第一节 卷封的基本原理及机
构的设计
第二节 卷封机构的运动设计
人
既
尽
其
才
，
则
百
事
俱
举
；
百
事
举
矣
，
则
富
强
不
足
谋
也
。
第七章 卷封机械
第一节 卷封的基本原理
一、刚性、半刚性容器的几种封口形式
前已述及,采用柔性材料包装物品,除手工袋装以外,多
在有关设备的封口工位上完成粘封或热封,不需另设封口
机。而采用刚性、半刚性包装容器(如金属罐、玻璃瓶、
塑料瓶等),在完成物品的灌装、充填之后,一般需借助相
应的封口机械进行封口,以使产品得以密封保存,并便于流
通、销售和使用。
根据刚性、半刚性容器的种类及其对产品的密封要求,
常见的封口形式大体上有下列几种,如图所示(前四种
属于有封口材料的封口)：
图 刚性、半刚性容器的几种封口形式
(1)卷边封:将翻边的罐身与涂有密封填料的罐盖内侧周边
互相钩合、卷曲并压紧而使容器密封。这种封口形式主要
用于马口铁罐、铝罐等金属容器以及新近开发的复合罐。
(2)压盖封:将内侧涂有密封填料的外盖压紧并咬住瓶身
或罐身而使其密封。这种封口形式多用于玻璃瓶与金属盖
组合的容器,如瓶装啤酒、瓶装酱菜等。
(3)旋盖封:将螺纹盖旋紧容器口而使其密封。这种封口
形式主要用于盖子为塑料或金属件,而罐身为玻璃、陶瓷、
塑料或金属件组合的容器,如瓶装奶粉、牙膏管等。螺旋盖
容易开启和密封,并能重复使用,应用相当广泛。
(4)压塞封:将内塞压在容器口内而使其密封。这
种封口形式主要用于软木塞或塑料塞与玻璃瓶密
封的容器,如瓶装酒、瓶装麦乳精等。因内塞难以
达到完全密封,通常还要辅以蜡封、旋盖封或压盖
封。
(5)折叠封:将包装容器的开口处压
扁再进行多次折叠而使其密封。这
种封口形式主要用于半刚性容器,
如装填膏状物料的铝管等。通常折
叠封口后常需压痕,以增强其密封
效果。
为了可靠地实现上述各种形式的
封口作业,应根据具体条件适当地
选用相应的专用机械。限于篇幅,
本章仅着重阐述用于马口铁罐的卷
边封口机(即通常所说的封罐机)。
实际上,它已成为罐头食品工业的
重要生产设备之一。
图 GT4B2型卷边封口机示意图
l-压盖杆,2-套简,3-弹簧,4-上压头固定支座,5、6-差动
齿轮
7-封盘,8-卷边滚轮,9-罐体,10-托罐盘,11-六槽转盘,12
-盖仓13-分盖器,14-推盖板,15-推头
图所示为国内目前通用的GT4B2型卷边封口机的示
意图。充填有物料的罐体,借装在推送链上的等间距推
头15间歇地将其送入六槽转盘11的进罐工位(Ⅰ)。盖仓
12内的罐盖由连续转动的分盖器13逐个拨出,并由往复
运动的推盖板14有节奏地送至进罐工位罐体的上方。接
着,罐体和罐盖被间歇地传送到卷封工位(Ⅱ)。这时,先
由托罐盘10、压盖杆l将其抬起,直至固定的上压头定位
后,用头道和二道卷边滚轮8依次进行卷封。然后,托罐
盘和压盖杆恢复原位,已卷封好的罐头降下,六槽转盘再
送至出罐工位(Ⅲ)。为了避免降罐时的吊罐现象,在压
盖杆1与移动的套筒2间装有弹簧3,以便降罐前给压盖杆
一定预压力。由于卷封工位没有孔道与真空稳定器和真
空泵相通。因此,卷封作业可在真空状态下进行。
本机的传动系统为电动机经三角带驱动主传动轴,经蜗杆—
蜗轮驱动垂直分配轴,经螺旋齿轮驱动两对差动齿轮(即图
中件5、6),进而使卷封机构完成卷封运动。垂直分配轴
下端再经螺旋齿轮驱动与水平分配轴相连的罐体、罐盖供
送机构及六槽转盘。托罐盘与压盖杆的运动则分别由垂直
分配轴的下、上糟凸轮控制。在垂直分配轴上端的蜗轮处
配置一安全离合器,一旦出现卡罐等故障,则会使两分配轴
停止运转。另外,从动三角带轮与主分配轴之间采用摩擦片
传动(图中未示),它对整机起超载保护作用。
图更详细地表示了该机卷封机构的结构,长杆
1的下端与压盖杆36钩形联接,必要时便于更换。
