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分件供送螺杆设计docx
湖南工业大学
课程设计任务书
2013—2014学年第一学期
机械工程学院(系、部)机械设计制造及其自动化专业—班级
课程名称:
包装机械设计
设计题目:
分件供送螺杆的设计
完成期限:
自20年12月23日至20年12月27日共丄周
内容及任务
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进度安排
期日k起
容内作工
案方计设
型模三立
主要参考资料
8
9
9
1
社版出术
技8学99椚1海3上,O「88社20海19呗上99母十出匕印!
|与科W斥SX叽豐北WW天大MM中硕MM南r装[湖论雪包伽沙械5山长机N冶⑹<点十
包
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----------12345-■-■-■-■-■
指导教师(签字):
系(教研室)主任(签字):
一、设计概述2
1.1设计的目的2
1.2四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述3
二、四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定4
2.1星形拨轮的设计4
2.2螺杆螺旋线的组合特征4
2.3螺杆螺旋线的基本参数5
2.4组合螺旋线的设计6
2.4.1输入等速段6
2.4.2螺杆变加速段螺旋线7
2.4.3螺杆等加速度段螺旋线8
2.4.4螺杆输出等速段螺旋线10
2.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计12
2.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形14
2.6.1Matlab软件的运用14
2.6.2PRO/E画图工具的运用16
三、设计小结18
参考文献19
第一章设计概述
1.1设计的目的
这个课程设计是一个重要的实践性教学环节,也是提高我们这些工科学生工程设计能
力的一个重要途径。
是让我们这些包装机械专业方向的学生学好专业知识课程和充分利用
所学资源进行设计分析的重要方法,对我们以后的学习工作具有非常重大的意义。
1.1.1设计的主要技术参数
供送物品为圆柱体:
尺寸:
直径为75mm高为100mm螺杆转速n=500转/min,拨轮
节距Cb=112mm
1.1.2设计任务
1、根据有关参数进行计算或编写有关设计计算程序;
2、利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形;
3、画出装配图及其主要零件图;
4、完成设计计算说明书。
1.2四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述
目前,在包装工业领域,已广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置。
这种装置可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物料以确定的速度、方向和间距分批或逐个地供送到给定的工位。
特别是为了适应包装容器日新月异的变化和提设备生产能力的实际需要,分件供送螺杆装置正朝着多样化、通用化和高速化方向发展,并不断扩大它在灌装、充填、封口、贴标、计量、检测以及自动包装线上的应用,如分流、合流、升起、起伏、转向和翻身等。
如图1.1为分件单列送正圆柱形及某些异形瓶罐的典型组合装置,从实用角度出发比较系统地阐述了变螺距分件供送螺杆与星形拨轮的理论、设计等关键问题。
卜垃形瘴碑梅杵供噬①杆3-咫展血形別箱送(S扳层星略擢乾日平动増应导梅
图1.1典型变螺距螺杆与星形拨轮组合装置图
分件供送装置结性能的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局和自动化
水平。
所以,设计应在满足被供送瓶罐形体尺寸、星形拨轮节距及生产能力等条件下,合
理确定螺杆直径及长度、螺旋线旋向及组合形式、螺旋槽轴向剖面几何形状和星形拨轮齿廓曲线,进而校核罐受螺杆、导向板、输送带等综合作用后能达到给定的速度和间距,减轻冲击、震动、卡滞现象,实现平稳可靠运动。
、四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定
2.1星形拨轮的设计
图2.1所示为星形拨轮的结构简图
图2.1星形拨轮的结构简图
为了满足课程设计任务要求,假定设星形拨轮齿数为Zb=8;拨轮的转速为nb;拨
轮同时传送两个被供送体时入手所需距离为70mm因被供送体的直径直径为2P=75mm
高h=100mm拨轮的节距为Cb=112mm设拨轮节圆直径为Db,因为容器以等间距定时供
