某磁力式旋蓋裝置旋蓋頭的設計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11948某磁力式旋蓋裝置旋蓋頭的設計計算過程案例 194461.1旋蓋頭概述 1143901.2封口螺套結構設計 271671.3選用軸承 2226261.4彈簧設計及強度計算 31.1旋蓋頭概述1.1.1設計要求在機械包裝配置的工序中，擰入和擰緊外蓋是必不可少的過程。為了提高產(chǎn)品的封存質(zhì)量，旋蓋中是否緊密對被包裝物的存儲時長會造成不同的結果。常用的蓋板組成部分有外部摩擦輪，機械夾持器或氣脹條等，旋緊驅動力多用電動機，燃氣電機等。按照常理來說，當面對一些情況時，需要旋緊的力的大小通常維持在最小值以上，從其他方面來講，需要在某個區(qū)域進行控制，必須避免蓋子松動或過緊對此，國家有相關的規(guī)定，企業(yè)制訂了相應的標準，設備的功能也被要求滿足這一需求。1.1.2摩擦片扭矩限制機構驅動軸與工作摩擦力形成一個傳力剛體。同時，不存在用于傳力的緩沖和扭矩限制結構。僅僅利用動態(tài)摩擦力來控制蓋的扭矩，由摩擦結構與蓋外部的接觸程度決定。操作員調(diào)整摩擦單元與蓋子之間的距離，以改變摩擦單元與蓋子外壁之間的接觸張力。它的品質(zhì)問題就會無法確保。由于摩擦片與蓋的外壁在工作過程中可能存在損耗，橡膠摩擦輪損失大，污染了蓋的外壁。操作人員很難適應。大型的機器通常盡量不使用此類結構。在旋轉軸和工作摩擦元件之間加上一個限制扭矩元件或者摩擦元件。此結構能夠起到不停翻轉的作用，容易快速調(diào)節(jié)。運作的時候，僅需兩者的摩擦力與蓋外側的接觸張力足夠大，就沒有相對滑動。扭矩控制與摩擦片產(chǎn)生的摩擦力矩有關。圖1.1螺套布局圖1.2封口螺套結構設計密封螺套用于抓起瓶蓋，使瓶蓋與瓶口相對應。從設計的要求方面來說，要使該部件在工作時不受到空氣介質(zhì)的影響，參考的根據(jù)會實際瓶口不同的大小也會有所變化。在實際測量中，瓶蓋的旋緊尺寸要收緊到規(guī)定的直徑范圍內(nèi),應確保裝置抓起瓶蓋時沒有損壞。將樣品蓋旋入樣品瓶上擰緊，蓋上樣品瓶蓋，取下放置時應平穩(wěn)，不得有劃痕。鉆孔時，孔的中心應該與電極對齊，以形成齒尖。如果電極形成的齒數(shù)不是6倍的齒數(shù)，則孔的中心應盡可能與齒尖對齊；應注意確保齒部噴砂的時間和強度，以避免損壞。所以螺套的結構布局如圖1.1：1.3選用軸承a.軸承種類繁多，所以當選擇這部分部件的時候可以參考以下情況：

1.載荷的大小、方向和性質(zhì)：

若是要選擇最合適的軸承，那么確定的根據(jù)則是載荷。一般選擇軸承是從這三個方面來參考的。

1）如果是線接觸，滾動軸承承載能力高，適于承載大負荷；由于點接觸和低負荷能力，球軸承適用于輕負荷和中等負荷。

2）在載荷方向純徑向力的影響下，應選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承和調(diào)心滾子軸承。在純軸向載荷的情況下，應選擇推力球軸承或推力滾子軸承。當徑向載荷和軸向載荷相結合時，一般可以選擇角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，通過增加接觸角，這兩種軸承在軸向載荷作用下的承載能力增大。當徑向載荷較大，軸向載荷較小時，也可選用深溝球軸承和內(nèi)外圈有擋邊的圓柱滾子軸承。當軸向負荷較大，徑向負荷較低時，可以選用推力角接觸球軸承和推力圓錐滾子軸承。

