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0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會的快速發(fā)展，人們對包裝機的性能要求也越來越高。在很多領(lǐng)域內(nèi)， 人們都需要對一些粉粒狀物料進行定量的包裝。 手工包裝的效率低、包裝質(zhì)量差、勞動強度大，針對以上問題，有必要采用粉粒包裝機包裝。此外，人們對包裝質(zhì)量和包裝效率要求也越來越高， 這就需要我們進一步分析包裝機的動力學(xué)特性，從而能夠改善包裝機的性能。 目前，國內(nèi)外對包裝機的結(jié)構(gòu)分析已作了很多研究， 而對包裝

機的傳動系統(tǒng)的分析還不是很多。

為了提高包裝機的使用效率， 有效避免包裝機的共振現(xiàn)象， 對包裝機的傳動系統(tǒng)的機身進行了系統(tǒng)性的有限元模態(tài)分析， 從而得出了包裝機的機身的固有頻率和振型的相關(guān)的數(shù)據(jù)， 并將模態(tài)分析得出的數(shù)據(jù)與實驗獲得的數(shù)據(jù)進行比較，最終確定了該包裝機的固有頻率和振型。 由于采取凸輪分配軸的機械控制方式， 在包裝機高速運行時， 會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊、 振動和機身抖動的現(xiàn)象，從而引起較大的噪聲，這些不良的現(xiàn)象都會致使計量的數(shù)值超過其所允許的誤差范圍， 從而會出現(xiàn)不能滿足使用要求和不合格的包裝好的成品以及空包現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，大大降低包裝的精度。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上， 運用靜力學(xué)分析方法， 對其傳動系統(tǒng)的分配軸進行更精確的工程分析，從而有利于掌握傳動系統(tǒng)的運動規(guī)律，找出系統(tǒng)存在的問題，加以改進，完成優(yōu)化設(shè)計，提高包裝機的可靠性和穩(wěn)定性，延長使用壽命。

1 包裝機的傳動系統(tǒng)的簡介

 顆粒包裝機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主電機、減速器、拉袋凸輪、拉袋電機、切刀、滾輪、熱封凸輪、齒輪副、分配軸、離合器等零部件組成

包裝機傳動系統(tǒng)的主要工作原理： 由主電機提供動力源，其轉(zhuǎn)子軸與 V 帶相連，并驅(qū)動減速器，從而驅(qū)動減速器輸出端的分配軸，分配軸通過鍵連接裝有拉袋凸輪、 熱封凸輪和小圓柱齒輪等傳動件。通過拉袋凸輪將動力傳給齒輪副，進而傳給滾輪；通過熱封凸輪將動力傳給熱封臂板，進而帶動切刀和熱封器的開合； 通過齒輪副將動力傳給供料機構(gòu)以及給光電補償、計數(shù)提供同步信號。

2 包裝機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

在機械系統(tǒng)動力學(xué)分析中， 模態(tài)分析是其研究的基礎(chǔ)內(nèi)容， 通過確定機械系統(tǒng)的固有頻率和振型，優(yōu)化包裝機運動系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)，使包裝機在工作過程中避免發(fā)生共振。以下是用 ANSYS Workbench 模塊對包裝機的傳動系統(tǒng)的模態(tài)分析，經(jīng)過分析可以得到包裝機傳動系統(tǒng)的前 6 階固有頻率和振型。

包裝機的固有頻率決定著其振動特性， 如果包裝機的激勵頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合， 則該包裝機會產(chǎn)生共振 ［ 1-3 ］ 。 包裝機出現(xiàn)抖動情況，不僅影響包裝精度，而且還會對外界產(chǎn)生噪音影響，縮短使用壽命，更嚴(yán)重的會造成包裝機局部破壞等。當(dāng)包裝機在工作過程中旋轉(zhuǎn)頻率與固有頻率相等或者相近時，該包裝機處于共振狀態(tài)，隔振系統(tǒng)受到干擾后會快速越過共振區(qū)域， 在此期間最大瞬時位移是正常值的 3~7 倍。
 

3 包裝機的頻譜測試實驗

振動設(shè)計中常碰到系統(tǒng)的固有頻率很難確定的問題， 解決這類問題唯一可靠方法是測試。 目前，測試結(jié)構(gòu)的固有頻率的試驗方法很多，而為了能夠通過測試的方法來得到包裝機的傳動系統(tǒng)的固有頻率， 本次實驗方法是首先將包裝機的傳動系統(tǒng)中需要獲得其振動的固有頻率值的位置處作為測試點，運用采集加速度信號的方法，利用振動測試儀器對測試點進行測試， 然后利用振動分析軟件對該測試點的加速度信號進行傅里葉轉(zhuǎn)換得到頻譜圖， 頻譜圖中的最高點即為該測試點的固有頻率值。

