机电技术教育 胡升华
指导老师 易克传
摘要：纸筒是食品、种子、纺织和轻工等行业普遍使用的一种管状包装材料，传统的纸管加工一般采用手工加工，费力费时，不能满足现代化生产的需求。本设计在传统的纸管卷管机的基础上，通过对卷管原理和运动机构的分析，对卷管机的总体结构和方案进行了论证，着重对动力传动装置、进纸机构、卷管机构等部分进行了设计，并完成了总装配图的绘制。为纸罐加工和现代化生产提供理论依据。 关键词：纸筒；卷管机；结构；设计
前言
随着社会的发展和人们生活质量的提高，人们对美的追求和对环保意识的加强，各行业对商品包装要求也越来越高，纸罐包装因其独特可变的外形和环保优势成为包装行业的首选。
纸管产品可广泛用于纺织、印染、五金、塑料造纸、医药、食品、饮料等行业的包装[1、2]。用于纸罐包装的纸管产品的加工工序主要有卷管、切管和封盖等，其中卷管是首道也是最重要的一道工序，它主要将纸条进行卷制成形，形成纸管。
传统的卷管机多为手工或半自动卷管，耗费大量的人力物力，生产效率不高。目前，许多厂家在从事纸管卷管机的研究，有些产品已上市，但是在文献资料中很少介绍其设计和加工工艺的。本设计以传统的卷管机为依据，对其整体结构、传动机构、卷纸机构和芯轴等进行设计。这次设计也是对自已的科研能力和综合知识能力进行一次锻炼。
1 卷管机的基本结构和工作原理
纸管是食品、种子、纺织和轻工等行业普遍使用的一种包装材料。而纸管卷管机是专业生产纸管的机械设备，因卷管机加工效率高，卷管质量好被广泛应用在以上相关行业。纸管卷管机主要由机架、动力机构、上纸机构、卷纸机构和控制机构等部分组成[3、4]。其基本的工作原理见图1电解离子接地棒所示。
图1 纸管卷管机工作原理简图
滚筒为主动部件，一般有两个，分别布置在芯轴的两侧；两侧滚筒通过皮带连接，而皮带在芯轴上作交叉缠绕。电动机的动力经过减速后带动一侧滚筒转动，该滚筒通过皮带带动另一侧的滚筒转动，同时通过皮带带动套筒上的纸带作旋转运动。在此过程中，当纸带送入运动的皮带和套筒之间，在皮带的摩擦力之下将纸带紧紧的按螺旋规律旋紧在转动的套筒上。套筒在皮带带动下继续转动，从而将卷好的纸管顺利的送出，如图所示。图中的纸带在上一道工序（浸胶）中已单面或双面浸胶，被卷制后形成紧密的纸管。卷出的纸管厚度主要取决于单条纸带的厚度和纸带的层数，纸管的内径取决于套筒的外径，而纸管的致密度则决定于两滚筒的中心的连线与芯轴之间的夹角。 2 卷管机的总体方案设计
纸管卷管机按其滚筒（机头）的数量来分类，主要有两机头纸管卷管机、三机头纸管卷管机、四机头纸管卷管机等形式：两机头的纸管卷管机常用于对纸管紧密度要求不高的场合，在实际的使用中也是最广泛的；三机头和四机头的纸管卷管机加工纸管的紧密度高、所得产品质量好，但是成本高，加工工艺复杂。纸管卷管机也可按纸管卷管机所加工的纸管大小来分，主要有小型纸管卷管机、中型纸管卷管机、大型纸管卷管机：小型纸管卷管机加工的纸管用于烟花，鞭炮和特定小物件的包装材料上，一般纸管直径d＜20mm；中型纸管卷管机加工的纸直径20mm＜d＜tmch100mm一般用于纺织行业中做布坯包装内芯；大型纸管卷管机所加工的纸管直径d＞100mm，一般运用在有特殊要求的场合。本次设计的纸管卷管机加工的纸管内径为40mm。
本次设计是基于满足棉籽种子包装纸罐的卷管机设计，故对纸管直径尺寸要求不大，对纸管筒体质量要求也不是很高。所以本次设计的方案是设计二机头中型纸管卷管机。其拟采用的动力传动方案见图无人自助超市2所示。
图2 纸筒卷管机动力传递示意图
3 卷管机的结构设计
3.1卷管机原始参数
本次设计以加工棉籽种子包装纸罐的卷管机为样本，根据有关企业提供的参数进行设计，具体参数见表1。
表1 卷管机的性能参数
卷纸层数 | 3－10层 | 操作人数 | 1-2人 |
芯轴固定方式 | 卡紧式+法兰式双向固定 | 卷管速度 | 3－18米/分钟 |
卷杆直径 | 12－110mm | 切割方式 | 单盘刀主动切割 |
卷绕机头 | 单机单双皮带 | 主机规格 | 1600×900×2500pbst |
主机功率 | 2kw | 纸管壁厚 | 1－5mm | 豆渣搅拌机
主机转速 | 150-300r/min | 滚筒直径 | 320mm |
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3.2各级传动载荷参数的计算
已知主机转速为150-300r/min，设计中按243r/min进行计算，初步选定的电机转速=960r／min，所以可得总传动比。
初步选定减速器传动比，带传动传动，滚筒和套筒之间传动比，所以有。
根据卷管机设计中预选的传动装置，可计算出卷管机总的传动效率[5、6]。
式中： 1为联轴器的传动效率，根据《机械实用设计手册》，选择1=0.96；
2为减速器传动效率，根据《机械实用设计手册》，选择2=0.74；
3为联轴器传动效率，根据《机械实用设计手册》，选择3=0.96；
4为带传动传动效率，根据《机械实用设计手册》，选择4=0.95；
5为滚筒与皮带之间的传动效率，根据《机械实用设计手册》，选择5=0.90。
于是得： =0.583。
所以可得: 传动轴转速；
带轮转速；
套筒转速；
3.3电动机的选择
电动机类型的选择。常用电动机主要有Y系列异三相异步电动机、防爆电动机和直流电动机，Y系列异步电动机具有效力高、起动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高等特点，适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上，如：金属切削机床、泵、风机、运输机械、农业机械、食品机械等。也可以用于对起动转矩有较高要求的机械，如压缩机等。防爆电动机和直流电动机大多应用在有特殊要求的场合，成本很高。
导电碳油根据卷管机的工作性能要求，查阅有关电机手册，拟选用Y系列异步电动机。
电动机功率的选择。电动机的功率选择是否恰当，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小，不能保证工作机的正常运行或使电动机长期过载而过早损坏；功率选得过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都较低，造成很大的浪费。电动机功率的确定，主要与其载荷大小、发热、工作时间长短有关。根据原始资料提供的数据，主机的功率为2kw，根据3.2节的初步计算纸筒卷管机传动装置的总效率58%。
P=
一般选择时，保证电动机的额定功率P稍大于电动机的所需功率P即可，即P≥P。取P=4kW。
电动机转速的选择。同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等几种同步转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，磁极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈低，外廓尺寸愈大，价格愈贵。当工作机转速高时，选用
高速电动机较经济；而工作机转速较低时也选用高速电动机，则会使总传动比增大，导致传动装置的结构复杂，造价也高。所以在确定电动机转速时，要全面分析，权衡选用。一般机械中，用的最多的是同步转速为1500r/min和1000r/min这两挡的电动机。由于此次所设计的纸筒卷管机的转速比较低，为32r/min。为了使总的传动比不太大，传动装置的结构简单，从而使造价降低，故选用同步转速为1000r/min的电动机。
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