机电工程学院
毕业设计说明书设计题目:JFD-1型挂面封头机改进设计
学生姓名：黄永恒
学号： 201115210109
专业班级：包装1101班
指导教师：徐雪萌
2015 年 5 月20 日
目 次
前言 (1)
1.设计方案说明 (2)
1.1任务内容和要求 (2)
1.2任务书分析 (2)
1.3挂面封尾机现状及未来趋势 (2)
2.整体设计方案 (3)
2.1 现存问题分析 (3)
2.2改进方案论证 (5)
2.3方案确定 (6)
2.4 整机及改进原理 (6)
2.4.1 折纸机构 (6)
2.4.2 传动装置 (7)
3.滚子链传动的设计计算 (8)
3.1 电机的选择 (8)
3.2 已知条件和需计算内容 (9)
3.3 设计步骤和方法 (9)
3.3.1 确定链轮齿数和传动比 (9)
3.3.2 计算当量的单排链计算功率ca P (9)
3.3.3 确定链条型号和节距p (9)
3.3.4 确定链节数和链轮中心距 (10)
3.3.5 确定链速，选择润滑方式 .................................. 10 3.3.6 链传动作用在轴上的压轴力p F (10)
4. 齿轮校核计算 (11)
4.1 确定齿轮的类型、精度等级、齿数等 (11)
4.2 齿面接触疲劳强度设计 (11)
4.2.1 初步计算齿轮的分度圆直径 (11)
4.2.2 修正齿轮的分度圆直径 (12)
4.3 几何尺寸计算 (13)
5. 毕业设计总结 (13)
致谢 (15)
参考文献 (16)
前言
毕业设计是本科院校教育计划中大学生达到培养目标的一个非常重要的关键所在。
它的意义在于，经过学生对所选课题的一系列社会实践，翻阅相关资料，编写论文材料等等，全方位的培养一个大学生的独立学习和分析解决问题的能力，还包含团队合作和动手创新能力。
除此之外，毕业设计对一个大学生的思想品德和学习态度也有重要影响。
毕业设计内容繁多，时间跨度大，问题不断，没有良好的学习态度，坚毅的信心是不会做出优秀的毕业作品的。
对于学校而言，毕业设计也是一个重要的衡量学校办学水平教学质量的内容，而且也关系到学生四年来的学习情况，最终决定学生是否有资格从学校毕业。
在本院的包装工程专业教学计划中，毕业设计的目的在于
1.培养学生综合运用四年所学的能力，将之前掌握的内容融会贯通，处理一般性的问题。
2.通过毕业设计，培养和提升学生的绘图、包装结构分析、查阅外文资料并翻译的能力。
3.通过毕业设计，使学生对包装结构包装机械的设计内容，设计原则，设计过程有一个深刻的认知，并能够熟悉相关的准则规范及相关手册和工具书，为此后走上工作岗位打下基础。
4.培养学生的动手创新能力，培养学生脚踏实地，认真学习，坚持不懈的工作学习态度。
1. 设计方案说明
1.1任务内容和要求
JFD-1型挂面封头机是利用气缸、PLC控制系统、连杆机构、轮齿链条机构以及V型槽等组成的自动封尾系统。
主要设计内容为研究挂面自动封头机整机的工作原理及JFD-1型挂面封头机改进设计。
设计要求为全自动，高效，安全，出错率低并能适应不同挂面规格。
1.2任务书分析
此次设计为JFD-1型挂面封头机改进形设计，在原有基础上对传输系统和夹紧装置进行改进，以达到更高的生产效率，降低出错率，实现快速高效生产。
挂面封头机与挂面裹包机相连，实现挂面的自动封尾包装。
散装的挂面经过称重分堆，由捆扎机捆成圆柱状，再由裹包机包装，最后由封头机封合，完成挂面的自动包装。
现有的封头机采用的是V型槽固定挂面，上面有一条细长的金属压紧片共同完成对挂面的固定。
但是现有装置并不能很好的完成自动封尾任务，出错率较高，很难适应高速生产。
改进型设计就是要解决这些问题，让可靠性大大提高。
1.3挂面封尾机现状及未来趋势
我国地处北温带，幅员辽阔，南北跨度大，形成了不同的饮食风格，南方以大米为主食，而北方，面食一直是传统的主食。
挂面制作简单，吃起来风味独特，是很受我国北方喜爱的主食，同时我国也是世界上最大的挂面生产国和消费国。
所以，挂面生产加工以及包装销售，有着广阔而远大的前景的。
然而多年以来，人们大多觉得挂面生产技术含量低，附加值低，因而在制面行业一直不受关注。
近年来由于人们的生活水平有了很大提升，挂面制造行业迅速发展，挂面产品的种类也逐渐丰富，市场潜力巨大。
