0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會的快速發展，人們對包裝機的性能要求也越來越高。在很多領域內， 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特性，從而能夠改善包裝機的性能。 目前，國內外對包裝機的結構分析已作了很多研究， 而對包裝

機的傳動係統的分析還不是很多。

為了提高包裝機的使用效率， 有效避免包裝機的共振現象， 對包裝機的傳動係統的機身進行了係統性的有限元模態分析， 從而得出了包裝機的機身的固有頻率和振型的相關的數據， 並將模態分析得出的數據與實驗獲得的數據進行比較，最終確定了該包裝機的固有頻率和振型。 由於采取凸輪分配軸的機械控製方式， 在包裝機高速運行時， 會產生嚴重的衝擊、 振動和機身抖動的現象，從而引起較大的噪聲，這些不良的現象都會致使計量的數值超過其所允許的誤差範圍， 從而會出現不能滿足使用要求和不合格的包裝好的成品以及空包現象嚴重等問題，大大降低包裝的精度。

本文在相關研究的基礎上， 運用靜力學分析方法， 對其傳動係統的分配軸進行更精確的工程分析，從而有利於掌握傳動係統的運動規律，找出係統存在的問題，加以改進，完成優化設計，提高包裝機的可靠性和穩定性，延長使用壽命。

1 包裝機的傳動係統的簡介

 顆粒包裝機的傳動係統結構主要由主電機、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

包裝機傳動係統的主要工作原理： 由主電機提供動力源，其轉子軸與 V 帶相連，並驅動減速器，從而驅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以及給光電補償、計數提供同步信號。

2 包裝機的傳動係統結構的模態分析

在機械係統動力學分析中， 模態分析是其研究的基礎內容， 通過確定機械係統的固有頻率和振型，優化包裝機運動係統的局部結構，使包裝機在工作過程中避免發生共振。以下是用 ANSYS Workbench 模塊對包裝機的傳動係統的模態分析，經過分析可以得到包裝機傳動係統的前 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構模態耦合， 則該包裝機會產生共振 ［ 1-3 ］ 。 包裝機出現抖動情況，不僅影響包裝精度，而且還會對外界產生噪音影響，縮短使用壽命，更嚴重的會造成包裝機局部破壞等。當包裝機在工作過程中旋轉頻率與固有頻率相等或者相近時，該包裝機處於共振狀態，隔振係統受到幹擾後會快速越過共振區域， 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

振動設計中常碰到係統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，測試結構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係統的固有頻率， 本次實驗方法是首先將包裝機的傳動係統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， 然後利用振動分析軟件對該測試點的加速度信號進行傅裏葉轉換得到頻譜圖， 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速度在啟動、工作、停止過程中達到或者接近固有頻率產生的共振。
為了能夠更直觀地比較固有頻率的實驗結果數值和分析計算的數值， 將實驗測量結果和分析計算值列表。
 

通過表 2 的對比結果可知， 包裝機的固有頻率的分析計算結果與實驗測量結果之間的誤差最大為 6.4% ，在有效誤差範圍之內。 這進一步驗證了包裝機的固有頻率的分析計算結果的正確性，有利於改善包裝機的性能， 為以後分析包裝機的動力學特性奠定了基礎，對減振、隔振分析提供了可靠的實驗數據， 並為設計包裝機時避免出現振動問題提供了有力參考。
 

4 包裝機的傳動係統中的分配軸的分析

分配軸是包裝機傳動係統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係統， 而包裝機傳動係統又是包裝機的核心部分，它會影響到包裝質量和包裝效率。 因此，對包裝機傳動係統中的分配軸作相應的靜力學分析是很有必要的。

用 ANSYS Workbench 模塊對傳動係統的分配軸進行靜力學分析 。分配軸劃分網格節點為 5 256 ，單元數為 2 613 ，由圖可以看出最大應力為 368.6 MPa, 超過了所規定的許用應力，不符合實際使用要求，因此需要對分配軸進行優化。

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， 本設計中為了減小軸所承受的彎矩，傳動件靠近軸承，並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 ］ ；改進軸上零件的結構以減小軸的載荷； 改進軸的結構以減少應力集中的影響； 最後可以改進軸的表麵質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，限製軸 X ， Y 方向移動，對其進行靜力分析，得到的分析結果如圖 4 所示。 分配軸優化後的最大應力為228.02 MPa ，其數值在規定的許用應力範圍內，故優化後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係統性能。

5 結語

（ 1 ）運用有限元分析軟件對包裝機的傳動係統的機身進行模態分析， 從而獲得結構的固有頻率和振型， 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。 在設計包裝機的傳動係統時， 要避免包裝機在工作時所產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， 有利於提高包裝機的整體性能。 同時，通過分析，也有助於選取合適的隔振方法， 從而可以減輕包裝機傳動係統中的分配軸旋轉時所產生的振動。

（ 2 ）利用相應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係統做相應的頻譜測試實驗，從而最終得到正確的固有頻率值，並將其與分析計算得到的值進行比較， 發現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值的準確性， 可以有效避免設計包裝機時的振動問題。

（ 3 ）對包裝機結構進行測試的實驗數據有助於對其結構動力學特性進行分析計算與評估，保證了數值分析的可靠性。

（ 4 ）對包裝機傳動係統中的分配軸進行靜力學分析，從而得到其應力、應變和總變形的情況，並根據應力的大小對分配軸進行了優化， 進而能夠提高包裝機傳動係統的性能。

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