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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第 14 頁(yè)
單齒齒輪傳動(dòng)中輪齒負(fù)載的動(dòng)力學(xué)研究
W.Nadolski，Warsaw
Archive of Mechanics 61(1991)523-531
摘要：此文中對(duì)單齒齒輪傳動(dòng)中輪齒負(fù)載的動(dòng)力學(xué)研究分析中提及了一種離散—連續(xù)的分析模型，在此模型中恒定的等效嚙合硬度和由轉(zhuǎn)矩引起的可估算的軸變形均被考慮到計(jì)算當(dāng)中。在分析討論中應(yīng)用到了波形圖法，即利用了運(yùn)動(dòng)方程式而得到的波形圖。數(shù)值計(jì)算都集中在確定輪齒上的動(dòng)力載荷波動(dòng)的波幅大小，計(jì)算時(shí)還要考慮到在第一第二共振區(qū)域外部激發(fā)作用下的頻率變化。
1 緒論
在參考文獻(xiàn)[1，2]中剛性齒單齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究是在離散—連續(xù)的模型中被執(zhí)行的，此文中也考慮應(yīng)用一種相似的模型，然而此處相嚙合齒的齒廓等效剛度可被假設(shè)為3到6的常數(shù)，在科技文獻(xiàn)中齒輪傳動(dòng)的研究大多依靠在一到多個(gè)自由度條件下進(jìn)行離散分析（見(jiàn)參考文獻(xiàn) [7,8]）。
此文中的離散—連續(xù)模型由兩個(gè)可測(cè)得軸和四個(gè)在考慮旋轉(zhuǎn)軸時(shí)質(zhì)量慣性矩為常數(shù)的剛體組成，這樣的齒輪傳動(dòng)都要考慮由于撓度作用消除支撐軸承的變形和軸系大體上的扭轉(zhuǎn)變形。系統(tǒng)中的剛體所受外力矩是被隨機(jī)加載的。阻尼的作用也被考慮在內(nèi)，主要依靠當(dāng)量的粘滯型外阻尼和當(dāng)量的福哥特型內(nèi)阻尼。本研究中還會(huì)運(yùn)用利用波形圖法來(lái)解運(yùn)動(dòng)方程式的方法，這種方法可以用來(lái)測(cè)定在齒輪齒的位移，張力和速度處于穩(wěn)定狀態(tài)或者瞬時(shí)狀態(tài)下，輪齒上動(dòng)載荷的變化。為了挑選描述單齒齒輪傳動(dòng)各種機(jī)械性能的參數(shù)而進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算，目標(biāo)主要集中在測(cè)定齒輪齒上動(dòng)載荷的振幅大小與處在第一第二共振區(qū)域的外部激發(fā)的頻率大小的關(guān)系。
2 假設(shè)和控制方程
圖1. 單齒齒輪傳動(dòng)模型
假設(shè)這個(gè)單齒齒輪傳動(dòng)的離散—連續(xù)模型有平行軸，圖1中齒輪軸1和2的性能用以下參數(shù)描述，剪切彈性模量G，極慣性矩Ii，密度和長(zhǎng)度（i=1,2），輪齒4,5和剛體3，6的質(zhì)量慣性矩分別為（i=3,4,5,6）。X軸平行于齒輪軸，而且它的原點(diǎn)在未受干擾前提下與齒輪軸1的左端點(diǎn)的位置一致。在t=0時(shí)齒輪軸橫截面的位移和速度可以假設(shè)等于0，這里分析時(shí)不包括一些細(xì)微因素的影響，例如制造加工時(shí)造成的齒形誤差，齒面磨損，離線的運(yùn)動(dòng)接觸，齒間潤(rùn)滑油的影響等，這些因素在齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析中通常被忽略不計(jì)。在這些假設(shè)下這個(gè)單齒齒輪傳動(dòng)的控制方程將會(huì)是線性的。
假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輪齒不分離，而且在橫截面x=L1處的軸位移滿足關(guān)系式（1）
（1）
其中R4、R5分別齒輪4和5的節(jié)圓半徑，θi（x，t）分別為齒輪軸1和2的角位移。
輪齒上的動(dòng)載荷可由下式表達(dá)
（2）
其中Km為等效嚙合剛度,Cm為嚙合阻尼系數(shù)，α為與節(jié)圓半徑R4、R5對(duì)應(yīng)的壓力角。需要指出的是在參考文獻(xiàn)[1，2]中（1）式等于0，描述無(wú)齒形誤差的動(dòng)載荷的公式（2）是從參考文獻(xiàn)[8]中得到的。
在以上假設(shè)條件下，測(cè)定公式（2）中出現(xiàn)的位移和速度的問(wèn)題最終歸結(jié)為解下面這個(gè)經(jīng)典的波動(dòng)方程
（3）
初始條件為
（4）
邊界條件為
（5）
其中M(t)為加載在剛體3上的外激勵(lì)，（i=3,4,5,6）和（i=1,2）分別為外阻尼和內(nèi)阻尼系數(shù)，出自參考文獻(xiàn)[1，2]。
邊界條件（5）和參考文獻(xiàn)[1，2]中的參照條件是相似的，他們之間的區(qū)別是，在條件（5）中動(dòng)載荷依照（2）式得出，并依靠等效嚙合剛度和嚙合阻尼系數(shù)。如果（1）式等于0則文獻(xiàn)[1]中的邊界條件和此文中的邊界條件是相同的。
在緒論上的無(wú)量綱數(shù)為式（6）如下
關(guān)系式（3）—（5）為
（7）
（8）
其中θ0為一個(gè)等于常數(shù)的角位移，為方便分析此模型中的圍護(hù)邊界被省略。
式（7）的解代入到初始條件（8）中可以得到以下公式（10）
（10）
其中這些表示波形的未知因素和是由外部力矩M(t)引起是的，齒輪軸一和二間的傳動(dòng)方向一致并分別與x軸方向垂直。自變量和在計(jì)算中已被考慮在內(nèi)，第一次擾動(dòng)在齒輪軸1中出現(xiàn)在t=0時(shí)x=0處，在齒輪軸2中出現(xiàn)在t=1時(shí)x=1處。變量和是連續(xù)的而且對(duì)于負(fù)的自變量它們都等于0。
把式（10）代入邊界條件（9）可以得到對(duì)于和的微分方程。從式（10）的形式可知道它遵循的是在不同時(shí)刻的瞬時(shí)狀態(tài)和不等于0，在計(jì)算中為方便操作在所有函數(shù)中引入常規(guī)自變量z。在參考文獻(xiàn)[1，2]中對(duì)剛性齒齒輪傳動(dòng)的研究中，每個(gè)等式中從邊界條件獲得的最大的自變量也是用z表示，在這種情況下當(dāng)齒輪齒是柔性時(shí)，適用的方程式會(huì)稍微的更加復(fù)雜些，因?yàn)檫@些函數(shù)f2，g1與實(shí)變量z，z2=z+2都不是相互獨(dú)立的，這種情況下，把式（10）代入式（9），我們可以得到下式
其中
（12）
微分方程（11）可以依靠有限差分法求解，當(dāng)z≥0時(shí)可以從式（11）中求得函數(shù)f1，f2，g2的值，當(dāng)z2=z+2≥0可以從式（11）中求得時(shí)函數(shù)g1的值。對(duì)于負(fù)的自變量它們卻都等于0，所以從式(11)3可得它遵循的是當(dāng)z2=z+2<2時(shí)g1(z2)≡0.雖然函數(shù)f2(z)和g1(z+2)都不是相互獨(dú)立的，但是依靠恰當(dāng)函數(shù)已知的函數(shù)值，運(yùn)用有限差分法可以推導(dǎo)出這些函數(shù)的表達(dá)式。這些表達(dá)式將在附錄中給出。
3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果
在數(shù)值計(jì)算中下列單齒齒輪傳動(dòng)的參數(shù)都是假設(shè)的，假設(shè)如下：
量綱量
無(wú)量綱量
該文分析過(guò)程中包括以下無(wú)量綱量：當(dāng)齒高等于0.10m，嚙合阻尼系數(shù)Cm=Di1時(shí)，嚙合剛度=0.005 859，0.018528，0.0585（單位分別為）參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9—11]。
外部力矩M(t)是隨機(jī)得到的，它可以是規(guī)則的或不規(guī)則的，周期的或非周期的。此處假定有下式得出
（14）
其中， 是無(wú)量綱的外激勵(lì)頻率。
目前考慮的重點(diǎn)集中在，在考慮頻率處在第一第二共振區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)下的外激勵(lì)的作用下，如何測(cè)定齒輪齒上的動(dòng)載荷的振幅。
由（2）式給出的動(dòng)載荷的表達(dá)式，是依靠等效嚙合剛度Km, 嚙合阻尼系數(shù)Cm和相對(duì)位移，及相對(duì)速度而得到的。阻尼對(duì)，的影響，Km、 Cm對(duì)動(dòng)載荷的影響，分別在圖2，3，4中顯示出來(lái)。
圖2.振幅—頻率對(duì)，的影響曲線
圖2所示振幅—頻率對(duì)相對(duì)位移的影響曲線是連續(xù)曲線，對(duì)相對(duì)速度的影響曲線點(diǎn)曲線。這些曲線是運(yùn)用式（11）利用參數(shù)（13）和以下附加參數(shù)計(jì)算得到的。
附加參數(shù)為
外阻尼對(duì)該研究中函數(shù)的作用是可估測(cè)的，但是內(nèi)阻尼的影響是完全可以忽略的。圖2中對(duì)于每條有確定的Di1值的曲線都符合系數(shù)Di2的三個(gè)值，所以內(nèi)阻尼的影響是不可測(cè)得的，進(jìn)一步的數(shù)值計(jì)算擬定內(nèi)阻尼系數(shù)D12=D22=0.01外阻尼系數(shù)Di1=0.05（i=3，4，5，6）。
圖3.Km—?jiǎng)虞d荷振幅關(guān)系圖 圖4.Cm—?jiǎng)虞d荷振幅關(guān)系圖
圖3繪制的圖形可知，動(dòng)載荷的振幅在Cm=0時(shí)，對(duì)于不同的等效嚙合剛度=0.005859，0.018528，0.05859所得的圖形是規(guī)則的，也就是說(shuō)在第一共振區(qū)里載荷的最大振幅會(huì)隨著Km的增大而升高，圖4，5，6，7和9中動(dòng)載荷的振幅—頻率曲線都是在Km=0.018528的條件下繪制的。
嚙合阻尼系數(shù)Cm對(duì)動(dòng)載荷的影響在本項(xiàng)研究中分別取值為Cm=0，
0.01，0.05，0.1。圖4中遵循忽略嚙合阻尼系數(shù)Cm影響，除了處在第一諧振區(qū)鄰域內(nèi)的情況。
此項(xiàng)研究中的單齒齒輪傳動(dòng)由式（13）中的多個(gè)參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)，例如參數(shù)K1，K2和A6對(duì)動(dòng)載荷P的振幅—頻率曲線的作用在圖5，6和7中表現(xiàn)出，圖6中遵循的是載荷P的最大值隨處于第一共振區(qū)域的自變量K2的值的升高而升高。這樣的規(guī)律在圖5和7是沒(méi)有表現(xiàn)的，圖5和7中分別表現(xiàn)的是不同的K1和A6對(duì)振幅—頻率曲線的作用。
圖5.不同K1對(duì)動(dòng)載荷振幅的影響 圖6. 不同K2對(duì)動(dòng)載荷振幅的影響
從圖2-7可以發(fā)現(xiàn)它們都遵循這樣一個(gè)規(guī)律，動(dòng)載荷P的最大振幅出現(xiàn)在第一共振區(qū)，當(dāng)外激勵(lì)的頻率等于自激振動(dòng)的第一頻率ω1時(shí)。這樣進(jìn)一步的數(shù)值計(jì)算中，將對(duì)共振振幅進(jìn)行討論，依靠A6的作用挑選出適當(dāng)?shù)腒m，K1和K2，這些數(shù)據(jù)可用于測(cè)定=ω1時(shí)動(dòng)載荷的振幅。
在忽視阻尼和邊界條件（9）中外力矩作用的情況下，運(yùn)用分離變量法求解式（7），可以獲得自激振動(dòng)的第一頻率及其次的頻率。
在圖8,9中可見(jiàn)參數(shù)Km，K1和K2對(duì)動(dòng)載荷P共振振幅的影響，其中A6的變化范圍是從0.03到0.77。圖8中繪制出了對(duì)于各個(gè)不同的Km=0.005859，0.018528，0.05859的適當(dāng)?shù)膱D表，圖8中各曲線的規(guī)律是，隨著參數(shù)A6的升高動(dòng)載荷的共振振幅先單調(diào)升高達(dá)到最大值然后單調(diào)下降。對(duì)于確定的A6共振振幅隨著Km的升高而升高，同樣的結(jié)論也可以從圖9中得到，圖9表現(xiàn)了當(dāng)A6升高時(shí)不同的指示參變量對(duì)K1，K2所得到的共振振幅變化曲線，其中常數(shù)K1的值由d1=0.06m，0.10m，…，0.22m決定，常數(shù)K2的值由d2=0.09m，0.15m，…，0.33m決定，d1，d2分別為齒輪軸1，2的直徑。
圖7. A6=0.03，0.15，0.75時(shí)動(dòng)載荷振幅變化
圖8. Km對(duì)動(dòng)載荷共振振幅的影響 圖9. K1和K2對(duì)動(dòng)載荷共振振幅的影響
4 最終備注
本文介紹的事項(xiàng)理論上有這樣一個(gè)性質(zhì)，它們都涉及到了單齒齒輪傳動(dòng)的離散—連續(xù)模型，此模型具有不變的等效嚙合剛度并且齒輪軸是扭轉(zhuǎn)變形可稱的。此項(xiàng)研究中還運(yùn)用到了波形法。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也給出了關(guān)于這些參變量在研究過(guò)程中的影響的信息，描述了這種單齒齒輪傳動(dòng)及作用在齒輪齒上的動(dòng)載荷的振幅。實(shí)際情況下，這些已得到的信息對(duì)設(shè)計(jì)單齒齒輪傳動(dòng)是很有用的，其中等效嚙合剛度可以假定為常數(shù)。
附錄：函數(shù)g1（z2）和f2（z）的測(cè)定
函數(shù)g1（z2）和f2（z）都是由式（12）中的第三第四等式?jīng)Q定的，運(yùn)用有限差分法給出下列等式
定義
g1（z2）和f2（z）的表達(dá)式
參考文獻(xiàn)
單位代碼 02
學(xué) 號(hào)
分 類 號(hào) TH6
密 級(jí)
畢業(yè)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)翻譯
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
2011 年3 月 10日
黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
工 學(xué)院 機(jī)械 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 08 級(jí) 1 班
學(xué) 號(hào) 學(xué)生 指導(dǎo)教師
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目
螺旋紙管卷管機(jī)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計(jì)技術(shù)要求、注意事項(xiàng)等）（紙張不夠可加頁(yè)）
一、設(shè)計(jì)技術(shù)要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）