压架2、压帽3分别与长杆l、滑套5固连,滑套由
凸轮机构(图中未示)控制作上下运动。弹簧4的
作用前已叙述。压头轴17由下顶帽11、上顶帽7、
铜套9支承在机架8上,使上压头37固定不动。
若需调节上压头的高低
位置,可松开螺帽6,扳动
压头轴上端方头部分即
可。齿轮13经花健轴16、
花键帽38使封盘28旋转。
花键帽与封盘间为端面
凹凸联接, 只要松开螺
帽34、压帽35,就能方便
地取下封盘。齿轮15直
接与中心齿轮22成端面
凹凸联接 ,使中心齿轮
以不同于封盘的速度旋
转。卷封机构整个旋
1-长杆,2-压
架,3、35-压
帽,4-弹簧,5-
滑套,6、23、
34-螺帽,7-上
顶帽,8-机架
,9-铜套,10-
导向键,11-下
顶帽,12、14、
21-轴承,13、
15-齿轮,16-
花键轴,17-压
头轴,18-上盖
,19-托盘,20-
顶盘,22-中心
齿轮,24-调节
蜗轮,25-封盘
盖,26-行星齿
轮,27-小轴
,28-封盘,29-
下盖,30-卷边
滚轮,31-底盘
,32—铜盘,33
-滚针,36-压
盖杆,37-上压
头,38-花键帽
图 GT4B2型卷边封口机卷封机构
结构图
二、马口铁罐的卷边封口
(一)二重卷边的形成过程
使罐体与罐盖的周边牢固地紧密钩合而形成的五层(罐盖
三层、罐体两层)马口铁皮的卷边缝的过程,称作二重卷边。
为了提高罐体与罐盖的密封性,在盖子内侧预先涂上一层弹
性胶膜(如硫化乳胶)或其它填充材料。二重卷边大都采用滚
轮进行两次滚压作业来完成。第一次作业又称头道卷边,如
图所示。在未卷边前的位置如实线所示,头道卷边结束后
则如虚线所示。开始时,头道卷边滚轮首先靠拢并接近罐盖,
接着压迫罐盖与罐体的周边逐渐卷曲并相互逐渐钩合。当沿
径向进给左右时,头道卷边滚轮立即离开,其时二道卷
边滚轮继续沿罐盖的边缘移动,如图所示。二道卷边开始
位置如图(a)示,结束位置如图(b)示。二道卷边能使罐盖和
罐体的钩合部分进一步受压变形紧密封合,其沿径向进给量
为左右。两次进给量共约4mm。
由此可见头道和二道卷边滚轮的结构形状显然不同。通
常,头道卷边滚轮的沟槽窄而深,而二道卷边滚轮的沟槽
则宽而浅。
图 头道卷边 图 二道卷边
为了形成二重卷边缝,作为执行构件的卷边滚轮,相对于罐身
必须完成某种特定的运动。若卷封圆形罐,卷边滚轮相对罐身
应同时完成两种运动,即周向旋转运动和径向进给运动。
若卷封异形罐,卷边滚轮相对罐身应同时完成三种话动,即周
向旋转运动、径向进给运动和按异形罐的外形轮廓作的仿型运
动。
为使罐盖与罐体的周边逐渐卷曲变形,每封一只罐身卷边滚轮
需绕罐身旋转多圈(如GT4B2型的卷边滚轮每封一罐绕罐身转
18圈),而实际的有效圈数(从触及罐盖开始真正用于卷封工艺
的圈数)应由单位径向进给量来确定,一般取头道为每圈lmm左
右,二道为每圈左右 。
(二)卷边滚轮的运动分析
(三)卷封机构的结构类型
两道卷边滚轮相对罐身所作
的卷边运动是由卷封机构来
实现的,由于实现这种运动有
多种组合方式,因而出现不同
结构的卷封机构。
1.完成周向旋转运动的两
种结构形式
(1)罐体与罐盖被固定不动,
卷边滚轮绕其旋转。目前的
卷边封口机大都属于这种结
构形式,如GT4B2型卷封口机
等。
图 GT4B13型卷边封口机
卷封机构示意图
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-上转盘,4-摆杆
5-固定凸轮,6-卷边滚轮,7-上压头
8-下压头,9-下转盘
(2)罐体与罐盖绕轴自转,而卷边滚轮不绕罐作周向旋转。如
图所示GT4B13型卷边封口机,罐体被紧夹在上、下压头7、
8之间,并由行星齿轮2带动自转,从而完成相对于卷边滚轮6
