制袋成型器的设计计算

自动化程度较高的装袋机上,经常使用卷筒包装材料,一面由制袋成型器制袋,一面进行充填包装。成型器是一个关键另件,对包装形式、袋的尺寸及产品包装质量等有直接影响。一、常用的制袋成型器形式及特点常用的成型器有翻领成型器、象鼻成型器、三角成型器和Ｕ型成型器等。如图5.15所示,在结构、性能上大体有如下一些特点:1.翻领成型器:如图(a)所示平张薄膜拉过该成形器后就成搭接或对接圆筒状。在常用的几种成型器中,它的成形阻力较大,易使薄膜产生变形,使之发皱或撕裂,故对塑料薄膜适应性差,而对复合膜适应性较好,它常用于立式枕型制袋包装机上,包装粉状、颗料状物料。每种规格的成型器只能成型一种规格的袋宽,当袋宽规格发生变化时,就要更换相应尺寸的成型器。而且,成型器的设计、制造及调试都较复杂。第二节制袋成型器的设计计算图3.15常见制袋成型器示意图2.三角成型器:如图所示,它由等腰锐角三角形板与平行导辊一起联结在基板上而成的。它是最简单的一种成型器,它具有一定的通用性,即能适应袋子的尺寸变化较大的需要,此时只要调节基板的上下位置即可。故此种成形器的适用范围广泛,不论立式、卧式、间歇运动或连续运动的三面、四面制袋包装机上都有应用。3.象鼻成型器:如图(c)所示,该成型器类似象鼻的形状,平张薄膜拉过该成型器时,薄膜变化较平缓,故成型的阻力比翻领成型器的阻力小,适用于塑料单膜的成型,它常用于立式连续三面封口制袋包装机及枕式对接制袋包装机上。但是,对制造同一尺寸的枕形袋所需对应的成型器,象鼻成形器的结构尺寸比翻领式结构尺寸大,薄膜也易于跑偏,同样,该成型器只能成型同一宽度的袋形。4.Ｕ形成型器:如图(d)所示,它是在三角形成器基础上改装而成的,薄膜在卷曲成型中受力状态比三角成型器好,其适应范围与三角形成型器一样,但其结构比较复杂。5.直角缺口导板成型器:如图(e)所示,它由缺口导板、导辊和双边纵封辊组成,成型器本身能将平张薄膜对开后又能自动对折封口呈圆筒形,常应用在立式连续联合包装机上。从三角形、Ｕ型及象鼻成型器可见,它们的共同特点是利用成型器外表面形状的变化而将平张薄膜折成对折或近似对折的形状,在平张薄膜逐渐变成对折状态的过程中,被一个个三角形图形所分割,下面就从这些三角形图形入手来研究其设计的一般方法。二、制袋成型器的设计1.三角形成型器三角形成型器使平张薄膜对折成型的过程如图5.16所示。设薄膜的宽度为2a,对折后的空袋高度为a(立式机为空袋宽度)，三角形板与水平面间的倾斜角即安装角为α，三角板的顶角为2β,薄膜在三角形板上翻折的这一区段长为b,若不计三角形板的厚度,假定薄膜在对折后两膜间贴得很紧,则:在直角三角形DEC中,DE=a,DC=b,所以有:图5.16三角成型器折叠成型示意图absin(5-1)在直角三角形ADC或BDC中:AD=DB=a,DC=b,所以有(3-2)abtg对既定的三角形成型器和一定的空袋尺寸,a/b是一个定值,所以有如下关系；(5-3)sintgarctg(sin)即：由此可见,三角形成型器的顶角与安装角有相互制约的关系,而β值的大小关系到三角形板形状尺寸,所以一定的安装角必对应着一定形状尺寸的三角形成型器,否则会影响成型器正常制袋。(5-4)在生产实践中,三角形顶角2β值是加工后得到的,而安装角α可通过一定结构,并加以调试来保证。故最好α值是一个容易测量的整数,设计中通常是选定α后,再用关系式来求解β值。安装角α实质上就等于三角形成型器在顶角附近薄膜运动的压力角,α角越大就表示压力角越大,薄膜翻折所受阻力也就越大,压力角太大时,薄膜在受力翻折中容易产生拉伸变形,严重的甚至撕裂或拉断。压力角小时,成形阻力就小,但压力角太小,致使结构不紧凑。根据压力角及结构尺寸间的关系,三角形成型器安装角的选择范围为α=20°~30°由此可见,β角最适宜的角度不大于30°。