通過(guò)實(shí)習(xí)調(diào)研搜集資料，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并借助CAD等繪圖軟件，針對(duì)化纖用螺旋紙管，設(shè)計(jì)一種螺旋紙管卷管機(jī)。該機(jī)必須滿足以下要求：
1：螺旋紙管卷紙層數(shù)6-12層，紙寬60-110mm；
2：卷軸直徑Ф65-Ф120mm；
3：卷管外徑Ф80-Ф140mm；
4：卷管速度3-8m/min；
5：調(diào)速方法采用勵(lì)磁調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；
在做本課題時(shí)，需要查閱機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，包裝紙性能，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)1-5卷等相關(guān)資料。
二、設(shè)計(jì)目標(biāo)與任務(wù)
1.查閱文獻(xiàn)資料12種以上，外文資料不少于兩篇。寫(xiě)出3000字以上的文獻(xiàn)綜述，單獨(dú)裝訂成冊(cè)。
2.翻譯外文科技資料，不少于3000漢字，單獨(dú)裝訂成冊(cè)。
3.完成開(kāi)題報(bào)告，填寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告表。
4.擬定設(shè)計(jì)方案，完成螺旋紙管卷管機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算等。
5.卷管機(jī)裝配圖一張A0；
卷管機(jī)架零件圖一張A0；
卷管機(jī)花鍵軸零件圖一張A3；
卷管機(jī)托板零件圖、支撐板零件圖各一張A1；
6.編寫(xiě)摘要，英中文完全對(duì)照，中文不少于300字。
7.編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，不少于8000字符。
三、時(shí)間安排
1-4 周 完成開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述及總體方案設(shè)計(jì)
5-10 周 完成總體設(shè)計(jì)、完成部分機(jī)構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)
10-11 周 修改論文、資格審查等
12 周 畢業(yè)答辯
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2012 年 02 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日
計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2012 年 05 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見(jiàn)：
審批人簽名：
單位代碼 02
學(xué) 號(hào)
分 類 號(hào) TH6
密 級(jí)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
螺旋紙管卷管機(jī)設(shè)計(jì)
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
2011 年 5 月 15日
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表
課題名稱
螺旋紙管卷管機(jī)設(shè)計(jì)
課題來(lái)源
教師擬訂
課題類型
工程設(shè)計(jì)真實(shí)課題AX
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)
1、 調(diào)研資料的準(zhǔn)備
螺旋紙管已廣泛應(yīng)用于食品包裝，農(nóng)膜，造紙，紡織等行業(yè)，主要包括纏繞膜紙管，膠帶紙管，保鮮膜紙管，熱電偶紙管，塑料薄膜紙管，造紙用管，皮革紙管，鋁箔紙管，高強(qiáng)度紙管，化纖紙管等，適用范圍比較廣，用量比較大。
此次設(shè)計(jì)我是用螺旋紙管卷管機(jī)設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)的課題。在準(zhǔn)備階段，我首先在網(wǎng)上搜集了一些關(guān)于卷管機(jī)工作原理的資料，中國(guó)卷管機(jī)的發(fā)展前景以及國(guó)內(nèi)外卷管機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。然后又在圖書(shū)館的網(wǎng)站上搜集了一些關(guān)于卷管機(jī)設(shè)計(jì)方面的材料和文獻(xiàn)。
二、設(shè)計(jì)的目的與要求
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)教學(xué)中最后一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)該設(shè)計(jì)過(guò)程，可以檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生處理工程中實(shí)際問(wèn)題的能力，因此意義特別重大。
要求：查閱文獻(xiàn)資料12種以上，外文資料不少于兩篇。擬定設(shè)計(jì)方案，完成螺旋紙管卷管機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度要求等，完成卷管機(jī)裝配圖一張A0;卷管機(jī)架零件圖一張A0；卷管機(jī)花鍵零件圖一張A3；卷管機(jī)托板零件圖、支撐板零件圖各一張A1；編寫(xiě)摘要，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
三、設(shè)計(jì)的思路與預(yù)期成果
（1）.了解卷紙機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，對(duì)自動(dòng)換卷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（2）.進(jìn)行基本的幾何計(jì)算和受力分析，選擇合適的參數(shù) （3）.完成文獻(xiàn)綜述和外文翻譯。
（4）.設(shè)計(jì)圖樣（包括總裝圖和主要零部件圖）。 （5）.完成畢業(yè)論文，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排
1周———4周 完成開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述及總體方案設(shè)計(jì)
5周——-10周 完成總體設(shè)計(jì)、完成部分機(jī)構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)
10周——11周 修改論文、資格審查等
12周 畢業(yè)答辯
五、完成設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素
首先完成本次設(shè)計(jì)，主觀上要有主動(dòng)性，閱讀與題目相關(guān)的資料等，同時(shí)也必須了解論文的格式，撰寫(xiě)的方法等等。其次客觀上要具備一定的條件，如通用計(jì)算機(jī)，繪圖機(jī)，設(shè)計(jì)室，AUTOCAD、SOLIDWORKS、UG、電子圖板等繪圖軟件，有關(guān)參考書(shū)、工具書(shū)、資料等。
指導(dǎo)教師簽名： 日期： 2012年2月20日—2012年2月27日
課題來(lái)源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會(huì)征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設(shè)計(jì)（藝術(shù)設(shè)計(jì)）；B—技術(shù)開(kāi)發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報(bào)告
（2）X—真實(shí)課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 16 頁(yè)
螺旋卷管機(jī)的工作原理
摘要：卷管機(jī)是生產(chǎn)卷紙管的機(jī)器，卷管部分是螺旋紙管生產(chǎn)的最主要的一部分，本文主要介紹卷管機(jī)的發(fā)展歷程及其工作原理。本文研究了螺旋紙管（罐身）各參數(shù)之間，以及皮帶輪直徑和最大紙管外徑之間的關(guān)系，另外還研究了螺旋焊管的成型原理，對(duì)螺旋焊管成型技術(shù)的輥形設(shè)計(jì)、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板輥的適用性等問(wèn)題進(jìn)行了研究，并給出了成型工藝設(shè)計(jì)示例。
關(guān)鍵詞：卷管機(jī)的發(fā)展/螺旋紙管/成型原理/螺旋焊管/預(yù)彎/彈復(fù)
前言
卷管機(jī)，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機(jī)器，是一種紙料加工機(jī)械，它以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過(guò)切刀成片，將其卷成紙管的設(shè)備[1]。生產(chǎn)的卷紙管應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，有纖工業(yè)用管、薄膜工業(yè)用管、印刷工業(yè)用管、造紙工業(yè)用管、皮革工業(yè)用管、食品包裝用管、展覽行業(yè)用管等。卷管機(jī)的類型也多種多樣，最常見(jiàn)的卷管機(jī)就是螺旋卷管機(jī)和平卷式卷管機(jī)。還有其他類型的卷管機(jī)，如自動(dòng)卷管機(jī)[1]（如圖1）、自動(dòng)卷芯機(jī)、衛(wèi)生紙卷管機(jī)、壓力卷管機(jī)等，自動(dòng)卷芯機(jī)和紙管的作用有關(guān)，很多紙管一般都是作為內(nèi)芯來(lái)卷產(chǎn)品的，因此把做紙管的機(jī)器叫做自動(dòng)卷芯機(jī)。另外還可以按輥長(zhǎng)劃分為多種規(guī)格的卷管機(jī)[23]。
圖1 自動(dòng)卷管機(jī)的外觀圖
卷管機(jī)按力的傳動(dòng)方式分為芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)，按浸漬材料與芯軸的纏繞角度分為平繞和斜繞。芯軸主動(dòng)的方式適合于卷制大直徑的管，對(duì)于小直徑的管，在浸漬材料連續(xù)平繞時(shí)，芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)卷制的產(chǎn)品性能差不多。但是，芯軸主動(dòng)的卷管機(jī)設(shè)備和操作要比芯軸被動(dòng)的復(fù)雜的多，所以目前廣泛使用的是芯軸被動(dòng)的三輥卷管芯[2]。
1.卷管機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
在卷管機(jī)不斷發(fā)展的過(guò)程中，人們對(duì)于卷管機(jī)的認(rèn)識(shí)理念也是在不斷的變化，那么重視紙管機(jī)就成為了我們當(dāng)前最重要的事情。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，紙管機(jī)、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，在紙管機(jī)、造紙業(yè)、包裝業(yè)、紡織化纖業(yè)得到了普遍應(yīng)用。它即可以作為各種卷筒紙和紙板的內(nèi)芯，也可作為合成長(zhǎng)絲、滌綸、丙綸、氨綸等所用的紡織紗管，尤其是用于紡織業(yè)的紙管已逐步取代錐形紗管。
以前的國(guó)產(chǎn)卷紙機(jī)與造紙機(jī)一樣，長(zhǎng)期停留在窄幅、慢速、受控。卷紙輥從卷紙機(jī)的副臂轉(zhuǎn)到主臂的過(guò)程，或是引紙、換紙均靠手工操作來(lái)完成。無(wú)疑，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，又不安全，卷成的紙卷外緊內(nèi)松，在紙卷端面形成卷曲的荷葉狀，造成幾十層紙的質(zhì)量下降或報(bào)廢[3]。而且國(guó)內(nèi)相似的紙管加工機(jī)多為半自動(dòng)機(jī)型，主要采用機(jī)械傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機(jī)內(nèi)進(jìn)行卷管，生產(chǎn)效率比較低[1]，不能適應(yīng)時(shí)代的要求。
印度Sodahech公司推出的最新款高性能自動(dòng)寶塔紙筒機(jī)最大產(chǎn)能為每分鐘生產(chǎn)55個(gè)紙筒，其上安裝有獨(dú)特的握持卷繞系統(tǒng)，以防止筒子模型滑移。同時(shí)該公司生產(chǎn)的螺旋紙管卷繞機(jī)具有氣動(dòng)式或機(jī)械式皮帶拉力，能快速地改變筒管尺寸，積極式驅(qū)動(dòng)將載荷有效地從最初的移動(dòng)件傳遞到卷繞筒上，沒(méi)有任何猛拉或振動(dòng)[4]。近幾年我國(guó)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)卷管機(jī)的送料機(jī)構(gòu)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各部分之間的相位匹配等進(jìn)行改進(jìn)，大大提高了我國(guó)卷管機(jī)的發(fā)展水平[3]。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)卷管機(jī)發(fā)展的回顧與現(xiàn)代卷紙機(jī)系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，表明國(guó)產(chǎn)卷紙機(jī)已經(jīng)步入世界先進(jìn)水平的行列，為寬幅、高速、大型全自動(dòng)化的卷紙機(jī)設(shè)計(jì)制造了條件。隨著卷紙機(jī)幅寬增加，原在主副臂上所用氣缸均改為油缸。這樣使結(jié)構(gòu)緊湊、合理，加上制造精良，外表美觀，使卷紙機(jī)的水平達(dá)到了一流[3]。
2.卷管機(jī)的成型原理及分析