的周向旋转运动。这种结构虽较简单紧凑,但因罐体既有自
转又有公转,若用于实罐卷封则其内装的液料形成旋转抛物
面,易从罐口流出,从而限制了它的自转速度以及生产能力的
提高。
为简化分析,暂不考虑罐身加盖及其公转等的影响,欲保证
内装液料不外溢,可根据流体力学的有关理论近似求出罐身
的最高自转转速 ,供设计估算参考,即
式中: —罐身的内半径;
h—罐内的顶隙高度；
g—重力常数。
相应的最高生产能力Qmax近似可取为
式中:j—卷边封口机的头数；
n—根据卷封工艺要求,确定每封一罐所需的罐身自转
数 (如GT4B13型约为16r/pc.)。
2.完成径向进给运动的三种结构形式
(1)偏心套筒作原动件
图所示为GT4Bl型卷边封口机的卷封机构原理图。齿轮3、
4在同轴齿轮2、1的带 动下,以相同方向不同转速分别带动
偏心套筒7和轴套5转动。轴套5又通过滑键10带动封盘6一
起转动。封盘上装有头道卷边滚轮8和二道卷边滚轮9。由
于封盘与偏心套筒有速差,使得封盘上的卷边滚轮相对于转
轴(即罐体中心线)的距离不断变化,从而使卷边滚轮
也产生了相应的径向进给运动。
图 GT4Bl型卷边封口机卷封机构原理图
1,2,3,4-齿轮,5-轴套,6-封盘,7-偏心套筒,8-头
道卷边滚轮
9-二道卷边滚轮,10-滑键
图 GT4B2型卷边封口机卷封机构原理理
l,2,3,4-齿轮,5-中心齿轮,6-行星齿轮,7-封盘
,8-偏心销轴
9-头道卷边滚轮,10-二道卷边滚轮
(2)行星齿轮偏心销轴作原动件
图所示为GT4B2型卷边封口机的卷封机构原理图。
齿轮3、4在同轴齿轮2、1的带动下,以相同方向不同转
速分别带动中心齿轮5和封盘7转动。该封盘上均布着四
只行星齿轮6,与封盘一起绕中心齿轮公转。由于封盘与
中心齿轮存在速差,故形成差动轮系,遂使行星齿轮连同
与其固联的偏心销轴8在公转的同时又作自转,从而使与
偏心销轴铰支的卷边滚轮既能绕罐体作周向旋转,同时
又能产生径向进给运动。其中,两只头道卷边滚轮9和两
只二道卷边滚轮10,分别呈对称分布状态。
(3)凸轮作原动件
见前图所示的GT4B13型卷边封口机,在卷边滚轮6
随罐体绕中心齿轮l公转的过程中,由固定凸轮5通过
摆杆4驱使卷边滚轮相对于罐体作径向进给运动。
对于罐体被固定的卷边封口机,为使卷边滚轮能完成相
对罐体的周向旋转及径向进给的复合运动,则不能再单
独采用固定凸轮与摆杆作原动件,而得改用差速凸轮机
构。其结构形式又可分为两种：
①盘形凸轮摆动从动杆
结构
图 所示为 GT4B6
型卷边封口机的卷封机
构原理图。齿轮3、4在
同轴齿轮2、l的带动下,
以相同方向不同转速分
别带动封盘9及叠放的
四只盘形凸轮5、6、7、
8转动。
图 GT4B6型卷边封口机卷封机构
原理图
l,2,3,4-齿轮,5-头道共额进给凸轮,6-
二道共扼进给凸轮
7-头道进给凸轮,8-二道进给凸轮,9-
封盘,10-摆杆
11-头道卷边滚轮,12-二道卷边滚轮
其中5、6分别为头道、二道的共扼进给凸轮,7、8分别为头
道、二道的进给凸轮。封盘上对称安装着一对头道卷边滚
轮11和一对二道卷边滚轮12。由于封盘与凸轮有速差,凸轮
就通过摆杆10驱动卷边滚轮作径向进给运动。 ②端面凸轮
直动从动杆结构
图所示为GT4B7型卷边封口机的卷封机构原理图。
该机共有四组卷封机构,图中除中心轴14、中心齿轮1和大
转盘6外,仅表示了一组卷封机构。其中行星齿轮2由大转盘
6带动绕中心轴14公转,在旋转轨道旁装一固定端面凸轮4,
控制从动杆5作上、下往复运动,从而使轴套7沿滑键3也作
上、下往复运动。通过凸轮斜块9控制摆杆10摆动,从而使
卷边滚轮12完成径向进给运动。由于中心齿轮1与大转盘6
之间存在速差,因此卷边滚轮又能完成绕罐的周向旋转运动。
1-中心齿轮,2-行星齿轮,3-滑键
