1、安徽科技学院 工学院 毕业设计1纸筒卷管机的设计机电技术教育 胡升华指导老师 易克传摘要：纸筒是食品、种子、纺织和轻工等行业普遍使用的一种管状包装材料，传统的纸管加工一般采用手工加工，费力费时，不能满足现代化生产的需求。本设计在传统的纸管卷管机的基础上，通过对卷管原理和运动机构的分析，对卷管机的总体结构和方案进行了论证，着重对动力传动装置、进纸机构、卷管机构等部分进行了设计，并完成了总装配图的绘制。为纸罐加工和现代化生产提供理论依据。关键词：纸筒；卷管机；结构；设计前言随着社会的发展和人们生活质量的提高，人们对美的追求和对环保意识的加强，各行业对商品包装要求也越来越高，纸罐包装因其独特可变的外
2、形和环保优势成为包装行业的首选。纸管产品可广泛用于纺织、印染、五金、塑料造纸、医药、食品、饮料等行业的包装 1、2 。用于纸罐包装的纸管产品的加工工序主要有卷管、切管和封盖等，其中卷管是首道也是最重要的一道工序，它主要将纸条进行卷制成形，形成纸管。传统的卷管机多为手工或半自动卷管，耗费大量的人力物力，生产效率不高。目前，许多厂家在从事纸管卷管机的研究，有些产品已上市，但是在文献资料中很少介绍其设计和加工工艺的。本设计以传统的卷管机为依据，对其整体结构、传动机构、卷纸机构和芯轴等进行设计。这次设计也是对自已的科研能力和综合知识能力进行一次锻炼。1 卷管机的基本结构和工作原理纸管是食品、种子、纺织
3、和轻工等行业普遍使用的一种包装材料。而纸管卷管机是专业生产纸管的机械设备，因卷管机加工效率高，卷管质量好被广泛应用在以上相关行业。纸管卷管机主要由机架、动力机构、上纸机构、卷纸机构和控制机构等部分组成 3、4 。其基本的工作原理见图 1 所示。安徽科技学院 工学院 毕业设计2芯 轴纸 带 滚 筒 滚 筒 套 筒皮 带图 1 纸管卷管机工作原理简图滚筒为主动部件，一般有两个，分别布置在芯轴的两侧；两侧滚筒通过皮带连接，而皮带在芯轴上作交叉缠绕。电动机的动力经过减速后带动一侧滚筒转动，该滚筒通过皮带带动另一侧的滚筒转动，同时通过皮带带动套筒上的纸带作旋转运动。在此过程中，当纸带送入运动的皮带和套筒
4、之间，在皮带的摩擦力之下将纸带紧紧的按螺旋规律旋紧在转动的套筒上。套筒在皮带带动下继续转动，从而将卷好的纸管顺利的送出，如图所示。图中的纸带在上一道工序（浸胶）中已单面或双面浸胶，被卷制后形成紧密的纸管。卷出的纸管厚度主要取决于单条纸带的厚度和纸带的层数，纸管的内径取决于套筒的外径，而纸管的致密度则决定于两滚筒的中心的连线与芯轴之间的夹角。2 卷管机的总体方案设计纸管卷管机按其滚筒（机头）的数量来分类，主要有两机头纸管卷管机、三机头纸管卷管机、四机头纸管卷管机等形式：两机头的纸管卷管机常用于对纸管紧密度要求不高的场合，在实际的使用中也是最广泛的；三机头和四机头的纸管卷管机加工纸管的紧密度高、所
5、得产品质量好，但是成本高，加工工艺复杂。纸管卷管机也可按纸管卷管机所加工的纸管大小来分，主要有小型纸管卷管机、中型纸管卷管机、大型纸管卷管机：小型纸管卷管机加工的纸管用于烟花，鞭炮和特定小物件的包装材料上，一般纸管直径 d20mm；中型纸管卷管机加工的纸直径 20mmd100mm 一般用于纺织行业中做布坯包装内芯；大型纸管卷管机所加工的纸管直径 d100mm，一般运用在有特殊要求的场合。本次设计的纸管卷管机加工的纸管内径为 40mm。本次设计是基于满足棉籽种子包装纸罐的卷管机设计，故对纸管直径尺寸要求不大，对纸管筒体质量要求也不是很高。所以本次设计的方案是设计二机头中型纸管卷管机。其拟采用的动
6、力传动方案见图 2 所示。安徽科技学院 工学院 毕业设计3联 轴 器 2联 轴 器 1带 轮 2带 轮 1滚 筒 蜗 轮 减 速 器电 动 机图 2 纸筒卷管机动力传递示意图3 卷管机的结构设计3.1卷管机原始参数本次设计以加工棉籽种子包装纸罐的卷管机为样本，根据有关企业提供的参数进行设计，具体参数见表 1。表 1 卷管机的性能参数卷纸层数 310 层 操作人数 1-2 人芯轴固定方式 卡紧式+法兰式双向固定 卷管速度 318 米/分钟卷杆直径 12110mm 切割方式 单盘刀主动切割卷绕机头 单机单双皮带 主机规格 16009002500主机功率 2kw 纸管壁厚 15mm主机转速 150-
