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无菌砖包机预成型系统的动力学特性研究

郭杰  
【摘要】:世界乳制品、饮料市场庞大,而且逐年递增。饮料包装行业也随着市场的增大而逐年兴旺。如今包装机械是饮料包装的必需品,无菌砖包机是包装机械中最常见的一类包装机械。随着智能化时代的到来,无菌砖包机也开始向着高速度、高精度、高智能的方面发展。无菌砖包机的预成型系统因为其结构相对复杂,工序时间短,工作幅度较大等特点,成为了影响包装速度的重要系统,受到了越来越多的人重视。在无菌砖包机工作过程中,预成型机构的振动会对机构的稳定性和包装精度有一定的影响。随着包装速度的加快,这种影响会越来越大。本文针对我国目前现有无菌砖包机的主要问题是工作过程中预成型系统不够稳定,包装精度不高等问题,以实验室的JX-2000型全自动无菌纸盒包装机为研究基础,对包装机的关键部分预成型机构进行动力学分析,研究其工作时的动态响应。本文首先对无菌砖包机的工艺过程做了分析,并详细介绍了本文所研究预成型系统的结构及工作原理。接着对预成型系统进行了分析,确定了其为影响预成型系统工作效率和包装准确性的主要零件,同时明确了工作任务,对后续三章具有指导性的意义。其次,在考虑了预成型系统中支撑杆上的横封器在做变速运动时产生的惯性力、向心力、科氏力、相对惯性力以及位移速度阻尼对支撑杆横向振动的动力学影响后,建立了变速双移动质量与简支梁耦合系统的振动微分方程,并建立相应的物理模型,利用ANSYS WORKBENCH进行了瞬态动力学分析,进行了结果验证。通过对在不同参数下的支撑杆振动响应作对比,得出了以下结论:在横封器做正弦往复运动时,支撑杆的跨中挠度呈正弦振动,一开始波动较大,后来逐渐稳定。当横封器质量变化时,其质量和越大,平衡位置位移越大,振幅越大;在初始位置?_2-?_1=定值时,横封器_1?越小,杆动态响应的平衡位置越小,振幅越大;?_1+?_2=L时,随着_1?的增大,动态响应的平衡位置逐渐增大,振幅减小;在行程不同时,对支撑杆的动态响应的平衡位置影响很小,行程越长,振幅越大;横封器驱动周期改变对动态响应的平衡位置、幅值影响不大。接着,研究了支撑杆在旋转过程中,由于五杆机构的作用,支撑杆与侧夹板接触孔所发生的位移。通过建立数学模型,计算在弯力和扭矩作用下的支撑杆中孔中心的位移;通过建立物理模型,利用Adams求解下吊篮的运动过程并使用ANSYS Workbench计算在弯力和扭矩作用下的支撑杆孔的位移。经过验证,在Adams中的对下吊篮加速度的求解结果同数学模型的求解结果相同,说明数学模型准确。在Workbench中的物理模型结果为一个区间,数学模型的位移在物理模型结果之间,得到了验证。紧接着,在不同工作频率下,利用数学模型进行的模拟,得到了在不同工作频率下的孔中心的位移,通过与行业标准作对比,大致找到工作频率范围,其工作频率不超过10Hz。利用弯曲强度校核和扭转强度校核,运用优化设计思想,使用Matlab软件,按照内部罚函数法进行求解,最终确定了此机构的最小工作周期0.56s。然后利用ANSYS Workbench对在此工作周期下的支撑杆做了安全性分析,确定了其安全性。最后,研究了预成型机构上吊篮框架的固有频率。对其进行了模态分析,研究结果表明实际工作频率远离上吊篮的固有频率,不会发生共振现象,因此预成型机构上的支撑杆不会因为共振产生较大的位移。


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