2.可接受轉速：一般情況下，摩擦扭矩和運轉穩(wěn)定的軸承都會有很高的速度。球軸承具有比滾珠軸承更高的速度，因此球軸承應該優(yōu)先用于高速。如果徑向載荷較低，則選擇深溝球軸承:如果徑向載荷較大，則選擇圓柱滾子軸承。對于組合載荷，應該選擇低載荷的角接觸球軸承；如果載荷較大，則選擇圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承的組合。內(nèi)徑相同，外徑尺寸越小，滾動體就會越輕越小，運轉時滾動體作用在外圈上的離心力也會越小，因此會越適合高速下工作。在一定條件下，工作的轉速達到了一定的數(shù)值，可以選擇從直徑方面著手選擇合適的軸承。

3.適宜的剛度：當承受工作載荷時，軸承與部件的接觸面容易導致彈性變形，由此可以看出軸承的剛度由工作載荷的比值決定。若是想提高軸承的剛度，就得調(diào)整預緊力。與此同時，還可以參考一下軸承是如何排布的。

1.定位誤差：軸承安裝好后，一般會在加工的時候出現(xiàn)誤差從而導致安裝和定位的不準確。不僅如此，軸承內(nèi)部的一些不穩(wěn)定因素也會造成影響，使軸承承受的負荷超過了所能承受的最大值，造成嚴重的后果。所以，只有選擇合適的軸承才能解決定位誤差等問題，減少不必要的損失。

5.安裝和拆卸：軸承的使用時間通常很難與主機的使用時間相一致，在實際使用中，軸承作為敏感零件應經(jīng)常安裝和拆卸。因此，在選擇支承結構類型時，應考慮安裝和拆卸的快捷性。例如一些可以將內(nèi)外部相互分離的軸承，還包括一些自身攜帶固定軸套且能夠卸下的軸承、可減小安裝誤差的軸承，這些都很容易拆卸。