普通螺旋傳動(dòng)是螺母和螺桿組成的傳動(dòng)副，可以實(shí)現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動(dòng)。主要把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)以傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[5]。卷管機(jī)的螺旋傳動(dòng)則完全不同于普通的螺旋傳動(dòng)，它是螺旋傳動(dòng)的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動(dòng)又作軸向移動(dòng)的功能，并可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進(jìn)給，可應(yīng)用生產(chǎn)線上[6]。
2.1 簡(jiǎn)易螺旋卷管機(jī)的研制
1-電機(jī)；2-減速器；3-齒輪；4-齒輪；5-主座；6-螺紋管模軸；7-托輪裝置；8-副座；9-床體滑道；10-行走絲杠；11-行走絲母；12-三角帶；13-電控箱
圖2 螺旋卷管機(jī)結(jié)構(gòu)圖
螺旋卷管機(jī)有以下幾部分組成：電機(jī)、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機(jī)體、電控箱等組成如圖2所示[7]
正常情況下工作時(shí)，先用方銷(xiāo)將無(wú)縫鋼管的一端固定在螺紋管模軸起始端托管架(焊接主座端面)內(nèi)，然后開(kāi)啟電控箱內(nèi)正轉(zhuǎn)按鈕，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器一齒輪一傳動(dòng)軸，帶動(dòng)螺旋卷管機(jī)轉(zhuǎn)軸每分鐘1O轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，完成后，按停止按鈕；先將副座后退至機(jī)座末端，再取出方銷(xiāo)將卷好的螺旋管拿下來(lái)。
2.2 螺旋紙管（罐身）的成型原理
螺旋卷繞法卷制復(fù)合罐罐身，紙管及紙芯，由于生產(chǎn)率高，用科省，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[8]。許多資料都簡(jiǎn)要介紹過(guò)這種成型方法的基本原理。下面試圖作較深入的理論分析，以便必要時(shí)作為參考。
2.2.1 概述
螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的基本成型原理如下圖所示：
1——驅(qū)動(dòng)皮帶輪；2——成型皮帶輪；3——面紙；4——中層紙；5——內(nèi)襯紙；6——固定芯軸
圖3 螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的成型原理
由上圖可知，紙管壁由內(nèi)襯紙、中層紙和面紙組成，通常紙管內(nèi)襯紙和面紙用輕質(zhì)薄紙。為了減小卷繞時(shí)內(nèi)襯紙和芯軸之間的摩擦力，要求內(nèi)襯紙的內(nèi)表面光滑。并且常在卷繞時(shí)于內(nèi)表面涂臘．以降低摩擦系數(shù)。中層紙用表面粗糙的重質(zhì)紙，如650g／m。的板紙。復(fù)合罐罐身的內(nèi)襯紙常用紙塑或鋁塑復(fù)合薄膜[9]， 而中層紙用200-300~／m 的中質(zhì)紙。
工藝過(guò)程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長(zhǎng)紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復(fù)臺(tái)罐罐身時(shí)燙封螺旋接縫。然后，將施以粘膠的各層紙，分別按一定的角度一層層重疊一起螺旋卷繞到固定芯軸上。每層的螺旋接縫，由其相鄰的外層紙覆蓋[10]。
卷繞成型皮帶按紙條同樣的方式繞在紙管的外表面，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)。皮帶對(duì)紙管的裹緊力使各層紙互相粘牢，皮帶與面紙外表面的摩擦力使紙管在固定芯軸上向前作螺旋運(yùn)動(dòng)，從而連續(xù)不斷地卷出紙管。
卷成的紙管定型后即可按一定規(guī)格切斷，晾干后便成要求的紙管，復(fù)臺(tái)罐罐身還需要貼上商標(biāo)紙或在光滑白色的面紙上印以商標(biāo)圖案后才能切斷成罐身[11]。
2.2.2 幾何參數(shù)分析
由幾何原理，紙條寬度、芯軸直徑和螺旋角的關(guān)系[12]（參考圖4）如下：
圖4 螺旋紙管的幾何展開(kāi)圖（三層為例）
(1)
式中
i一一 由內(nèi)襯紙開(kāi)始向外計(jì)數(shù)的層次
一一 第i層紙的螺旋角
一一 第i層紙的紙條寬度
一一 層紙的厚度
D 一一 芯軸直徑
或者公式如下：
(2)
式中
Di 一一 第i層紙圈的內(nèi)徑
(3)
下圖5表示紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間的關(guān)系：
圖5 紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間關(guān)系曲線
設(shè)螺距為S，則
(4)
如果相鄰兩層紙圈的螺距不同，則在不斷卷繞過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象從而影響紙管質(zhì)量。為此在卷繞時(shí)應(yīng)使所有各層紙圈的螺距相同，即對(duì)一批紙管,S是定值。聯(lián)立解(2)式和(4)式，得
(5)
卷制時(shí)，可先按芯軸直徑和內(nèi)襯寬(或紙管外徑和面紙寬度)確定螺旋角及螺距，然后按式(4)和式(5)計(jì)算各層紙的寬度和螺旋角[10]。通常，中間各層紙條的寬度比計(jì)算值小2mm左右，卷繞時(shí)會(huì)形成間隙以儲(chǔ)存多余的粘膠[11]。
2.2.3 受力分析
與皮帶傳動(dòng)相似，成型皮帶和紙管按要求安裝好以后，帶有一定的張緊力，但比皮帶傳動(dòng)的張緊力小，當(dāng)不工作時(shí)各段皮帶的拉力相等。工作時(shí)各段皮帶的拉力出現(xiàn)差異，帶在紙管兩拉邊的力之差值，即為有效拉力F(圖6)。其值可按下式計(jì)算
(6)
式中
F1 ——紙管緊邊帶的拉力（N）
F2 ——紙管松邊帶的拉力（N）
P ——驅(qū)動(dòng)紙管所需功率（kw）
v ——成型皮帶的工作速度（m/s）
跟推導(dǎo)歐拉公式一樣I ，在皮帶上取一徽段d 。微段始端到剜轉(zhuǎn)軸心的垂直距離即為半徑冗。該垂足到微段未端中點(diǎn)的距離可近似認(rèn)為等于 它們的夾角d0 。則
另一方面，dl在紙管橫截面方向投影dlcosa的計(jì)算公式是
因此
(7)
沿皮帶縱向列出垂直和水平各力的平衡式，考慮(7)式，并使F在F2到F1 ，θ在0到2范
圍內(nèi)積分，即得成型皮帶螺旋卷繞一向的歐拉公式
(8)
式中
f —— 皮帶與紙的摩擦系數(shù)
聯(lián)立(6)式和(8)式得：
(9)
(10)
為驅(qū)動(dòng)紙管旋轉(zhuǎn)的力，為推動(dòng)紙管向前運(yùn)動(dòng)的力[19]。
圖6 成型皮帶輪受力分析圖
2.3 螺旋焊管的成型原理
在研究螺旋焊管的成型原理時(shí)必須對(duì)輥形設(shè)計(jì)、預(yù)彎定位、成型控制以及彎板棍的適用性等問(wèn)題進(jìn)行研究，這里主要介紹預(yù)彎定位和成型控制方法。
2.3.1 成型預(yù)彎的定位
預(yù)彎與定徑是螺旋焊管成型過(guò)程中的主要工序。預(yù)彎的主要目的是解決管坯的彈復(fù)問(wèn)題,因?yàn)閺棌?fù)的大小直接影響鋼管的內(nèi)在質(zhì)量;定徑的主要目的是為了得到更加精確的管坯直徑,因?yàn)橹睆娇刂剖卿摴艿闹饕|(zhì)量指標(biāo)之一。預(yù)彎與定徑之間需要有一個(gè)合適搭配才能得到理想的鋼管管坯[13]。
帶鋼（中性層）彎曲與彈復(fù)的狀態(tài)示意圖如下圖7所示，通過(guò)對(duì)狀態(tài)示意圖的分析來(lái)解決成型預(yù)彎的定位問(wèn)題[14]。
圖7 帶鋼的彎曲和彈復(fù)示意圖
由圖可知，定位必須以G點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，,使定徑弧、預(yù)彎弧、彈復(fù)弧在G 點(diǎn)公切。因?yàn)橹挥羞@樣的定位方法才能滿足預(yù)彎弧在定徑套內(nèi)的充分彈復(fù)。為了便于敘述我們可以把這種方法叫做“公切”定位法。
按G點(diǎn)公切設(shè)置的不同彈復(fù)狀態(tài)可以找出以下幾種預(yù)彎定位示意圖：等量預(yù)彎設(shè)置示意圖、正彈復(fù)設(shè)置示意圖、負(fù)彈復(fù)設(shè)置示意圖、適量成型設(shè)置示意圖等。實(shí)際意義的適量成型是不存在的，因此使用這種方法時(shí)應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的輔助控制手段。下面是四種示意圖：
圖8 等量預(yù)彎設(shè)置示意圖
圖9 正彈復(fù)設(shè)置示意圖
圖10 負(fù)彈復(fù)設(shè)置示意圖
圖11 適量成型設(shè)置示意圖
除了上面四種“公切”定位法外還有“非公切”定位法，這里就不再注重介紹。
2.3.2 成型控制方法
螺旋焊管成型技術(shù)中成型控制過(guò)程也是很重要的部分，成型控制方法主要有三種：公切、正壓預(yù)彎法，公切、偏壓預(yù)彎法，等量預(yù)彎法[15]。
公切、正壓預(yù)彎的含義就是在預(yù)彎成型的控制過(guò)程中(見(jiàn)圖12) ,預(yù)彎弧( R2z) 、彈復(fù)弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 與預(yù)彎弧( R2z) 的垂直中心線相重合,即內(nèi)壓輥的作用力垂直正壓。
圖12 公切、正壓預(yù)彎法
1- 帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
圖13 公切、偏壓預(yù)彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
公切、偏壓預(yù)彎的含義就是在預(yù)彎成型的控制過(guò)程中(圖13) ,預(yù)彎弧( R2z) 、彈復(fù)弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 相對(duì)預(yù)彎弧( R2z) 的垂直中心線有一個(gè)偏轉(zhuǎn)即內(nèi)壓輥的作用力呈偏心壓下。
等量預(yù)彎的含義就是在成型的控制過(guò)程中(圖14) ,預(yù)彎半徑R2z與擬定的管坯半徑Rz 之值相等且重合。顯然,本方法是公切、正壓預(yù)彎法和公切、偏壓預(yù)彎法中的一種特例情況,單獨(dú)提出的原因在于這種情況的典型性和應(yīng)用的普遍性。
圖14 公切、等量預(yù)彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預(yù)彎下棍（1#輥）
4-預(yù)彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預(yù)彎下輥（3#輥）
3 卷管機(jī)研究過(guò)程中所遇到的問(wèn)題和解決方法
卷紙機(jī)構(gòu)主要卷針和伺服電機(jī)組成，作用是將送到卷針里的紙片卷繞成紙管。在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是送料機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各個(gè)模塊之間相位的匹配。送料機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是紙管機(jī)能否連續(xù)精確送料、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)；各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)一致，是保證生產(chǎn)線正常工作的關(guān)鍵[1]。
送紙機(jī)構(gòu)將型紙從堆紙臺(tái)送至卷繞裝置，安裝在其輸出構(gòu)件上的送紙吸嘴的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為：吸紙、輸紙、喂入和取紙四個(gè)階段。在工作過(guò)程中，要求送紙吸嘴在吸紙和喂人兩個(gè)階段處于停歇狀態(tài)，并有較高的停歇精度，保證在吸取和喂人型紙時(shí)的準(zhǔn)確性；另外還要求送紙吸嘴在輸紙、取紙兩個(gè)階段有較好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，以保證卷制出的紙管有較高的品質(zhì)。由于送紙吸嘴在兩個(gè)近似停歇階段均有較大的波動(dòng)，故在送紙過(guò)程中有顫動(dòng)，這些現(xiàn)象影響了送紙吸嘴的工作性能。分析其原因，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象主要是有氣壓傳動(dòng)自身的局限性所致，由于平面連桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造精度高等特點(diǎn)，因此，通過(guò)用平面連桿機(jī)構(gòu)替代普通機(jī)構(gòu)來(lái)滿足輸出構(gòu)件上送紙吸嘴的性能要求[16]。
往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的用途是將切刀片切成的固定長(zhǎng)度的料紙準(zhǔn)確的送給卷針。托紙架要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)作：來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)和上下擺動(dòng)[17]。往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)紙的運(yùn)送，擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)紙的吸收和放開(kāi)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的帶輪是主動(dòng)輪，通過(guò)帶與紙張之間的摩擦來(lái)帶動(dòng)紙的高速旋轉(zhuǎn)。常見(jiàn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪往復(fù)機(jī)構(gòu)、液壓氣動(dòng)往復(fù)機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。前兩種機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)較大行程時(shí)占用空間過(guò)大，后兩種機(jī)構(gòu)成本偏高。并且以上一套機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的往復(fù)[17]。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，低成本，結(jié)構(gòu)緊湊等要求，需提出一種新型復(fù)合往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