7、300r/min 滚筒直径 320mm3.2各级传动载荷参数的计算已知主机转速为 150-300r/min，设计中按 243r/min 进行计算，初步选定的电机转速 =960rmin，所以可得总传动比 。1n总i938.2460主 机电 机总 ni初步选定减速器传动比 ，带传动传动 ，滚筒和套筒之间传动比5.31i 1i，所以有 。125.03i 9821i总根据卷管机设计中预选的传动装置，可计算出卷管机总的传动效率 5、6 。总54321总安徽科技学院 工学院 毕业设计4式中： 1 为联轴器的传动效率，根据机械实用设计手册 ，选择 1=0.96； 2 为减速器传动效率，根据机械实用设计手册
8、，选择 2=0.74；3 为联轴器传动效率，根据机械实用设计手册 ，选择 3=0.96；4 为带传动传动效率，根据机械实用设计手册 ，选择 4=0.95； 5 为滚筒与皮带之间的传动效率，根据机械实用设计手册 ，选择 5=0.90。于是得： =0.583。总所以可得: 传动轴转速 ；min/47.305.1962rn带轮转速 ；47.30套筒转速 ；in/76.24315.4 rn3.3电动机的选择电动机类型的选择。常用电动机主要有 Y 系列异三相异步电动机、防爆电动机和直流电动机，Y 系列异步电动机具有效力高、起动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高等特点，适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般
9、场所和无特殊要求的机械上，如：金属切削机床、泵、风机、运输机械、农业机械、食品机械等。也可以用于对起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。防爆电动机和直流电动机大多应用在有特殊要求的场合，成本很高。根据卷管机的工作性能要求，查阅有关电机手册，拟选用 Y系列异步电动机。电动机功率的选择。电动机的功率选择是否恰当，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小，不能保证工作机的正常运行或使电动机长期过载而过早损坏；功率选得过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都较低，造成很大的浪费。电动机功率的确定，主要与其载荷大小、发热、工作时间长短有关。根据原始资料提供的数据，主机的
10、功率为 2kw，根据 3.2 节的初步计算纸筒卷管机传动装置的总效率 58%。P =d4.3%582总主 机一般选择时，保证电动机的额定功率 P 稍大于电动机的所需功率 P 即可，即ed安徽科技学院 工学院 毕业设计5P P 。取 P =4kW。edd电动机转速的选择。同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min 等几种同步转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，磁极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈低，外廓尺寸愈大，价格愈贵。当工作机转速高时，选用高速电动机较经济；而工作机转速较低时也选用高速电动机，则会使总传动比增大，导致传动
11、装置的结构复杂，造价也高。所以在确定电动机转速时，要全面分析，权衡选用。一般机械中，用的最多的是同步转速为 1500r/min 和 1000r/min 这两挡的电动机。由于此次所设计的纸筒卷管机的转速比较低，为 32r/min。为了使总的传动比不太大，传动装置的结构简单，从而使造价降低，故选用同步转速为 1000r/min 的电动机。根据以上分析，查机械实用设计手册 ，确定选择 Y-132M1-6 三相异步电动机作为本次设计的纸筒卷管机的动力源。其性具体性能参数见表 2 所示，结构参数见表 3所示。安装尺寸见图 3。表 2 电机参数型 号 功 率（kW）电 流（A）转速（r/min）效率（%）