且挂面生产投资门槛低，回报快，利润高，因而愈来愈受到面制品行业的正视。
目前挂面的包装主要有两种，一是塑料薄膜包装，二是纸包装。
随着国家倡导绿色环保，节能减排，绿色包装也就成为挂面包装的一项重要标准，随之纸包装逐渐成为主流包装。
相对与挂面生产技术的不断完善，我国的挂面包装封尾技术却一直没有得到实质性的进步，根据市场调查，目前国内的大部分挂面生产厂家采用的依然是手工包装封尾，自动化程度很低，已经很难适应高速高效的挂面生产设备。
这些问题与中国挂面制造业的状况是有联系的。
根据2012年发布的市场调查指出，我国的挂面生产行业主要有以下几个不足：
1.产业的集中度较低，南北发展不均衡；
2.企业的创新能力不足，主要设备是靠进口或模仿；
3.挂面生产企业规模小，市场缺少能够起领导作用的品牌；
现在我国的挂面生产行业处在一个重要的发展转折时期，产业结构也在逐步的调整完善中，未来的发展方向，可以朝着以下几个方向努力。
1.挂面更加营养安全。
将粗粮广泛的应用到挂面的生产加工中，丰富挂面的产品种类和营养成分。
2.使用更加方便快捷。
挂面的使用要迎合当前快节奏的生活，在不同时候不同地方都能快捷方便的食用。
3.塑造强势品牌。
品牌的推广，可以很好的促进人们对挂面的认知及认同，对企业的经济效益有着很大的影响。
4.最大限度节约成本。
减少资源浪费，节约成本，是对挂面产业的一个非常重要的要求，这也要求在生产设备，制造技术，物流等方面要有更大的提高。
2.整体设计方案
2.1 现存问题分析
现有JFD-1型挂面封头机采用单发动机驱动，发动机驱动链轮，链条之上固定有一对V型槽（如图2-1所示），上一单元裹包完成的挂面由V型槽固定位置，上压一金属条来紧固，经过四边折纸封合，从而完成封尾任务。
图2-1 V型槽示意图
现有问题为：
1.端口变形。
挂面是很松散的，虽然经过了裹包，依然比较容易变形。
在V型槽固定时，由于自身重量，以及V型槽形状，挂面的两端形状根本不可能是比较规整的圆形，这就为封尾带来了很大困难，如图2-2所示。
封尾折纸原理，正是把端口当规整的圆形处理才得以实现，非圆形就可能会出现失误，包装不完整，形状不美观，封尾失败等问题。
图2-2 端口变形示意图
2.压紧力不足。
V型槽材质为不锈钢，表面光滑，挂面放置于V型槽之后，靠一个条形的金属条压紧，保证在运动作业时不发生打转情况。
但是，挂面外包装为
纸质材料，与金属间的摩擦系数很低；压紧条靠之上的弹簧紧缩的伸张力来压紧挂面。
弹簧时间久了会产生疲劳，压紧力不够，挂面在V型槽中运动时，很容易因折纸的力产生打滑转圈，直接导致封尾失败。
在研究过程中发现，用手轻轻压紧挂面时，失误率是有所下降的，也证实了压力对封尾来说是一个很重要的元素。
2.2改进方案论证
针对以上存在的问题，然后通过查阅资料，网上搜索等途径，以及同老师同学讨论，提出了几个改进方案设计。
方案一：加大挂面与V型槽的摩擦系数。
在V型槽与挂面接触的部分贴上砂纸，以增大摩擦系数，这样挂面在运动过程中就很难转动，不需要很大的压紧力即可实现可靠的固定。
此方法简单轻便，且易于实现，也不需要很大成本。
但是，挂面裹包完之后，落入V型槽的位置并非是最终工作的位置，需要在挡板的推动下往前移动，完成前后方向的固定。
贴上砂纸后，摩擦力显著增大，亦会使推动需要的力大大增加，这会磨损挂面的外包装。
且不停的移动也会严重磨损砂纸，需要不停更换，这样就降低了工作效率。
方案二：压紧带与挂面同步运动。
把之前压紧用的金属条去掉，以一个可以与传动齿轮链条同步转动的平带带轮替代，如图2-3所示。
这样，原有的挂面与金属条的动摩擦转变为静摩擦，在运动过程中，压紧效果较之以前有所提高。
平带与
图2-3 方案二示意图
传送带同由一个电动机驱动，经转向齿轮实现同步运动，保证挂面与压紧带时刻处于相对静止状态，这样就能够很好的起到压紧的效果，防止挂面转动。
方案三：改变V型槽形状为圆形槽，采用上下夹紧方法。
针对挂面在V型槽内变形问题，改进时就设计了一种凹型圆槽，这样挂面放置时，不会因为自身重量而变形，再加上在上面倒置的圆槽，能很好的保证端口基本保持为圆形，如图2-4所示。
图2-4 圆形槽示意图
