第一节 卷封的基本原理及机构的设计第二节 卷封机构的运动设计人既尽其才
，
则百事俱举；
百事举矣
，
则富强不足谋也
。
第七章 卷封机械第一节 卷封的基本原理一、刚性、半刚性容器的几种封口形式前已述及,采用柔性材料包装物品,除手工袋装以外,多在有关设备的封口工位上完成粘封或热封,不需另设封口机 。
而采用刚性,半刚性包装容器 (如金属罐,玻璃瓶,塑料瓶等 ),在完成物品的灌装,充填之后,一般需借助相应的封口机械进行封口,以使产品得以密封保存,并便于流通,销售和使用 。
根据刚性、半刚性容器的种类及其对产品的密封要求,
常见的封口形式大体上有下列几种,如图 7.1所示 (前四种属于有封口材料的封口 )：
图 7.1 刚性、半刚性容器的几种封口形式
(1)卷边封,将翻边的罐身与涂有密封填料的罐盖内侧周边互相钩合,卷曲并压紧而使容器密封 。 这种封口形式主要用于马口铁罐,铝罐等金属容器以及新近开发的复合罐 。
(2)压盖封,将内侧涂有密封填料的外盖压紧并咬住瓶身或罐身而使其密封 。 这种封口形式多用于玻璃瓶与金属盖组合的容器,如瓶装啤酒,瓶装酱菜等 。
(3)旋盖封,将螺纹盖旋紧容器口而使其密封 。 这种封口形式主要用于盖子为塑料或金属件,而罐身为玻璃,陶瓷,塑料或金属件组合的容器,如瓶装奶粉,牙膏管等 。 螺旋盖容易开启和密封,并能重复使用,应用相当广泛 。
(4)压塞封,将内塞压在容器口内而使其密封 。 这种封口形式主要用于软木塞或塑料塞与玻璃瓶密封的容器,如瓶装酒,瓶装麦乳精等 。 因内塞难以达到完全密封,通常还要辅以蜡封,旋盖封或压盖封 。
(5)折叠封,将包装容器的开口处压扁再进行多次折叠而使其密封 。 这种封口形式主要用于半刚性容器,
如装填膏状物料的铝管等 。 通常折叠封口后常需压痕,以增强其密封效果 。
为了可靠地实现上述各种形式的封口作业,应根据具体条件适当地选用相应的专用机械 。 限于篇幅,
本章仅着重阐述用于马口铁罐的卷边封口机 (即通常所说的封罐机 )。
实际上,它已成为罐头食品工业的重要生产设备之一 。图 7.2 GT4B2型卷边封口机示意图
l-压盖杆,2-套简,3-弹簧,4-上压头固定支座,5,6-差动齿轮
7-封盘,8-卷边滚轮,9-罐体,10-托罐盘,11-六槽转盘,12-盖仓 13-分盖器,14-推盖板,15-推头图 7.2所示为国内目前通用的 GT4B2型卷边封口机的示意图。充填有物料的罐体,借装在推送链上的等间距推头 15间歇地将其送入六槽转盘 11的进罐工位 (Ⅰ )。盖仓
12内的罐盖由连续转动的分盖器 13逐个拨出,并由往复运动的推盖板 14有节奏地送至进罐工位罐体的上方。接着,罐体和罐盖被间歇地传送到卷封工位 (Ⅱ )。这时,先由托罐盘 10、压盖杆 l将其抬起,直至固定的上压头定位后,用头道和二道卷边滚轮 8依次进行卷封。然后,托罐盘和压盖杆恢复原位,已卷封好的罐头降下,六槽转盘再送至出罐工位 (Ⅲ )。为了避免降罐时的吊罐现象,在压盖杆
1与移动的套筒 2间装有弹簧 3,以便降罐前给压盖杆一定预压力。由于卷封工位没有孔道与真空稳定器和真空泵相通。因此,卷封作业可在真空状态下进行。
本机的传动系统为电动机经三角带驱动主传动轴,经蜗杆 —
蜗轮驱动垂直分配轴,经螺旋齿轮驱动两对差动齿轮 (即图
7.2中件 5,6),进而使卷封机构完成卷封运动 。 垂直分配轴下端再经螺旋齿轮驱动与水平分配轴相连的罐体,罐盖供送机构及六槽转盘 。 托罐盘与压盖杆的运动则分别由垂直分配轴的下,上糟凸轮控制 。 在垂直分配轴上端的蜗轮处配置一安全离合器,一旦出现卡罐等故障,则会使两分配轴停止运转 。 另外,从动三角带轮与主分配轴之间采用摩擦片传动 (图中未示 ),它对整机起超载保护作用 。
图 7.3更详细地表示了该机卷封机构的结构,长杆
1的下端与压盖杆 36钩形联接,必要时便于更换 。
压架 2,压帽 3分别与长杆 l,滑套 5固连,滑套由凸轮机构 (图中未示 )控制作上下运动 。 弹簧 4的作用前已叙述 。 压头轴 17由下顶帽 11,上顶帽 7、
铜套 9支承在机架 8上,使上压头 37固定不动 。
若需调节上压头的高低位置,可松开螺帽 6,扳动压头轴上端方头部分即可 。 齿轮 13经花健轴 16、
花键帽 38使封盘 28旋转 。
花键帽与封盘间为端面凹凸联接,只要松开螺帽 34,压帽 35,就能方便地取下封盘 。 齿轮 15直接与中心齿轮 22成端面凹凸联接,使中心齿轮以不同于封盘的速度旋转 。
卷封机构整个旋
1-长杆,2-压架,3,35-压帽,4-弹簧,5-滑套,6,23,34-
螺帽,7-上顶帽,8-机架,9-铜套,10-导向键,11-下顶帽,12,14、
21-轴承,13、
15-齿轮,16-花键轴,17-压头轴,18-上盖,19-
托盘,20-顶盘,22-中心齿轮,24-调节蜗轮,25-封盘盖,26-行星齿轮,27-小轴,28-
封盘,29-下盖,30-卷边滚轮,31-底盘,32— 铜盘,33-滚针,36-
压盖杆,37-上压头,38-花键帽图 7.3 GT4B2型卷边封口机卷封机构结构图二,马口铁罐的卷边封口
(一 )二重卷边的形成过程使罐体与罐盖的周边牢固地紧密钩合而形成的五层 (罐盖三层、罐体两层 )马口铁皮的卷边缝的过程,称作二重卷边。为了提高罐体与罐盖的密封性,在盖子内侧预先涂上一层弹性胶膜 (如硫化乳胶 )或其它填充材料。二重卷边大都采用滚轮进行两次滚压作业来完成。第一次作业又称头道卷边,如图 7.4
所示。在未卷边前的位置如实线所示,头道卷边结束后则如虚线所示。开始时,头道卷边滚轮首先靠拢并接近罐盖,接着压迫罐盖与罐体的周边逐渐卷曲并相互逐渐钩合。当沿径向进给 3.2mm左右时,头道卷边滚轮立即离开,其时二道卷边滚轮继续沿罐盖的边缘移动,如图 7.5所示。二道卷边开始位置如图 (a)示,结束位置如图 (b)示。二道卷边能使罐盖和罐体的钩合部分进一步受压变形紧密封合,其沿径向进给量为
0.8mm左右。两次进给量共约 4mm。
由此可见头道和二道卷边滚轮的结构形状显然不同。通常,头道卷边滚轮的沟槽窄而深,而二道卷边滚轮的沟槽则宽而浅。
图 7.4 头道卷边 图 7.5 二道卷边为了形成二重卷边缝,作为执行构件的卷边滚轮,相对于罐身必须完成某种特定的运动。若卷封圆形罐,卷边滚轮相对罐身应同时完成两种运动,即周向旋转运动和径向进给运动。
若卷封异形罐,卷边滚轮相对罐身应同时完成三种话动,即周向旋转运动,径向进给运动和按异形罐的外形轮廓作的仿型运动 。
为使罐盖与罐体的周边逐渐卷曲变形,每封一只罐身卷边滚轮需绕罐身旋转多圈 (如 GT4B2型的卷边滚轮每封一罐绕罐身转 18
圈 ),而实际的有效圈数 (从触及罐盖开始真正用于卷封工艺的圈数 )应由单位径向进给量来确定,一般取头道为每圈 lmm左右,二道为每圈 0.5mm左右 。
(二 )卷边滚轮的运动分析
(三 )卷封机构的结构类型两道卷边滚轮相对罐身所作的卷边运动是由卷封机构来实现的,由于实现这种运动有多种组合方式,因而出现不同结构的卷封机构 。
1.完成周向旋转运动的两种结构形式
(1)罐体与罐盖被固定不动,
卷边滚轮绕其旋转 。 目前的卷边封口机大都属于这种结构形式,如 GT4B2型卷封口机等 。
图 7.6 GT4B13型卷边封口机卷封机构示意图
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-上转盘,4-摆杆
5-固定凸轮,6-卷边滚轮,7-上压头
8-下压头,9-下转盘
(2)罐体与罐盖绕轴自转,而卷边滚轮不绕罐作周向旋转。如图 7.6所示 GT4B13型卷边封口机,罐体被紧夹在上、下压头 7、
8之间,并由行星齿轮 2带动自转,从而完成相对于卷边滚轮 6的周向旋转运动。这种结构虽较简单紧凑,但因罐体既有自转又有公转,若用于实罐卷封则其内装的液料形成旋转抛物面,易从罐口流出,从而限 制了它的自转速度以及生产能力的提高。
为简化分析,暂不考虑罐身加盖及其公转等的影响,欲保证内装液料不外溢,可根据流体力学的有关理论近似求出罐身的最高自转转速,供设计估算参考,即式中,— 罐身的内半径 ;
h— 罐内的顶隙高度；
g— 重力常数 。
nmax
n ghR hR
n n
m a x60 60?Rn
相应的最高生产能力 Qmax近似可取为式中,j— 卷边封口机的头数；
n— 根据卷封工艺要求,确定每封一罐所需的罐身自转数
(如 GT4B13型约为 16r/pc.)。
2.完成径向进给运动的三种结构形式
(1)偏心套筒作原动件图 7.7所示为 GT4Bl型卷边封口机的卷封机构原理图。齿轮 3、
4在同轴齿轮 2,1的带 动下,以相同方向不同转速分别带动偏心套筒 7和轴套 5转动。轴套 5又通过滑键 10带动封盘 6一起转动。封盘上装有头道卷边滚轮 8和二道卷边滚轮 9。由于封盘与偏心套筒有速差,使得封盘上的卷边滚轮相对于转轴 (即罐体中心线 )的距离不断变化,从而使卷边滚轮也产生了相应的径向进给运动。
Q n jnm a x m a x?