,4-固定端面凸轮,5-直动从动杆
,6-大转盘,7-轴套,8-封盘,9-凸
轮斜块,10,11-摆杆
12-卷边滚轮,13-靠摸凸轮,14-
中心轴
图 GT4B7型卷边封口机
卷封机构原理图
3.完成仿型运动的两种结构形式
(1)以罐型靠模为作用件
上图所示的GT4B7型卷边封口机,罐型靠模凸轮13固定不
动,其周边形状与所要封口的异形罐相似或相同。当封盘8
绕罐体旋转时,摆杆11受靠模凸轮13的控制而产生摆动。
由于该摆杆铰支在封盘上又与另一摆杆10铰支在一起,从
而使卷边滚轮12能完成确定的仿型运动。又如图所示
GT4B4型卷边封口机的卷封机构原理图,它也采用罐型靠
模为作用件,以完成仿型运动。齿轮3、4在同轴齿轮2、1
的带动下,以相同方向不同转速转动,并分别带动封盘6和
盘形凸轮组5转动。该凸轮组共有四只凸轮,其中一对为头
道共轭的进给凸轮,另一对为二道共轭的进给凸轮。当封
盘相对凸轮转动时,由于两者有速差,从而使进给凸轮摆杆
14产生摆动,并通过连杆11、卷边滚轮摆杆10驱动卷边滚
轮9作径
向进给运动。
与此同时,由于卷边滚轮摆杆与靠模摆杆13都铰接在C点,
而靠模摆杆13又绕固定的罐型靠模凸轮7摆动
(摆动支点为封盘上的A点
),因此卷边滚轮9又能作仿
型运动。该机有四只卷边
滚轮,头、二道各两只,图
中仅示一只。
(2)以非罐型靠模为作用件
前述的罐型靠模在转弯
处曲率变化较大,使得卷边
滚轮在该处的惯性变化剧
增,严重地影响了卷封质量,
也限制了生产
能力的提高。
图 GT4B4型卷边封口机卷封
机构原理图
l,2,3,4-齿轮
,5-盘形凸
轮,6-封盘
,7-罐型靠
摸凸轮,8-
靠模滚子
9-卷边滚轮
,10-卷边滚
轮摆秆,11-
连杆,12-摆
杆
13-靠摸摆
杆,14-进给
凸轮摆杆
例如,卷封方形罐在从一条
罐边到另一条罐边的转角处,
很容易出现卷封不紧、起皱
纹、轧伤等不符合质量标准
的现象。因此,如图所
示TUB54型异形罐卷边封口
机采用的靠模与所要卷封的
罐头外形,既不相同也不相
似,而是将转角曲率设计成
变化比较缓和的形状,以利
提高卷封质量。该机同样有
四只卷边滚轮(头、二道各
一对),图中也只画了一只。 图 TUB54型卷边封口机卷封机构立体示意图
l,2,3,4-齿轮,5,6-共轭的进给凸轮,7-进给凸轮摆杆
,8-调节齿轮,9-轴,10,1l-共轭的靠模凸轮,12-靠模
凸轮摆杆,13-齿轮,14—不完全齿轮,15-卷边滚轮摆
杆,16-卷边滚轮17-固定轴,18-封盘,19,20-轴
齿轮3、4在同轴齿轮2、1的带动下,以相同方向不同转
速转动,又通过轴19、20分别带动封盘18和共轭进给凸
轮5、6转动,从而使封盘上的轴9绕中心主轴旋转。由于
该轴固联着进给凸轮摆杆7和齿轮13,因此,当它们也绕
中心主轴公转时,则能相对封盘摆动,再通过齿轮13、14
的啮合传动而使卷边滚轮16作径向进给运动。又由于不
完全齿轮14铰支在与轴9活套相连的靠模凸轮摆杆12上,
这样,在一对固定的共扼靠模凸轮10、11的作用下,遂强
制不完全齿轮14既能自转,还能绕齿轮13摆动。结果,卷
边滚轮即协调地完成了周向旋转、径向进给和仿型的复
合运动。调节齿轮8是用来改变卷边滚轮安装的初始位
置,松开轴9与摆杆7的连接,即可转动调节齿轮,从而达
到位置调节要求。
(四)卷边封口机的分类
卷边封口机的类型较多,分类方法大致有下列几种。按自
动化程度可分为三类：一是人工控制,即进出罐及卷封等
主要作业均靠人工控制；二是半自动化,仅进出罐靠人工
控制,其它都自动进行；三是全自动化,整个封罐过程均
能自动进行,无需人工控制。按所封的罐型可分为两类,
一是封圆形罐,二是封异形罐。异形罐是指方形罐、椭圆
形罐和马蹄形罐等。按卷封操作条件可分为两类：—是