下面的圆槽依然固定在传动链上，上边的圆槽则固定在类似方案二的同步链条上，与传动链同由一个电动机驱动，实现同步运动，保证在挂面进入夹紧圆槽时不会产生错位导致出错。
此方案不仅能保证挂面端口不变形，而且上下压紧，挂面基本不会转动，两个问题都得到了解决。
2.3方案确定
经过比较，最终采用的方案是方案三。
此方案较为理想的解决现有设备存在的两大问题，也比较容易实现，加工起来没有难度。
由于挂面有不同规格，直径不一，还需要设计不同的圆槽与之对应，在实际批量生产时更换也是比较方便的。
挂面裹包之后落入圆槽内，经过弧形挡板往前推移，在开始折纸之前到达预定位置，此时上面的圆槽也正好到达，与下面的圆槽配合夹紧挂面，之后开始预定折纸动作。
完成封尾后，上面的圆槽脱离，挂面落入盛放的纸箱或筐等。
2.4 整机及改进原理
改进过后的挂面封头机主要有两个主要部分组成，一是折纸机构，二是传动装置。
下面一一说明其工作原理。
2.4.1 折纸机构
挂面尾部的封合包装共分为五个步骤，先是上折、左折、右折三个方向的折叠，然后涂胶，最后下折，完成封尾动作。
整个机构由下底板做支撑，下底板固定在机架上（如图2-5所示）。
图2-5 折纸机构三维模型
其中，左折由左边的两个气缸推动折板运动完成，完成一次动作后返回，等下一包挂面到时，再推动向前完成左折，如此重复运动。
右折部分由最前面的固定折纸板完成，在完成上折和左折后，在运动机构的推动下，通过固定折纸板，自动完成右折动作。
三面折纸完成后，挂面通过感应器，控制系统收到信息后，发出指令，胶枪在气缸的推动下向上运动，完成涂胶动作。
最后是下折，挂面到达前，下折滚轮向上运动，在挂面到达时，滚轮向下，完成下折，挂面在链条推动下继续向前，直至脱离固定圆槽。
2.4.2 传动装置
改进后的运动传递机构如图2-6所示。
整个系统由一个电机驱动，从电机伸出一根轴，装有一个小链轮，由小链轮带动主轴旋转。
主轴上装有一对主运动链轮，与末端的从动链轮连接，是带动挂面向前的主运动机构，在链条上固定有圆形槽装置，用来放置挂面。
主轴外侧固定有一对参数相同的齿轮，实现运动方向的转向及同步传动。
再经过一对小链轮，运动传递至上部压紧固定装置（如图2-7所示），固定装置中的链轮与主链轮规格相同。
由此，实现了同一电机驱动，上下链轮同步同向运动。
图2-6 传动装置模型示意图
图2-7 传动装置局部示意图
3.滚子链传动的设计计算
（注：如无特别说明，以下所查阅的公式图表均来自西北工业大学机械原理及机械零件教研室编第九版《机械设计》）
3.1 电机的选择
挂面封头机转速低，载荷较小，且在运动过程中会有间歇停顿，所以选用交流伺服电机。
额定功率0.4kW，额定转速1000r/min，额定力矩3.82Nm。
根据设定的参数，挂面封头机工作效率为12包/分，即每5秒有一包挂面完成封尾，或者说，
每五秒前进一个工位。
由于在每个工位有停顿时间，约为3秒，则有2秒时间从一个工位运动到另一个工位。
由选定的链轮参数和工位间距离知道，每前进一个工位，主链轮大约转动一周，由此，主链轮的转速为12r/24s ，换算后为30r/min 。
3.2 已知条件和需计算内容
设计链传动的已知条件包括：链传动的工作条件为平稳传动，无剧烈冲击和震动，传动速度低，传递功率小，工作环境为正常室温；所要传递的功率P=250W ；主动链轮转速m in /301r n =；传动比i=1.67。
计算内容包含:选择链条型号、链节数p
L ，链轮齿数1z 、2z 和链轮的材料、中心距a 、
压轴力
p
F 、润滑方式等。
3.3 设计步骤和方法
3.3.1 确定链轮齿数和传动比
假设主动轮链齿数为201=z ，传动比
2
1z z i =，
则从动链轮齿数
97.1167.12012===
i z z ，圆整，122=z 。
3.3.2 计算当量的单排链计算功率ca P
由链传动的工作状况、主链轮齿数以及链条排数，把链传动传递的功率修正为当量的单排链计算功率 P K K K P p
z
A ca =
由表9-6，工况系数0.1=A K ;
由图9-13，主动链轮齿轮系数28.1=z K ； 双排链时，
75
.1=p K 。
则当量的单排链计算功率
kW P ca 183.025.075.128
.10.1=⨯⨯=
3.3.3 确定链条型号和节距p
查表9-1，通过上面计算的当量的单排链计算功率ca P 、单排链额定功率c P 和主链轮转速1n ，