送,则
'D^Cb*Zb
Db=Cb*Zb/
则拨轮的节圆半径为Db=11"8=285.mm
31
拨轮高度依据被供送体的高度为hb=60mm
拨轮转速与螺杆转速的关系应满足:
,nbn则拨轮的转速可确定
Zb
500
8
二62.5r/min
2.2螺杆螺旋线的组合特征
在工件传送过程中,有的能顺利导入螺旋槽,有的却被螺杆端面阻挡甚至同输送过来的其他瓶罐产生冲撞,另外还可能使输出过程出现:
“局部断流”现象。
面对这些错综复
杂的工作状况,为了更好地实现缓冲和“定时整流”的目的,对分件供送来说,就不宜采用螺距全是Cb的等螺距螺杆,而应在螺杆的进中附近配备可调式减速装置,使瓶罐自动减速相互靠近,以便逐个依次顺利地导入螺旋槽内,接着再增速达到预定间距,借助拨轮有节奏地引导到包装工们。
因此,当螺杆应用于高速度分件定时供送时,其螺旋线最标准的组合模式最好是四段式:
1.输入等速段,螺距小于Cb,有助于稳定的导入口。
2.变加速度段,加速度由零增至某最大值,以消除冲击。
3.等加速段,与输送带拖动瓶罐的摩擦作用力相适应,采用等加速运动规律使之增大间
距,以保证在整个供送过程中与螺旋槽有可靠的接触摸点而不易晃动和倾倒。
4.输出等速段,使螺距等于Cb,以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态,这对供送导形瓶罐尤为重要。
2.3螺杆螺旋线的基本参数
参阅图2.2,所示为四段式变螺距螺杆。
通常螺杆的前端多呈圆锥台形,而后端则有同瓶罐主体半径「相适应的过渡角,以利改善导入效果,缓和输入输出两端的陡振和磨损,延长使用寿命。
设螺杆的内外直径各为d0=2r0,D=2r,为使螺旋槽对瓶罐产生适宜的侧向力,一般取R=(0.7〜1.0)(r。
•门。
图2.2四段式变螺距组合螺杆计算简图
对供送正圆柱形容器,其圆弧半径为「,螺杆的内外半径分别为r0、R,则可取
R冬r0•'(2-1)
至于r。
的值,一般情况下主要根据螺杆芯部及其支轴的结构尺寸等因素加以确定。
实
际中也可从满足某种工艺要求的角度来考虑这个问题,例如供送安瓿,为防止倾倒挤碎,应选用较大的螺杆内径和较小的螺旋角。
因为设计要求供送主体瓶灌的尺寸为:
直径为
2P=75mm高h=100mm为满足设计任务要求,我们先暂取供送螺杆的内径为r0=45mm
根据式(2-1)取螺杆的外径R=60mm
2.4组合螺旋线的设计
螺杆等速段的螺距应取为
Soi=2「.:
(2-2)
式中二——两相邻容器间的平均间隙(一般为几毫米,主要与容器加工精度有关)暂取占=5mm则螺杆等速段的螺距为S°i=75+5=80mm
设等速段螺旋线的最大圈数为iim(通常取为1〜1.5),中间任意OGrEhm,我们在这取ilm=1,对应螺旋角Soi
241输入等速段
tan«01=
nD(2-3)
式中D为螺杆的直径,D=2R=120mm.
80
则螺旋角tan50.2122(2-4)
120兀
对其单头外螺旋线,因其展开图形为一条斜直线,故相应的
周向展开长度L1hy、Di1,L1mRUDi1m=376.8mm(2-5)
轴向长度比nSxh,H1m=S01i1m=80mm(2-6)
供送速度0=S01n-二Dntan:
01=80mm<500r/min=666.67mm/s(2-7)
对于图1.1所示的变螺距螺杆与星形拨轮组合供送装置,包装容器的供入速度■r另
有控制要求:
当:
r:
:
:
:
0时,依靠送带对包装容器的摩擦拖动作用加速,以接近于螺杆的初始供送速
度。
当:
r0时,借助于可调式波形尼龙板或刷板等缓冲装置使其减速。
据此可求得供入
段的输送长度■22
L>———-
r2毗(2-8)
式中%——容器与输送带的滑动摩擦因数
螺杆等速段包装容器与输送带的最大速差:
:
m
上:
m="九-:
0=(Cb-S01)n(2-9)
设计时,要尽量小■m值,拨轮节距和螺杆转速都不宜过大,以免加快链板工作表面磨损,引起容器强烈的振动。
2.4.2螺杆变加速段螺旋线
针对满足包装容器供送平稳的要求,选取该段螺杆的供送加速度a2,使a2由零值依
正弦函数变化规律增加到某一最大a,则
相应的供送速度及轴向位移为:
.兀t2
a2二Gsin
2t2m
:
2二a2dt2二-G2t2m
JI
n
COS
2
t2C2
t2m
(2-11)
(2-12)
•兀t2
sin
2t2m
式中t2、t2m分别表示被供送容器移过行程H2及其最大值H2m所需的时间。
由边界条件得知:
当t2=0时,H2=0,:
2=:
0=666.67mm/s而当t2二t2m时,a^a,
故可确定各待定系数:
5=a,c2=:
0
2at2m
兀
C3=0。
将c、C2、C3各值代入式(2-12),
2at2m)t2
JI
4at2m•二t2
2sin
二2i2m
(2-13)
设该段螺旋线的最大圈数为
i2m(通常取为1〜2),我们取i2m=2,其中任意i?