12、功率因数（cos ）额定转矩额定电流最大转矩重量（kg）噪 声A（dB）Y-132M1-6 4 9.4 960 84 0.77 2.0 6.5 2.2 80 71表 3 电机安装尺寸单位(mm)B C D E F GD G BB178 89 38 80 10 8 33 238安徽科技学院 工学院 毕业设计6： 1图 3 电机安装尺寸电动机电器保护。在纸管卷管机使用过程中，电机难免会出现短路、过载、突然断电等情况，为保证人身和财产安全对电机电路进行保护设计是必要的。异步电动机起、停、保护电气控制电路是广泛应用的，也是最基本的控制线路，如图 4 所示。该线路能实现对电动机的起动，停止的自动控制，并
13、且具有必要的保护，如短路保护、过载保护、零压保护。在如图 4 所示的电气控制线路中，三相交流异步电动机和由其拖动的机械运动系统为控制对象，通过由控制器、熔断器、热继电器和按钮所组成的控制装置对控制对象进行控制。控制装置根据生产工艺过程对控制对象所提出的基本要求实现其控制作用。起动电动机，合上闸刀开关 Qs，按下起动按钮 SB2，接触器 KM 的吸引线圈得电，其主触点 KM 闭合，电动机起动。由于接触器的常开触点 KM 并联于起动按钮，而且这时已经闭合，因此当松手断开起动按钮后，吸引线圈 KM 通过其辅助常开触点可以继续保持通电，维持其吸合状态，故电动机不会停止。这个并联接于起动按钮的辅助常开触
14、点通常称为自锁触点。此控制电路称为自锁电路，触点的自锁作用叫做“记忆功能” 。使电动机停转：按停止按钮 SB1，接触器 KM 的吸引线圈失电释放，所有 KM 常开触点断开。KM 主触点断开，电动机失电停转；KM 辅助触点断开，消除自锁电路，清除“记忆” 。安徽科技学院 工学院 毕业设计7FU1PEQSL321 SB2KM21RKMFR图 4 电机电气控制线路图短路保护绝缘保护、负载短接、接线错误等故障，都可能产生短路现象。短路的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍而使电气设备损坏。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短的时间内切断电源。由于电机容量较大，则主电路和控制电路都单独设置了短路保
15、护熔断器 FU1、FU2。过载保护过载也是指电动机运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些。过载保护是采用热继电器与接触器配合动作的方法完成保护的。FR 在过载时其常闭触点动作，使接触器 KM 失电，电动机停转而得到保护。零压保护通过接触器 KM 的自锁触点来实现。当电源电压消失（如停电） ，或者电源电压严重下降，使接触器 KM 由于铁心吸力消失或减小而释放，这时电动机停转并失去自锁，而电源电压又重新恢复时，要求电动机及其拖动的运动机构不能自行起动，以确保操作人员和设备的安全。由于电网停电后自锁触点 KM 的自锁已消除，所以不重新按起动按钮就不能起动。通过上述电路的分析可以看出：电器
16、控制的基本方法是通过按钮发布命令信号；而由接触器执行对电路的控制；继电器则用以测量和反映控制过程中各个量的变化，例如热继电器反应被控制对象的温度变化，并在适当的时候发出控制信号使接触器实现对主电路的各种必要的控制。3.4 联轴器的选择安徽科技学院 工学院 毕业设计8常用的联轴器主要有刚性联轴器和挠性联轴器两种类型。刚性联轴器适用于两轴能够严格对中并在工作中不发生相对位移的地方；挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、平行轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件之分，后两种统称为弹性联轴