图 7.7 GT4Bl型卷边封口机卷封机构原理图
1,2,3,4-齿轮,5-轴套,6-封盘,7-偏心套筒,8-头道卷边滚轮
9-二道卷边滚轮,10-滑键图 7.8 GT4B2型卷边封口机卷封机构原理理
l,2,3,4-齿轮,5-中心齿轮,6-行星齿轮,7-封盘,8-
偏心销轴
9-头道卷边滚轮,10-二道卷边滚轮
(2)行星齿轮偏心销轴作原动件图 7.8所示为 GT4B2型卷边封口机的卷封机构原理图 。
齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,以相同方向不同转速分别带动中心齿轮 5和封盘 7转动 。 该封盘上均布着四只行星齿轮 6,与封盘一起绕中心齿轮公转 。 由于封盘与中心齿轮存在速差,故形成差动轮系,遂使行星齿轮连同与其固联的偏心销轴 8在公转的同时又作自转,从而使与偏心销轴铰支的卷边滚轮既能绕罐体作周向旋转,同时又能产生径向进给运动 。 其中,两只头道卷边滚轮 9和两只二道卷边滚轮 10,分别呈对称分布状态 。
(3)凸轮作原动件见前图 7.6所示的 GT4B13型卷边封口机,在卷边滚轮 6
随罐体绕中心齿轮 l公转的过程中,由固定凸轮 5通过摆杆 4驱使卷边滚轮相对于罐体作径向进给运动。
对于罐体被固定的卷边封口机,为使卷边滚轮能完成相对罐体的周向旋转及径向进给的复合运动,则不能再单独采用固定凸轮与摆杆作原动件,而得改用差速凸轮机构。其结构形式又可分为两种：
①盘形凸轮摆动从动杆结构图 7,9所示为 GT4B6
型卷边封口机的卷封机构原理图 。 齿轮 3,4在同轴齿轮 2,l的带动下,
以相同方向不同转速分别带动封盘 9及叠放的四只盘形凸轮 5,6,7、
8转动 。
图 7.9 GT4B6型卷边封口机卷封机构原理图
l,2,3,4-齿轮,5-头道共额进给凸轮,6-二道共扼进给凸轮
7-头道进给凸轮,8-二道进给凸轮,9-封盘,10-摆杆
11-头道卷边滚轮,12-二道卷边滚轮其中 5,6分别为头道,二道的共扼进给凸轮,7,8分别为头道,二道的进给凸轮 。 封盘上对称安装着一对头道卷边滚轮 11和一对二道卷边滚轮 12。 由于封盘与凸轮有速差,凸轮就通过摆杆 10驱动卷边滚轮作径向进给运动 。 ② 端面凸轮直动从动杆结构图 7.10所示为 GT4B7型卷边封口机的卷封机构原理图 。
该机共有四组卷封机构,图中除中心轴 14,中心齿轮 1和大转盘 6外,仅表示了一组卷封机构 。 其中行星齿轮 2由大转盘
6带动绕中心轴 14公转,在旋转轨道旁装一固定端面凸轮 4,控制从动杆 5作上,下往复运动,从而使轴套 7沿滑键 3也作上,
下往复运动 。 通过凸轮斜块 9控制摆杆 10摆动,从而使卷边滚轮 12完成径向进给运动 。 由于中心齿轮 1与大转盘 6之间存在速差,因此卷边滚轮又能完成绕罐的周向旋转运动 。
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-滑键,4-
固定端面凸轮,5-直动从动杆,6-
大转盘,7-轴套,8-封盘,9-凸轮斜块,10,11-摆杆
12-卷边滚轮,13-靠摸凸轮,14-中心轴图 7.10 GT4B7型卷边封口机卷封机构原理图
3.完成仿型运动的两种结构形式
(1)以罐型靠模为作用件上图所示的 GT4B7型卷边封口机,罐型靠模凸轮 13固定不动,
其周边形状与所要封口的异形罐相似或相同 。 当封盘 8绕罐体旋转时,摆杆 11受靠模凸轮 13的控制而产生摆动 。 由于该摆杆铰支在封盘上又与另一摆杆 10铰支在一起,从而使卷边滚轮 12能完成确定的仿型运动 。 又如图 7.11所示 GT4B4
型卷边封口机的卷封机构原理图,它也采用罐型靠模为作用件,以完成仿型运动 。 齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,
以相同方向不同转速转动,并分别带动封盘 6和盘形凸轮组 5
转动 。 该凸轮组共有四只凸轮,其中一对为头道共轭的进给凸轮,另一对为二道共轭的进给凸轮 。 当封盘相对凸轮转动时,由于两者有速差,从而使进给凸轮摆杆 14产生摆动,并通过连杆 11,卷边滚轮摆杆 10驱动卷边滚轮 9作径向进给运动 。
与此同时,由于卷边滚轮摆杆与靠模摆杆 13都铰接在 C点,
而靠模摆杆 13又绕固定的罐型靠模凸轮 7摆动
(摆动支点为封盘上的 A点 ),
因此卷边滚轮 9又能作仿型运动 。 该机有四只卷边滚轮,头,二道各两只,图中仅示一只 。
(2)以非罐型靠模为作用件前述的罐型靠模在转弯处曲率变化较大,使得卷边滚轮在该处的惯性变化剧增,严重地影响了卷封质量,
也限制了生产能力的提高。
图 7.11 GT4B4型卷边封口机卷封机构原理图
l,2,3,4-齿轮,5-盘形凸轮,6-封盘,7-罐型靠摸凸轮,8-靠模滚子
9-卷边滚轮,10-卷边滚轮摆秆,11-连杆,12-摆杆
13-靠摸摆杆,14-进给凸轮摆杆例如,卷封方形罐在从一条罐边到另一条罐边的转角处,
很容易出现卷封不紧、起皱纹、轧伤等不符合质量标准的现象。因此,如图 7.12所示 TUB54型异形罐卷边封口机采用的靠模与所要卷封的罐头外形,既不相同也不相似,而是将转角曲率设计成变化比较缓和的形状,以利提高卷封质量。该机同样有四只卷边滚轮 (头、二道各一对 ),图中也只画了一只。 图 7.12 TUB54型卷边封口机卷封机构立体示意图
l,2,3,4-齿轮,5,6-共轭的进给凸轮,7-进给凸轮摆杆,8-
调节齿轮,9-轴,10,1l-共轭的靠模凸轮,12-靠模凸轮摆杆,13-齿轮,14— 不完全齿轮,15-卷边滚轮摆杆,16-卷边滚轮 17-固定轴,18-封盘,19,20-轴齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,以相同方向不同转速转动,又通过轴 19,20分别带动封盘 18和共轭进给凸轮 5,6转动,从而使封盘上的轴 9绕中心主轴旋转。由于该轴固联着进给凸轮摆杆 7和齿轮 13,因此,当它们也绕中心主轴公转时,则能相对封盘摆动,再通过齿轮 13,14
的啮合传动而使卷边滚轮 16作径向进给运动。 又由于不完全齿轮 14铰支在与轴 9活套相连的靠模凸轮摆杆 12上,
这样,在一对固定的共扼靠模凸轮 10,11的作用下,遂强制不完全齿轮 14既能自转,还能绕齿轮 13摆动。结果,卷边滚轮即协调地完成了周向旋转、径向进给和仿型的复合运动。调节齿轮 8是用来改变卷边滚轮安装的初始位置,松开轴 9与摆杆 7的连接,即可转动调节齿轮,从而达到位置调节要求。
(四 )卷边封口机的分类卷边封口机的类型较多,分类方法大致有下列几种 。 按自动化程度可分为三类：一是人工控制,即进出罐及卷封等主要作业均靠人工控制；二是半自动化,仅进出罐靠人工控制,其它都自动进行；三是全自动化,整个封罐过程均能自动进行,无需人工控制 。 按所封的罐型可分为两类,一是封圆形罐,二是封异形罐 。 异形罐是指方形罐,椭圆形罐和马蹄形罐等 。 按卷封操作条件可分为两类,— 是单头卷边封口机,二是在真空状态下卷封 。 前者多用于空罐车间,后者多用于实罐车间 。 按单机的卷封机构数目可分为两类：一是单头卷边封口机；二是多头卷边封口机,如
GT4B7型为四头卷边封口机,它能大幅度提高设备生产能力 。
卷边封口机类型虽多,但其基本组成部份大致相同,主要包括供送 (罐与盖 ),转位,卷封,传动等机构及真空装置 。 显然,其中的卷封机构是最主要的,若按卷封机构不同结构类型来分类,则更能确切地反映卷边封口机的实质 。
附带说明,实罐车间所用的卷边封口机大都是通过真空泵使密封室形成真空而进行卷封的,操作方便,抽气迅速,适应性强 。 但是,有的设备 (如 40P型 )则采用喷射压力蒸汽的方法以置 换罐内顶隙的空气,再进行卷封,待罐内蒸汽冷凝后即可获得一定的真空度 。 该法对于不忌冷凝液留存罐内,而且具有高热蒸汽源要求起一定杀菌作用的真空封口 (如加工果汁,果酱类罐头 )比较适宜 。
它虽然不需配备真空辅助装置,但要消耗大量的蒸汽和能量 。
还需说明,一般卷边封口机的头道,二道卷封作业是在同一组卷封机构中完成的,但某些设备 (如 AT-01型 )则将头道和二道卷边滚轮分别布置在两组卷封机构中,罐身在连续运转的情况下依次进行头道,二道卷封作业,以利卷封过程的稳定 。 同时还可将进给量大的头道卷边滚轮改做成带内侧沟槽的环状体 (一般卷边滚轮均为带外测沟槽的圆柱体 ),以增加与罐盖接触时的弧长,更有利于罐盖周边的弯曲,钩合,提高卷封质量 。 可是,这种设备一般占地面积较大,又难以形成真空卷封,故一般仅适用于空罐卷边加工 。
第二节卷封机构的运动设计一、采用偏心套筒完成径向进给运动的卷封机构以 GT4Bl型卷边封口机为例,该机专门用来卷边封口圆形空罐 。 如前图 7.7所示,偏心套筒 7为原动件,以产生径向进给运动 。 显然,
卷边滚轮 8,9与罐体的中心距和封盘相对于偏心套筒运动的转角有关 。 因偏心距相对甚小,为简化分析,
可近似认为卷边滚轮中心均通过滑键 10的支轴中心 。
图 7.13 GT4B1型卷边封口机卷封机构的运动分析图
1.卷边滚轮的运动方程如图 7.13所示,设罐体的中心为 O,偏心套筒的几何中心为 A,偏心距 OA=e； 卷边滚轮的中心为
M,AM=R； 令封盘的转速为 ；偏心套简的转速为,一般取 。
首先,取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极坐标 。
此时,若将上述的三心标记为,显然,。
经时间 t,偏心套筒绕罐体中心 O 由 A0 移至 A,相应的转角 。 而卷边滚轮中心 M一方面以 绕罐体中心转过,另一方面由于套筒偏心的作用又产生径向相对运动而移至 M点 。 则可求出该瞬时卷边滚轮与罐体的中心距
OM。
n1
n2 n n
2 1?
