刀刃完全相遇来完成的，而是靠活动刀刃线速度大于薄膜袋运动速度，产生的挤与拉相结合将薄膜分割开。所以，刀的回转线速度小于薄膜前进速度是不行的，即使等于薄膜前进的线速度的话，也是切而不断。只有回转刀比薄膜有较高的线速度，将薄膜剪切变形。强度大大削弱，然后使前一包装袋赶快离开本体到拉断作用。

因该回转刀切断机构不是与横封机构设计在一起的，而切断时必须切在横封接缝正中，才能使薄膜袋外形美观。因而切断在机构横封器的下面，有一切断刀与横封器间的同步问题，解决同步问题就必须设计切断机构的相位调节装置。3.5 剪切相位调节机构的设计

剪切相位调节机构如下图3.8所示，相位调节装置可通过调节两链轮的相对位置来实现。

1-轴套挡环2-螺母3-轴套4-从动链轮

5-键6-弹簧7-六角螺栓8-轴承9-主轴10-剪切辊刀

图3.8 剪切相位调节机构

如图3.8所示，带动回转刀轴回转的链轮4的轴向固定靠弹簧6的推力，当切断刀工作不与横封器同步时，只要用手按图示向右推动链轮4，则链轮4沿轴9上的键5克服弹簧力，离开主动链轮，并根据滞后或超前的情况分别对链轮4作逆或顺时针回转一定角度后再将链轮4送回原处，与主动轮链轮链条啮合，即能满足同步要求。

3.6小结

在本节所有内容中，偏心链轮的设计和剪切相位调节机构的设计是难点也是重点。而之所以要设计这两个机构和所选的封口系统有直接关系，所选的连续性的封口系统，自动化高、效率高、人为参与过程较少，这就带来了一个问题，长时间的运转，机器所积累的误差不能通过人为的消除，这样不论是对包装质量、还是包装美观度都有很大的影响。同时，为了节约成本，这两个机构的设计也必不可少，不能因为袋长发生变化就需要跟换横封器和切断机构。所以说这两个机构体现了整机的自动化程度。

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