17、器。弹性联轴器都具有缓和冲击的作用。用非金属弹性元件构成的弹性联轴器以及用金属弹性元件构成的弹性元件间有磨擦作用的弹性联轴器，除有缓冲作用外，还有减振作用。对于载荷平稳、转速稳定、同轴度好、无相对位移的可选用刚性联轴器；对于有相对位移的需选用无弹性元件的挠性联轴器；载荷和速度不大、同轴度不易保证的，宜选用刚度弹性联轴器；载荷、速度变化较大的最好选用具有缓冲、减振作用的变刚度弹性联轴器；对于动载荷较大的机器，宜选用重量轻、转动惯量小的联轴器；另外，对联轴器的选择还应考虑的几个因素是：1）装拆方便；2）尺寸较小；3）质量较轻；4）维护简单等。目前，常用联轴器已经标准化或系列化。一般情况下，可以根据
18、主、从动机械传动特点和要求选择合适的联轴器，必要时可进行专门的设计。设计时，可根据工作要求（轴径、计算转矩、工作转速、位移量、工作温度等）确定联轴器型号。在重要场合，对其中个别关键零件应作必要的验算，甚至进行系统的动力学计算。联轴器的品种、形式较多，通常只需考虑它的扭矩和转速等因素，来选择相应的联轴器。传动系统的载荷类别是选择联轴器品种的基本依据，载荷类别主要是针对工作机的工作载荷的冲击、振动、正反转、频繁启动等原因而形成不同类别的载荷。联轴器的许用转速范围是根据联轴器不同材料允许的线速度和最大外缘尺寸，经过计算而确定。联轴器转速高，外缘离心力大，导致材料破坏，磨损增加、润滑恶化。因此，每种型
19、式的联轴器都有各自限制最高转速或外缘线速度，选用时不得超过。由于球磨机筒体较重且转速较慢，扭矩大，应选用弹性柱销联轴器。这种联轴器具有微量补偿性能，减振、缓冲性能好、工作平稳可靠，无噪声、装拆方便、工艺性好、成本低、使用寿命长、通用性好 。适用于启动频繁，正反转较多，有启动载荷的高速传动。为方便于选用时的计算，将传动系统的载荷分为四类，见表 47。表 4 联轴器载荷类别载荷类别载荷状况 工作系数 k载荷类别 载荷状况 工作系数 k安徽科技学院 工学院 毕业设计9均匀载荷工作平稳中等冲击载荷11.51.52.5重冲击载荷，频繁正反转特重冲击载荷，频繁正反转2.52.752.75在设计和选择联轴器
20、时，除应考虑两轴的相对位置和位置的变动情况外，还应考虑动力机构和工作机的工作性质。在纸筒卷管机的设计过程中，涉及到两个联轴器的选用问题，一个是电机与减速器输入轴之间的联轴器；另一个是减速器输出轴与传动轴之间的联轴器。本次选用的两个联轴器的实际工作转速分别是 960r/min 和30.47r/min。实际工作转矩分别是 39.7 Nm 和 890 Nm。一般联轴器是根据载荷情况，计算转矩、轴直径和工作转速来选择。联轴器转矩计算。联轴器转矩 由下式求出：cTK对于电机与减速器间的联轴器：由机械设计实用手册可知：= NmT79.3604950nPW所以可得 电 机电 机KcTC =1.2595504
21、/96049.74Nm式中： 理论转矩, Nm；T公称转矩，Nm；n计算转矩，Nm；c驱动功率，这里就是电机功率，前面已知为 4kW；WP工作转速，这里就是电机转速，前面已知为 960r/min；n工作情况系数，见表 4。K由联轴器载荷分类和工作情况系数表：纸筒卷管机载荷是均匀载荷工作平稳，工作情况系数 K=1.25 所以经计算可得 TC。根据计算转矩 =49.74， =960 r/min 查机械传动装置设计手册选用凸缘联cTn轴器的型号是 YL5（GB 584386） ，其公称转矩 TC为 63 Nm，许用转速 n 为 5500 r/min，结构尺寸见表 5，具体结构见图 5。安徽科技学院
22、工学院 毕业设计10表 5 YL5型凸缘联轴器的结构尺寸型号 轴孔直径d(h7)轴孔长度 L D D1 螺栓数量 n螺栓直径 M L0MMYL5 22 52 105 85 4 M8 108图 5 YL5/YL12型凸缘联轴器的结构图对于减速器与传动轴之间的联轴器：同上。 TKc驱动功率：根据前面的计算，已知 和电机功率 分别为 0.96、0.74 和 4kW，21、 电 机P所以= kWWP21 8146.27.096电 机 NmnKTWc5Nm5.1247.308692.1c式中： 理论转矩, Nm；T公称转矩，Nm；n计算转矩，Nm；c驱动功率，kW；WP工作转速，这里就是传动轴的转速，前面计算为 30.47r/min；n