单头卷边封口机,二是在真空状态下卷封。前者多用于空
罐车间,后者多用于实罐车间。按单机的卷封机构数目可
分为两类：一是单头卷边封口机；二是多头卷边封口机,
如GT4B7型为四头卷边封口机,它能大幅度提高设备生产
能力。
卷边封口机类型虽多,但其基本组成部份大致相同,主
要包括供送(罐与盖)、转位、卷封、传动等机构及真
空装置。显然,其中的卷封机构是最主要的,若按卷封
机构不同结构类型来分类,则更能确切地反映卷边封口
机的实质。
附带说明,实罐车间所用的卷边封口机大都是通过真
空泵使密封室形成真空而进行卷封的,操作方便,抽气
迅速,适应性强。但是,有的设备(如40P型)则采用喷射
压力蒸汽的方法以置换罐内顶隙的空气,再进行卷封,
待罐内蒸汽冷凝后即可获得一定的真空度。该法对于
不忌冷凝液留存罐内,而且具有高热蒸汽源要求起一定
杀菌作用的真空封口(如加工果汁、果酱类罐头)比较
适宜。它虽然不需配备真空辅助装置,但要消耗大量的
蒸汽和能量。
还需说明,一般卷边封口机的头道、二道卷封作业是
在同一组卷封机构中完成的,但某些设备(如AT-01型)
则将头道和二道卷边滚轮分别布置在两组卷封机构中,
罐身在连续运转的情况下依次进行头道、二道卷封作
业,以利卷封过程的稳定。同时还可将进给量大的头
道卷边滚轮改做成带内侧沟槽的环状体(一般卷边滚
轮均为带外测沟槽的圆柱体),以增加与罐盖接触时的
弧长,更有利于罐盖周边的弯曲、钩合,提高卷封质量。
可是,这种设备一般占地面积较大,又难以形成真空卷
封,故一般仅适用于空罐卷边加工。
第
二
节
卷
封
机
构
的
运
动
设
计
一、采用偏心套筒完成径
向进给运动的卷封机构
以GT4Bl型卷边封口机
为例,该机专门用来卷边封
口圆形空罐。如前图所
示,偏心套筒7为原动件,以
产生径向进给运动。显然,
卷边滚轮8、9与罐体的中
心距和封盘相对于偏心套
筒运动的转角有关。因偏
心距相对甚小,为简化分析,
可近似认为卷边滚轮中心
均通过滑键10的支轴中心。
图 GT4B1型卷边封口机卷封
机构的运动分析图
1.卷边滚轮的运动方程
如图所示,设罐体的中心为O,偏心套筒的几
何中心为A,偏心距OA=e；卷边滚轮的中心为
M,AM=R；令封盘的转速为 ；偏心套简的转速
为 ,一般取 。
首先,取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极坐
标。此时,若将上述的三心标记为 ,显然,
。经时间t,偏心套筒绕罐体中心O由A0移至A,相应的转角
。而卷边滚轮中心M一方面以 绕罐体中心转过 ,另一
方面由于套筒偏心的作用又产生径向相对运动而移至M点。
则可求出该瞬时卷边滚轮与罐体的中心距OM。
在△OAM中,由余弦定理可知
令 ,则上式可改写为
故
实际上,e<<R,ρ又不可能为负值,可见
(7-1)
上式表明,当机构参数R、e为定值时,卷边滚轮中心的极
径ρ仅是相对极角(即相对运动角)θ的函数。显然,该函
数对于头道和二道卷边滚轮均适用。
上式就是GT4Bl型卷边封口机卷边滚轮中心的运动方
程,其绝对运动轨迹可近似认为是一条封闭而又对称的
余弦螺旋线；至于卷边滚轮工作沟槽的绝对运动轨迹,
则是以该沟槽的工作半径沿上述螺旋线,再画包络线而
得到的等距曲线。不难看出,卷边滚轮中心相对于偏心
套简的运动轨迹,实际上是以A0为圆心、以R为半径的一
个圆。
2.机构主要参数的确定
根据卷边滚轮的运动方程,可以确定或校核
卷封机构的主要技术参数。
(1)偏心套简的偏心距
由式(7-1)可知：
当θ=0时
当θ=π时
因此：
(7-2)
对于头道卷边滚轮而言
(7-3)
(7-4)
代号上标(1)、(2)分别表示属于头道,二道卷封的工
作参数。
式中: r—封罐后盖子的半径；
一头道的径向进给量(该机取左右)；
