壓板式水果封箱機(jī)設(shè)計(jì)及有限元分析

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州 121001）

0 引言

水果包裝和運(yùn)輸過(guò)程中使用的紙箱作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分，承擔(dān)著水果容裝、保護(hù)產(chǎn)品、美觀的重要任務(wù)[1-4]。紙箱以其便于裝卸搬運(yùn)、易于折疊平放、堆疊節(jié)省倉(cāng)容等特點(diǎn)受到青睞，并廣泛適用于物流、食品、飲料、書(shū)刊、家用電器、零件加工、化工等行業(yè)，使用量巨大[5-8]。市面上常見(jiàn)的的手柄式封箱器或簡(jiǎn)易封箱器為人工封箱帶來(lái)便利，但是人工封箱存在著效率低、成本高、包裝不嚴(yán)密等缺點(diǎn)[9-11]。

傳統(tǒng)封箱機(jī)中一般情況下壓蓋裝置和封膠裝置是核心的兩個(gè)裝置。壓蓋裝置的作用是壓平紙箱上面的四個(gè)箱蓋，以確保其嚴(yán)密封膠，而封膠裝置的作用是將紙箱上下箱蓋縫隙處粘膠帶，如果壓上蓋裝置不能壓平紙箱上部的箱蓋，在封膠時(shí)會(huì)產(chǎn)生封不嚴(yán)的狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)紙箱封箱的過(guò)程還需重作業(yè)?，F(xiàn)有的封箱機(jī)在封箱蓋機(jī)構(gòu)中僅采用一個(gè)壓板，常常出現(xiàn)紙箱上部壓平三個(gè)蓋子，另一個(gè)蓋子反向彎折的狀況，在封膠裝置中是以紙箱與傳送帶的摩擦力作為動(dòng)力，使膠帶被切刀切斷，但是箱體重量影響切斷膠帶的長(zhǎng)度，封膠連貫性被破壞。

本文提出一種新型的封箱機(jī)，根據(jù)工作特點(diǎn)定義為壓板式棘輪膠帶封箱機(jī)，在這種封箱機(jī)中，采用“三桿一板”式封蓋裝置壓平箱體上部箱蓋，封膠裝置采用棘輪與彈簧相搭配，連貫有效實(shí)現(xiàn)箱體封膠。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

該裝置機(jī)械部分由機(jī)架、折疊校中裝置、壓上蓋裝置、折下蓋裝置、運(yùn)輸裝置、封膠裝置組成，壓板式棘輪膠帶封箱機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了紙箱包裝的折疊、運(yùn)輸、封箱、封膠的全自動(dòng)過(guò)程，整體裝置實(shí)物圖如圖1。

1.2 工作原理

本設(shè)計(jì)在于設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)包裝封箱的一體機(jī)。主要是通過(guò)紙箱折疊板及膠帶封箱器的工作，將紙箱折疊完好并且將膠帶沾到封好紙箱上面，達(dá)到自動(dòng)一體包裝封箱的目的，使其更能高效快捷。此外，本設(shè)計(jì)采用立式傳輸帶在兩側(cè)提供動(dòng)力，節(jié)省空間的同時(shí)巧妙地解決了箱子上下口不能同時(shí)封裝的難題，其工作過(guò)程如圖2所示。

封箱裝置中的折疊校中裝置的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的紙箱進(jìn)行立口及校中，圖1中水平向左為紙箱運(yùn)行方向，其中主折箱板通過(guò)電機(jī)的控制在導(dǎo)軌上縱向（左）運(yùn)動(dòng)，副折箱板通過(guò)齒輪齒條的嚙合，在導(dǎo)軌上橫向運(yùn)動(dòng)，折疊式紙箱在這兩個(gè)擋板的共同擠壓下，完成紙箱折疊立口過(guò)程，實(shí)現(xiàn)首次粗略校中，而后在光電感應(yīng)下，電機(jī)聯(lián)軸器帶動(dòng)雙向絲杠，調(diào)節(jié)紙箱的橫向位置，使紙箱恰好位于運(yùn)輸架傳送帶的中軸線上，得以完全實(shí)現(xiàn)校中。

壓上蓋裝置如圖3所示，當(dāng)紙箱完成校中后，擋板氣缸推動(dòng)整個(gè)紙箱至傳送帶，然后打桿氣缸迅速驅(qū)動(dòng)折箱打桿，將紙箱上部的后蓋壓平，完成壓箱蓋的第一步；然后由傳送帶帶動(dòng)立口紙箱向前運(yùn)動(dòng)，壓上蓋裝置中兩個(gè)壓桿使紙箱上部左右箱蓋向內(nèi)彎曲，中折箱壓板將紙箱上部所有箱蓋壓平，完成壓上蓋的第二步；在傳送帶下端有倒V型擋板，當(dāng)紙箱經(jīng)過(guò)擋板即可完成下箱蓋的封箱過(guò)程。

封膠裝置主要由棘輪封膠器構(gòu)成，利用棘輪原理，單向步進(jìn)，紙箱推動(dòng)上下兩個(gè)封膠器前、后輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，紙箱經(jīng)過(guò)后，封膠器前輪和封膠器后輪由彈簧和連桿帶動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位，切刀也隨即切斷膠帶，如圖4所示。