紙管是有十幾層或二十幾層紙卷繞而成的紙筒，這多層紙中最內(nèi)層紙的內(nèi)層不涂膠，最外層紙的外層不涂膠，其余層雙面涂膠。這些紙?jiān)诰砉軝C(jī)上加溫、加壓捂接卷繞，經(jīng)后序加工及定性處理而制成的一種專用紙管制品。在紙管生產(chǎn)工藝中很關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題是卷繞粘合強(qiáng)度，因?yàn)榫砝@粘合的好壞，直接影響著紙管的耐蒸煮性能及使用壽命，而影響粘合質(zhì)量中的一個(gè)重要因素是熱輥的表面溫度[18]。因此．熱輥功率確定的正確與否，不但直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，也影響能源的利用率，是生產(chǎn)中迫切需要解決的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用溫度傳感器間斷供電的方式來(lái)控制溫度。
參考文獻(xiàn)
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單位代碼 02
學(xué) 號(hào)
分 類 號(hào) TH6
密 級(jí)
畢業(yè)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)綜述
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
2011 年3 月 10日
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第II頁(yè)
螺旋紙管生產(chǎn)線卷管機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要
卷管部分是螺旋紙管生產(chǎn)的最主要的一部分。在此設(shè)計(jì)的螺旋紙管機(jī)適用于造紙、紡織、地毯、薄膜、食品、輕工以及其它行業(yè)各種品質(zhì)和規(guī)格的紙管生產(chǎn)，特別是化纖絲廠用紙管生產(chǎn)。皮帶纏繞方式采用雙導(dǎo)程纏繞傳動(dòng)方式，又加上四機(jī)頭的設(shè)計(jì)，這些都可保證芯軸的受力平衡和卷管過(guò)程的穩(wěn)定，從而保證紙管的質(zhì)量，使該設(shè)備更能輕松完成紙管的加工。本設(shè)計(jì)部分給出了紙帶寬度與卷管直徑的關(guān)系，并且對(duì)不同卷管直徑的各層紙帶寬度做了具體計(jì)算。通過(guò)對(duì)普通V帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)以及花鍵軸的設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核，比較詳細(xì)地對(duì)各傳動(dòng)部分做了具體分析，以確保其在實(shí)際生產(chǎn)中穩(wěn)定高效地工作。
關(guān)鍵詞 螺旋卷管機(jī)/紙管/雙導(dǎo)程纏繞/四機(jī)頭
Paper Tube Machine of Spiral
Paper Tube Production Lin
ABSTRACT
Rolling paper tube part is the most important part of the spiral paper tube production. In this design, the spiral paper tube machine is applicable in the paper making, textile, carpet, film, food, light industry and other industries for a variety of qualities and specifications of the paper tube production, especially in the production of chemical fiber silk mill paper tube. Winding way of the belt is dual lead winding drive way, coupled with the four-head design, which can ensure the force balance of the mandrel and the stability of the rolling process to ensure the quality of paper tube and make the device more easily to complete the paper tube processing. the design part presents the relationship between the width of paper reel tape and the diameter of volume , furthermore make a specific calculation on the paper reel tape width in different layers corresponding to different diameters of the volume. Through the design, calculation and verification of the ordinary V-belt drive, chain drive, bevel gear and the spline axis, the paper do a detailed analysis in each part of these drives to ensure the stability and efficiency in the actual production work .
KEY WORDS spiral paper tube machine, paper tube, dual lead winding , four-head design
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 IV頁(yè)
目 錄
1 緒論 1
1.1 紙管 1
1.1.1 紙管的分類及用途 1
1.1.2 紙管的結(jié)構(gòu)形式及材料 2
1.2 螺旋紙管機(jī) 3
1.2.1 紙管機(jī)的概述 3
1.2.2 螺旋紙管機(jī) 4
1.3 本課題研究的背景 5
1.4 探究本課題的研究意義 6
1.4.1 包裝機(jī)械的發(fā)展歷程 6
1.4.2 紙制品包裝的發(fā)展歷程 7
1.4.3 紙管機(jī)的發(fā)展歷程 8
2 卷管機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)方案 9
2.1 螺旋紙管機(jī)的工作原理 9
2.1.1 紙架部分 9
2.1.2 上膠部分 9
2.1.3 卷管設(shè)備 9
2.1.4 切斷部分 10
2.2 卷管機(jī)設(shè)計(jì)方案的確定 10
3 總體設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.1 螺旋卷管機(jī)的幾何計(jì)算 12
3.1.1 概述 12
3.1.2 紙帶的幾何計(jì)算 13
3.1.3 平帶拉力 16
3.2 電機(jī)的選擇 17
3.2.1 功率的計(jì)算 17
3.2.2 電機(jī)的選擇 17
3.3 減速器的選擇 18
3.3.1 轉(zhuǎn)速的計(jì)算 18
3.3.2 傳動(dòng)比的分配 18
3.3.3 減速器的選擇 18
3.4 V帶傳動(dòng)計(jì)算 19
3.4.1 確定計(jì)算功率 19
3.4.2 選擇V帶的帶型 19
3.4.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速v 20
3.4.4 確定中心距a并選擇V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld 20
3.4.5 驗(yàn)算小帶輪包角 21
3.4.6 計(jì)算帶的根數(shù)z 21
3.4.7 計(jì)算單根V帶的初張緊力的最小值 22
3.4.8 作用在軸上的力即壓軸力的最小值（Fr）min及帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.5 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 23
3.6 齒輪傳動(dòng) 25
3.6.1 第一組錐齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核 25
3.6.2 第二組錐齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核 36
3.7 軸的設(shè)計(jì)和校核 49
3.7.1 第一根軸的設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核 49
3.7.2 花鍵軸的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核 51
3.7.3 花鍵的擠壓強(qiáng)度校核 57
3.7.4 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度驗(yàn)算 58
3.7.5 軸承壽命的計(jì)算 59
結(jié)束語(yǔ) 63
致 謝 64
參考文獻(xiàn) 65
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 67頁(yè)
1 緒論
1.1 紙管
紙管是工業(yè)生產(chǎn)的常用物品，目前紙管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，它即可以作為各種卷筒紙和紙板的內(nèi)芯，也可作為合成長(zhǎng)絲、滌綸、丙綸、氨綸等所用的紡織紗管，如食品包裝，農(nóng)膜，造紙，紡織等行業(yè)，尤其是用于紡織業(yè)的紙管已逐步取代錐形紗管。
1.1.1 紙管的分類及用途
紙管主要包括纏繞膜紙管、膠帶紙管、保鮮膜紙管、熱電偶紙管、塑料薄膜紙管、造紙用管、皮革紙管、鋁箔紙管、高強(qiáng)度紙管、化纖紙管等，適用范圍比較廣，用量比較大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，紙管機(jī)、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)，在紙管機(jī)、造紙業(yè)、包裝業(yè)、紡織化纖業(yè)得到了普遍應(yīng)用。根據(jù)行業(yè)有應(yīng)用，可以將紙管具體分類如下：
1) 化纖工業(yè)用管：主要有DTY管、POY管、FDY管、錦綸管、氨綸管、氨綸包覆紗管
2) 薄膜工業(yè)用管：有BOPP、PET、PVC、BOPA、CPP、農(nóng)用地膜、保鮮膜、纏繞膜、塑料袋用管（超市用）、鍍鋁膜、電工電容膜、丙膜、煙膜
3) 印刷工業(yè)用管：主要應(yīng)用于卷桶印刷、薄膜印刷、紙張印刷、新聞紙、紗管紙、白板紙、傳真紙、票據(jù)紙、水松紙、鋁泊紙、書(shū)寫(xiě)紙、彩色羊皮紙、口杯紙、利樂(lè)保鮮紙、其他
4) 冶金工業(yè)用管：鋁板、鋼板、鐵板等卷材
5) 包裝用管：醫(yī)療器械、書(shū)畫(huà)、食品罐等外包裝
6) 測(cè)溫用紙管：鋼水測(cè)溫 一次性熱電偶
7) 取樣器用紙管
8) 傳真機(jī)用紙管
9) 電池紙管
10) 橋梁建筑用管
1.1.2 紙管的結(jié)構(gòu)形式及材料[1]
（1）紙管的結(jié)構(gòu)形式
紙管按其制造工藝分為三種形式：螺旋卷繞式、搭接式和平繞式。螺旋卷繞式紙管通常使用幾種材料傾斜卷繞而成，搭疊邊是傾斜的。搭接式紙管是先將紙板沖切成坯料，再成型粘接而成。平繞式紙管由片材卷繞數(shù)層制成，內(nèi)外層的接縫位于同一直線上。
通常，螺旋卷繞式紙管都是圓的，近年來(lái)也能卷繞各種異形紙管，但技術(shù)比較復(fù)雜。其它兩種形式比較容易制造矩形或橢圓形等截面的紙管。特別是搭接式，還能容易地制成圓錐形的紗管。搭接方式又可分兩種：其一是先將原材料用粘合劑復(fù)合，再?zèng)_切成坯料以后在芯軸上成型搭接；第二種先將原材料分別沖裁成同樣大小的坯料，然后在芯軸上一層層成形粘合。第二種方式可使各層的搭接縫互相錯(cuò)開(kāi)，以提高接縫的強(qiáng)度和密封性。
螺旋卷繞法具有制管速度快、用料省、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是一種最為經(jīng)濟(jì)合理的方法，而且可卷成任意長(zhǎng)度的紙管，故得到廣泛的應(yīng)用。就容器的強(qiáng)度而言，螺旋卷繞式的要差一些；就大型容器在貯運(yùn)中的抗破損能力來(lái)說(shuō)也是平繞式容器優(yōu)于螺旋卷繞式的。
（2）卷繞紙管的各層紙有著不同的要求
紙管壁由內(nèi)襯紙、中層和面紙組成。通常，內(nèi)襯紙用輕質(zhì)薄紙，為了減少卷繞時(shí)內(nèi)襯紙和芯軸之間的摩擦力，要求內(nèi)襯紙的內(nèi)表面盡可能光滑，而外表面則要求有較好的粘合性。制造一般紙管的內(nèi)襯紙可用單面牛皮紙為基材，有時(shí)在其光滑內(nèi)表面上復(fù)合一層鋁箔，鋁箔上再涂一層光滑的涂料，最大限度的降低摩擦系數(shù)。有時(shí)也采用羊皮紙、塑料薄膜、真空鍍鋁紙、鍍塑鋁箔等為內(nèi)襯紙。
選用中間層材料時(shí)應(yīng)考慮罐身有足夠的耐破度，能經(jīng)受住與金屬罐同等的堆碼壓力和側(cè)向壓力。罐身一般用未漂牛皮紙板制造，也可以用再生牛皮紙板或以草漿為主的牛皮紙板。紙表面至少有一面是不光滑的，以得到良好的著膠效果。一般制罐罐身用紙的定量為(200～300)g／m2，厚度公差為±0.3％，水分含量小于7％±1％，透水試驗(yàn)20～80s，斷裂強(qiáng)度中等。制紙芯用紙管時(shí)用定量650g／m2以上的或更厚的紙板。
外層紙或商標(biāo)紙通常，應(yīng)具備制作標(biāo)簽的性能，并選擇美麗的色調(diào)，使外表美觀；另外還要考慮與中間層的粘結(jié)性、表面摩擦系數(shù)、遮光性、保香性、耐熱性、耐濕性、耐水性等?？墒褂勉~版紙、塑料薄膜、鋁箔等材料。一般復(fù)合罐可用100g／m2的一面光滑的白牛皮紙；出口罐常用60g／m2的褐色牛皮紙，外表復(fù)合一層9μm的標(biāo)簽鋁箔。芯軸紙管外層紙可用輕質(zhì)紙即可。
粘合劑粘合劑的選擇主要考慮作業(yè)性、安全性、初粘力、速干性等。外層用粘合劑要考慮對(duì)外界條件的適應(yīng)性。淀粉漿糊、凝膠等高粘性粘合劑，流動(dòng)性差而適合于紙筒卷繞機(jī)使用，且價(jià)格便宜；硅酸鹽粘合劑粘性強(qiáng)，固化后變硬，紙筒剛性好，成本也最低?！ ?