所以,通常三角形成型器采用顶角2β60°的等腰三角形,取极限时,则呈等边三角形。决定三角形成型器的尺寸除顶角外,还有三角形板的高h,它和制袋的最大尺寸有关:amaxhahmaxsin(5-5)式中:—能制作最大空袋的高(立式机为袋宽)；Δh—放出的余量,取30~50毫米。2.Ｕ形成型器Ｕ形成型器可看做是在三角形成型器的三角形板上装接了圆弧导槽及薄膜导板并用圆弧过渡后得到的。三角形板安装角α＝20°~30°,设装接的圆弧导槽的圆弧半径为Ｒ,如将Ｕ形成型器展开成平面,它与薄膜宽度2a相当,否则说明成型器在某处多了或少了一块,为此Ｕ形槽与三角形板的装接部位有一定位置要求,它以圆弧槽中心线与三角形板的顶点C间距离用L来表示。若满足上述成型器展开平面宽度处处为2a,则圆弧槽中心线装接位置应有:LR12(5-6)图5.17U形板成型器作图但这时圆弧槽与三角形板的边线并不相切,也就难以装接,要相切只有使，见图5.17所示。实际使用中,圆弧槽装接即考虑展开面的宽度与2a基本相符,又考虑与三角形板能顺利装接,故只好采用圆弧过渡来解决,取(5-7)式中:R—U型槽圆弧部分的半径,可根据工艺上需要来取值,亦可按R=(0.1~0.4)a推荐取用；a—空袋高度(立式为宽度)。22RLR3.象鼻成型器象鼻成型器可看作是在Ｕ型成型器的设计基础上,结构方面作了一些修改而形成的,它的安装角α比三角形及Ｕ型成型器都要小得多,它的成型阻力比较小,而制同样的一个袋,成型器结构尺寸倒要大得多。象鼻成型器设计时建议按α＝5°~12°选用三角形板的安装角,并计算三角形顶角2β值,根据所制作空袋袋宽a计算三角形板的高b。按Ｕ形成型器的设计方法找准圆弧槽装接位置L,并取用圆弧部分半径Ｒ=(0.1~0.2)a。象鼻成型器的形成还需加装薄膜护边,以利控制包装材料跑偏,常取护边宽HK=m=10~20mm。见图5.18所示。实际使用中又截去三角形板的GHK部分,减少成型器尺寸,在原三角形板的底边G处设置一薄膜导辊,让包装材料经这一导辊后直接拉上成型器的M—M截面处。在图3.18中右端U型槽处,应截去PQEF部分,其中应使PQ2r、QEm。其中:r—纵封辊回转半径,m—所选定的护边宽度尺寸。最后将U型槽余下部分上口并拢,使U型变成如图5.18右侧视图那样的封闭图形,以利纵封封口,原U型成型器的GHK部分因有薄膜导辊G而可省略被截去。图3.18象鼻成型器作图4.翻领成型器翻领成型器具有内外曲面,薄膜与它相对运动时,可强制薄膜按其内外曲面形状变成。使平张薄膜逐渐卷曲成圆筒状,要求该成型器在拉膜时使薄膜不产生纵向与横向拉伸变形,而且使薄膜与成型器之间的摩擦阻力尽量小,不跑偏、不卡塞,制出外形平整美观,符合尺寸要求的袋。以加料管截面形状不同可分为圆形及方形截面料管的翻领成型器。这里介绍用解析作图法作成型器领口交接曲线的方法,一但有了领口交接曲线,无疑对于成型器的设计制图,薄板放样,成品检验将带来许多有利之处。在本设计计算中假定:包装材料走上成型器被卷曲前先在同一平面内,材料的张紧变形,包装材料的厚度,成型器与加料管之间的间隙均可忽略不计；计算中暂不考虑枕式袋的搭接,对接封口缝的尺寸。图3.19圆形料管翻领成型器计算图图3-20成型器翻领曲面的展开图形(1)圆形料管翻领成型器图5.19是这种成型器的计算图,以圆形料管的轴线oz为轴,取直角坐标oxyz，则料管与xoy平面相交的截交线是以r为半径的一个圆,图中直线AB是包装材料从最后一根导辊引出后与成型器的接触线,ABC构成平面等腰三角形,它与xoy平面的夹角为α,D是AB的中点,故∠ACD=∠BDC=β,ACS与BCS构成两侧的两个对称曲面,SCS为成型器领口交接曲线,S是该曲线的最低点,位于x轴上,C为该曲线的最高点,它在xoy平面上的投影是N点,且在x轴上。