當(dāng)主動(dòng)擺桿逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)棘爪便插入棘輪的齒槽中，推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。此時(shí)，止動(dòng)爪在棘輪的齒背上滑動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)件搖桿順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，止動(dòng)爪阻止棘輪沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過(guò)，故棘輪靜止不動(dòng)，搖桿作連續(xù)的往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪便作單向的間歇運(yùn)動(dòng)，具體棘輪結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。膠帶封箱器的核心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理圖如圖6所示。

2 關(guān)鍵件有限元分析

壓上蓋裝置需要左右折箱壓桿向內(nèi)壓彎紙箱外搖蓋，中折箱壓板壓平紙箱箱蓋，使紙箱箱蓋無(wú)法張開(kāi)，最終在封膠時(shí)足以使紙箱箱蓋完整地封膠。但是在實(shí)際工作狀態(tài)中，中折箱壓板受力狀態(tài)不夠理想，使用中易發(fā)生明顯形變，對(duì)達(dá)成封箱的目的造成影響，故對(duì)中折箱壓桿進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)分析[12-13]。封上蓋過(guò)程中，中折箱壓板形變程度較大，對(duì)其厚度進(jìn)行調(diào)整，載荷位置位于最遠(yuǎn)離中折箱壓板的兩個(gè)平面上，力的作用位置在中折箱壓板的下凹部分和連接板下表面處，機(jī)身經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，中折箱壓板對(duì)紙箱的壓力在12 N左右。

原有中折箱壓板厚度為2 mm，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行靜力學(xué)受力分析，其中綠色箭頭和藍(lán)色箭頭分別表示為夾具和載荷，發(fā)現(xiàn)板材安全系數(shù)較低，根部發(fā)生了變形，如圖7所示，設(shè)置安全系數(shù)為2.5，小于和大于安全系數(shù)的表示顏色分別為藍(lán)色和紅色。

通過(guò)設(shè)置參數(shù)對(duì)折箱壓桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖8所示，從安全系數(shù)的分析結(jié)果中得出折箱壓板在壓上蓋裝置中受力變形較大，故對(duì)其厚度進(jìn)行調(diào)整，由原來(lái)的2 mm加厚為8 mm，以便增加其強(qiáng)度和硬度，改善根部形變過(guò)大的狀態(tài)，并對(duì)改良后的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析[14]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基本假設(shè)

（1）中折箱壓板各個(gè)部分材料相同，材料屬性相同。

（2）材料具備塑形，中折箱壓板的厚度-形變程度曲線取直線對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

（3）為了分析簡(jiǎn)便，對(duì)所需要求分析的兩個(gè)平面取靜載荷的分析。

（4）材料屬性不受到溫度，濕度等因素干擾。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在有限元分析中（改進(jìn)方案的正確性的取決因素最為重要的就是計(jì)算結(jié)果分析），然后才能根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化尺寸。采用Solidworks中SimulationXpress插件，分析設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)為：中折箱板的材料為7075鋁合金，泊松比0.33，彈性模量71 GPa，應(yīng)力強(qiáng)度572 MPa，紙箱發(fā)生變形10 mm，就會(huì)造成包裝質(zhì)量和運(yùn)輸?shù)挠绊?。根?jù)材料參數(shù)，描繪在12N壓力下機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中折箱壓板的材料厚度與形變程度曲線，結(jié)果見(jiàn)圖9所示。

由圖9可知在隨著中折箱壓板的厚度增加，形變程度大幅減弱，當(dāng)壓板厚度為8 mm時(shí)形變僅為2.403 mm，這時(shí)壓板受到的壓應(yīng)力大小為45.2 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力505 MPa，此時(shí)紙箱發(fā)生的變形也很小，根據(jù)實(shí)際測(cè)量只有1 mm左右，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)參數(shù)10 mm的限制，所以不會(huì)對(duì)封箱質(zhì)量造成包裝和運(yùn)輸影響，可以投入使用。

4 結(jié)論

（1）棘輪的巧妙運(yùn)用，使切刀既可以割斷膠帶達(dá)到封箱的目的，又可以復(fù)位封膠器，封膠過(guò)程變得連貫，提高封箱效率。

（2）壓板式棘輪膠帶封箱機(jī)在封箱時(shí)，最大應(yīng)力符合屈服力的要求，即在封箱時(shí)壓板不會(huì)明顯形變，強(qiáng)度符合要求，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

（3）利用 Solidworks SimulationXpress 對(duì)部分結(jié)構(gòu)分析，但在載荷力的大小選取對(duì)中折箱壓板形變影響大，應(yīng)合理選取中折箱壓板厚度。

壓板式棘輪膠帶封箱機(jī)解決了對(duì)大小不一的箱子封箱的問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)為箱子粘貼膠帶的基礎(chǔ)上增加對(duì)紙箱的校中、折蓋等新功能。市場(chǎng)對(duì)紙箱包裝封箱需求大，現(xiàn)有的包裝機(jī)構(gòu)已不能滿足廣大商家的要求，因此自動(dòng)包裝一體機(jī)的出現(xiàn)已成為必然趨勢(shì)，本裝置體積小，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能給廣大企業(yè)帶來(lái)便利，據(jù)實(shí)際效果看，折箱封膠效率高，可見(jiàn)具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。