摘 要

本文对颗粒包装机适用的筛选与充填装置进行研究。文章内分析了这种装置的背景和介发展现况，然后列举了3种颗粒包装机适用的筛选和充填装置的工作原理并进行了对比分析，最终选择了一种转盘式装置的方案。

这个方案设计通过一个倾斜设置的带孔转盘来实现对颗粒状物料的筛选，随着转盘的旋转，颗粒物料通过和转盘配合的常开斗来使颗粒物料依靠自重落入斗中，从斗下方的开口充填入包装容器内。本文设计的筛选与充填装置适用于结构规则的松散状、无粘性颗粒状物料的包装，一般不适宜片、块状物料。

文章设展示了该装置主要功能部件的结构，并对适用于该装置的传动方式进行了研究分析，提出了相关的传动方案，并对包括轴、键和蜗轮蜗杆传动进行设计和校核，并绘制了相关图纸。

关键词：颗粒包装机；筛选与充填装置；转盘；设计；

ABSTRACT

This paper studies the screening and filling devices for granule packaging machines. In the paper, the background and development status of the device are analyzed. Then analyzed three kinds of possible working principles of the screening and filling devices applicable to the granule packing machines.By listing and comparing those principles, a scheme of turntable device was finally chosen .

This scheme is designed to screen the granular material through a tilted turntable. With the rotation of the turntable, the granular material passes through the normally open bucket matched with the turntable to make the granular material fall into the bucket by its own weight, from below the bucket. The opening is filled into the packaging container. The screening and filling device designed in this paper is suitable for the packaging of loose and non-adhesive granular materials with regular structure. It is generally not suitable for sheet and block materials.

The paper shows the structure of the main functional components of the device, and studies and analyzes the transmission mode suitable for the device, proposes the relevant transmission scheme, and designs and checks the shaft, key and worm gear transmission.And relevant drawings was attached.

KEYWORDS: Pellet packaging machine; screening and filling device; turntable; design;

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 课题目的及意义 1

1.3 国内外发展现状 1

1.3.1 国内发展现状 2

1.3.2 国外发展现状 3

2 设计任务分析 3

2.1 筛选与充填装置分析 3

2.1.1 计数法 5

2.1.2 定容法和称重法 5

2.2 方案的比较和选择 6

3 总体设计 6

3.1 孔盘设计 7

3.2 固定盘设计 9

3.3 卸料斗设计 11

4 细节设计 12

4.1 蜗轮蜗杆传动设计 12

4.2 轴承设计 14

4.3 轴的设计 16

4.3.1 材料选择 16

4.3.2 轴的设计及校核 17

4.4 轴毂连接设计 18

4.4.1 花键规格 18

4.4.2 花键连接的校核 18

4.4.3 平键规格 19

4.4.4 平键校核 19

5 小结 20

总结 22

参考文献 23

致谢 24

1 绪论

1.1 课题背景

作为商品生产、流通和销售的重要组成部分，包装在社会经济活动链中扮演着十分重要的角色。如果缺乏包装技术系统的支持，商品经济活动将处于低价值和低效率的状态。而在商品的生产过程中，完成产品的包装作业从而使产品与包装物结合组成适合储存、运输和销售的商品系统的包装机械更是重中之重。包装机械在食品、农业、化工、轻工、机械、电子、医药、军工等行业都有着极为广泛的应用。包装机械的应用促进了生产力发展，提高了包装作业的质量和效率。设备也随着各个行业不同的生产要求发展出了与之相符的种类，其功能也愈加完善。

随着近代科学技术的进步，我们的物质生活极大丰富，而这也使得现代商品的品种、类型、结构、功能、品质要求日益复杂，消费市场对商品包装也提出了更高的要求。尤其是用于包装流动性较好的颗粒物料的颗粒包装机，在药物颗粒、橡胶颗粒、塑胶颗粒、肥料颗粒、饲料颗粒、化工颗粒、粮食颗粒、建材颗粒、金属颗粒等颗粒物料的定量包装上有着极为广泛的应用。在这种情况下，对广泛应用于药品食品行业的颗粒包装机的相关研究显然具有现实意义。而在颗粒包装机中，筛选与充填装置作为直接影响颗粒物料包装质量和效率的关键装置，研究并合理设计该装置显然是十分重要的。

1.2 课题目的及意义

在食品药品行业的实际生产过程中，往往需要对外形规则的颗粒物品进行整理和充填。本课题的目的针对颗粒状物料的筛选和充填问题展开研究，在总体设计方案基础上，对颗粒物品的包装工艺进行研究分析，完成符合颗粒包装机包装工艺流程的要求的筛选和充填机械装置的设计。

作为颗粒包装机的重要组成部分，筛选与充填装置能够保证颗粒物料要能按照包装工艺要求及包装机械的工作节奏，协调的将定量物料送达到预定的位置，筛选与充填装置的性能直接影响着包装机的包装质量和生产效率，与作业性能和包装件的质量密切相关，因此本次课题的意义在于通过设计合理的筛选与充填装置，满足颗粒包装的生产要求，保证和提高颗粒包装机的包装质量和生产效率，从而提高生产率。