为推导计算上的需要,使AC延长至T点,DC延长至T',作T'E平行于ox轴,TT'平行于oy轴,CE平行于oz轴,由此得∠CET'与∠CT'T均为直角,且三角形CT'T与三角形ABC在同一平面上,三角形CET'在xoz平面上,P是领口交接线上任意一点,连PT,令PT=f,CT'=e,P点在xoy平面上的投影为Q点,弧长NQ=u,P点的高即为交接线的函数,C点是的中点,C处的高CD=h。成型器交接线上任一点P的坐标可写出:(3-8)xruryrurzcossin(u)对T的坐标可写成：(5-9)xeryetgzehTTT(cos)()sin因为f=PT即为P与T两点间的距离,所以有将P及T两点的坐标值代入:(5-10)fxxyyzzTTT2222()()()ferruretgrurehu2222(coscos)(sin)[sin()]若将成型器沿SS‘剪开并展成平面,如图5.20所示,由该图看出,PT长可由下式表达:(5-11)fetguheu222()[()]展开前与展形后PT之长不能变,两表达式联立消去f,可谓交接曲线上任意点P的高的方程式:()(sin)(cos)(cos)(sin)uhetgururrerurue11212uuhuru00,();,()()u此式的边界条件为:(5-13)令=0,代入(3-12)式,可得出线段e的长度表达式:(5-14)earhatgr1221222(sin)cos由此可见,设计中若能首先确定料管半径r,翻领三角形ABC的顶角之半β、翻领的后倾角α及成型器领口交接曲线的最大高(5-12)度h,则e值可以求得,再利用式(5.12)算出与每一段弧长U对应的在交接曲线上各点的高度,便不难连出领口交接曲线。参数r、β、α、h的确定必须满足包装工艺上的要求,分述如下。1.圆形料管的半径r设:a为折后的包装空袋宽度,则2a=2πr,所以(5-15)rab.翻领的后角α与三角成型器安装α角一样,α角度大则薄膜通过成型器的成型阻力亦大,但结构尺寸小,包装机总体尺寸就紧凑,α角度小则相反,生产实践中翻领成型器的后倾角α取用范围较大,在0°~60°之间。c.翻领三角形平面的形状尺寸由图3.19中可见,三角形ABC的形状尺寸由三角形底边AB和高CD或顶角∠ACB来决定,底边AB=AD+DB=2a与袋子的尺寸有关,DC是包装材料在三角形平面上的长度,三角形成型器设计中曾假定DC=b,这三角形平面从导辊到成型器最高点C开始翻折成型之前用来引导及承载包装材料的。b的长短反映了引导面的大小,b太短起不了引导与承载薄膜的作用,造成薄膜在交接曲线附近成型阻力过大,易拉伸变形,b太长又导致成型器结构不紧凑,且不一定全能用来承载薄膜,反而因引导面的过大而增加了薄膜与成型器表面间摩擦面长度,设计中建议取b=h。则(5-16)d.领口交接曲线的最大高度h领口交接曲线是一条空间曲线,它的最低点到最高点之间在z轴方向的距离称为最大高度h。对某一既定r、α和β参数的翻领成型器,它的领口交接线最大高度h与线段的长度具有函数关系,参见式(3-14)当e值由0→∞变化时,h则由较大值逐步变小,起初h随e的tgabah由此可见,图5.21上线段e的长短直接关系到交接线最大高度h的大小,当e值取得较大时,h较小,成型器较矮,但使包装材料在成型时变形急剧,成型阻力较大,不利于制袋,当值取得较小时,h较大,成型阻力较小,但成型器较高,结构不紧凑。加料管悬壁越长,受力情况恶化,这给制造及使用都带来困难。变化较大,随后h随e的增加变化越来越小,以至趋向一定值。h与e的关系如图5.21所示。hatgr121cossin图5.21h-e关系曲线由图5.21上可见,e－h关系曲线,当e=2r/cosα时,h的变化已极为缓慢,e值无需取得比还大。所以线段e的取用范围为0e2r/cosα。将式(3-14)代入上式列不等式,得h的表达式:(5-17)为了不使成型器过大,h通常在h2计算值附近取整数。计算时取的点越多,作出的领口交接曲线也就越正确。一般在0~