一二道的径向进给量(该机取左右)；
一头道卷边滚轮离开罐盖初始边缘的最大间隙。考
虑到卷封沟槽的外廓形状并为托罐方便,应取一定的
余量(该机为左右)；
—头道卷边滚轮的工作半径(一般取沟槽最深点的
半径)。
将 代入式(7-2),则
(7-5)
将上述 值代人,得e=4mm。
(2)封盘及偏心套简的轮速
封盘转速 和偏心套简转速 决定了卷封时间的
长短。
如图所示,若令头道卷封的起始点即当 时
为 ,则该滚轮与罐体的中心距 可由式(7-1)确定,
即
又令头道卷封结束点为 ,该瞬时滚轮与罐体的
中心距 ,同理可得
显然,该滚轮与罐体的中心距的最小值
因此,头道、二道卷
封所需的工艺时间分
别为：
(7-6)
(7-7)
该卷封工艺时间不
仅要保证完成设计生
产能力,而且还应满
足单位径向进给量。
图 GT4B1型卷边封口机卷封机构的
运动综合图
头道的径向进给量
进而求得
当 mm,e=4mm时,
由此可知,头道的卷封工艺角为
当时 , = 。
同理,若令二道卷封的起始点为 ,相对运动角为
；二道卷封的结束点为 相对运动角为 ,则
当 =,e=4mm时 。
由此可知,二道的卷封工艺角为
当时 , = 。
由此可得：
(7-8)
(7-9)
(7-10)
式中: —分别表示头道、二道卷封
的单位径向进给量；
Q—表示卷边封口机的生产能力。
注意：式(7-10)仅表示 间的
数
值关系,即差速一圈封一罐。
根据式(7-6)和式(7-8)可得
即
再将上式与式(7-10)联立,便可解出 。
例如,若取头道的径向进给量 =,头道卷封的单位
进给量 =1mm/r,生产能力Q=40pcs/min,头道的卷封工艺角
,二道的卷封工艺角 ,二通的径向进给量 =,求
得封盘转速
偏心套筒转速
r/min
另外：
将以上两式联立后解得二道卷封的单位进给量
mm/r。
显然,每封一罐封盘转过的转数为
r/pc.
其中用于头道、二道的卷封时间分别可由式(7-8)、
(7-9)求出
该顺时,二道滚轮开始卷封。其中心位置在点 ,根据上述要
求,二道相对于头道的工艺滞后角应是
将 代入得
若取头道、二道滚轮中心与封盘上偏心套筒几何中心的间
距相等,即 =R,则
设R=80mm,已知e=4mm, 代入得
按 及 所示的几何关系,可分别求出
(3)头道、二道卷边滚轮的封盘配置角
在每一工作循环中,要求头道滚轮卷封时,二道滚轮不触
及罐盖；而当头道滚轮结束卷封且已离开罐盖一定距离
(一般取左右)后,二道滚轮应能开始卷封。否则,由
于头道、二道滚轮沟槽形状不一,会使卷边出现不应有的
压痕,影响封罐质量。
仍见图,设头道滚轮卷封结束再退出时,其中心
位置在 点,而相对运动角为 ,由运动方程可知
如前所述,在头道卷封结束点, 故
当e=4mm时
1.卷边滚轮的运动方程
如图所示,设罐体的中心(即中
心齿轮的圆心)为O,行星齿轮的圆心
为A,OA=L;其偏心轴孔的圆心为M,偏
心距AM=e。若暂不考虑卷边滚轮中
心的位置调整问题,则M点也就是卷边
滚轮的中心。
在该差动轮系中,设行星齿轮随同
封盘绕罐体中心的转速为 ,中心齿轮
的转速为 ,一般 < 。这样,卷边滚
轮一方面随同封盘作牵连运动,从而
完成绕罐体周向旋转；另一方面又随
同行星齿轮自转对封盘作相对运动 ,
同时,卷边滚轮与行星齿轮又存在着
一定的偏心距,从而能完成对罐体中
心的径向进给。
图 GT4B2型卷边封口机卷
封机构的运动分析图
为了便于分析和作图,不妨假想中心齿轮不动,即给整个机构
加上一个反向的转速( ),从而将该差动轮系转换为普通的行
星轮系。则转化机构的系杆转速为 。由于原机
构各构件之间的相对运动关系均保持不变,因此也不会影响
所推导的卷边滚轮中心运动方程的参数关系。
仍取卷边滚轮与罐体的最大中心距为初始位置建立极