为
05亠,由于t2弋,t2m瓷
上式可改写成
(2-14)
H2二S0&警(玉-sin电)
2i2m2i2m
可以证明,该段螺旋线的展开图形是由一条斜直线和一条按摆线投影规律变化的曲线叠加而成的曲线。
由于此段外螺旋线的周向展开长度L2=3i2丄2m"Di2m=753.6mm将此值代入式
(2-14),得
H2=L2tan01
4ai;m
二2n2、2L2m2L2m
(2-15)
视L2为自变量,对上式求导,可求出该段外螺旋线的螺旋角
dH2,ai2m
tan:
2一二tan:
01厂(1-
dL2兀2n2R
cos4)
2i2m
(2-16)
其最大值为
tan:
2m二tan:
01
ai2m
根据式(2-14),可求出该段限定区间(1
S2=Soi
(2-18)
+4吟[1_£逸71吐一1)亦H1
兀n-2兀4i2m4i2m
再将G和C2值分别代入式(2-10)和(2-11),导出该段的加速度及速度的计算式:
i2
a2=asin
2l2m
(2-19)
丄2al2m彳7112cc\
u2=u0+1-cos—(2-20)
应nI212m丿
2al2m=0经二二Dntan:
2m(2-21)
兀m
由于可知,当其他条件一定时,变加速段的外螺旋螺旋角、螺距和供速度均随螺旋圈数的增大而增大。
若取i2=0,则二2-「01,:
2i0,a0=0,符合螺杆的前两段的位移、速度及加速度曲线的衔要求。
2.4.3螺杆等加速度段螺旋线
设螺杆等加速度段的供送加速度a3二a,则相应的供送速度及轴向位移为
3二adt3二ataC4(2-22)
a2
H3=:
3dt3t3C4t3C5(2-23)
2
式中t3――被供送容器移过行程H3所需要的时间
由边界条件可知:
当t3=0时,H3=0,:
3=:
2m,故可确定各特定各系数:
C42m,
C5=0。
将C4和C5值代入(2-23),得
H3=2mt3t3(2-24)
2
设等加速度段螺旋线的最大圈数为l3m通常取(3〜5),我们取l3m=4,中间任意值
0-i3-i3m,由于t3=i3,且令当量螺距
n
S03二』hyQtan:
2m=S01-(2-25)
nJin
由式(2-23),解出等加速段的位移为
H3」|S°1+县i如乜1;13(2-26)
[2nI兀丿」
可见,等加速段螺旋线的展开图形是一条斜直线和一条抛物线规律变化的曲线叠加机而成的曲线。
将此段外螺旋线展开长度:
L3=Pi3,L3m=Pi3m=1507.2mmp入上式,可求得轴向
位移
H3=L3tan"2m
L2
(2-27)
视L3为自变量,对上式求导,刚等加速度段外螺旋线的螺旋角及其最大值分
别为:
由以上两式导出
tan工3
tan:
3m
可得等加速段的加速度为:
dH3
dL3
tan:
2m
ai3
二Dn
(2-28)
ai3m
2
二Dn
(2-29)
2
叩(Cb—S01)a=
2i2^"i3m
(2-30)
2
-500112-80
2
(224■:
)60
2
=421.41mm/S
这表明,等加速段的供送加速度与螺杆转速的平方成正比;当星形拨轮节距和等速度段螺距保持定值时,适当地增加后两段螺旋线的总圏数,有助于降低螺杆的供送加速度,或提高螺杆转速。
根据式(2-26),可求得等加速段限定区间(1兰i3勻3m)内的任意螺距值
S3=S01'(Cb_S01)
4i2m-二(1-2匚3)
2(2i2m•:
3m)
(2-31)
其最大值
S3m=Cb
二(Cb
2(2i2m门3皿)
再将C4值代入式(2-22)得
.3「.mCm(週i3)
2i2m+兀i3m
m
JI
(2-33)
其最大值
:
3m-二Dntan:
3m
(2-34)
以上表明,当其他条件一定时,螺杆等加速度段的外螺旋线螺旋角、螺距和供送速度
同样随螺旋圈数的增大而增大。
若取i^0,则a^a2m,3“2m,鬼=5,符合螺杆后两
段的位移、速度及加速度曲线的衔接要求。
2.4.4螺杆输出等速段螺旋线
对输出等速段,为改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态,使该段螺距
S4=Cb=112mm设等速段螺旋线的最大圈数为i4m(通常取为1〜1.5),中间任意
0心4^4m,我们在这取i4m=1,对应螺旋角
tan:
04
S4
(2-35)
根据边界条件可得供送速度:
4“3m
式中D为螺杆的直径,D=2R=120mm.