1.3 国内外发展现状

我国包装机械发展起步较晚，相对于国际上同类产品的顶尖水平而言，我国的包装机械如今仍具有一定差距。但随着这些年国内包装机械行业的发展，包装机械已成为我国机械工业中十大行业之一，国产颗粒包装机的市场占有率在不断提升，相关技术水平也在不断提高，国内外总体差距在稳步缩小。

1.3.1 国内发展现状

我国的包装机械行业市场体量大，预计2020年国内包装机械行业市场规模将增长到2226亿人民币。但尽管市场规模庞大、包装机械需求量高，我国包装机械总体的技术水平仍未全部达到国际顶尖水平。其发展现状仍具有以下特点：

1、技术水平低：国内产品相对于国外顶尖的同类产品来说，在产品的效率、性能、质量、技术更新速度、新技术、新工艺、新材料应用方面仍与发达国家具有一定的差距。目前我国的包装机械现状是通用机型多、特种用途的设备少；技术含量低的产品多，高技术附加值、高生产率的产品少。目前很多技术含量高的包装机械或大型设备，国内目前仍不能制造或达不到使用技术要求，典型的如无菌包装机、大型高速饮料灌装机。有的设备如冰淇淋包装机等，国内目前虽然也能制造，但存在诸如可靠性不好，包装质量、效率等如进口设备的情况。大部分企业仍然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量的关键时期。

2、包装机械产品总体质量尚差：目前我国的包装设备厂商存在生产游离分散、规模较小、企业管理水平不高的现状。而且我国的包装机械生产企业的技术装备水平偏低、设备陈旧、效率低、精度差等问题较突出，加上技术水平方面的弱势，导致包装机械产品总体质量达不到国际一流水准。目前的国内包装机械与国外顶尖同类产品的差距仍集中表现在稳定性差、可靠性差、耗材多、基础件和配套件使用寿命短、无故障运行时间短、大修周期短。

　　3、种类及成套系列数量少：目前我国的包装机械种类仍较少，国内包装机械的生产厂商约有3600多家，但生产的包装机械品种却只有1300余种。目前绝大多数的包装机械厂家还是以生产单机为主，配套系列少。而国外的现状是大多以配套生产为主，较少生产单机。这种情况下一方面国产设备无法完全匹配和满足国内生产企业的需要，另一方面单机生产销售上利润相对较为微薄，没有销售成套设备利润空间高。

4、研发能力尚不足：目前我国包装机械行业的发展虽有创新，但仍在一定程度上停留于仿制、测绘阶段上。在企业管理上，往往存在重生产加工效率、轻技术研究开发和创新的情况，造成不能及时根据变化的市场需求提供产品。而且目前仍有相当企业开发条件落后、研发意愿低，其产品开发缺少创新，难以达到国际一流水平。除此之外，大部分包装设备生产商仍在用陈旧的通用设备来加工生产，难以及时运用研发成果。这些条件都使得相关企业对新产品的开发投入少、研发进度慢、开发周期长。

总的来讲，我国的包装设备目前仍然有着较大的发展空间。但显而易见的是，无论是在总体的技术水平上，还是在相关市场的市场占有率上，我国包装机械行业确实在稳步发展。　　

1.3.2 国外发展现状

国外包装机械发展程度总体较高，美国、日本、德国、法国、意大利等发达国家作为主要的包装大国，已形成包括包装材料、包装工艺和包装机械在内的完整而独立的工业体系。其中就包装机械而言，其发展现状集中表现在：

从技术水平上来讲，目前国外包装机械产品的品种大约有2300多种，成套数量多，并且不断有新技术、新产品出现。目前国外的包装机械产品的发展趋势是一方面向高精度、大型化发展，另一方面向多功能方向发展。如意大利ILAPAK公司的小剂量颗粒包装机采用机械转鼓式计量，连续式封合并裁切，一机多工位，包装速度可达120袋／分，其控制系统采用微机和可编程控制器。

从生产上来讲，目前，国外包装机械企业大多采用了CAD／CAM技术，数控加工中心和柔性制造系统的应用也较广泛。发达国家包装机械企业的技术研发、生产、销售等管理工作基本实现了计算机化。

从市场上来讲，2017年欧洲包装机械市场评估报告预计,欧洲包装机械市场的产值将在2020年达到96亿欧元；根据2017年美国包装机械制造协会（PMMI）公布的报告内容显示，2016年美国包装行业的市场规模达到了98亿美元，比上年增长了约4.8%。该报告还预测了2022年美国包装机械的出货量：已知2016年国内包装机械的出货量价值77.3亿美元，在未来五年中，这一数据会保持2.2%的年均复合增长率，并在2022年达到88亿美元。借用PMMI副主席乔奇·艾萨基尔多的话总结：“包装机械市场将保持稳健增长。我们预计，药品、食品、饮料等细分市场的快速发展是整个行业增长的主要原因，而这些增长的背后是美国人口增加、自动化需求上升及电子商务的不断发展。”