确定链条节距p=12.7，链号为08A 。
3.3.4 确定链节数和链轮中心距
因为链条上装有张紧装置，所以初步假设中心距p a )140~80(0=，取
mm p a 15247.121201200=⨯== 链节数
25615247.1221220212207.12152422222
02
212100
=⨯
⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=ππa p z z z z p a L p
为了避免存在过渡链节，使链节数与链轮齿数互质，取链节数257
=p L
则最大中心距为
()
[
]211max 2z z L p f a p +-=
查表9-7可得，中心距计算系数25484.01=f
则，mm a 0.1560)]1220(2572[7.1225484.0max =+-⨯⨯⨯= 3.3.5 确定链速，选择润滑方式 由公式9-1，链平均速度
s
m p n z v /127.01000607
.12302010006011=⨯⨯⨯=⨯=
由链速，查表9-14，确定润滑方式为定期人工润滑。
3.3.6 链传动作用在轴上的压轴力p
F
压轴力
p
F 可近似取为
e
Fp p F K F ≈
e F 为有效圆周力，N v P F e 5.1958127.025
.010001000
=⨯==
水平传动15
.1=Fp K
则压轴力
N
F p 775.22635.196815.1=⨯=
4. 齿轮校核计算
根据确定的方案，此对齿轮由两个参数相同的齿轮组成，分为齿轮1和齿轮2，齿数比i=1，输入功率150W ，齿轮转速m in /3021r n n ==，由电动机通过链轮驱动，预计运转寿命10年（假定每年运转300天），每天工作10小时。
4.1 确定齿轮的类型、精度等级、齿数等
（1）按确定的方案，选用直齿圆柱形齿轮，压力角为20°。
（2）挂面封尾机为一般工作机器，工作状况平稳，由表10-6，精度取7级精度。
（3）查表10-1，选择齿轮的材料为45号钢（调质），齿面硬度240HBS 。
（4）选取齿轮齿数为2821==z z 。
4.2 齿面接触疲劳强度设计
4.2.1 初步计算齿轮的分度圆直径 根据公式10-11
[]32
1112⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⋅+⋅≥H E H d Ht t Z Z Z i i T K d σφε
(1) 确定公式中参数值
①试选3.1=Ht K ；
②计算齿轮2所传递的转矩
mm N n P T ⋅⨯=⨯⨯=⨯=4616
10775.430
15.01055.91055.9
③查表10-7，取齿宽系数1=d φ； ④查图10-20，取区域系数5.2=H Z ;
⑤由表10-5，选择材料的弹性影响系数为2
/18.189MPa Z E =；
⑥由公式10-9，确定接触疲劳强度用重合系数εZ 。
()[]()[]︒=⨯+︒⨯=+==*
712.281228/20cos 28arccos 2/cos arccos 1121a
a a h z z ααα
()()[]πααααεα2/tan tan tan tan 2211'-+'-=a a z z
()()[]638.12/20tan 712.28tan 2820tan 712.28tan 28=︒-︒⨯+︒-︒⨯=π
887.03638
.143
4=-=-=
α
εεZ
⑦确定接触疲劳许用应力
根据图10-25d ，取齿轮1和齿轮2的接触疲劳极限为MPa H 600lim =σ 由式10-15，得应力循环次数为
()7
121104.510300101306060⨯=⨯⨯⨯⨯⨯===h jL n N N
由图10-23，选择接触疲劳寿命系数98.021==HN HN K K ， 取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-14得
[][]MPa MPa S K H HN H H 5881600
98.0lim
121=⨯=
==σσσ
即，该齿轮副的解除疲劳许用应力为588MPa 。
（2） 预计算齿轮的分度圆直径