O A M0 0 OM OA A M e R0 0 0 0
2 2n t
n1
2 1n t
在△ OAM中,由余弦定理可知
AM OA OM OA OM A O M2 2 2 2c o s
OM A O M,
2 2 22 0e e Rc o s
2 2 42 1
2 2 2 2
2
2e e e R e R e
R
c o s ( c o s ) ( ) c o s c o s
R e c o s
令,则上式可改写为故实际上,e<<R,ρ又不可能为负值,可见
(7-1)
上式表明,当机构参数 R,e为定值时,卷边滚轮中心的极径 ρ仅是相对极角 (即相对运动角 )θ的函数 。 显然,该函数对于头道和二道卷边滚轮均适用 。
上式就是 GT4Bl型卷边封口机卷边滚轮中心的运动方程,其绝对运动轨迹可近似认为是一条封闭而又对称的余弦螺旋线；至于卷边滚轮工作沟槽的绝对运动轨迹,则是以该沟槽的工作半径沿上述螺旋线,再画包络线而得到的等距曲线 。 不难看出,卷边滚轮中心相对于偏心套简的运动轨迹,实际上是以 A0为圆心,以 R为半径的一个圆 。
2.机构主要参数的确定根据卷边滚轮的运动方程,可以确定或校核卷封机构的主要技术参数 。
(1)偏心套简的偏心距由式 (7-1)可知：
当 θ=0时当 θ=π时因此：
(7-2)
对于头道卷边滚轮而言
(7-3)
(7-4)
m a xR e
m inR e
e12 ( )m a x m i n
m a x( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 0 1 1r S S S r
m i n( ) ( ) ( )1 2 1r S r
代号上标 (1),(2)分别表示属于头道,二道卷封的工作参数。
式中,r— 封罐后盖子的半径；
一头道的径向进给量 (该机取 3.22mm左右 )；
一二道的径向进给量 (该机取 0.76mm左右 )；
一头道卷边滚轮离开罐盖初始边缘的最大间隙 。 考虑到卷封沟槽的外廓形状并为托罐方便,应取一定的余量 (该机为 4.78mm左右 )；
— 头道卷边滚轮的工作半径 (一般取沟槽最深点的半径 )。
将 代入式 (7-2),则
(7-5)
将上述 值代人,得 e=4mm。
S()1
S( )2
S01( )
r()1
m a x m in、
e S S12 1 0 1( ( ) ( )
S S( ) ( )1 01、
(2)封盘及偏心套简的轮速封盘转速 和偏心套简转速 决定了卷封时间的长短。
如图 7.14所示,若令头道卷封的起始点即当 时为,则该滚轮与罐体的中心距 可由式 (7-1)确定,
即又令头道卷封结束点为,该瞬时滚轮与罐体的中心距,同理可得显然,该滚轮与罐体的中心距的最小值
n1 n2
S01 0( )?
M11()?11( )
1 1 1 1 2 1 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )c o sR e r S S r
M21( )
21( )2 1 2 1 2 1( ) ( ) ( ) ( )c o sR e r S r
m i n( ) ( ) ( ),1 2 1 2 1 180R e
因此,头道、二道卷封所需的工艺时间分别为：
(7-6)
(7-7)
该卷封工艺时间不仅要保证完成设计生产能力,而且还应满足单位径向进给量。
t n n( ) ( )( )1 1
1 22
t n n( ) ( )( )2 2
1 22
图 7.14 GT4B1型卷边封口机卷封机构的运动综合图头道的径向进给量进而求得当 mm,e=4mm时,
由此可知,头道的卷封工艺角为
S R e R e( ) ( ) ( ) ( )c o s ( )1 1 1 2 1 1 1
c o s ( ) ( )? 1 1 1 1S e
S ( ),1 3 22 11 101 1 5( )
( ) ( ) ( )1 21 1 1
当时,= 。
同理,若令二道卷封的起始点为,相对运动角为 ；
二道卷封的结束点为 相对运动角为,则当 =0.76mm,e=4mm时 。
由此可知,二道的卷封工艺角为当时,= 。
2 1 1 1180 101 1 5( ) ( ),( )1 78 45
M12( )?12( )
M22( )?
22 180( )
c o s ( ) ( )? 1 2 2 1S e
S( )2? 1 2 144 6( )
( ) ( ) ( )2 2 2 1 2
2 2 1 2180 144 6( ) ( ),( )2 35 54
由此可得：
(7-8)
(7-9)
(7-10)
t Sn b( )
( )
( )
1
1
1
1?
t Sn b( )
( )
( )
2
2
1
2?
n n Q1 2
式中,— 分别表示头道、二道卷封的单位径向进给量；
Q— 表示卷边封口机的生产能力。
注意：式 (7-10)仅表示 间的数值关系,即差速一圈封一罐。
b b( ) ( )1 2、
n n Q1 2、,
根据式 (7-6)和式 (7-8)可得
S
n b n n
( )
( )
( )
( )
1
1
1
1
1 22
即再将上式与式 (7-10)联立,便可解出 。
例如,若取头道的径向进给量 =3.22mm,头道卷封的单位进给量 =1mm/r,生产能力 Q=40pcs/min,头道的卷封工艺角,
二道的卷封工艺角,二通的径向进给量 =0.76mm,求得封盘转速
n
n
b
S
1
2
1 1
11 2
( ) ( )
( )
n n1 2、
S（ ）1
b( )1? ( )1 78 45
( )2 35 54 S( )2
n S Qb r1
1
1 11
2 589
( )
( ) ( ) / m in
偏心套筒转速
r/min
另外：
将以上两式联立后解得二道卷封的单位进给量
mm/r。
显然,每封一罐封盘转过的转数为
r/pc.
其中用于头道、二道的卷封时间分别可由式 (7-8)、
(7-9)求出
n n Q2 1 589 40 549
t
t
1
2
1
2
78 4 5
35 5 4 2 194
( )
( ),
t
t
S b
S b
b b1
2
1 2
2 2
2
23 22
0 76 1 4 237
( ) ( )
( ) ( )
( )
( ).
.,
b ( ),2 0 52?
n nQ1 54940 13 725.
t s t s( ) ( ).,.1 20 35 0 16
该顺时,二道滚轮开始卷封 。 其中心位置在点,根据上述要求,
二道相对于头道的工艺滞后角应是将 代入得若取头道、二道滚轮中心与封盘上偏心套筒几何中心的间距相等,即 =R,则设 R=80mm,已知 e=4mm,代入得按 及 所示的几何关系,可分别求出
M12( )
M OM3 1 1 2 3 1 1 2( ) ( ) ( ) ( )
3 1 1 2 144 6( ) ( )值和208 5 7 144 6 64 5 1
A M A M0 1 2 0 3 1( ) ( )1 2 1 2 3 1 3 1( ) ( ) ( ) ( )c o s c o sR e R e，
1 2 3 1144 6 208 5 7( ) ( ),c o s
1 2 3 176 76 76 50( ) ( ),( ),,( )mm mm
OA M0 1 2( )?OA M0 31( )
( ) ( ) ( )a r c c o s ( )Re2 0 1 2 2 2 1 2 22OA M R e
( ) ( )
( )
a r c c o s ( )Re1 0 3 1
2 2
3
1 2
2
OA M R e
(3)头道、二道卷边滚轮的封盘配置角在每一工作循环中,要求头道滚轮卷封时,二道滚轮不触及罐盖；而当头道滚轮结束卷封且已离开罐盖一定距离 (一般取 0.5mm左右 )后,二道滚轮应能开始卷封 。 否则,由于头道,二道滚轮沟槽形状不一,会使卷边出现不应有的压痕,
影响封罐质量 。
仍见图 7.14,设头道滚轮卷封结束再退出 0.5mm时,其中心位置在 点,而相对运动角为,由运动方程可知如前所述,在头道卷封结束点,故当 e=4mm时
M31( )?31( )
3 1 3 1 2 1 0 5( ) ( ) ( ) ( )c o s,R e r S r
r S r R e( ) ( )2 1
31 208 5 7( )
1.卷边滚轮的运动方程如图 7.15所示,设罐体的中心 (即中心齿轮的圆心 )为 O,行星齿轮的圆心为
A,OA=L;其偏心轴孔的圆心为 M,偏心距 AM=e。 若暂不考虑卷边滚轮中心的位置调整问题,则 M点也就是卷边滚轮的中心 。
在该差动轮系中,设行星齿轮随同封盘绕罐体中心的转速为,中心齿轮的转速为,一般 < 。 这样,卷边滚轮一方面随同封盘作牵连运动,从而完成绕罐体周向旋转；另一方面又随同行星齿轮自转对封盘作相对运动,同时,
卷边滚轮与行星齿轮又存在着一定的偏心距,从而能完成对罐体中心的径向进给 。
n1n2n2
n1 图 7.15 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动分析图为了便于分析和作图,不妨假想中心齿轮不动,即给整个机构加上一个反向的转速 ( ),从而将该差动轮系转换为普通的行星轮系 。 则转化机构的系杆转速为 。 由于原机构各构件之间的相对运动关系均保持不变,因此也不会影响所推导的卷边滚轮中心运动方程的参数关系 。
仍取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极坐标。此时,若将上述的三心标记 为,显然,。当行星齿轮对中心齿轮以相对转速 由 A0转至 A时,令其相对运动角为 θ,行星齿轮的自转角为
α。 在这种情况下,它同中心齿轮的啮合点便由 B0改变为 B,而
B0则转至,同时卷边滚轮的中心点移至 M,OM=ρ,由于在起始位置 时三点共线,因此转至新位置后 仍应保持三点共线。
n2
n n nH1 2
O A M0 0
OM OA A M L e0 0 0 0
nH
B0
B A M0 0 0
B A M0
代入得,
因此,头道滚轮、二道滚轮在封盘上的配置角应是代入得
( )2 35 3 ( )2 28 1 5
M A M M A O M A O1 2 0 3 1 1 2 0 3 1 0 2 1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
35 3 28 1 5 63 1 8
二、采用行星齿轮偏心销完成径向进给运动的卷封机构以 GT4B2型卷边封口机为例,该机专门用来卷封圆形实罐。
参阅图 7.8所示,其卷封机构采用行星齿轮偏心销轴作原动件,以产生径向进给运动 。 显然,卷边滚轮与罐体的中心距是卷边滚轮所在封盘与中心齿轮相对运动角的函数 。
在 ΔOAM中,由余弦定理可知即
(7-11)
令行星齿轮和中心齿轮的节圆半径各为 R1,R2,由前设条件可知 L=R1+R2,考虑到齿轮的啮合传动相当于节圆作纯滚动,
故,即将上式代入式 (7-11),解得
(7-12)
OM OA AM OA AM O A M2 2 2 2c o s
2 2 2 2L e Le c o s ( )
R R2 1
RR2
1
L e Le RR2 2 2
1
2 c o s
式 (7-12)就是 GT4B2型卷边封口机卷边滚轮中心的运动方程 。 因为行星齿轮的节圆沿着中心齿轮的节圆作外切纯滚动,由数学可知,处于该行星齿轮节圆内某定点 (即卷边滚轮的中心 )的运动轨迹是一条内点外余摆线 。 实际上也就是卷边滚轮中心相对于中心齿轮或罐体中心的运动轨迹 。 至于每相对转动一圈,组成此封闭曲线的余摆线数目则与节圆半径比有关 。 由于该机取
R1=27mm,R2=54mm,因此 。 当卷边滚轮以相对转速 绕罐体公转一圈时,即形成两条余摆线,可卷封两个罐头 。
R
R
2
1
2?