2 设计任务分析

本文设计的主要对象为颗粒包装机的筛选及充填机构，因此先对筛选与充填装置的主要任务进行分析，分析工作原理，并总结归纳优缺点。然后结合具体颗粒物料，分析该颗粒状物料的特点，结合筛选及充填机构的优缺点，选择最合适的方案。

2.1 筛选与充填装置分析

要分析筛选与充填装置的工作过程，就要结合其在包装机这个整体当中的位置来分析。

一台完整的包装设备应当是由诸多系统合作，协调完成包装生产的总体过程的。筛选与充填装置在包装设备中的位置如图所示：

表1.1 包装设备基本组成模块

作为包装产品的计量与供送系统，筛选与充填装置承担着在产品进入包装容器前对被包装物进行预先整理的任务。其工作的内容粗略的可分为2步：从堆放物料中筛选出定量的物料、将这部分物料装入包装容器。

为了完成对包装物料单位量的划分与控制，我们需要设计一个适合该种物料的计量工序。为了便于分析，这里使用了市场上销售量颇高的彩虹糖作为参考对象：

图1.1 彩虹糖的实物图

如图所示，彩虹糖的基本形状为可以近似的看做是直径为10mm的球形，其单个颗粒体积较小且表面光滑。

颗粒包装工艺的困难之处在于其包装对象颗粒物料的多样性和特殊性，颗粒物料一般体形较小且表面光滑，其原始状态杂乱，而且在进行物料供送时，空气与固体颗粒之间以及颗粒与颗粒之间有着错综复杂的相互作用, 所以在实际的生产包装中，颗粒的运动状态与空间分布往往呈现出多样性和复杂性。

目前常用的包装物充填方式主要有以下三种：计数法、定容法和称重法。

2.1.1 计数法

计数法是通过测定产品个数来确定每一批被包装的产品的。目前来说，工业生产中常用的计数法装置有两类：光学系统类和非光学系统类。其中光学系统类模拟视觉计数，系统类包括一个光敏接受装置，产品在规定距离依序经过该传感器时可以被感知并计数。按照光学元件的不同，具体又可以分为光电元件检测系统和电子模拟检测系统。

光电元件检测系统依靠记录光电传感器被遮断的次数来计数，这种方法适用绝大多数能遮断光线的产品的计数。但对应的，如果产品具有透明的、带孔洞的、环状物、多部分的以及部分折叠形的的特点，那么光电元件则很可能不触发或触发多次，因此这部分类型的产品不适用该方式。

另一种光学系统类的计数法装置是电子模拟检测系统。其中最为常见的是模拟照相系统。该系统采用光学照相阴影检测器来感知产品的通过，这种方式需要事先输入对象产品在通过时产生的某些参数来供系统进行对照。由于这些参靠量的灵活性，这种系统的适用范围比前者广，即使是可能两次触发光学元件的O形垫圈状物体和无法触发光电传感器的透明的物体，在经过装置时仍然会产生特殊但可仍然可检测的阴影。这种方式具有速度快、适应性强、准确性高的优点。

非光学系统类的计数装置采用的是模拟触觉的方式，又被称为触摸式计数装置，包括摆轮装置，电气触头和磁场触头三种方式。

摆轮装置一般只能适用单个特定的产品。因为该方式采用的机械性接收装置限定了只有某种固定尺寸形状的产品才能被输入和计数，因此无法包装同类的其他产品。

电气和电磁触头的机制类似：电气触头是产品通过监测区域与开关接触一次，触头发生信号，从而记录一次数据。磁场触头则是产品在通过检测区域时接触或扰乱电磁源产生的磁通，触头感知到磁通的变化就会记录为一个计数。

除了上述方式外，对于药片、药丸、巧克力糖球等规则状物品，还可以采用转盘计数法。通过一个每隔一定角度就设置有一定数量的小孔的转盘，当转盘转动到物料区时，物料在重力的作用下进入小孔，并由下方的固定盘拖住。当孔区转动到卸料斗时，物料落下。

2.1.2 定容法和称重法

定容法是通过计量被包装物的体积来完成对产品的筛选作业。这种预容积的计量方式对密度较稳定的粉末类、颗粒类和膏状物体都很适合。虽然按照其计量容积的方式可以分为量杯式，螺杆式和活塞式等不同种类，但其特点类似，即具有构造简单、造价低和计量速度快的优点，但缺点是计量精度差。

称重法则是通过计量目标产品落入料斗内的重量来完成筛选的。称重法又分为称毛重和称净重，称毛重一般需配合可以可以调速的供料装置，即在料斗内重量达到设定值前快速供料，快达到设定值时慢速供料，达到设定值停止供料。称净重则是包括间歇式和连续式，前者以多头组合秤为代表，后者以带式秤和螺旋推进组合秤为代表。不过总的来说，称重法适用的是尺寸大小不均，密度变化幅度大和易结块的产品。

2.2 方案的比较和选择

为了便于选择，将各种方案列在下表中以便对比：

表2.1 装置方案比较

结合我们选择的彩虹糖的特性，结合对成本的考虑，最终选择转盘计数法作为最终方案。

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