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 x ? ?60 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 M? ?0 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 2? ? ? ? ? ?c o s
OM A O M? ? ? ? ?? ? ? ?,
? ? ?2 2 22 0? ? ? ?e 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 x ? ?R e
? m in ? ?R e
e ? ?12 ( )m a x m i n? ?
? m a x( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 0 1 1? ? ? ? ?r S S S r
? m i n( ) ( ) ( )1 2 1? ? ?r 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 S? ?12 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 s? ? ? ? ? ?R e r S S r
M21( )
?21( ) ? ?2 1 2 1 2 1( ) ( ) ( ) ( )c o s? ? ? ? ?R e r S r
? ? ?m i n( ) ( ) ( ),1 2 1 2 1 180? ? ? ? ?R 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 1? ?S 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 1? ?S 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 i n
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 nQ? ? ?1 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 s? ? ? ?R 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 os ( )Re2 0 1 2 2 2 1 2 22? ? ? ? ?OA M R e
? ?( ) ( )
( )
a r c c os ( )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
? 3 1 208 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 nH ? ?1 2
O A M? ?0 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 2? ? ? ? ? ?c o s
? ? ?2 2 2 2? ? ? ?L 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 x ? ?L e
? ?? 2 ? m in ? ?L e
e ? ?12 ( )m a x m i n? ?
(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( ) ( ) ( ) ( )cos? ? ? ? ? ? ?S L e Le R
R L e
? 1 1 1
2
1 2 2 2
2
( ) ( )[ a rc c os ( )? ? ? ? ?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 rc 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 rH ? ? ?1 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 13 290? ? ? ? ? ? ? ? ??A 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
1 290? ? ? ??R
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 mm? ? ? ?0 7 3 82 5 85.,
L m Z Z mm? ? ? ? ? ?12 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 s? ? ?60 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。
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 x ? ?60 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 M? ?0 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 2? ? ? ? ? ?c o s
OM A O M? ? ? ? ?? ? ? ?,
? ? ?2 2 22 0? ? ? ?e 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 x ? ?R e
? m in ? ?R e
e ? ?12 ( )m a x m i n? ?
? m a x( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 0 1 1? ? ? ? ?r S S S r
? m i n( ) ( ) ( )1 2 1? ? ?r 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 S? ?12 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 s? ? ? ? ? ?R e r S S r
M21( )
?21( ) ? ?2 1 2 1 2 1( ) ( ) ( ) ( )c o s? ? ? ? ?R e r S r
? ? ?m i n( ) ( ) ( ),1 2 1 2 1 180? ? ? ? ?R 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 1? ?S 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 1? ?S 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 i n
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 nQ? ? ?1 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 s? ? ? ?R 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 os ( )Re2 0 1 2 2 2 1 2 22? ? ? ? ?OA M R e
? ?( ) ( )
( )
a r c c os ( )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
? 3 1 208 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 nH ? ?1 2
O A M? ?0 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 2? ? ? ? ? ?c o s
? ? ?2 2 2 2? ? ? ?L 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 x ? ?L e
? ?? 2 ? m in ? ?L e
e ? ?12 ( )m a x m i n? ?
(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( ) ( ) ( ) ( )cos? ? ? ? ? ? ?S L e Le R
R L e
? 1 1 1
2
1 2 2 2
2
( ) ( )[ a rc c os ( )? ? ? ? ?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 rc 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 rH ? ? ?1 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 13 290? ? ? ? ? ? ? ? ??A 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
1 290? ? ? ??R
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 mm? ? ? ?0 7 3 82 5 85.,
L m Z Z mm? ? ? ? ? ?12 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 s? ? ?60 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。