nH
2.机构主要参数的确定
(l)行星齿轮偏心轴孔的偏心距与 GT4B1型卷边封口机相似,当 θ=0时,；当时,,由此可得该机取 e=7mm。 因为要考虑安排卷边滚轮偏心距的调整结构以及增加六槽转盘间歇转动的时间,而使装有汤汁的罐体转位时稳定,故该机取了较大的 e值 。
m a xL e
2? m inL e
e12 ( )m ax m in
(2)封盘及中心齿轮的转速可用 GT4B1型卷边封口机相似的方法,先求头道和二道的卷封工艺角 。
在头道卷封起始与结束点,滚轮与罐体的中心距分别为
( ) ( )1 2、
1
1 2 2 2
1
1
1 2 1 1
2
1 2 1
2( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
cos
L e Le
R
R
r S S r
L e r S r
DDS
两式相减解得
1 1 2 1 1 2 2 2
1
1
12( ) ( ) ( ) ( )c o sS L e Le R
R L e
1 1 1
2
1 2 2 2
2
( ) ( )[ a r c c o s ( )R
R
S L e L e
Le
又因,故头道卷封工艺角
(7-13)
将已知值 =27mm,R2=54mm,L=81mm,e=7mm,=3.22mm,
代入得同理可得,二道卷封工艺角
(7-14)
将上述已知值和 ＝ 0.76mm代入得
1 1 090( )?
( ) ( ) ( ) ( )[ a r c c o s ( ) ]1 2 1 1 1 1
2
1 2 2 290
2
R
R
S L e L e
Le
R1 S( )1
( )1 27 3 6 3 0
( ) ( ) ( ) ( )[ a r c c o s ( ) ]2 2 2 1 2 1
2
2 2 2 290
2
R
R
S L e L e
Le
S( )2
( )2 12 5 4
例如,已知该机生产能力 Q＝ 42pcs／ min,若取头道单位径向进绘量 = 1mm/r,同样可由式 (7-6),(7-8),(7-10)
联立解得 =882r/min,=861r/min,min。
实际上,该机 =756r/min,
=735r/min,相应的,头道和二道 的 单 位 径 向 进 给 量 各
=1.414mm/r,=0.577mm/r。
由于该机头道,二道各配有一对滚轮,故两只卷边滚轮的单位径向进给量可以适当增加,以利降低机头转速和运转惯性 。
n1
n2
b( )2
n1 n2
b( )1
n n n rH1 2 21 /
图 7.16 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动综合图
(3)头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角
GT4Bl型卷边封口机由于头道和二道滚轮都是以同一个偏心套筒作原动件完成径向进给的,所以它们可共用一个坐标轴。同时,为了保证头道、二道能依次正常地完成卷封,还应确定它们在封盘上的配置角。但是,GT4B2型卷边封口机的情况就不尽相同,由于两道滚轮是通过各自的行星齿轮偏心销轴的控制来完成径向进给运动的,而且为了受力均匀,它们又呈对称状态分布,即头道和二道行星齿轮在封盘上的安装夹角为 90°。这样,要求正常卷封时,当头道滚轮直达进给最终位置时,二道滚轮中心应跟随受控的行星齿轮自转一定角度以后也能准确地到达进给最终位置。其自转角度称为头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角。
由图 7.16可见,若头道滚轮卷封结束并退出 0.5mm时,
二道滚轮正好开始卷封 。 该瞬时,头道和二道行星齿轮中心所在的位置分别是,,而卷边滚轮的中心分别是,。 由式 (7-12)求得 。 离初始位置的相对运动角 = 。 根据前述结构条件可知当头道滚轮结束卷封时,头道和二道行星齿轮的中心位置分别为,。 同理可知,
故 恰好在头道的初始位置,即 轴上。当头道卷边滚轮中心点位置为 (偏心位于最里位置 )时,则二道卷边滚轮中心 距到达最里位置,尚需以相对转速绕罐体转过一个角度,即
A31( ) A12( )
M31( ) M12( ) A31( )
31() 100 25 30
A OA3 1 1 2 90( ) ( )
A21() A
02( )A OA2 1 1 2 90( ) ( )
A02( ) x
( )1
M21( )
M01( ) M
22( )
0 0 2 2 2 0 2 1 2 1 2 2 2 13 290A OA A OA A OA( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
将已知值 代入得因此,头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角为将已知值该机取 。 调试时,按上述条件先将头道滚轮中心调到偏心的最里位置,再将相位差为 的二道滚轮中心从最里位置逆着行星齿轮的自转方向转过 (该机行星齿轮的齿数均为 24,逆转 等于逆转三个轮齿 )后放入,就能保证两道卷封正常进行 。
1 3 1 2100 25 30 12 54( ) ( )' " '和
0 100 25 30 90 12 54 23 19 30' " ' ' "
0 2
1
0
2
1
3
1 290R
R
R
R ( )
( ) ( )
0 2 23 19 30 46 39' " '
0 45
90?
45?
45?
3,应用实例某一单头自动卷边封口机采用行星齿轮偏心销轴结构来完成径向进给运动。已知四只行星齿轮的齿数均为,中心齿轮的齿数为,模数均为,并取头道和二道径向进给量分别为 mm和 。开始卷封前,二道卷边滚轮离开罐盖边缘的最远距离为 。该机生产能力为 Q＝ 40pcs/min。 每封一罐,从头道开始卷封至二道结束卷封所需时间为 。试确定设计参数。在安装调试时,先将头道行星齿轮偏心轴孔的中心放在最里位置,要求确定二道行星齿轮偏心轴孔的中心由最里位置逆其自转方向应调过的角度 (或当量齿数 ),并说明对有关构件结构设计应采取的适当措施。
Z1 28? Z2 56?
m? 2
S( )1 3? S mm( ),2 0 7?
S mm0 2 8( )?
t s? 1330
求解步骤如下：
(1)确定销轴偏心距及齿轮中心距参照式 (7-2)、式 (7-3)和式 (7-4),可得销轴的偏心距将已知值代入得齿轮中心距
(2)确定头道卷封工艺角按式 (7-13),代人已知值,其中 可得
e mm0 7 3 82 5 85.,
L m Z Z mm12 12 2 28 56 841 2( ) ( )
R
R
Z
Z12 12
1
2
( ) a r c c o s (,).,,1
2
90 12 3 84 5 852 84 5 85 90 60 5 29 5
( ) a r c c o s (,).,,1
2
90 12 3 84 5 852 84 5 85 90 60 5 29 5
(3)确定从头道卷封开始至二道卷封结束所需时间相对应的相对运动角根据生产率 Q=40pcs/min,每封一罐所需时间故所求的相对运动角
(4)确定从头道卷封结束至二道卷封结束所需时间相对应的相对运动角
(5)确定头道滚轮在最里位置时,二道滚轮由最里位置应逆转的齿数
T Q s60 6040 1 5.
1330 180 1330 1801 5 52.