1.2 螺旋紙管機(jī)
1.2.1 紙管機(jī)的概述
（1）紙管機(jī)：
紙管機(jī)，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機(jī)械，它是以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過(guò)切刀成片，將其卷成紙管的設(shè)備[15]。生產(chǎn)的卷紙管應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，有纖工業(yè)用管、薄膜工業(yè)用管、印刷工業(yè)用管、造紙工業(yè)用管、皮革工業(yè)用管、食品包裝用管、展覽行業(yè)用管等[19]。卷管機(jī)一般由四部分組成：送紙裝置、上膠裝置、卷管設(shè)備和切斷部分。
（2）紙管機(jī)的分類：
紙管機(jī)按其制造工藝分為螺旋紙管機(jī)、平繞式紙管機(jī)和搭接式紙管機(jī)。按力的傳動(dòng)方式分為芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)，其中，芯軸主動(dòng)的方式適合于卷制大直徑的紙管，而對(duì)于小直徑的紙管，芯軸主動(dòng)和芯軸被動(dòng)卷制的產(chǎn)品性能差不多，但是芯軸主動(dòng)的紙管機(jī)設(shè)備和操作要比芯軸被動(dòng)的復(fù)雜的多。按浸漬材料與芯軸纏繞角度分為平繞和斜繞。另外還可以按輥長(zhǎng)劃分為多種規(guī)格的紙管機(jī)[23]。
（3）紙管機(jī)適用范圍及應(yīng)用領(lǐng)域：
紙管機(jī)生產(chǎn)的紙管適用于煙花、布芯、電化鋁、棉紗、傳真紙、保鮮膜、衛(wèi)生紙等，通常應(yīng)用于食品包裝、農(nóng)膜、造紙、紡織等行業(yè)。
1.2.2 螺旋紙管機(jī)
（1）概述
普通螺旋傳動(dòng)是螺母和螺桿組成的傳動(dòng)副，可以實(shí)現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動(dòng)。主要把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)以傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[23]。卷管機(jī)的螺旋傳動(dòng)則完全不同于普通的螺旋傳動(dòng)，它是螺旋傳動(dòng)的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動(dòng)又作軸向移動(dòng)的功能，并可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進(jìn)給，可應(yīng)用生產(chǎn)線上[24]。
螺旋紙管機(jī)，屬紙管機(jī)械類。適用于各行業(yè)對(duì)各種品種和規(guī)格的紙管生產(chǎn)，特別是化纖長(zhǎng)絲廠用紙管生產(chǎn)。由紙架部分、上膠部分、機(jī)架部分、機(jī)頭部分、面紙部分、切斷部分等組成[18]。
螺旋紙管機(jī)的用途與特點(diǎn):
1、將適宜定量、寬幅的紙帶，卷繞成所需要內(nèi)徑及壁厚的平行螺旋狀紙管
2、采用三主動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)輥輪，皮帶不打滑，芯軸變形小，皮帶壓力大，卷繞力強(qiáng)，動(dòng)力傳遞效率高，紙管強(qiáng)度好，外表平整。
3、具有自鎖功能，擺臂角度調(diào)整后能自動(dòng)鎖定無(wú)晃動(dòng)。
4、帶自動(dòng)跟切裝置，切口齊整無(wú)翹角，切營(yíng)長(zhǎng)度自選可調(diào)。一至兩人操作。
（2）簡(jiǎn)易螺旋紙管機(jī)的結(jié)構(gòu)[25]
螺旋卷管機(jī)有以下幾部分組成：電機(jī)、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機(jī)體、電控箱等組成如圖1-1所示：
1-電機(jī)；2-減速器；3-齒輪；4-齒輪；5-主座；6-螺紋管模軸；7-托輪裝置；8-副座；9-床體滑道；10-行走絲杠；11-行走絲母；12-三角帶；13-電控箱
圖1-1 簡(jiǎn)易螺旋紙管機(jī)結(jié)構(gòu)圖
1.3 本課題研究的背景
紙管，是工業(yè)生產(chǎn)的常用物品，廣泛應(yīng)用于熱電偶、紙制品、塑料、布匹、農(nóng)膜、地毯、食品包裝中，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有紙管生產(chǎn)的現(xiàn)狀，除去用簡(jiǎn)陋設(shè)備而自行生產(chǎn)的低檔紙管外，為化纖長(zhǎng)絲廠以及其它行業(yè)對(duì)紙管技術(shù)性能指標(biāo)有要求的生產(chǎn)紙管的設(shè)備，大都是由國(guó)外進(jìn)口，這是由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平不高，尚無(wú)制造高品質(zhì)紙管的這類設(shè)備，這種進(jìn)口設(shè)備價(jià)格的高昂是顯而易見(jiàn)的。但是這類國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備在結(jié)構(gòu)上并不先進(jìn)、合理，占地面積大，而且生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定。例如紙架部分，國(guó)外進(jìn)口機(jī)組采用管紙條盤(pán)平行放置，單邊長(zhǎng)度達(dá)5.8米。又如上膠部分，全部紙條進(jìn)入大膠槽中掛膠，大膠槽要容下雙邊十余層紙上膠，膠槽體積相當(dāng)龐大而復(fù)雜，上膠后分層刮膠，單一個(gè)刮膠設(shè)備單邊六層紙就需高度3米以上，占地2.5米之長(zhǎng)，層數(shù)加多，則高度仍需加高。這兩項(xiàng)設(shè)備不僅占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且不能保證工序質(zhì)量。特別是進(jìn)口設(shè)備采用了液壓、電腦等控制部件及執(zhí)行元件，使得操作和維護(hù)都要求有較高技術(shù)的工人來(lái)操作，給我國(guó)當(dāng)前紙管行業(yè)的現(xiàn)狀帶來(lái)了極大的困難，不能適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，再加上配套件、甚至原材料都得依靠進(jìn)口，使得高品質(zhì)紙管生產(chǎn)的企業(yè)困難重重，極大程度的限制了當(dāng)前我國(guó)高品質(zhì)紙管的生產(chǎn)供應(yīng)[20]。
雖然目前高品質(zhì)紙管可以不完全依賴進(jìn)口，充分發(fā)揮這些現(xiàn)有進(jìn)口設(shè)備的作用，還有待一個(gè)時(shí)間來(lái)解決。因此，我國(guó)高品質(zhì)紙管生產(chǎn)的水平的提高亟待解決，現(xiàn)階段急切需要能適應(yīng)我國(guó)國(guó)情又能生產(chǎn)出高品質(zhì)紙管的設(shè)備來(lái)充實(shí)我們的市場(chǎng)。
1.4 探究本課題的研究意義
1.4.1 包裝機(jī)械的發(fā)展歷程[1]
包裝機(jī)械是包裝工業(yè)的一大門(mén)類產(chǎn)品，在包裝工業(yè)中有著舉足輕重的地位和作用，它給行業(yè)提供必要的技術(shù)設(shè)備，以完成產(chǎn)品的包裝工藝過(guò)程。盡管包裝機(jī)械的產(chǎn)值在整個(gè)包裝工業(yè)中所占的比重不如包裝材料大，不屬于經(jīng)常性消耗品，但對(duì)包裝工業(yè)的現(xiàn)代化卻是不可缺少的支撐。它為包裝工業(yè)提供先進(jìn)的技術(shù)裝備，保證包裝產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、品種多、生產(chǎn)環(huán)境好、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小，因而獲得較強(qiáng)的生命力，帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。沒(méi)有現(xiàn)代化的包裝機(jī)械，就沒(méi)有現(xiàn)代化的包裝工業(yè)。
包裝機(jī)械作為專業(yè)性機(jī)械，除了普通機(jī)械的一般要求外，還有外表美觀、傳動(dòng)裝置緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高、生產(chǎn)效率高等要求，以很好地完成自身功能，適應(yīng)市場(chǎng)需求。
隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)商品的包裝提出了更高的要求，哪里有商品，哪里就有包裝，可以說(shuō)包裝工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要的作用。包裝機(jī)械產(chǎn)品量大面廣，廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工、軍工等各個(gè)行業(yè)，被稱為是“朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。
今后中國(guó)包裝機(jī)械市場(chǎng)發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
首先，包裝機(jī)械技術(shù)含量日趨增加。中國(guó)現(xiàn)有的一些包裝機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)含量不高，而國(guó)外已將很多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在包裝機(jī)械上，如遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)(包括監(jiān)控)、步進(jìn)電機(jī)技術(shù)、自動(dòng)柔性補(bǔ)償技術(shù)、激光切割技術(shù)、信息處理技術(shù)等。
其次，包裝機(jī)械市場(chǎng)日趨壟斷化。目前中國(guó)除了瓦楞紙箱包裝機(jī)械和一些小型包裝機(jī)有一定規(guī)模和優(yōu)勢(shì)外，其他包裝機(jī)械幾乎不成體系和規(guī)模，特別是市場(chǎng)上需求量大的一些成套包裝生產(chǎn)線，在世界包裝市場(chǎng)中均被幾家大包裝機(jī)械企業(yè)(集團(tuán))所壟斷。
最后，包裝機(jī)械零部件生產(chǎn)專業(yè)化。國(guó)際包裝界十分重視提高包裝機(jī)械加工和整個(gè)包裝系統(tǒng)的通用能力，所以包裝機(jī)械零部件生產(chǎn)專業(yè)化是發(fā)展的必然趨勢(shì)，很多零部件不再由包裝機(jī)械廠生產(chǎn)，而是由一些通用的標(biāo)準(zhǔn)件廠生產(chǎn)，某些特殊的零部件由高度專業(yè)化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，真正有名的包裝機(jī)械廠將可能是組裝廠。產(chǎn)品向多功能與單一、高速兩極化發(fā)展。包裝機(jī)械的最終作用在于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品多樣化。
1.4.2 紙制品包裝的發(fā)展歷程
紙制品包裝技術(shù)有著非常悠久的歷史，從公元前200年，蔡倫發(fā)明了造紙術(shù)，紙制品包裝業(yè)也隨著發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)代紙制品包裝始于工業(yè)革命，1817年，美國(guó)人約翰?迪肯森發(fā)明圓網(wǎng)造紙機(jī)，用純紙廢紙漿制造出各種規(guī)格的紙板及多層紙板。隨著時(shí)間的發(fā)展，現(xiàn)代又出現(xiàn)了如塑料與紙復(fù)合、鋁箔復(fù)合紙板等復(fù)合材料，以及符合集裝運(yùn)輸、超級(jí)市場(chǎng)需要的集裝化、標(biāo)準(zhǔn)化的各種規(guī)格的紙包裝容器。
紙制品包裝相比較其他材料包裝有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)節(jié)約 紙和紙板原料豐富，來(lái)源廣泛，易大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低。同樣的包裝箱，用木材直接做成木箱與木材造紙做成紙箱相比，紙箱的用料只是木箱的1/3左右，因此節(jié)約木材和費(fèi)用。紙箱重量輕，約為木箱包裝毛重的15%左右，可降低包裝成本和運(yùn)輸費(fèi)用。
2、防護(hù)性能好 與其他材料的包裝容器相比，紙容器的緩沖減震性能比較強(qiáng)。紙箱結(jié)構(gòu)緊密無(wú)縫，能遮光防塵。
3、生產(chǎn)靈活性高 紙張可裁撓、折疊、又易粘、易釘、適于機(jī)械化加工和自動(dòng)化生產(chǎn)；也可較小規(guī)模地非機(jī)械化，甚至手工生產(chǎn)。
4、貯運(yùn)方便 紙容器質(zhì)輕、折疊靈活、裝載和捆扎都簡(jiǎn)便易行，也比較容易搬運(yùn)和保管。
5、易于造型裝潢 紙制品能根據(jù)不同的商品，設(shè)計(jì)出各式各樣的箱型、盒型。
6、環(huán)保無(wú)污染 紙有衛(wèi)生、無(wú)毒、無(wú)味的特點(diǎn)，紙還可符合有呼吸作用的商品的貯存條件。
7、回收利用性好 紙可直接回收利用，或用廢紙?jiān)僭旒垼瑢?duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染。紙制品包裝是對(duì)環(huán)境友好的包裝。
1.4.3 紙管機(jī)的發(fā)展歷程
我國(guó)很早就有紙管生產(chǎn)，但手工制作產(chǎn)量小。1980年后，從瑞典、法國(guó)、美國(guó)、丹麥等國(guó)引進(jìn)了幾十條生產(chǎn)線，目前，發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?