[]32
1112⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⋅+⋅≥H E H d Ht t Z Z Z i i T K d σφε
mm
3
2
4588887.08.1895.2111110775.43.12⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=
mm 294.50= 4.2.2 修正齿轮的分度圆直径 （1）确定实际载荷系数前的准备 ①圆周速度v
s
m n d v t /079.01000
6030
294.501000
601
1=⨯⨯⨯=
⨯=
ππ
②齿宽b
mm mm d b t d 294.50294.5011=⨯==φ （2）计算实际载荷系数H K ①根据表10-2，得使用系数1=A K ；
②根据v=0.079m/s ，7级精度，由图10-8，取动载系数01.1=v K ；
③齿轮的圆周力 N
N d T F t t 341110899.1294.5010775.42/2⨯=÷⨯⨯==
mm
N mm N mm N b F K t A /100/8.37/294.5010899.11/31<=÷⨯⨯=
根据表10-3，取齿间载荷分配系数2.1=αH K
④由表10-4，齿轮相对支撑不对称分布，7级精度，可查齿向载荷分布系数
420
.1=βH K
则，实际载荷系数
721
.1420.12.101.11=⨯⨯⨯==βαH H v A H K K K K K
（3）由公式10-12，实际载荷系数，可得齿轮分度圆直径
mm K K d d Ht H t 224.553
.1721
.1294.5033
11=⨯==
对应的，齿轮模数
mm z d m 145.2/11==
按照国标规范，将模数取整，选择模数标准值m=2.5。
4.3 几何尺寸计算
（1）计算分度圆直径
mm mm mz d d 70285.2121=⨯=== （2）计算中心距
()()mm mm d d a 702/70702/21=+=+=
5. 毕业设计总结
历时大约两个月的毕业设计终于告一段落，自己也有一种如释重负的感觉，回望这几十天的过程，当真是受益匪浅。
最大的感受是自己对四年来所学知识的综合运用，此次毕业设计，涉及到了曾
经所学的工程制图、机械原理、机械设计、工程材料、包装机械等等学科。
可能有的知识点自己因为不经常用早已忘记，但是现在也要回头再温习一遍，多看一遍，就多一点理解。
也有很多是自己以往学习并不曾接触到的内容，通过查阅资料，翻看相关手册，还是可以有一定的了解的，足可以应对毕业设计所需，这也算是对自己能力的一种提升。
其次是对三维软件的应用能力。
毕业设计的一开始，自己并不是直接开始画二维图的。
而是在老师的要求下，对整台机器进行测绘，建立它的三维模型。
这是一个很费心费力的过程，要一个一个零件的测量下去，而且还要求不能有太大误差，在把所有零件三维模型绘制完成后，再组装到一起，然后才开始二维图的绘制。
这样虽然显得有些麻烦，但是在测绘过程中，自己对整台机器的结构组成以及工作原理有了一个非常清晰深刻的理解，对画工程图的帮助还是很大的。
与此同时，对Pro/E 这款三维设计软件的使用也有了非常大的提升，相信这在以后的工作中也会帮助到自己。
通过这次毕业设计，自己深刻的认识到认真、专注、坚持的重要性。
有的机器零件尺寸非常小，测量时稍有大意就会产生很大的误差，导致装配失败。
而且毕业设计工作量大，有很多繁琐的内容，如果不能静下心来认真对待，耽误完成进度不说，还可能会产生错误。
致谢
在这里，首先要感谢自己的指导老师张永宇老师和徐雪萌老师。
在自己的设计遇到障碍时，他们为我提出方案，在自己出现错误时，他们悉心指正，并不断的鼓励自己努力加油，相信我可以做的更好，非常感谢这些天来他们的指导和陪伴。
然后谢谢我可爱的同组同学们，每天一起起床，测量，画图，是他们让自己的毕业设计生活并不那么枯燥，也给出很多很棒的建议，谢谢你们。
再次，谢谢家人对自己的理解和生活上的支持，我爱你们。
最后，感谢河南工业大学四年来的教育和培养。
参考资料
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