0 1 52 29 5 22 5( ),,
因头道和二道的工艺配置角则对应的当量齿数
(6)对有关构件结设计所采取的措施如图 7.17所示,头道和二道滚轮在封盘上的安装夹角为 90,而中心齿轮在该夹角范围内的齿数,是一个整数 。因此,头道行星齿轮的齿间与中心齿轮的轮齿相啮合时,则二道行星齿轮也必然是齿间与中心齿轮的轮齿相啮合。
0 2
1
0 2 22 5 45
Z
Z,
Z Z0 1 0360 28 45360 3 5,
56 90360 14
但是,为了保证二道行星齿轮能调过三个半齿,就要求在设计、
制造两道行星齿轮结构时,将头道偏心轴孔中心线对称地定位于齿间,而将二道偏心轴孔中心线错过半个齿,即对称地定位于轮齿。按图所示中心齿轮啮合的位置,头道偏心在最里位置,
而二道偏心则由最里位置己转过半个齿,这样,只要按图示位置保持头道行星齿轮不动再将二道行星齿轮顺时针调过三个齿即可。 图 7.17 头道和二道卷边滚轮相对位置确定示意图根据上述 GT4Bl型及 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动设计,可以概括如下结论：
1)采用偏心装置的卷边滚轮产生径向进给运动,
其运动规律应通过有关方程加以确定。鉴于卷边滚轮与罐体的中心距并非定值,而且径向进给速度又是不均匀的。因此,这种卷封没有光边过程,以致影响封罐质量。
2)采用偏心装置,其卷封工艺角也必须按运动方程计算,并且有关参数都较难任意确定。从分析可见,真正用于卷封工艺的时间较少,而大部分时间却用于完成进罐、出罐及转位等辅助操作,限制了生产能力的提高。
3)如果改用凸轮装置使卷边滚轮产生径向进给运动,
则可灵活地设计凸轮曲线,有效地控制径向进给运动规律。特别是在完成第二道卷封后可增加一段光边过程,不仅有助于改善卷封的工艺性能,同时还可大幅度增加卷封工艺角,以提高生产能力。当然,凸轮机构也有一定的缺点,结构较庞大,一般难于保证加工质量,加之润滑条件差,容易磨损,进而影响卷封精度。
，
则百事俱举；
百事举矣
，
则富强不足谋也
。
第七章 卷封机械第一节 卷封的基本原理一、刚性、半刚性容器的几种封口形式前已述及,采用柔性材料包装物品,除手工袋装以外,多在有关设备的封口工位上完成粘封或热封,不需另设封口机 。
而采用刚性,半刚性包装容器 (如金属罐,玻璃瓶,塑料瓶等 ),在完成物品的灌装,充填之后,一般需借助相应的封口机械进行封口,以使产品得以密封保存,并便于流通,销售和使用 。
根据刚性、半刚性容器的种类及其对产品的密封要求,
常见的封口形式大体上有下列几种,如图 7.1所示 (前四种属于有封口材料的封口 )：
图 7.1 刚性、半刚性容器的几种封口形式
(1)卷边封,将翻边的罐身与涂有密封填料的罐盖内侧周边互相钩合,卷曲并压紧而使容器密封 。 这种封口形式主要用于马口铁罐,铝罐等金属容器以及新近开发的复合罐 。
(2)压盖封,将内侧涂有密封填料的外盖压紧并咬住瓶身或罐身而使其密封 。 这种封口形式多用于玻璃瓶与金属盖组合的容器,如瓶装啤酒,瓶装酱菜等 。
(3)旋盖封,将螺纹盖旋紧容器口而使其密封 。 这种封口形式主要用于盖子为塑料或金属件,而罐身为玻璃,陶瓷,塑料或金属件组合的容器,如瓶装奶粉,牙膏管等 。 螺旋盖容易开启和密封,并能重复使用,应用相当广泛 。
(4)压塞封,将内塞压在容器口内而使其密封 。 这种封口形式主要用于软木塞或塑料塞与玻璃瓶密封的容器,如瓶装酒,瓶装麦乳精等 。 因内塞难以达到完全密封,通常还要辅以蜡封,旋盖封或压盖封 。
(5)折叠封,将包装容器的开口处压扁再进行多次折叠而使其密封 。 这种封口形式主要用于半刚性容器,
如装填膏状物料的铝管等 。 通常折叠封口后常需压痕,以增强其密封效果 。
为了可靠地实现上述各种形式的封口作业,应根据具体条件适当地选用相应的专用机械 。 限于篇幅,
本章仅着重阐述用于马口铁罐的卷边封口机 (即通常所说的封罐机 )。
实际上,它已成为罐头食品工业的重要生产设备之一 。图 7.2 GT4B2型卷边封口机示意图
l-压盖杆,2-套简,3-弹簧,4-上压头固定支座,5,6-差动齿轮
7-封盘,8-卷边滚轮,9-罐体,10-托罐盘,11-六槽转盘,12-盖仓 13-分盖器,14-推盖板,15-推头图 7.2所示为国内目前通用的 GT4B2型卷边封口机的示意图。充填有物料的罐体,借装在推送链上的等间距推头 15间歇地将其送入六槽转盘 11的进罐工位 (Ⅰ )。盖仓
12内的罐盖由连续转动的分盖器 13逐个拨出,并由往复运动的推盖板 14有节奏地送至进罐工位罐体的上方。接着,罐体和罐盖被间歇地传送到卷封工位 (Ⅱ )。这时,先由托罐盘 10、压盖杆 l将其抬起,直至固定的上压头定位后,用头道和二道卷边滚轮 8依次进行卷封。然后,托罐盘和压盖杆恢复原位,已卷封好的罐头降下,六槽转盘再送至出罐工位 (Ⅲ )。为了避免降罐时的吊罐现象,在压盖杆
1与移动的套筒 2间装有弹簧 3,以便降罐前给压盖杆一定预压力。由于卷封工位没有孔道与真空稳定器和真空泵相通。因此,卷封作业可在真空状态下进行。
本机的传动系统为电动机经三角带驱动主传动轴,经蜗杆 —
蜗轮驱动垂直分配轴,经螺旋齿轮驱动两对差动齿轮 (即图
7.2中件 5,6),进而使卷封机构完成卷封运动 。 垂直分配轴下端再经螺旋齿轮驱动与水平分配轴相连的罐体,罐盖供送机构及六槽转盘 。 托罐盘与压盖杆的运动则分别由垂直分配轴的下,上糟凸轮控制 。 在垂直分配轴上端的蜗轮处配置一安全离合器,一旦出现卡罐等故障,则会使两分配轴停止运转 。 另外,从动三角带轮与主分配轴之间采用摩擦片传动 (图中未示 ),它对整机起超载保护作用 。
图 7.3更详细地表示了该机卷封机构的结构,长杆
1的下端与压盖杆 36钩形联接,必要时便于更换 。
压架 2,压帽 3分别与长杆 l,滑套 5固连,滑套由凸轮机构 (图中未示 )控制作上下运动 。 弹簧 4的作用前已叙述 。 压头轴 17由下顶帽 11,上顶帽 7、
铜套 9支承在机架 8上,使上压头 37固定不动 。
若需调节上压头的高低位置,可松开螺帽 6,扳动压头轴上端方头部分即可 。 齿轮 13经花健轴 16、
花键帽 38使封盘 28旋转 。
花键帽与封盘间为端面凹凸联接,只要松开螺帽 34,压帽 35,就能方便地取下封盘 。 齿轮 15直接与中心齿轮 22成端面凹凸联接,使中心齿轮以不同于封盘的速度旋转 。
卷封机构整个旋
1-长杆,2-压架,3,35-压帽,4-弹簧,5-滑套,6,23,34-
螺帽,7-上顶帽,8-机架,9-铜套,10-导向键,11-下顶帽,12,14、
21-轴承,13、
15-齿轮,16-花键轴,17-压头轴,18-上盖,19-
托盘,20-顶盘,22-中心齿轮,24-调节蜗轮,25-封盘盖,26-行星齿轮,27-小轴,28-
封盘,29-下盖,30-卷边滚轮,31-底盘,32— 铜盘,33-滚针,36-
压盖杆,37-上压头,38-花键帽图 7.3 GT4B2型卷边封口机卷封机构结构图二,马口铁罐的卷边封口
(一 )二重卷边的形成过程使罐体与罐盖的周边牢固地紧密钩合而形成的五层 (罐盖三层、罐体两层 )马口铁皮的卷边缝的过程,称作二重卷边。为了提高罐体与罐盖的密封性,在盖子内侧预先涂上一层弹性胶膜 (如硫化乳胶 )或其它填充材料。二重卷边大都采用滚轮进行两次滚压作业来完成。第一次作业又称头道卷边,如图 7.4
所示。在未卷边前的位置如实线所示,头道卷边结束后则如虚线所示。开始时,头道卷边滚轮首先靠拢并接近罐盖,接着压迫罐盖与罐体的周边逐渐卷曲并相互逐渐钩合。当沿径向进给 3.2mm左右时,头道卷边滚轮立即离开,其时二道卷边滚轮继续沿罐盖的边缘移动,如图 7.5所示。二道卷边开始位置如图 (a)示,结束位置如图 (b)示。二道卷边能使罐盖和罐体的钩合部分进一步受压变形紧密封合,其沿径向进给量为
0.8mm左右。两次进给量共约 4mm。
由此可见头道和二道卷边滚轮的结构形状显然不同。通常,头道卷边滚轮的沟槽窄而深,而二道卷边滚轮的沟槽则宽而浅。
图 7.4 头道卷边 图 7.5 二道卷边为了形成二重卷边缝,作为执行构件的卷边滚轮,相对于罐身必须完成某种特定的运动。若卷封圆形罐,卷边滚轮相对罐身应同时完成两种运动,即周向旋转运动和径向进给运动。
若卷封异形罐,卷边滚轮相对罐身应同时完成三种话动,即周向旋转运动,径向进给运动和按异形罐的外形轮廓作的仿型运动 。
为使罐盖与罐体的周边逐渐卷曲变形,每封一只罐身卷边滚轮需绕罐身旋转多圈 (如 GT4B2型的卷边滚轮每封一罐绕罐身转 18
圈 ),而实际的有效圈数 (从触及罐盖开始真正用于卷封工艺的圈数 )应由单位径向进给量来确定,一般取头道为每圈 lmm左右,二道为每圈 0.5mm左右 。
(二 )卷边滚轮的运动分析
(三 )卷封机构的结构类型两道卷边滚轮相对罐身所作的卷边运动是由卷封机构来实现的,由于实现这种运动有多种组合方式,因而出现不同结构的卷封机构 。
1.完成周向旋转运动的两种结构形式
(1)罐体与罐盖被固定不动,
卷边滚轮绕其旋转 。 目前的卷边封口机大都属于这种结构形式,如 GT4B2型卷封口机等 。
图 7.6 GT4B13型卷边封口机卷封机构示意图
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-上转盘,4-摆杆
5-固定凸轮,6-卷边滚轮,7-上压头
8-下压头,9-下转盘
(2)罐体与罐盖绕轴自转,而卷边滚轮不绕罐作周向旋转。如图 7.6所示 GT4B13型卷边封口机,罐体被紧夹在上、下压头 7、
8之间,并由行星齿轮 2带动自转,从而完成相对于卷边滚轮 6的周向旋转运动。这种结构虽较简单紧凑,但因罐体既有自转又有公转,若用于实罐卷封则其内装的液料形成旋转抛物面,易从罐口流出,从而限 制了它的自转速度以及生产能力的提高。
为简化分析,暂不考虑罐身加盖及其公转等的影响,欲保证内装液料不外溢,可根据流体力学的有关理论近似求出罐身的最高自转转速,供设计估算参考,即式中,— 罐身的内半径 ;
h— 罐内的顶隙高度；
g— 重力常数 。
nmax
n ghR hR
n n
m a x60 60?Rn
相应的最高生产能力 Qmax近似可取为式中,j— 卷边封口机的头数；
n— 根据卷封工艺要求,确定每封一罐所需的罐身自转数
(如 GT4B13型约为 16r/pc.)。
2.完成径向进给运动的三种结构形式
(1)偏心套筒作原动件图 7.7所示为 GT4Bl型卷边封口机的卷封机构原理图。齿轮 3、
4在同轴齿轮 2,1的带 动下,以相同方向不同转速分别带动偏心套筒 7和轴套 5转动。轴套 5又通过滑键 10带动封盘 6一起转动。封盘上装有头道卷边滚轮 8和二道卷边滚轮 9。由于封盘与偏心套筒有速差,使得封盘上的卷边滚轮相对于转轴 (即罐体中心线 )的距离不断变化,从而使卷边滚轮也产生了相应的径向进给运动。
Q n jnm a x m a x?