紙管機(jī)屬于包裝設(shè)備行列之中，近幾年市場(chǎng)需求量不斷增大，紙管的用途也越來(lái)越廣泛?？傊?，紙管行業(yè)是一個(gè)可以深遠(yuǎn)發(fā)展的行業(yè)?，F(xiàn)如今，螺旋紙管機(jī)在包裝機(jī)械行業(yè)中依然處于不錯(cuò)的增長(zhǎng)狀態(tài)：產(chǎn)銷(xiāo)依然上升、利潤(rùn)增速迅猛、出口增加，是機(jī)械行業(yè)中表現(xiàn)突出的一個(gè)“亮點(diǎn)”行業(yè)。
卷紙管機(jī)生產(chǎn)制造上，專業(yè)化生產(chǎn)已成為趨勢(shì)。 紙管包裝機(jī)械廠商都十分重視包裝機(jī)械與整個(gè)包裝系統(tǒng)的通用能力，一些通用標(biāo)準(zhǔn)件不再由包裝機(jī)械公司生產(chǎn)，某些特殊的零部件則由高度專用化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，而真正的包裝機(jī)械公司在某種意義上是組裝廠。中國(guó)紙管包裝機(jī)械起步較晚，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，紙管包裝機(jī)械已成為機(jī)械工業(yè)中十大行業(yè)之一，為我國(guó)包裝工業(yè)快速發(fā)展提供了有效的保障，有些紙管包裝設(shè)備填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，已能基本滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，部分產(chǎn)品還有出口。但在目前，國(guó)包裝機(jī)械出口額還不足總產(chǎn)值的5%進(jìn)口額卻與總產(chǎn)值大抵相當(dāng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相去甚遠(yuǎn)。紙管包裝機(jī)械要將其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在包裝機(jī)械上，如機(jī)電一體化技術(shù)，熱管技術(shù)、遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)、自動(dòng)柔性補(bǔ)償技術(shù)等，使產(chǎn)品技術(shù)性能大幅度提高[20]。
但我國(guó)紙管機(jī)械制造設(shè)備的性能與國(guó)外同類設(shè)備的先進(jìn)水平存在一定差距，一般認(rèn)為主要反應(yīng)在設(shè)備的技術(shù)含量上。重視高新技術(shù)的應(yīng)用已成為提高設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性的主要途徑[19]。
2 卷管機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)方案
2.1 螺旋紙管機(jī)的工作原理
螺旋紙管機(jī)，主要適用造紙、紡織、地毯、薄膜、食品、輕工以及其它行業(yè)各種品質(zhì)和規(guī)格的紙管生產(chǎn)。特別適用于化纖絲廠做繞絲器上用紙管的生產(chǎn)而用的設(shè)備。該設(shè)備占地面積小、結(jié)構(gòu)靈巧、制造成本低、使用可靠、能適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前國(guó)情、又能生產(chǎn)出高品質(zhì)紙管，維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便的螺旋紙管機(jī)[13]。
螺旋卷管機(jī)一般由四部分組成：紙架部分、上膠部分、卷管設(shè)備及切斷部分[2]。
2.1.1 紙架部分
紙架部分主要是用來(lái)提供盤(pán)紙的收放裝置，紙架部分的主架固定在底架上，管紙條盤(pán)固定安裝在主架兩側(cè)外端，立式并排安置，可減少占地面積。另外，這樣的布置極有利于管紙條盤(pán)的更換，操作方便，一盤(pán)盤(pán)管紙條盤(pán)按序排列好，管紙由條盤(pán)處引出經(jīng)主架中部裝置的轉(zhuǎn)向輥轉(zhuǎn)一個(gè)90°至上部的管紙引出的出紙輥而引出，由于紙架部分是左右對(duì)稱設(shè)置的，兩邊的管紙同時(shí)向機(jī)架部分的方向引伸，同時(shí)經(jīng)過(guò)左右兩個(gè)對(duì)稱布置的上膠部分。整體框架形結(jié)構(gòu)的紙架安裝在機(jī)架部分的位置可隨紙管種類要求而調(diào)整，以保證管紙行走中受力均勻。
2.1.2 上膠部分
上膠部分由機(jī)架及機(jī)架支腿組成門(mén)形結(jié)構(gòu)，其上左邊裝有單邊上膠輪部分，中間裝有盒形膠槽部分，右邊裝有刮膠器，左右兩邊裝有導(dǎo)紙架。單邊上膠輪兩側(cè)裝有過(guò)輪各一個(gè)，下端沉浸在膠槽中。盒形膠槽上端裝有膠槽漏斗，中部開(kāi)有多個(gè)過(guò)膠槽，過(guò)膠槽兩邊裝有柔性刮膠板，擋膠盒裝在第一層過(guò)紙槽中。下端裝有收膠漏斗及盛膠桶。擋膠盒安裝的數(shù)量及安裝的位置可根據(jù)紙管種類的不同要求而設(shè)置。
2.1.3 卷管設(shè)備
卷管機(jī)主要由機(jī)頭部分和機(jī)架部分組成。機(jī)頭部分裝在機(jī)架床身的托板上，兩個(gè)對(duì)稱皮帶輪部分裝在托板上，用燕尾槽與托板連接，用燕尾導(dǎo)軌調(diào)整螺釘來(lái)調(diào)整間隙，托板內(nèi)裝有移動(dòng)皮帶輪部分的絲杠、螺母及手輪，用來(lái)調(diào)整皮帶輪前后移動(dòng)，調(diào)整皮帶的松緊，并根據(jù)不同管徑來(lái)調(diào)整皮帶纏繞質(zhì)量。皮帶輪對(duì)稱安裝在芯軸兩邊，其上繞有傳動(dòng)皮帶，傳動(dòng)皮帶的纏繞方式是采用一根完整皮帶，兩邊繞在皮帶輪上，在芯軸上采用雙導(dǎo)程纏繞方式，皮帶的接頭在空間扭曲轉(zhuǎn)過(guò)180°成環(huán)形。在調(diào)整好皮帶后，兩個(gè)皮帶輪對(duì)稱施力于芯軸上，受力均勻，而不會(huì)使芯軸產(chǎn)生彎曲的受力狀，皮帶輪的動(dòng)力來(lái)源是通過(guò)下方一對(duì)錐齒輪而與花鍵軸接通，花鍵軸是通過(guò)裝在床身的勵(lì)磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、蝸桿減速器、中間軸和又一對(duì)錐齒輪而傳動(dòng)花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，中間軸又通過(guò)鏈傳動(dòng)把動(dòng)力傳給另一組皮帶輪。這樣，四機(jī)頭的設(shè)計(jì)就可保證芯軸的受力平衡和卷管過(guò)程的穩(wěn)定，從而保證紙管的質(zhì)量，同時(shí)，使該設(shè)備更能輕松完成紙管的加工。
2.1.4 切斷部分
切斷部分的紙架安裝在床身上，紙架上裝有帶滾輪的滾輪架，可沿床身長(zhǎng)度方向移動(dòng)，滾輪架上裝有調(diào)整釘，調(diào)整擺動(dòng)體擺動(dòng)的距離，擺動(dòng)體上裝有刀盤(pán)體，刀盤(pán)體一端設(shè)置有手把以便操作者握此手把進(jìn)行切斷。刀盤(pán)與滾動(dòng)架沿床身長(zhǎng)度方向移動(dòng)的距離在芯軸長(zhǎng)度以內(nèi)。
此螺旋紙管機(jī)生產(chǎn)過(guò)程：原材料紙管條盤(pán)放置在紙架部分上，其數(shù)量是根據(jù)紙管不同種類要求而設(shè)置，同時(shí)兩邊對(duì)稱設(shè)置。管紙經(jīng)上膠部分上膠并經(jīng)刮膠使其均勻而至機(jī)架部分的芯軸上，經(jīng)螺旋纏繞而后至機(jī)頭部分的傳動(dòng)皮帶處，經(jīng)傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)紙管旋轉(zhuǎn)而向前移動(dòng)，再經(jīng)面紙部分上面紙即可成形了，同時(shí)按紙管不同種類的要求，由切斷部分按長(zhǎng)短切斷，切斷后的紙管根據(jù)要求還要進(jìn)行開(kāi)槽、卷邊等工序，即可成為成品管出廠。
2.2 卷管機(jī)設(shè)計(jì)方案的確定
卷管機(jī)的設(shè)計(jì)主要從四個(gè)方面入手，引紙裝置，動(dòng)力傳遞過(guò)程以及各個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，具體措施介紹如下[28]：
1、 對(duì)于6-12層的紙管，可在尾座部分兩側(cè)各安裝一個(gè)引紙機(jī)構(gòu)，紙帶從引紙機(jī)構(gòu)中穿過(guò)，每側(cè)最多可通過(guò)6層紙，通過(guò)人工纏繞紙帶到芯軸上，其中一側(cè)的引紙機(jī)構(gòu)最上層和另一側(cè)引紙機(jī)構(gòu)的最下層為單面上膠，即所有卷紙的最外層的外面不上膠，最里層的內(nèi)層不上膠，其它各層為雙面上膠，以使所卷紙管的最內(nèi)層和最外層為單面上膠，其余各層為雙面上膠。
2、 根據(jù)紙帶寬度大小可確定紙管卷繞的螺旋角，將托板搬轉(zhuǎn)此角度，把閉合平帶纏繞在芯軸和輥筒上，纏繞方式是以紙花的形式做雙導(dǎo)程螺旋纏繞，再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲杠螺母副使螺母移動(dòng)，與螺母焊接的銷(xiāo)帶動(dòng)齒輪箱從而帶動(dòng)輥筒在托板上的移動(dòng)，兩個(gè)輥筒可以在兩邊分別進(jìn)行調(diào)整，以使平帶張緊。兩組輥筒進(jìn)行同樣的調(diào)整。
3、 動(dòng)力源的傳遞過(guò)程：動(dòng)力源為勵(lì)磁調(diào)速電機(jī)，通過(guò)V帶傳動(dòng)把動(dòng)力傳遞給蝸桿減速機(jī)，再通過(guò)聯(lián)軸器傳給齒輪軸，然后通過(guò)一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)動(dòng)力給花鍵軸，以實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)方向的垂直改變，再通過(guò)另外一對(duì)錐齒輪把動(dòng)力最終傳給輥筒，兩輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，通過(guò)平帶與紙帶的摩擦力帶動(dòng)紙管卷繞并向前移動(dòng)，來(lái)完成螺旋紙管的卷管過(guò)程。與此同時(shí)，齒輪軸上裝有鏈輪，通過(guò)1:1的鏈傳動(dòng)把動(dòng)力傳遞給另外一組與之完全相同的輥筒，由于傳動(dòng)比為1，兩組輥筒螺旋角相同，所以其卷繞速度相同，可以平穩(wěn)地帶動(dòng)紙管運(yùn)動(dòng)，并使卷管過(guò)程更容易實(shí)現(xiàn)。
4、調(diào)整的方法：
(1)螺旋角調(diào)整的實(shí)現(xiàn)：
支撐板上開(kāi)有T形槽，托板上裝有T形槽用螺栓，通過(guò)T形槽用螺栓在T形槽中的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋角的調(diào)整。調(diào)整好之后，通過(guò)螺栓上的螺母擰緊。
(2)輥筒在托板上位置的調(diào)整：
轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲杠螺母副使螺母移動(dòng)，與螺母焊接的銷(xiāo)帶動(dòng)齒輪箱在托板的燕尾形導(dǎo)軌上的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輥筒在托板上位置的調(diào)整。
5、本設(shè)計(jì)對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）關(guān)鍵部位采用了新穎結(jié)構(gòu)，使機(jī)器技術(shù)水平大為提高。如采用的雙導(dǎo)程皮帶纏繞傳動(dòng)方式，不僅簡(jiǎn)化了傳動(dòng)方式，而且保證芯軸受力均衡，使紙管質(zhì)量得到了保證。
（2）減小了機(jī)器尺寸，節(jié)約了占地面積，充分提高了廠房使用系數(shù)。
（3）設(shè)備操作簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，符合我國(guó)目前國(guó)情，操作人員不需專門(mén)培訓(xùn)即可上崗頂班工作。設(shè)備維護(hù)及使用方便，考慮了人機(jī)工程系數(shù)，不停機(jī)即可維護(hù)和連續(xù)作業(yè)。
（4）四機(jī)頭的設(shè)計(jì)使芯軸受力平穩(wěn)，更能輕松完成紙管的加工。