利用專用分析軟件對加速度信號進行處理，在實際運行中選取前 6 階固有頻率， 采取隔振等方法來減輕包裝機分配軸旋轉(zhuǎn)速度在啟動、工作、停止過程中達(dá)到或者接近固有頻率產(chǎn)生的共振。
為了能夠更直觀地比較固有頻率的實驗結(jié)果數(shù)值和分析計算的數(shù)值， 將實驗測量結(jié)果和分析計算值列表。
 

通過表 2 的對比結(jié)果可知， 包裝機的固有頻率的分析計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果之間的誤差最大為 6.4% ，在有效誤差范圍之內(nèi)。 這進一步驗證了包裝機的固有頻率的分析計算結(jié)果的正確性，有利于改善包裝機的性能， 為以后分析包裝機的動力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)，對減振、隔振分析提供了可靠的實驗數(shù)據(jù)， 并為設(shè)計包裝機時避免出現(xiàn)振動問題提供了有力參考。
 

4 包裝機的傳動系統(tǒng)中的分配軸的分析

分配軸是包裝機傳動系統(tǒng)中比較重要的零部件， 分配軸的好與壞直接影響著包裝機傳動系統(tǒng)， 而包裝機傳動系統(tǒng)又是包裝機的核心部分，它會影響到包裝質(zhì)量和包裝效率。 因此，對包裝機傳動系統(tǒng)中的分配軸作相應(yīng)的靜力學(xué)分析是很有必要的。

用 ANSYS Workbench 模塊對傳動系統(tǒng)的分配軸進行靜力學(xué)分析 。分配軸劃分網(wǎng)格節(jié)點為 5 256 ，單元數(shù)為 2 613 ，由圖可以看出最大應(yīng)力為 368.6 MPa, 超過了所規(guī)定的許用應(yīng)力，不符合實際使用要求，因此需要對分配軸進行優(yōu)化。

提高軸強度的常用措施： 合理布置軸上零件以減小軸的載荷， 本設(shè)計中為了減小軸所承受的彎矩，傳動件靠近軸承，并盡可能不采用懸臂的支撐形式，力求縮短支撐跨距及懸臂長度，可以在軸中間位置加一個固定軸承 ［ 4-6 ］ ；改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷； 改進軸的結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中的影響； 最后可以改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度。

在距離分配軸底部 400 mm 處加一個軸承，限制軸 X ， Y 方向移動，對其進行靜力分析，得到的分析結(jié)果如圖 4 所示。 分配軸優(yōu)化后的最大應(yīng)力為228.02 MPa ，其數(shù)值在規(guī)定的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，故優(yōu)化后的分配軸符合實際的使用要求， 從而在一定程度上能夠提高包裝機的主傳動系統(tǒng)性能。

5 結(jié)語

（ 1 ）運用有限元分析軟件對包裝機的傳動系統(tǒng)的機身進行模態(tài)分析， 從而獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型， 而固有頻率和振型能夠很好地反映出包裝機在工作過程中的振動特性。 在設(shè)計包裝機的傳動系統(tǒng)時， 要避免包裝機在工作時所產(chǎn)生的頻率與其固有頻率相同或接近，即避免共振 ［ 7 ］ ，從而能夠有效減小振動和降低噪聲， 有利于提高包裝機的整體性能。 同時，通過分析，也有助于選取合適的隔振方法， 從而可以減輕包裝機傳動系統(tǒng)中的分配軸旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的振動。

（ 2 ）利用相應(yīng)的振動測試儀器和采集加速度信號的方法來對包裝機傳動系統(tǒng)做相應(yīng)的頻譜測試實驗，從而最終得到正確的固有頻率值，并將其與分析計算得到的值進行比較， 發(fā)現(xiàn)其試驗測得值和分析計所得值沒有太大的誤差， 進而反映了有限元分析計算的數(shù)值的準(zhǔn)確性， 可以有效避免設(shè)計包裝機時的振動問題。

（ 3 ）對包裝機結(jié)構(gòu)進行測試的實驗數(shù)據(jù)有助于對其結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性進行分析計算與評估，保證了數(shù)值分析的可靠性。

（ 4 ）對包裝機傳動系統(tǒng)中的分配軸進行靜力學(xué)分析，從而得到其應(yīng)力、應(yīng)變和總變形的情況，并根據(jù)應(yīng)力的大小對分配軸進行了優(yōu)化， 進而能夠提高包裝機傳動系統(tǒng)的性能。

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