0 引言

随着人们生活水平的不断提高和社会的快速发展，人们对包装机的性能要求也越来越高。在很多领域内， 人们都需要对一些粉粒状物料进行定量的包装。 手工包装的效率低、包装质量差、劳动强度大，针对以上问题，有必要采用粉粒包装机包装。此外，人们对包装质量和包装效率要求也越来越高， 这就需要我们进一步分析包装机的动力学特性，从而能够改善包装机的性能。 目前，国内外对包装机的结构分析已作了很多研究， 而对包装

机的传动系统的分析还不是很多。

为了提高包装机的使用效率， 有效避免包装机的共振现象， 对包装机的传动系统的机身进行了系统性的有限元模态分析， 从而得出了包装机的机身的固有频率和振型的相关的数据， 并将模态分析得出的数据与实验获得的数据进行比较，最终确定了该包装机的固有频率和振型。 由于采取凸轮分配轴的机械控制方式， 在包装机高速运行时， 会产生严重的冲击、 振动和机身抖动的现象，从而引起较大的噪声，这些不良的现象都会致使计量的数值超过其所允许的误差范围， 从而会出现不能满足使用要求和不合格的包装好的成品以及空包现象严重等问题，大大降低包装的精度。

本文在相关研究的基础上， 运用静力学分析方法， 对其传动系统的分配轴进行更精确的工程分析，从而有利于掌握传动系统的运动规律，找出系统存在的问题，加以改进，完成优化设计，提高包装机的可靠性和稳定性，延长使用寿命。

1 包装机的传动系统的简介

 颗粒包装机的传动系统结构主要由主电机、减速器、拉袋凸轮、拉袋电机、切刀、滚轮、热封凸轮、齿轮副、分配轴、离合器等零部件组成

包装机传动系统的主要工作原理： 由主电机提供动力源，其转子轴与 V 带相连，并驱动减速器，从而驱动减速器输出端的分配轴，分配轴通过键连接装有拉袋凸轮、 热封凸轮和小圆柱齿轮等传动件。通过拉袋凸轮将动力传给齿轮副，进而传给滚轮；通过热封凸轮将动力传给热封臂板，进而带动切刀和热封器的开合； 通过齿轮副将动力传给供料机构以及给光电补偿、计数提供同步信号。

2 包装机的传动系统结构的模态分析

在机械系统动力学分析中， 模态分析是其研究的基础内容， 通过确定机械系统的固有频率和振型，优化包装机运动系统的局部结构，使包装机在工作过程中避免发生共振。以下是用 ANSYS Workbench 模块对包装机的传动系统的模态分析，经过分析可以得到包装机传动系统的前 6 阶固有频率和振型。

包装机的固有频率决定着其振动特性， 如果包装机的激励频率和结构模态耦合， 则该包装机会产生共振 ［ 1-3 ］ 。 包装机出现抖动情况，不仅影响包装精度，而且还会对外界产生噪音影响，缩短使用寿命，更严重的会造成包装机局部破坏等。当包装机在工作过程中旋转频率与固有频率相等或者相近时，该包装机处于共振状态，隔振系统受到干扰后会快速越过共振区域， 在此期间最大瞬时位移是正常值的 3~7 倍。
 

3 包装机的频谱测试实验

振动设计中常碰到系统的固有频率很难确定的问题， 解决这类问题唯一可靠方法是测试。 目前，测试结构的固有频率的试验方法很多，而为了能够通过测试的方法来得到包装机的传动系统的固有频率， 本次实验方法是首先将包装机的传动系统中需要获得其振动的固有频率值的位置处作为测试点，运用采集加速度信号的方法，利用振动测试仪器对测试点进行测试， 然后利用振动分析软件对该测试点的加速度信号进行傅里叶转换得到频谱图， 频谱图中的最高点即为该测试点的固有频率值。

利用专用分析软件对加速度信号进行处理，在实际运行中选取前 6 阶固有频率， 采取隔振等方法来减轻包装机分配轴旋转速度在启动、工作、停止过程中达到或者接近固有频率产生的共振。
为了能够更直观地比较固有频率的实验结果数值和分析计算的数值， 将实验测量结果和分析计算值列表。
 

通过表 2 的对比结果可知， 包装机的固有频率的分析计算结果与实验测量结果之间的误差最大为 6.4% ，在有效误差范围之内。 这进一步验证了包装机的固有频率的分析计算结果的正确性，有利于改善包装机的性能， 为以后分析包装机的动力学特性奠定了基础，对减振、隔振分析提供了可靠的实验数据， 并为设计包装机时避免出现振动问题提供了有力参考。
 

4 包装机的传动系统中的分配轴的分析

分配轴是包装机传动系统中比较重要的零部件， 分配轴的好与坏直接影响着包装机传动系统， 而包装机传动系统又是包装机的核心部分，它会影响到包装质量和包装效率。 因此，对包装机传动系统中的分配轴作相应的静力学分析是很有必要的。

用 ANSYS Workbench 模块对传动系统的分配轴进行静力学分析 。分配轴划分网格节点为 5 256 ，单元数为 2 613 ，由图可以看出最大应力为 368.6 MPa, 超过了所规定的许用应力，不符合实际使用要求，因此需要对分配轴进行优化。

提高轴强度的常用措施： 合理布置轴上零件以减小轴的载荷， 本设计中为了减小轴所承受的弯矩，传动件靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支撑形式，力求缩短支撑跨距及悬臂长度，可以在轴中间位置加一个固定轴承 ［ 4-6 ］ ；改进轴上零件的结构以减小轴的载荷； 改进轴的结构以减少应力集中的影响； 最后可以改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。

在距离分配轴底部 400 mm 处加一个轴承，限制轴 X ， Y 方向移动，对其进行静力分析，得到的分析结果如图 4 所示。 分配轴优化后的最大应力为228.02 MPa ，其数值在规定的许用应力范围内，故优化后的分配轴符合实际的使用要求， 从而在一定程度上能够提高包装机的主传动系统性能。

5 结语

（ 1 ）运用有限元分析软件对包装机的传动系统的机身进行模态分析， 从而获得结构的固有频率和振型， 而固有频率和振型能够很好地反映出包装机在工作过程中的振动特性。 在设计包装机的传动系统时， 要避免包装机在工作时所产生的频率与其固有频率相同或接近，即避免共振 ［ 7 ］ ，从而能够有效减小振动和降低噪声， 有利于提高包装机的整体性能。 同时，通过分析，也有助于选取合适的隔振方法， 从而可以减轻包装机传动系统中的分配轴旋转时所产生的振动。

（ 2 ）利用相应的振动测试仪器和采集加速度信号的方法来对包装机传动系统做相应的频谱测试实验，从而最终得到正确的固有频率值，并将其与分析计算得到的值进行比较， 发现其试验测得值和分析计所得值没有太大的误差， 进而反映了有限元分析计算的数值的准确性， 可以有效避免设计包装机时的振动问题。

（ 3 ）对包装机结构进行测试的实验数据有助于对其结构动力学特性进行分析计算与评估，保证了数值分析的可靠性。

（ 4 ）对包装机传动系统中的分配轴进行静力学分析，从而得到其应力、应变和总变形的情况，并根据应力的大小对分配轴进行了优化， 进而能够提高包装机传动系统的性能。

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