3 總體設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 螺旋卷管機(jī)的幾何計(jì)算
3.1.1 概述
螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的基本成型原理如下圖[2]所示：
1——驅(qū)動(dòng)皮帶輪；2——成型皮帶輪；3——面紙；4——中層紙；5——內(nèi)襯紙；6——固定芯軸
圖3-1 螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的成型原理
工藝過(guò)程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長(zhǎng)紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復(fù)臺(tái)罐罐身時(shí)燙封螺旋接縫。然后，將施以粘膠的各層紙，分別按一定的角度一層層重疊一起螺旋卷繞到固定芯軸上。每層的螺旋接縫，由其相鄰的外層紙覆蓋[26]。
卷繞成型皮帶按紙條同樣的方式繞在紙管的外表面，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)侍動(dòng)。皮帶對(duì)紙管的裹緊力使各層紙互相粘牢，皮帶與面紙外表面的摩擦力使紙管在固定芯軸上向前作螺旋運(yùn)動(dòng)，從而連續(xù)不斷地卷出紙管。
卷成的紙管定型后即可按一定規(guī)格切斷，晾干后便成要求的紙管，復(fù)臺(tái)罐罐身還需要貼上商標(biāo)紙或在光滑白色的面紙上印以商標(biāo)圖案后才能切斷成罐身[13]。
3.1.2 紙帶的幾何計(jì)算
螺旋卷繞法卷制紙管的成型原理如3-1圖，螺旋紙管的幾何展開(kāi)圖如3-2圖。
圖3-2 螺旋紙管的幾何展開(kāi)圖（三層為例）
紙帶寬度、紙管內(nèi)徑、螺旋角和螺距之間的關(guān)系
各層紙帶的寬度、紙管的內(nèi)徑、卷繞角之間有如下幾何關(guān)系：
（3-1）
式中
——從芯軸內(nèi)層起第i層紙的螺旋角；
——第i層紙帶的寬度 ；
Di——從芯軸內(nèi)層起向外計(jì)數(shù)的第i層紙的紙管內(nèi)徑；
（3-2）
式中
D——芯軸直徑
——紙層厚度
紙帶厚度為0.4-0.5mm，取=0.5mm；
紙帶寬度、螺旋角與螺距S間的幾何關(guān)系：
（3-3）
如果相鄰兩層紙圈的螺距不同，則在不斷卷繞過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象，從而影響紙管質(zhì)量。為此在正常卷繞時(shí)應(yīng)使所有各層紙圈的螺距相同， 即對(duì)一批紙管，螺距S是定值，聯(lián)立式（3-1）和式（3-2）得
（3-4）
由上述各式可計(jì)算出各層紙帶寬度、卷繞螺旋角及螺距。一般可按最內(nèi)層紙圈的內(nèi)徑即芯軸直徑和最內(nèi)層紙帶的寬度確定螺旋角和螺距，然后計(jì)算各層紙帶的寬度和螺旋角。
對(duì)于內(nèi)徑為120mm的卷管，取最內(nèi)層紙帶寬度為110mm，即 D1=120mm，b1=110mm，
由上述公式（3-2），得：
卷繞螺旋角=16.96°；圓整=17°
已知=110mm 根據(jù)式（3-3）求出S=115.26mm，圓整為S=115mm。因?yàn)镾是定值故S=115mm不變。
=121mm，S=115mm，
代入式（3-4）得：=110.07mm。圓整=110mm，取縫隙=0.07mm。
代入式（3-3）得：=16.82
依次類推如下：
D3 =122mm，S=115mm, =110.15mm，圓整=110mm，=0.15mm，=16.68
D4 =123mm，S=115mm，=110.22mm，圓整=110mm，=0.22mm，=16.53
D5 =124mm，S=115mm，=110.29mm，圓整=110mm，=0.29mm，=16.40
D6 =125mm，S=115mm，=110.36mm，圓整=110mm，=0.36mm，=16.27
D7 =126mm，S=115mm，=110.43mm，圓整=110mm，=0.43mm，=16.13
D8 =127mm，S=115mm，=110.50mm，圓整=110.5mm，=0mm，=16.08
D9 =128mm，S=115mm，=110.57mm，圓整=110.5mm，=0.07mm，=15.95
D10=129mm，S=115mm，=110.63mm，圓整=110.5mm，=0.13mm，=15.82
D11=130mm，S=115mm，=110.70mm，圓整=110.5mm，=0.20mm，=15.70
D12=131mm，S=115mm，=110.76mm，圓整=110.5mm，=0.26mm，=15.57
對(duì)于內(nèi)徑為65mm的卷管，取最內(nèi)層紙帶寬度為60mm，即D1 =65mm，b1 =60mm，
代入式（3-1）得：螺旋角=17.08°；
代入式（3-3）得：S=62.77mm，圓整S=63mm；
所以D1 =65mm，S=63mm，b1 =60mm，=17.08°縫隙=0；
依次類推如下：
D2 =66mm，S=63mm，b2 =60.28mm，圓整b2=60mm，=0.28mm，=16.82°
D3 =67mm，S=63mm，b3 =60.35mm，圓整b3 =60mm，=0.35mm，=16.56°
D4 =68mm，S=63mm，b4 =60.42mm，圓整b4=60mm，=0.42mm，=16.31°
D5 =69mm，S=63mm，b5 =60,49mm，圓整b5=60mm，=0.49mm，=16.06°
D6=70mm，S=63mm，b6 =60.56mm，圓整b6=60.5mm
=0.06mm，=15.59°
D7 =71mm，S=63mm，b7=60.62mm，圓整b7=60.5mm，
=0.12mm，=15.73°
D8 =72mm，S=63mm，b8 =60.69mm，圓整b8=60.5mm，
=0.19mm，=15.51°
D9 =73mm，S=63mm，b9 =60.74mm，圓整b9 =60.5mm，
=0.24mm，=15.30°
D10=74mm，S=63mm，b10=60.80mm，圓整b10=60.5mm，
=0.30mm，=15.08°
D11=75mm，S=63mm，b11=60.86mm，圓整b11=60.5mm，
=0.36mm，=14.88°
D12=76mm，S=63mm，b12=60.93mm，圓整b12=60.5mm，
=0.43mm，=14,68°
對(duì)于65-120mm內(nèi)其它直徑的卷管也可類比計(jì)算螺距、紙管各層紙帶的寬度和卷繞螺旋角。
3.1.3 平帶拉力
所選卷管紙的材料為紗管紙，其每層紙的張緊力為F=200N[1]。
對(duì)直徑為Di 的卷軸做受力分析，由力矩平衡得：
(3-5)
其中：F帶是平帶的拉力，F(xiàn)f為卷軸所受摩擦力，,FN是平帶對(duì)卷軸的壓力，由受力平衡得：F帶=FN,，查閱手冊(cè)可知，紙與卷管的摩擦系數(shù)為0.3-0.5，故取為0.4.代入式（3-5）得：
F帶=20F=4000N
3.2 電機(jī)的選擇
3.2.1 功率的計(jì)算
卷管速度v、螺旋卷管的螺距S與卷管轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系[21]:
(3-6)
v=3-8m/min，取最大速度v=8m/min。
卷管內(nèi)徑為D1=120mm時(shí)，螺距S=115mm，代入式（3-6）得：
功率[3]
（3-7）
代入數(shù)據(jù)得：
卷管內(nèi)徑為D2=65mm時(shí)，螺距S=63mm，代入式（3-6）得：
功率
所需電動(dòng)機(jī)功率P
(3-8)
其中：分別是V帶效率和減速器效率[4]，查閱手冊(cè)得V帶效率取=0.9，減速器效率=0.82，代入式（3-8）得：
P=2.37KW
3.2.2 電機(jī)的選擇[6]
根據(jù)上述所取V帶效率和減速器效率[5]，故選取電機(jī)型號(hào)為：
勵(lì)磁調(diào)速電機(jī)YCT160-4B，額定功率PN=3kW，調(diào)速范圍1250-125r/min，額定轉(zhuǎn)矩為19.2N?m
3.3 減速器的選擇
3.3.1 轉(zhuǎn)速的計(jì)算
輥筒直徑d=260mm，卷管內(nèi)徑為D1=120mm時(shí)，輥筒轉(zhuǎn)速：
（3-9）
若卷管直徑D1=65mm，輥筒轉(zhuǎn)速為：
（3-10）
則輥筒最大轉(zhuǎn)速為=32,11（r/min）。
3.3.2 傳動(dòng)比的分配
勵(lì)磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=1250-125r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速取為n=1000r/min，從電機(jī)到輥筒的總傳動(dòng)比為i=nn'=1000/32.1130
選取減速器傳動(dòng)比i1=20，錐齒輪組2-3傳動(dòng)比i2=i/i1=30/20=1.5
3.3.3 減速器的選擇
已知減速器的傳動(dòng)比很大，故選減速器為蝸桿減速器，其型號(hào)為：WPO100-20-E，其傳動(dòng)比為20，中心距為100mm[14]。減速器的簡(jiǎn)化畫(huà)法如下：
圖3-3 減速器的簡(jiǎn)化畫(huà)法
實(shí)物圖如下：
圖3-4 減速機(jī)的外形圖
3.4 V帶傳動(dòng)計(jì)算
減速器與電機(jī)之間通過(guò)普通V帶連接，傳動(dòng)比i=1，兩帶輪轉(zhuǎn)速：
普通V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算如下：
3.4.1 確定計(jì)算功率
計(jì)算功率Pca是根據(jù)傳動(dòng)的功率P和帶的工作條件而確定的
(3-11)
式中：
Pca——計(jì)算功率，kW；
KA——工作情況系數(shù)，由表13-1-16[3]查得KA=1.2；
PN——傳動(dòng)功率，在此為電機(jī)的額定功率。
3.4.2 選擇V帶的帶型
由上可知計(jì)算功率Pca=3.6kw和小帶輪轉(zhuǎn)速n，由圖13-1-1[3]選取A型帶。
3.4.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速v
1、 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1
由表13-1-10[3]和13-1-11[3]，為了提高V帶壽命，條件允許時(shí)，基準(zhǔn)直徑盡量取較大值，故取小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1=100mm> （dd1）min=75mm
2、驗(yàn)算帶速v
帶的速度v
(3-12)
因?yàn)閹賤=5m/s-30m/s,故帶速合適。
3、大帶輪的基準(zhǔn)直徑dd2
已知傳動(dòng)比i=1，則dd2=dd1=100mm，故大帶輪的基準(zhǔn)直徑為100mm。
3.4.4 確定中心距a并選擇V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld
1、 確定中心距a
初定中心距a0
（3-13）
代入數(shù)據(jù)得：
故初選中心距a0=300mm。
2、 計(jì)算相應(yīng)帶所需的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0
初定基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0
(3-14)
代入數(shù)據(jù)得：
由表13-1-5[3]選帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)d=900mm。
3、 計(jì)算實(shí)際中心距a
（3-15）
將數(shù)據(jù)代入上式得：
考慮到帶輪的制造誤差、帶長(zhǎng)誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充張緊的需要，可以得出帶輪的最大中心距amax和最小中心距amin
（3-16）
（3-17）
即中心距的變化范圍為280~307mm。
3.4.5 驗(yàn)算小帶輪包角
由于兩帶輪的基準(zhǔn)直徑相等，且
（3-18）
得：=180o，一般，故適合題意。
3.4.6 計(jì)算帶的根數(shù)z
1、 計(jì)算單根V帶的額定功率P1
已知A型帶，dd1=100mm,n1=1000r/min, 查表13-1-18[3]得P0=0.99kw
傳動(dòng)比i=1，增量
=180o, 由表13-1-21[3]，包角修正系數(shù)=1；
Ld=900mm，由表13-1-22[3]得帶長(zhǎng)修正系數(shù)=0.87；
（3-19）
2、 計(jì)算V帶的根數(shù)z