坐标。此时,若将上述的三心标记为 ,显然,
。当行星齿轮对中心齿轮以相对转速 由A0转至A时,令其
相对运动角为θ,行星齿轮的自转角为α。在这种情况下,它同
中心齿轮的啮合点便由B0改变为B,而B0则转至 ,同时卷边
滚轮的中心点移至M,OM=ρ,由于在起始位置
时三点共线,因此转至
新位置后 仍应保持三点共线。
代入得 ,
因此,头道滚轮、二道滚轮在封盘上的配置角应是
代入得
二、采用行星齿轮偏心销完成径向进给运动的卷封机构
以GT4B2型卷边封口机为例,该机专门用来卷封圆形实罐。
参阅图所示,其卷封机构采用行星齿轮偏心销轴作原动
件,以产生径向进给运动。显然,卷边滚轮与罐体
的中心距是卷边滚轮所在封盘与中心齿轮
相对运动角的函数。
在ΔOAM中,由余弦定理可知
即
(7-11)
令行星齿轮和中心齿轮的节圆半径各为R1、R2,由前设条
件可知L=R1+R2,考虑到齿轮的啮合传动相当于节圆作纯滚动,
故 ,即
将上式代入式(7-11),解得
(7-12)
式(7-12)就是GT4B2型卷边封口机卷边滚轮中心的运
动方程。因为行星齿轮的节圆沿着中心齿轮的节圆作
外切纯滚动,由数学可知,处于该行星齿轮节圆内某定
点(即卷边滚轮的中心)的运动轨迹是一条内点外余摆
线。实际上也就是卷边滚轮中心相对于中心齿轮或罐
体中心的运动轨迹。至于每相对转动一圈,组成此封
闭曲线的余摆线数目则与节圆半径比有关。由于该机
取R1=27mm,R2=54mm,因此 。当卷边滚轮以相
对转速 绕罐体公转一圈时,即形成两条余摆线,可
卷封两个罐头。
2.机构主要参数的确定
(l)行星齿轮偏心轴孔的偏心距
与GT4B1型卷边封口机相似,当θ=0时, ；
当 时, ,由此可得
该机取e=7mm。因为要考虑安排卷边滚轮偏心距的调
整结构以及增加六槽转盘间歇转动的时间,而使装有汤汁
的罐体转位时稳定,故该机取了较大的e值。
(2)封盘及中心齿轮的转速
可用GT4B1型卷边封口机相似的方法,先求头道和二
道的卷封工艺角 。
在头道卷封起始与结束点,滚轮与罐体的中心距分别
为
两式相减
解得
又因 ,故头道卷封工艺角
(7-13)
将已知值 =27mm,R2=54mm,L=81mm,e=7mm,
=,代入得
同理可得,二道卷封工艺角
(7-14)
将上述已知值和 ＝代入得
例如,已知该机生产能力Q＝42pcs／min,若取头道单位
径向进绘量 = 1mm/r,同样可由式(7-6)、(7-8)、(7-
10)联立解得 =882r/min, =861r/min,
min。实际上,该机 =756r/min,
=735r/min,相应的,头道和二
道的单位径向进给量各
=
由于该机头道、二道各配有
一对滚轮,故两只卷边滚轮的
单位径向进给量可以适当增
加,以利降低机头转速和运转
惯性。
图 GT4B2型卷边封口机卷封机构
的运动综合图
(3)头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角
GT4Bl型卷边封口机由于头道和二道滚轮都是以同一
个偏心套筒作原动件完成径向进给的,所以它们可共用
一个坐标轴。同时,为了保证头道、二道能依次正常地
完成卷封,还应确定它们在封盘上的配置角。但是
,GT4B2型卷边封口机的情况就不尽相同,由于两道滚轮
是通过各自的行星齿轮偏心销轴的控制来完成径向进给
运动的,而且为了受力均匀,它们又呈对称状态分布,即
头道和二道行星齿轮在封盘上的安装夹角为90°。这样,
要求正常卷封时,当头道滚轮直达进给最终位置时,二道
滚轮中心应跟随受控的行星齿轮自转一定角度以后也能
准确地到达进给最终位置。其自转角度称为头道和二道
卷边滚轮中心的工艺配置角。
由图可见,若头道滚轮卷封结束并退出时,
二道滚轮正好开始卷封。该瞬时,头道和二道行星齿
轮中心所在的位置分别是 、 ,而卷边滚轮的中心