112
则螺旋角tan〉04==0.297(2-36)
120兀
对其单头外螺旋线,因其展开图形为一条斜直线,故相应的周向展开长度
L4=Di4,L4m=•Di4m=376.8mm(2-37)
轴向长度
H4=S°4i4,H4m=S°4i4m=112mm(2-38)
最后,为便于设计计算和机械加工,将式(2-30)的a值分别代入式(2-14)和式(2-26)
(以此类推),经整理得:
H2
2
4i2n(Cb-S01)
—S01i2
二(2i2m二i3m)2i2
.阳2
_sin——
2i2m
H2m
S01
.2i2m「:
一2)($-S°1)
H(2i2^7Ii3m)
i2m
(2-39)
(2-40)
H
:
:
二(Cb-'Soi)
2(2i2m":
;:
i3m)
(4i2m
JI
3
(Cb-£1)(4i2m二i3m)
2(2i2m+兀i3m)
i3m
(2-42)
综上所述,螺杆输入等速段的最大轴向长度H1m仅与螺距Soi和圈数i1m有关,变加速段和等加速段的最大轴向长度H2m、H3m与拨轮节距Cb、螺距So1及圈数i2m、i3m有关,螺杆输出等速段的最大轴向长度H4m仅与螺距So4和圈数i4m有关。
则通过上式(2-40)可得变加速段的长度为
Ho士2112-80^165.62mm
L曲22•二4
通过式(2-42)可得等加速段的长度为
H3m
112-80424二
2(2汉2+4><兀)
4=399.45mm
(2-43)
至此,可求出供送螺杆三段式组合螺旋线展开图形的轴向及周向全长:
H1=H1mH2mH3mH4m
Lu=L1mL2mL3mLqm(2-44)
即螺杆螺旋线轴向和周向长度各为
H1^-80165.62399.45112=757.07mm
L|/=376.8753.61507.2376.8=3014.4mm
2.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计
通常,采用作图法和解析法来确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。
设计螺旋
槽的宗旨是要按照供送物件主体部位的形状、大小及预选的螺杆内外直径和螺距,来确定螺旋槽轴向剖面几何图形及其宽度。
这些,对实现稳定可靠的供送运动以及检测螺杆的设计制造质量有重要的意义。
另处,还为合理确定螺杆的外半径提供了依据。
对于此课程设计,我采用解析法确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。
正圆柱
形包装容器与螺杆的相贯运动。
如图2.3所为正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图。
2.3正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图
过正圆柱形容器与螺杆的轴心线引直角坐标系Ojxyz,且使坐标面yoz与螺杆外螺
旋线交于点i。
令该螺距计算值为S(可在其左右两侧各量取半个螺距来确定),为简化计算,将此段变螺距螺旋线近似看成等螺距螺旋线。
其次,在容器表面上任到一母线,与坐标面xoy相交于点mk,l。
令该母线沿以k为半径的相应等螺距内螺旋线由初始位转置mn移过距离x—l,又滚过角度^,而至一新位置mn'。
此时它同i点轴向剖面相截的迹点为j(x,y),则四图示几何关系得
y=kseer(2-45)
式中
2二x-l
S
(2-46)
k亠「、T2-丨2(2-47)
上式表明不同的丨值0一丨一对应着不同的迹点曲线,即函数y=fx。
因此,丨是
曲线族方程的参数,将上式改写为
(2-48)
关于曲线族包络线参数方程的一般求法,可导出偏导数Fi(x,y,l)=0,使它与
Fx,y,l=0联立,解得x=f'l)及y=f2=丨;这两个式子即为曲线族的切点方程或包络方程,可近似画出所求作的螺旋槽轴向剖面几何形状。
2k
S罰3°
理论上,0—二—90°,即sec>0,故得
tanr
SI
2二心门-12
从而可导出曲线簇包络线的坐标
s2i2
4二2c、2_|2)
S9
x=I
2兀
若取y=y「=R,则点m的坐标改为m「=(lr,kr),同理,上式中二也就在改为片,在此条
件下,
二R
2
kr=r0亠「J’2_|;=Rcosvr
若'、「0、R、S均已选定,可用试探法或解析作图法求出lr值(其变化范围为lr-:
?