普通V帶及有效寬度制窄V帶：
（3-20）
取5根V帶。
3.4.7 計(jì)算單根V帶的初張緊力的最小值
由表13-1-23得V帶單位長(zhǎng)度質(zhì)量m=0.1kg/m，所以
(3-21)
3.4.8 作用在軸上的力即壓軸力的最小值（Fr）min及帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(3-22)
由于帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1=100mm,且為A型帶，查閱13-1-12[4]可知選用實(shí)心式帶輪。實(shí)心式帶輪的結(jié)構(gòu)如下[10]：
圖3-5 帶輪的外形尺寸
查閱23-1-69可知，型號(hào)為YCT160-4B的勵(lì)磁調(diào)速電機(jī)的輸出軸的直徑
輸出軸的長(zhǎng)度E=60±0.37，根據(jù)軸頸選擇鍵的類型與尺寸[5]
選擇普通平鍵，鍵寬bх鍵高h(yuǎn)=8x7,故帶輪的尺寸如上圖所示
3.5 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
滾子鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
電動(dòng)機(jī)通過(guò)V帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)蝸桿減速器，然后通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)機(jī)頭，所需傳遞的功率為
（3-23）
其中，V帶效率=0.9，減速器效率=0.82.由于減速器的傳動(dòng)比i=20
則主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為：
n1=1000/20=50(r/min)
1.確定傳動(dòng)比，選擇鏈輪齒數(shù)z1、z2
傳動(dòng)比i=1，鏈輪齒數(shù)按優(yōu)先齒數(shù)選取z1=z2=21。
2.計(jì)算當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率Pca
根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、主動(dòng)鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動(dòng)所需傳動(dòng)的功率修正為當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率[16]
(3-24)
式中：KA——工況系數(shù)，由表13-2-3[4]，為1；
KZ——主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)，由表13-2-4，為1.11；
KP——多排鏈系數(shù)，此處為單排鏈，為1；
P——所需傳遞功率，由前計(jì)算得，P=2.2kW。
代入式（3-24）得：
3.選擇鏈條型號(hào)和節(jié)距
根據(jù)計(jì)算功率Pca=2.44kW和主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1=50r/min，由圖13-2-1選取16A-1。查表13-2-1，鏈條節(jié)距為p=25.4mm。
4.驗(yàn)算主動(dòng)鏈輪的軸孔直徑dk
查表13-2-6,由節(jié)距p=25.4mm和齒數(shù)z1=21，得鏈輪軸孔最大許用直徑dmax=95mm。
主動(dòng)鏈輪的直徑dk=45mm,小于最大許用直徑dmax=95mm。
故滿足要求,不需要調(diào)整軸孔直徑和節(jié)距。
5.計(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距
取a0=1000mm。
相應(yīng)的鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為：
（3-25）
代入數(shù)據(jù)得：Lp0=100節(jié)。
鏈條長(zhǎng)度為：
（3-26）
已知：z2=z1=z=21，
計(jì)算中心距ac
（3-27）
實(shí)際中心距a
（3-28）
一般
故實(shí)際中心距a=（999.7-1001.3）mm
由于是水平傳動(dòng)，為防止鏈條脫落，可取實(shí)際中心距為1002mm。
6.計(jì)算鏈條速度，確定潤(rùn)滑方式
平均鏈速v
（3-29）
故此傳動(dòng)為低速鏈傳動(dòng)。
由v=0.44m/s和鏈號(hào)16A-1，由圖9-14[5]可知采用定期人工潤(rùn)滑。
7. 計(jì)算鏈傳動(dòng)作用在軸上的壓軸力F
有效圓周力：
(3-30)
鏈輪水平布置時(shí)的壓軸力系數(shù)KFP=1.15，則壓軸力
(3-31)
3.6 齒輪傳動(dòng)
3.6.1 第一組錐齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核
第一組錐齒輪的傳動(dòng)目的是為了改變傳動(dòng)方向，傳動(dòng)比u=1，則n2=un1=50r/min，由于通過(guò)鏈輪將傳動(dòng)傳遞到另一組機(jī)頭，故這一組錐齒輪所需的傳動(dòng)功率減半，為1.1kW。
3.6.1.1 錐齒輪傳動(dòng)的初步設(shè)計(jì)
1.選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料[11]
（1）所選錐齒輪為正交傳動(dòng)的等頂隙收縮齒直齒錐齒輪，即交錯(cuò)角為90°。
（2）本機(jī)器為一般工作機(jī)器，速度不高，可選用7級(jí)精度的錐齒輪。
（3）材料的選擇：兩齒輪材料均為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。
2.初步設(shè)計(jì)
（1）接觸強(qiáng)度的初步計(jì)算公式：
（3-32）
式中：
d1——小齒輪大端分度圓直徑，mm；
e ——錐齒輪類型幾何系數(shù)，由表14-3-25[4]查得為1200；
Zb——變位后強(qiáng)度影響系數(shù)，由表14-3-26[4]查得為1；
——齒寬比系數(shù)，由表14-3-27[4]查得為1.629；
T1——小齒輪轉(zhuǎn)矩，，N?m；
KA——使用系數(shù)，由表14-1-81查得為1.25；
——齒向載荷分布系數(shù)，由表14-3-34查得，又；
——試驗(yàn)齒輪的接觸、彎曲疲勞極限，由表14-3-28查得為650N?mm2；
u——齒輪傳動(dòng)比，為1；
將以上各數(shù)代入式（3-32）得：
（2）彎曲強(qiáng)度的初步計(jì)算公式：
（3-33）
式中：
由接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，按圖14-3-5[16]取z1=35；
KA——使用系數(shù)，見(jiàn)表14-1-81可取KA=1.25
——齒向載荷系數(shù)，；
YF——齒形系數(shù)，由式Y(jié)F=CYFO,C為有切向變位時(shí)的修正系數(shù)，由圖14-3-23，查取為1.0，由圖14-3-24查取YF0=2.53，則YF=2.53。
——試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限，由表14-3-28查得為220N?mm2。
將以上各數(shù)代入式（3-33），得：
由以上計(jì)算，大端端面模數(shù)：
圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=6mm。
3.6.1.2 錐齒輪傳動(dòng)的幾何計(jì)算
根據(jù)所選定的齒形制GB/T12369-1990[22]，按表14-3-2[4]確定如下：
1. 齒形角；
2. 齒頂高系數(shù)h*a=1；
3. 頂隙c*=0.2；
4. 螺旋角；
根據(jù)上述計(jì)算，
5. 大端端面模數(shù)m=6；
6. 齒數(shù)比u=1；
7. 齒數(shù)z1=35，z2=35；
8. 高變位系數(shù)x1=x2=0；
切向變位系數(shù)xt1=xt2=0；
9. 節(jié)錐角：
解得：，則
10.大端分度圓直徑d
11.外錐距R
12.齒寬b
齒寬系數(shù),可初選。
取齒寬b=45mm<10?m=60mm，滿足要求。
13.齒寬系數(shù)
14.平均分度圓直徑dm
15.中錐距Rm
16.平均模數(shù)mm
17.大端齒頂高h(yuǎn)a
ha1=ha2=m?h*a=6mm
18.全齒高h(yuǎn)
19.大端齒根高h(yuǎn)f
20.大端齒頂圓直徑da
21.齒根角
求出=2.776o
求出=2.776o
22.齒頂角
對(duì)于齒頂隙收縮齒
23.頂錐角
24.根錐角
25.安裝距A
按結(jié)構(gòu)確定,A1=140mm,A2=141mm
26.冠頂距AK
27.支撐端距H
28.周節(jié)p
29.分度圓弧齒厚s
30.分度圓弦齒厚
31.分度圓弦齒高h(yuǎn)
32.當(dāng)量齒數(shù)zv
33.端面重合度
(3-34)
式中:
將上述數(shù)據(jù)代入式(3-34)[14]得:
圖3-6 第一對(duì)錐齒輪
3.6.1.3 錐齒輪的強(qiáng)度校核計(jì)算
1.接觸強(qiáng)度校核計(jì)算：
對(duì)于正交傳動(dòng)，計(jì)算接觸應(yīng)力[12]：
(3-35)
式中:
——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由圖14-3-27查取為2.50；
——彈性系數(shù)，由表14-1-105查得為189.8；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)，由表14-3-30查得
(3-36)
又有當(dāng)量齒輪的重合度計(jì)算如下:
(1) 分度圓直徑dv
(2) 中心距av
(3) 齒頂圓直徑dva
(4) 端面齒形角
其中,,則=20o
(5) 基圓直徑dvb
(6) 嚙合線長(zhǎng)度
(7) 端面重合度
(8) 縱向重合度
由于是直齒錐齒輪，故，則：
將以上數(shù)據(jù)代入，得接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)：
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的螺旋角系數(shù)，；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的錐齒輪系數(shù)，是考慮錐齒輪齒形與漸開(kāi)線齒形的差異及輪齒剛度沿齒寬變化對(duì)齒面接觸強(qiáng)度的影響。當(dāng)齒頂和齒根未經(jīng)修形時(shí)，取=1;
——使用系數(shù)，由表14-1-81查得為1.25；
——?jiǎng)虞d系數(shù)，計(jì)算如下：
（3-37）
式中：
N ——臨界轉(zhuǎn)數(shù)比，即小齒輪轉(zhuǎn)數(shù)n1與臨界轉(zhuǎn)數(shù)nE1之比
（3-38）
對(duì)工業(yè)及車(chē)輛傳動(dòng)，建議在亞臨界區(qū)使用，即
vmt——中點(diǎn)圓周速度
代入（3-38）計(jì)算得：
K——當(dāng)時(shí)，其值為
（3-39）
——齒距極限偏差，，通常按大輪查表14-3-43取20；
——跑合量，，查表14-3-32為
c‘——單對(duì)齒剛度，取14；
Cv12與Cv3——時(shí)的系數(shù)，由總重合度
查表14-3-33，分別為
——作用在錐齒輪齒寬中點(diǎn)端面分度圓上的名義切向力，N，計(jì)算如下：
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的有效齒寬，mm，一般取為
將以上數(shù)據(jù)代入得（3-39）：
帶入式（3-37），則動(dòng)載系數(shù)為：
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分布系數(shù)，由表14-3-34查得
,又有；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的齒向載荷分配系數(shù)，由表14-3-35查得=1；
由以上計(jì)算代入接觸強(qiáng)度計(jì)算公式（3-35）得：
許用接觸應(yīng)力
(3-40)
——試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，為650N/mm2；
——接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)，由表14-1-110取1.10；
——潤(rùn)滑