分别是 、 。由式(7-12)求得 。离初始位置的相
对运动角 = 。根据前述结构条件可知
当头道滚轮结束卷封时,头道和二道行星齿轮的中
心位置分别为 、 。同理可知 ,
故 恰好在头道的初始位置,即 轴上。当头道卷
边滚轮中心点位置为 (偏心位于最里位置)时,则
二道卷边滚轮中心 距到达最里位置 ,尚需以相
对转速绕罐体转过一个角度,即
将已知值 代入得
因此,头道和二道卷边滚轮中心的工艺配置角为
将已知值
该机取 。调试时,按上述条件先将头道滚轮中
心调到偏心的最里位置,再将相位差为 的二道滚轮中
心从最里位置逆着行星齿轮的自转方向转过 (该机行
星齿轮的齿数均为24,逆转 等于逆转三个轮齿)后放入,
就能保证两道卷封正常进行。
3. 应用实例
某一单头自动卷边封口机采用行星齿轮偏心销
轴结构来完成径向进给运动。已知四只行星齿轮
的齿数均为 ,中心齿轮的齿数为 ,模
数均为 ,并取头道和二道径向进给量分别
为 mm和 。开始卷封前,
二道卷边滚轮离开罐盖边缘的最远距离为
。该机生产能力为Q＝40pcs/min。每封一罐,从头
道开始卷封至二道结束卷封所需时间为
。试
确定设计参数。在安装调试时,先将头道行星齿轮
偏心轴孔的中心放在最里位置,要求确定二道行星
齿轮偏心轴孔的中心由最里位置逆其自转方向应
调过的角度(或当量齿数),并说明对有关构件结构
设计应采取的适当措施。
求解步骤如下：
(1)确定销轴偏心距及齿轮中心距
参照式(7-2)、式(7-3)和式(7-4),可得销轴的
偏心距
将已知值代入得
齿轮中心距
(2)确定头道卷封工艺角
按式(7-13),代人已知值,其中 可
得
(3)确定从头道卷封开始至二道卷封结束所需时间
相对应的相对运动角
根据生产率Q=40pcs/min,每封一罐所需时间
故所求的相对运动角
(4)确定从头道卷封结束至二道卷封结束所需时间
相对应的相对运动角
(5)确定头道滚轮在最里位置时,二道滚轮由最里
位置应逆转的齿数
因头道和二道的工艺配置角
则对应的当量齿数
(6)对有关构件结设计所采取的措施
如图所示,头道和二道滚轮在封盘上的安
装夹角为90,而中心齿轮在该夹角范围内的齿数,
是一个整数 。因此,头道行星齿
轮
的齿间与中心齿轮的轮齿相啮合时,则二道行星
齿轮也必然是齿间与中心齿轮的轮齿相啮合。
但是,为了保证二道行星齿轮
能调过三个半齿,就要求在设
计、制造两道行星齿轮结构时,
将头道偏心轴孔中心线对称地
定位于齿间,而将二道偏心轴
孔中心线错过半个齿,即对称
地定位于轮齿。按图所示中心
齿轮啮合的位置,头道偏心在
最里位置,而二道偏心则由最
里位置己转过半个齿,这样,只
要按图示位置保持头道行星齿
轮不动再将二道行星齿轮顺时
针调过三个齿即可。 图 头道和二道卷边滚轮相对位置
确定示意图
根据上述GT4Bl型及GT4B2型卷边封口机卷封机
构的运动设计,可以概括如下结论：
1)采用偏心装置的卷边滚轮产生径向进给运动,
其运动规律应通过有关方程加以确定。鉴于卷边
滚轮与罐体的中心距并非定值,而且径向进给速
度又是不均匀的。因此,这种卷封没有光边过程,
以致影响封罐质量。
2)采用偏心装置,其卷封工艺角也必须按运动方
程计算,并且有关参数都较难任意确定。从分析
可见,真正用于卷封工艺的时间较少,而大部分时
间却用于完成进罐、出罐及转位等辅助操作,限
制了生产能力的提高。
3)如果改用凸轮装置使卷边滚轮产生径向进给运动,
则可灵活地设计凸轮曲线,有效地控制径向进给运
动规律。特别是在完成第二道卷封后可增加一段光
边过程,不仅有助于改善卷封的工艺性能,同时还可
大幅度增加卷封工艺角,以提高生产能力。当然,凸
轮机构也有一定的缺点,结构较庞大,一般难于保证
加工质量,加之润滑条件差,容易磨损,进而影响卷
封精度。