考虑到以上各式是将变螺距螺旋线按所选点及所限定区间近似看作等螺距螺旋线推
导出来的,所以,根据曲线族包络线确定的螺旋槽轴向剖面几何形状对y轴线必然成对
称的。
因而求出螺旋槽宽度Q1Q2为
2lr
S3
由上式可见,变螺距螺杆螺旋槽的宽度必定随着螺距的增大而增大。
上述分析表明,供送正圆柱形容器,决定螺旋槽轴向剖面几何形状及其宽度的主要因素是'、r。
、R、S。
严格讲,变螺距螺杆螺旋槽的各轴向剖面几何形状,在宽度上互不相等,随着螺距的增大,此种差异也越明显。
2.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形261Matlab软件的运用
因为Matlab具有强大的绘图功能,本节我对分件供送螺杆的设计采用程序设计的方法进行编程。
对被供送体的速度、加速度和位移的变化进行分析。
由前面的分析,我对位移、速度,加速度变化函数编程可得以下Matlab程序:
Cb=input('请输入拨轮节距Cb=');
n=input('请输入螺杆的转速n=');
s0仁input('请输入等速段螺距长度s01=');
a=(pi*nA2*(Cb-sO1))/(2*2+4*pi)%匀加速时候的加速度
figure
i1m=1;
i2m=2;
i3m=4;
i4m=1;
i1=0:
0.001:
i1m;
H1=s01*i1;%等速段轴向位移
H1m=s01
i2=i1m:
0.001:
i1m+i2m;
H2=H1m+s01*(i2-i1m)+((4*(i2mF2*(Cb-s01))/(pi*(2*i2m+pi*i3m)))*(((pi*(i2-i1m))/(2*i2m))-sin((pi*(i2-i1m))/(2*i2m)));
H2m=(s01+(2*i2m*(pi-2)*(Cb-s01))/(pi*(2*i2m+pi*i3m)))*i2mi3=i1m+i2m:
0.001:
i1m+i2m+i3m;
H3=H1m+H2m+(s01+((pi*(Cb-s01))/(2*(2*i2m+pi*i3m)))*((4*i2m)/pi+(i3-3))).*(i3-
3);
H3m=(s01+((Cb-s01)*(4*i2m+pi*i3m)/(2*(2*i2m+pi*i3m))))*i3m
i4=i1m+i2m+i3m:
0.001:
i1m+i2m+i3m+i4m;
H4=H1m+H2m+H3m+Cb*(i4-7);
H4m=Cb*i4m
subplot(3,1,1);
plot(i1,H1,i2,H2,i3,H3,i4,H4)
xlabel('i');ylabel('H');title('位移图')
v0=s01*n;
v2=v0+((2*a*i2m)/(pi*n))*(1-cos((pi*(i2-1))/(2*i2m)));
v3=v0+(((pi*n)*(Cb-s01))/(2*i2m+pi*i3m))*(2*i2m/pi+(i3-3));
v4=Cb*n;
subplot(3,1,2);
Plot(i1,v0,i2,v2,i3,v3,i4,v4)
xlabel('i');ylabel('v');title('速度图')
a1=0;
a2=a*sin((pi/2)*((i2-1)/i2m));
a3=a;
a4=0;
subplot(3,1,3);
Plot(i1,a1,i2,a2,i3,a3,i4,a4)
xlabel('i');ylabel('a');title('加速度图'
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