图 7.7 GT4Bl型卷边封口机卷封机构原理图
1,2,3,4-齿轮,5-轴套,6-封盘,7-偏心套筒,8-头道卷边滚轮
9-二道卷边滚轮,10-滑键图 7.8 GT4B2型卷边封口机卷封机构原理理
l,2,3,4-齿轮,5-中心齿轮,6-行星齿轮,7-封盘,8-
偏心销轴
9-头道卷边滚轮,10-二道卷边滚轮
(2)行星齿轮偏心销轴作原动件图 7.8所示为 GT4B2型卷边封口机的卷封机构原理图 。
齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,以相同方向不同转速分别带动中心齿轮 5和封盘 7转动 。 该封盘上均布着四只行星齿轮 6,与封盘一起绕中心齿轮公转 。 由于封盘与中心齿轮存在速差,故形成差动轮系,遂使行星齿轮连同与其固联的偏心销轴 8在公转的同时又作自转,从而使与偏心销轴铰支的卷边滚轮既能绕罐体作周向旋转,同时又能产生径向进给运动 。 其中,两只头道卷边滚轮 9和两只二道卷边滚轮 10,分别呈对称分布状态 。
(3)凸轮作原动件见前图 7.6所示的 GT4B13型卷边封口机,在卷边滚轮 6
随罐体绕中心齿轮 l公转的过程中,由固定凸轮 5通过摆杆 4驱使卷边滚轮相对于罐体作径向进给运动。
对于罐体被固定的卷边封口机,为使卷边滚轮能完成相对罐体的周向旋转及径向进给的复合运动,则不能再单独采用固定凸轮与摆杆作原动件,而得改用差速凸轮机构。其结构形式又可分为两种：
①盘形凸轮摆动从动杆结构图 7,9所示为 GT4B6
型卷边封口机的卷封机构原理图 。 齿轮 3,4在同轴齿轮 2,l的带动下,
以相同方向不同转速分别带动封盘 9及叠放的四只盘形凸轮 5,6,7、
8转动 。
图 7.9 GT4B6型卷边封口机卷封机构原理图
l,2,3,4-齿轮,5-头道共额进给凸轮,6-二道共扼进给凸轮
7-头道进给凸轮,8-二道进给凸轮,9-封盘,10-摆杆
11-头道卷边滚轮,12-二道卷边滚轮其中 5,6分别为头道,二道的共扼进给凸轮,7,8分别为头道,二道的进给凸轮 。 封盘上对称安装着一对头道卷边滚轮 11和一对二道卷边滚轮 12。 由于封盘与凸轮有速差,凸轮就通过摆杆 10驱动卷边滚轮作径向进给运动 。 ② 端面凸轮直动从动杆结构图 7.10所示为 GT4B7型卷边封口机的卷封机构原理图 。
该机共有四组卷封机构,图中除中心轴 14,中心齿轮 1和大转盘 6外,仅表示了一组卷封机构 。 其中行星齿轮 2由大转盘
6带动绕中心轴 14公转,在旋转轨道旁装一固定端面凸轮 4,控制从动杆 5作上,下往复运动,从而使轴套 7沿滑键 3也作上,
下往复运动 。 通过凸轮斜块 9控制摆杆 10摆动,从而使卷边滚轮 12完成径向进给运动 。 由于中心齿轮 1与大转盘 6之间存在速差,因此卷边滚轮又能完成绕罐的周向旋转运动 。
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-滑键,4-
固定端面凸轮,5-直动从动杆,6-
大转盘,7-轴套,8-封盘,9-凸轮斜块,10,11-摆杆
12-卷边滚轮,13-靠摸凸轮,14-中心轴图 7.10 GT4B7型卷边封口机卷封机构原理图
3.完成仿型运动的两种结构形式
(1)以罐型靠模为作用件上图所示的 GT4B7型卷边封口机,罐型靠模凸轮 13固定不动,
其周边形状与所要封口的异形罐相似或相同 。 当封盘 8绕罐体旋转时,摆杆 11受靠模凸轮 13的控制而产生摆动 。 由于该摆杆铰支在封盘上又与另一摆杆 10铰支在一起,从而使卷边滚轮 12能完成确定的仿型运动 。 又如图 7.11所示 GT4B4
型卷边封口机的卷封机构原理图,它也采用罐型靠模为作用件,以完成仿型运动 。 齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,
以相同方向不同转速转动,并分别带动封盘 6和盘形凸轮组 5
转动 。 该凸轮组共有四只凸轮,其中一对为头道共轭的进给凸轮,另一对为二道共轭的进给凸轮 。 当封盘相对凸轮转动时,由于两者有速差,从而使进给凸轮摆杆 14产生摆动,并通过连杆 11,卷边滚轮摆杆 10驱动卷边滚轮 9作径向进给运动 。
与此同时,由于卷边滚轮摆杆与靠模摆杆 13都铰接在 C点,
而靠模摆杆 13又绕固定的罐型靠模凸轮 7摆动
(摆动支点为封盘上的 A点 ),
因此卷边滚轮 9又能作仿型运动 。 该机有四只卷边滚轮,头,二道各两只,图中仅示一只 。
(2)以非罐型靠模为作用件前述的罐型靠模在转弯处曲率变化较大,使得卷边滚轮在该处的惯性变化剧增,严重地影响了卷封质量,
也限制了生产能力的提高。
图 7.11 GT4B4型卷边封口机卷封机构原理图
l,2,3,4-齿轮,5-盘形凸轮,6-封盘,7-罐型靠摸凸轮,8-靠模滚子
9-卷边滚轮,10-卷边滚轮摆秆,11-连杆,12-摆杆
13-靠摸摆杆,14-进给凸轮摆杆例如,卷封方形罐在从一条罐边到另一条罐边的转角处,
很容易出现卷封不紧、起皱纹、轧伤等不符合质量标准的现象。因此,如图 7.12所示 TUB54型异形罐卷边封口机采用的靠模与所要卷封的罐头外形,既不相同也不相似,而是将转角曲率设计成变化比较缓和的形状,以利提高卷封质量。该机同样有四只卷边滚轮 (头、二道各一对 ),图中也只画了一只。 图 7.12 TUB54型卷边封口机卷封机构立体示意图
l,2,3,4-齿轮,5,6-共轭的进给凸轮,7-进给凸轮摆杆,8-
调节齿轮,9-轴,10,1l-共轭的靠模凸轮,12-靠模凸轮摆杆,13-齿轮,14— 不完全齿轮,15-卷边滚轮摆杆,16-卷边滚轮 17-固定轴,18-封盘,19,20-轴齿轮 3,4在同轴齿轮 2,1的带动下,以相同方向不同转速转动,又通过轴 19,20分别带动封盘 18和共轭进给凸轮 5,6转动,从而使封盘上的轴 9绕中心主轴旋转。由于该轴固联着进给凸轮摆杆 7和齿轮 13,因此,当它们也绕中心主轴公转时,则能相对封盘摆动,再通过齿轮 13,14
的啮合传动而使卷边滚轮 16作径向进给运动。 又由于不完全齿轮 14铰支在与轴 9活套相连的靠模凸轮摆杆 12上,
这样,在一对固定的共扼靠模凸轮 10,11的作用下,遂强制不完全齿轮 14既能自转,还能绕齿轮 13摆动。结果,卷边滚轮即协调地完成了周向旋转、径向进给和仿型的复合运动。调节齿轮 8是用来改变卷边滚轮安装的初始位置,松开轴 9与摆杆 7的连接,即可转动调节齿轮,从而达到位置调节要求。
(四 )卷边封口机的分类卷边封口机的类型较多,分类方法大致有下列几种 。 按自动化程度可分为三类：一是人工控制,即进出罐及卷封等主要作业均靠人工控制；二是半自动化,仅进出罐靠人工控制,其它都自动进行；三是全自动化,整个封罐过程均能自动进行,无需人工控制 。 按所封的罐型可分为两类,一是封圆形罐,二是封异形罐 。 异形罐是指方形罐,椭圆形罐和马蹄形罐等 。 按卷封操作条件可分为两类,— 是单头卷边封口机,二是在真空状态下卷封 。 前者多用于空罐车间,后者多用于实罐车间 。 按单机的卷封机构数目可分为两类：一是单头卷边封口机；二是多头卷边封口机,如
GT4B7型为四头卷边封口机,它能大幅度提高设备生产能力 。
卷边封口机类型虽多,但其基本组成部份大致相同,主要包括供送 (罐与盖 ),转位,卷封,传动等机构及真空装置 。 显然,其中的卷封机构是最主要的,若按卷封机构不同结构类型来分类,则更能确切地反映卷边封口机的实质 。
附带说明,实罐车间所用的卷边封口机大都是通过真空泵使密封室形成真空而进行卷封的,操作方便,抽气迅速,适应性强 。 但是,有的设备 (如 40P型 )则采用喷射压力蒸汽的方法以置 换罐内顶隙的空气,再进行卷封,待罐内蒸汽冷凝后即可获得一定的真空度 。 该法对于不忌冷凝液留存罐内,而且具有高热蒸汽源要求起一定杀菌作用的真空封口 (如加工果汁,果酱类罐头 )比较适宜 。
它虽然不需配备真空辅助装置,但要消耗大量的蒸汽和能量 。
还需说明,一般卷边封口机的头道,二道卷封作业是在同一组卷封机构中完成的,但某些设备 (如 AT-01型 )则将头道和二道卷边滚轮分别布置在两组卷封机构中,罐身在连续运转的情况下依次进行头道,二道卷封作业,以利卷封过程的稳定 。 同时还可将进给量大的头道卷边滚轮改做成带内侧沟槽的环状体 (一般卷边滚轮均为带外测沟槽的圆柱体 ),以增加与罐盖接触时的弧长,更有利于罐盖周边的弯曲,钩合,提高卷封质量 。 可是,这种设备一般占地面积较大,又难以形成真空卷封,故一般仅适用于空罐卷边加工 。
第二节卷封机构的运动设计一、采用偏心套筒完成径向进给运动的卷封机构以 GT4Bl型卷边封口机为例,该机专门用来卷边封口圆形空罐 。 如前图 7.7所示,偏心套筒 7为原动件,以产生径向进给运动 。 显然,
卷边滚轮 8,9与罐体的中心距和封盘相对于偏心套筒运动的转角有关 。 因偏心距相对甚小,为简化分析,
可近似认为卷边滚轮中心均通过滑键 10的支轴中心 。
图 7.13 GT4B1型卷边封口机卷封机构的运动分析图
1.卷边滚轮的运动方程如图 7.13所示,设罐体的中心为 O,偏心套筒的几何中心为 A,偏心距 OA=e； 卷边滚轮的中心为
M,AM=R； 令封盘的转速为 ；偏心套简的转速为,一般取 。
首先,取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极坐标 。
此时,若将上述的三心标记为,显然,。
经时间 t,偏心套筒绕罐体中心 O 由 A0 移至 A,相应的转角 。 而卷边滚轮中心 M一方面以 绕罐体中心转过,另一方面由于套筒偏心的作用又产生径向相对运动而移至 M点 。 则可求出该瞬时卷边滚轮与罐体的中心距
OM。
n1
n2 n n
2 1?
O A M0 0 OM OA A M e R0 0 0 0
2 2n t
n1
2 1n t
在△ OAM中,由余弦定理可知
AM OA OM OA OM A O M2 2 2 2c o s
OM A O M,
2 2 22 0e e Rc o s
2 2 42 1
2 2 2 2
2
2e e e R e R e
R
c o s ( c o s ) ( ) c o s c o s
R e c o s
令,则上式可改写为故实际上,e<<R,ρ又不可能为负值,可见
(7-1)
上式表明,当机构参数 R,e为定值时,卷边滚轮中心的极径 ρ仅是相对极角 (即相对运动角 )θ的函数 。 显然,该函数对于头道和二道卷边滚轮均适用 。
上式就是 GT4Bl型卷边封口机卷边滚轮中心的运动方程,其绝对运动轨迹可近似认为是一条封闭而又对称的余弦螺旋线；至于卷边滚轮工作沟槽的绝对运动轨迹,则是以该沟槽的工作半径沿上述螺旋线,再画包络线而得到的等距曲线 。 不难看出,卷边滚轮中心相对于偏心套简的运动轨迹,实际上是以 A0为圆心,以 R为半径的一个圆 。
2.机构主要参数的确定根据卷边滚轮的运动方程,可以确定或校核卷封机构的主要技术参数 。
(1)偏心套简的偏心距由式 (7-1)可知：
当 θ=0时当 θ=π时因此：
(7-2)
对于头道卷边滚轮而言
(7-3)
(7-4)
m a xR e
m inR e
e12 ( )m a x m i n
m a x( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 0 1 1r S S S r
m i n( ) ( ) ( )1 2 1r S r
代号上标 (1),(2)分别表示属于头道,二道卷封的工作参数。
式中,r— 封罐后盖子的半径；
一头道的径向进给量 (该机取 3.22mm左右 )；
一二道的径向进给量 (该机取 0.76mm左右 )；
一头道卷边滚轮离开罐盖初始边缘的最大间隙 。 考虑到卷封沟槽的外廓形状并为托罐方便,应取一定的余量 (该机为 4.78mm左右 )；
— 头道卷边滚轮的工作半径 (一般取沟槽最深点的半径 )。
将 代入式 (7-2),则
(7-5)
将上述 值代人,得 e=4mm。
S()1
S( )2
S01( )
r()1
m a x m in、
e S S12 1 0 1( ( ) ( )
S S( ) ( )1 01、
(2)封盘及偏心套简的轮速封盘转速 和偏心套简转速 决定了卷封时间的长短。
如图 7.14所示,若令头道卷封的起始点即当 时为,则该滚轮与罐体的中心距 可由式 (7-1)确定,
即又令头道卷封结束点为,该瞬时滚轮与罐体的中心距,同理可得显然,该滚轮与罐体的中心距的最小值
n1 n2
S01 0( )?
M11()?11( )
1 1 1 1 2 1 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )c o sR e r S S r
M21( )
21( )2 1 2 1 2 1( ) ( ) ( ) ( )c o sR e r S r
m i n( ) ( ) ( ),1 2 1 2 1 180R e
因此,头道、二道卷封所需的工艺时间分别为：
(7-6)
(7-7)
该卷封工艺时间不仅要保证完成设计生产能力,而且还应满足单位径向进给量。
t n n( ) ( )( )1 1
1 22
t n n( ) ( )( )2 2
1 22
图 7.14 GT4B1型卷边封口机卷封机构的运动综合图头道的径向进给量进而求得当 mm,e=4mm时,
由此可知,头道的卷封工艺角为
S R e R e( ) ( ) ( ) ( )c o s ( )1 1 1 2 1 1 1
c o s ( ) ( )? 1 1 1 1S e
S ( ),1 3 22 11 101 1 5( )
( ) ( ) ( )1 21 1 1
当时,= 。
同理,若令二道卷封的起始点为,相对运动角为 ；
二道卷封的结束点为 相对运动角为,则当 =0.76mm,e=4mm时 。
由此可知,二道的卷封工艺角为当时,= 。
2 1 1 1180 101 1 5( ) ( ),( )1 78 45
M12( )?12( )
M22( )?
22 180( )
c o s ( ) ( )? 1 2 2 1S e
S( )2? 1 2 144 6( )
( ) ( ) ( )2 2 2 1 2
2 2 1 2180 144 6( ) ( ),( )2 35 54
由此可得：
(7-8)
(7-9)
(7-10)
t Sn b( )
( )
( )
1
1
1
1?
t Sn b( )
( )
( )
2
2
1
2?
n n Q1 2
式中,— 分别表示头道、二道卷封的单位径向进给量；
Q— 表示卷边封口机的生产能力。
注意：式 (7-10)仅表示 间的数值关系,即差速一圈封一罐。
b b( ) ( )1 2、
n n Q1 2、,
根据式 (7-6)和式 (7-8)可得
S
n b n n
( )
( )
( )
( )
1
1
1
1
1 22
即再将上式与式 (7-10)联立,便可解出 。
例如,若取头道的径向进给量 =3.22mm,头道卷封的单位进给量 =1mm/r,生产能力 Q=40pcs/min,头道的卷封工艺角,
二道的卷封工艺角,二通的径向进给量 =0.76mm,求得封盘转速
n
n
b
S
1
2
1 1
11 2
( ) ( )
( )
n n1 2、
S（ ）1
b( )1? ( )1 78 45
( )2 35 54 S( )2
n S Qb r1
1
1 11
2 589
( )
( ) ( ) / m in
偏心套筒转速
r/min
另外：
将以上两式联立后解得二道卷封的单位进给量
mm/r。
显然,每封一罐封盘转过的转数为
r/pc.
其中用于头道、二道的卷封时间分别可由式 (7-8)、
(7-9)求出
n n Q2 1 589 40 549
t
t
1
2
1
2
78 4 5
35 5 4 2 194
( )
( ),
t
t
S b
S b
b b1
2
1 2
2 2
2
23 22
0 76 1 4 237
( ) ( )
( ) ( )
( )
( ).
.,
b ( ),2 0 52?
n nQ1 54940 13 725.
t s t s( ) ( ).,.1 20 35 0 16
该顺时,二道滚轮开始卷封 。 其中心位置在点,根据上述要求,
二道相对于头道的工艺滞后角应是将 代入得若取头道、二道滚轮中心与封盘上偏心套筒几何中心的间距相等,即 =R,则设 R=80mm,已知 e=4mm,代入得按 及 所示的几何关系,可分别求出
M12( )
M OM3 1 1 2 3 1 1 2( ) ( ) ( ) ( )
3 1 1 2 144 6( ) ( )值和208 5 7 144 6 64 5 1
A M A M0 1 2 0 3 1( ) ( )1 2 1 2 3 1 3 1( ) ( ) ( ) ( )c o s c o sR e R e，
1 2 3 1144 6 208 5 7( ) ( ),c o s
1 2 3 176 76 76 50( ) ( ),( ),,( )mm mm
OA M0 1 2( )?OA M0 31( )
( ) ( ) ( )a r c c o s ( )Re2 0 1 2 2 2 1 2 22OA M R e
( ) ( )
( )
a r c c o s ( )Re1 0 3 1
2 2
3
1 2
2
OA M R e
(3)头道、二道卷边滚轮的封盘配置角在每一工作循环中,要求头道滚轮卷封时,二道滚轮不触及罐盖；而当头道滚轮结束卷封且已离开罐盖一定距离 (一般取 0.5mm左右 )后,二道滚轮应能开始卷封 。 否则,由于头道,二道滚轮沟槽形状不一,会使卷边出现不应有的压痕,
影响封罐质量 。
仍见图 7.14,设头道滚轮卷封结束再退出 0.5mm时,其中心位置在 点,而相对运动角为,由运动方程可知如前所述,在头道卷封结束点,故当 e=4mm时
M31( )?31( )
3 1 3 1 2 1 0 5( ) ( ) ( ) ( )c o s,R e r S r
r S r R e( ) ( )2 1
31 208 5 7( )
1.卷边滚轮的运动方程如图 7.15所示,设罐体的中心 (即中心齿轮的圆心 )为 O,行星齿轮的圆心为
A,OA=L;其偏心轴孔的圆心为 M,偏心距 AM=e。 若暂不考虑卷边滚轮中心的位置调整问题,则 M点也就是卷边滚轮的中心 。
在该差动轮系中,设行星齿轮随同封盘绕罐体中心的转速为,中心齿轮的转速为,一般 < 。 这样,卷边滚轮一方面随同封盘作牵连运动,从而完成绕罐体周向旋转；另一方面又随同行星齿轮自转对封盘作相对运动,同时,
卷边滚轮与行星齿轮又存在着一定的偏心距,从而能完成对罐体中心的径向进给 。
n1n2n2
n1 图 7.15 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动分析图为了便于分析和作图,不妨假想中心齿轮不动,即给整个机构加上一个反向的转速 ( ),从而将该差动轮系转换为普通的行星轮系 。 则转化机构的系杆转速为 。 由于原机构各构件之间的相对运动关系均保持不变,因此也不会影响所推导的卷边滚轮中心运动方程的参数关系 。
仍取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极坐标。此时,若将上述的三心标记 为,显然,。当行星齿轮对中心齿轮以相对转速 由 A0转至 A时,令其相对运动角为 θ,行星齿轮的自转角为
α。 在这种情况下,它同中心齿轮的啮合点便由 B0改变为 B,而
B0则转至,同时卷边滚轮的中心点移至 M,OM=ρ,由于在起始位置 时三点共线,因此转至新位置后 仍应保持三点共线。
n2
n n nH1 2
O A M0 0
OM OA A M L e0 0 0 0
nH
B0
B A M0 0 0
B A M0
代入得,
因此,头道滚轮、二道滚轮在封盘上的配置角应是代入得
( )2 35 3 ( )2 28 1 5
M A M M A O M A O1 2 0 3 1 1 2 0 3 1 0 2 1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
35 3 28 1 5 63 1 8
二、采用行星齿轮偏心销完成径向进给运动的卷封机构以 GT4B2型卷边封口机为例,该机专门用来卷封圆形实罐。
参阅图 7.8所示,其卷封机构采用行星齿轮偏心销轴作原动件,以产生径向进给运动 。 显然,卷边滚轮与罐体的中心距是卷边滚轮所在封盘与中心齿轮相对运动角的函数 。
在 ΔOAM中,由余弦定理可知即
(7-11)
令行星齿轮和中心齿轮的节圆半径各为 R1,R2,由前设条件可知 L=R1+R2,考虑到齿轮的啮合传动相当于节圆作纯滚动,
故,即将上式代入式 (7-11),解得
(7-12)
OM OA AM OA AM O A M2 2 2 2c o s
2 2 2 2L e Le c o s ( )
R R2 1
RR2
1
L e Le RR2 2 2
1
2 c o s
式 (7-12)就是 GT4B2型卷边封口机卷边滚轮中心的运动方程 。 因为行星齿轮的节圆沿着中心齿轮的节圆作外切纯滚动,由数学可知,处于该行星齿轮节圆内某定点 (即卷边滚轮的中心 )的运动轨迹是一条内点外余摆线 。 实际上也就是卷边滚轮中心相对于中心齿轮或罐体中心的运动轨迹 。 至于每相对转动一圈,组成此封闭曲线的余摆线数目则与节圆半径比有关 。 由于该机取
R1=27mm,R2=54mm,因此 。 当卷边滚轮以相对转速 绕罐体公转一圈时,即形成两条余摆线,可卷封两个罐头 。
R
R
2
1
2?
nH
2.机构主要参数的确定
(l)行星齿轮偏心轴孔的偏心距与 GT4B1型卷边封口机相似,当 θ=0时,；当时,,由此可得该机取 e=7mm。 因为要考虑安排卷边滚轮偏心距的调整结构以及增加六槽转盘间歇转动的时间,而使装有汤汁的罐体转位时稳定,故该机取了较大的 e值 。
m a xL e
2? m inL e
e12 ( )m ax m in
(2)封盘及中心齿轮的转速可用 GT4B1型卷边封口机相似的方法,先求头道和二道的卷封工艺角 。
在头道卷封起始与结束点,滚轮与罐体的中心距分别为
( ) ( )1 2、
1
1 2 2 2
1
1
1 2 1 1
2
1 2 1
2( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
cos
L e Le
R
R
r S S r
L e r S r
DDS
两式相减解得
1 1 2 1 1 2 2 2
1
1
12( ) ( ) ( ) ( )c o sS L e Le R
R L e
1 1 1
2
1 2 2 2
2
( ) ( )[ a r c c o s ( )R
R
S L e L e
Le
又因,故头道卷封工艺角
(7-13)
将已知值 =27mm,R2=54mm,L=81mm,e=7mm,=3.22mm,
代入得同理可得,二道卷封工艺角
(7-14)
将上述已知值和 ＝ 0.76mm代入得
1 1 090( )?
( ) ( ) ( ) ( )[ a r c c o s ( ) ]1 2 1 1 1 1
2
1 2 2 290
2
R
R
S L e L e
Le
R1 S( )1
( )1 27 3 6 3 0
( ) ( ) ( ) ( )[ a r c c o s ( ) ]2 2 2 1 2 1
2
2 2 2 290
2
R
R
S L e L e
Le
S( )2
( )2 12 5 4
例如,已知该机生产能力 Q＝ 42pcs／ min,若取头道单位径向进绘量 = 1mm/r,同样可由式 (7-6),(7-8),(7-10)
联立解得 =882r/min,=861r/min,min。
实际上,该机 =756r/min,
=735r/min,相应的,头道和二道 的 单 位 径 向 进 给 量 各
=1.414mm/r,=0.577mm/r。
由于该机头道,二道各配有一对滚轮,故两只卷边滚轮的单位径向进给量可以适当增加,以利降低机头转速和运转惯性 。
n1
n2
b( )2
n1 n2
b( )1
n n n rH1 2 21 /
图 7.16 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动综合图
(3)头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角
GT4Bl型卷边封口机由于头道和二道滚轮都是以同一个偏心套筒作原动件完成径向进给的,所以它们可共用一个坐标轴。同时,为了保证头道、二道能依次正常地完成卷封,还应确定它们在封盘上的配置角。但是,GT4B2型卷边封口机的情况就不尽相同,由于两道滚轮是通过各自的行星齿轮偏心销轴的控制来完成径向进给运动的,而且为了受力均匀,它们又呈对称状态分布,即头道和二道行星齿轮在封盘上的安装夹角为 90°。这样,要求正常卷封时,当头道滚轮直达进给最终位置时,二道滚轮中心应跟随受控的行星齿轮自转一定角度以后也能准确地到达进给最终位置。其自转角度称为头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角。
由图 7.16可见,若头道滚轮卷封结束并退出 0.5mm时,
二道滚轮正好开始卷封 。 该瞬时,头道和二道行星齿轮中心所在的位置分别是,,而卷边滚轮的中心分别是,。 由式 (7-12)求得 。 离初始位置的相对运动角 = 。 根据前述结构条件可知当头道滚轮结束卷封时,头道和二道行星齿轮的中心位置分别为,。 同理可知,
故 恰好在头道的初始位置,即 轴上。当头道卷边滚轮中心点位置为 (偏心位于最里位置 )时,则二道卷边滚轮中心 距到达最里位置,尚需以相对转速绕罐体转过一个角度,即
A31( ) A12( )
M31( ) M12( ) A31( )
31() 100 25 30
A OA3 1 1 2 90( ) ( )
A21() A
02( )A OA2 1 1 2 90( ) ( )
A02( ) x
( )1
M21( )
M01( ) M
22( )
0 0 2 2 2 0 2 1 2 1 2 2 2 13 290A OA A OA A OA( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
将已知值 代入得因此,头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角为将已知值该机取 。 调试时,按上述条件先将头道滚轮中心调到偏心的最里位置,再将相位差为 的二道滚轮中心从最里位置逆着行星齿轮的自转方向转过 (该机行星齿轮的齿数均为 24,逆转 等于逆转三个轮齿 )后放入,就能保证两道卷封正常进行 。
1 3 1 2100 25 30 12 54( ) ( )' " '和
0 100 25 30 90 12 54 23 19 30' " ' ' "
0 2
1
0
2
1
3
1 290R
R
R
R ( )
( ) ( )
0 2 23 19 30 46 39' " '
0 45
90?
45?
45?
3,应用实例某一单头自动卷边封口机采用行星齿轮偏心销轴结构来完成径向进给运动。已知四只行星齿轮的齿数均为,中心齿轮的齿数为,模数均为,并取头道和二道径向进给量分别为 mm和 。开始卷封前,二道卷边滚轮离开罐盖边缘的最远距离为 。该机生产能力为 Q＝ 40pcs/min。 每封一罐,从头道开始卷封至二道结束卷封所需时间为 。试确定设计参数。在安装调试时,先将头道行星齿轮偏心轴孔的中心放在最里位置,要求确定二道行星齿轮偏心轴孔的中心由最里位置逆其自转方向应调过的角度 (或当量齿数 ),并说明对有关构件结构设计应采取的适当措施。
Z1 28? Z2 56?
m? 2
S( )1 3? S mm( ),2 0 7?
S mm0 2 8( )?
t s? 1330
求解步骤如下：
(1)确定销轴偏心距及齿轮中心距参照式 (7-2)、式 (7-3)和式 (7-4),可得销轴的偏心距将已知值代入得齿轮中心距
(2)确定头道卷封工艺角按式 (7-13),代人已知值,其中 可得
e mm0 7 3 82 5 85.,
L m Z Z mm12 12 2 28 56 841 2( ) ( )
R
R
Z
Z12 12
1
2
( ) a r c c o s (,).,,1
2
90 12 3 84 5 852 84 5 85 90 60 5 29 5
( ) a r c c o s (,).,,1
2
90 12 3 84 5 852 84 5 85 90 60 5 29 5
(3)确定从头道卷封开始至二道卷封结束所需时间相对应的相对运动角根据生产率 Q=40pcs/min,每封一罐所需时间故所求的相对运动角
(4)确定从头道卷封结束至二道卷封结束所需时间相对应的相对运动角
(5)确定头道滚轮在最里位置时,二道滚轮由最里位置应逆转的齿数
T Q s60 6040 1 5.
1330 180 1330 1801 5 52.
0 1 52 29 5 22 5( ),,
因头道和二道的工艺配置角则对应的当量齿数
(6)对有关构件结设计所采取的措施如图 7.17所示,头道和二道滚轮在封盘上的安装夹角为 90,而中心齿轮在该夹角范围内的齿数,是一个整数 。因此,头道行星齿轮的齿间与中心齿轮的轮齿相啮合时,则二道行星齿轮也必然是齿间与中心齿轮的轮齿相啮合。
0 2
1
0 2 22 5 45
Z
Z,
Z Z0 1 0360 28 45360 3 5,
56 90360 14
但是,为了保证二道行星齿轮能调过三个半齿,就要求在设计、
制造两道行星齿轮结构时,将头道偏心轴孔中心线对称地定位于齿间,而将二道偏心轴孔中心线错过半个齿,即对称地定位于轮齿。按图所示中心齿轮啮合的位置,头道偏心在最里位置,
而二道偏心则由最里位置己转过半个齿,这样,只要按图示位置保持头道行星齿轮不动再将二道行星齿轮顺时针调过三个齿即可。 图 7.17 头道和二道卷边滚轮相对位置确定示意图根据上述 GT4Bl型及 GT4B2型卷边封口机卷封机构的运动设计,可以概括如下结论：
1)采用偏心装置的卷边滚轮产生径向进给运动,
其运动规律应通过有关方程加以确定。鉴于卷边滚轮与罐体的中心距并非定值,而且径向进给速度又是不均匀的。因此,这种卷封没有光边过程,以致影响封罐质量。
2)采用偏心装置,其卷封工艺角也必须按运动方程计算,并且有关参数都较难任意确定。从分析可见,真正用于卷封工艺的时间较少,而大部分时间却用于完成进罐、出罐及转位等辅助操作,限制了生产能力的提高。
3)如果改用凸轮装置使卷边滚轮产生径向进给运动,
则可灵活地设计凸轮曲线,有效地控制径向进给运动规律。特别是在完成第二道卷封后可增加一段光边过程,不仅有助于改善卷封的工艺性能,同时还可大幅度增加卷封工艺角,以提高生产能力。当然,凸轮机构也有一定的缺点,结构较庞大,一般难于保证加工质量,加之润滑条件差,容易磨损,进而影响卷封精度。