(6)適銷性：雖然軸承在產(chǎn)品目錄中，但是不一定在市場上出售；相反，一些沒有記錄的軸承是批量生產(chǎn)的。1.4彈簧設計及強度計算圖1.2彈簧結構布局1.1.1彈簧設計彈簧在抓取蓋口以及旋緊的過程中，會減緩沖擊、保護瓶蓋，憑此避免造成對瓶蓋的嚴重損壞。根據(jù)要求，彈簧參數(shù)如下：表1.1彈簧確定參數(shù)負荷P1(N)負荷P2(N)有效圈數(shù)n總圈數(shù)n189.91058101.1.2彈簧剛度計算在選取彈簧時，應考慮彈簧的剛度、承載能力和疲勞程度。a.計算彈簧鋼絲直徑根據(jù)《機械設計》查得彈簧鋼絲參數(shù)：表1.2鋼絲參數(shù)材料許用應力()切變模量G()()60Si2Mn48081200b.根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲在相同條件的情況下，彈簧C值越小，剛度越大，即彈簧越硬；還應充分注意到的是，C值越小，彈簧內(nèi)外應力差越大，滾動越困難，工作時材料資源利用率概率也就越低，扭轉載荷越高。所以在彈簧設計時，一般規(guī)定c≥4，如果彈簧絲直徑d越小時，c值應較大。初步選取旋繞比。根據(jù)《機械設計》式16-4得曲度系數(shù)： (1.1)由于F=735N，則： (1.2)根據(jù)《機械設計》式16-10得： mm (1.3) 故選取d=10mm。c.計算彈簧中徑 (1.4)確定系列值D=80mm。d.根據(jù)剛度條件計算彈簧圈數(shù)n對于壓縮彈簧和無預應力拉伸彈簧 圈 (1.5)取n=8圈，故彈簧的總圈數(shù)為： 圈 (1.6)彈簧節(jié)距： P=0.28D=0.28×80=22.4mm (1.7)e.彈簧間距和螺旋角間距： (1.8)彈簧螺旋角： (1.9)彈簧剛度計算： (1.10)f.彈簧驗算(1)疲勞強度驗算：取′=200MPa，故： (1.11)彈簧材料產(chǎn)生的最大和最小循環(huán)剪切張力： (1.12) 疲勞強度安全系數(shù)及剛度條件計算： (1.13)一般取1.3~1.7；故： 所以此彈簧可以滿足疲勞強度的要求。(2)彈簧靜應力強度驗算：靜應力強度安全系數(shù)計算值： (1.14)一般取1.3~1.7； 所以此彈簧滿足靜應力強度。綜上所述此彈簧滿足要求。1.5磁力扭矩限制機構設計及計算1.5.1磁力扭矩限制機構設計圖1.3磁力扭矩限制機構1-驅動輪2-調(diào)整環(huán)3-主動體4-彈簧5-永磁體6-從動體7-摩擦輪或其他與蓋工件相連接構件旋蓋裝置是運作時擰緊瓶體的重要工件,在工作時，適當?shù)牧厥切枰槐ＷC的。如果扭矩太大,會對瓶口和瓶蓋造成損壞；相反的話，瓶蓋離瓶口就會留有一定的距離。因此，本部分重點在研究旋蓋頭的磁力扭矩限制結構的設計上。當工作時，扭矩由電機輸出,電機由帶輪驅動并傳輸?shù)街鲃哟疟P,被動磁力旋盤通過軸承與主動磁力旋盤之間可相對轉動，二者間軸向隔距可調(diào)，16塊小永磁體均勻地嵌在兩塊磁體相對的正面。這些磁體根據(jù)它們的極性分布在相反的地方。所述旋轉噴嘴與被動磁轉盤連接，用于擰緊瓶蓋。因此，主動磁盤與被動磁盤代表一個磁驅動器，當磁力相互作用時，被動式磁盤和旋嘴接收一個扭矩，擰緊由噴嘴夾住的瓶蓋。最顯著的特點是蓋頭的尺寸可以根據(jù)瓶蓋的不同類型、瓶蓋的大小進行便捷的設置和調(diào)整，主動盤和被動盤之間的距離可以調(diào)節(jié)，通過主動磁力旋盤和傳動軸上的螺紋及定位螺釘，調(diào)整主動磁力旋盤和被動磁力旋盤之間的間隙，設置磁驅動裝置之間的氣隙長度，并對磁力傳動器所能傳遞的極限扭力矩進行了調(diào)整，設置磁驅動裝置傳遞的極限值。瓶口雖然已經(jīng)擰緊，主動磁盤卻繼續(xù)旋轉，所以輸入扭矩超過了磁力驅動所能傳遞的最大扭力矩的承受范圍，主動磁盤與被動磁盤滑塊以及主動磁盤可以繼續(xù)旋轉，同時與瓶蓋一起靜止不動，磁頭施加的擰緊扭矩是通過磁力可以傳遞的最大扭矩，它不會因為傳動輸入軸和主動磁盤的連續(xù)旋轉而增加扭矩，也不會損壞瓶嘴、瓶蓋和旋蓋頭。該結構以磁體間的斥力作為扭矩，通過調(diào)整磁體間距來改變磁體間的斥力，以滿足扭矩要求。1.5.2磁力機構設計旋蓋裝置是運作時擰緊瓶體的重要工件,工作時，必須保證適當?shù)男o力矩。在工作時，適當?shù)牧厥切枰槐ＷC的。如果扭矩太大,容易損壞瓶口。綜上所述，本部分重點在于旋蓋頭的設計構思上。旋蓋頭磁力聯(lián)軸的設計屬于平面軸向磁力耦合傳動的磁力傳動，它的設計包括了兩個方面例如：磁環(huán)的類型、磁性材料的選擇，磁力耦合系統(tǒng)力學性能的計算。磁開關的類型是帶有偶數(shù)個采用磁體極性呈偶數(shù)交錯排列的張力組合型磁開關，實踐證明，磁極數(shù)按12-24個之間為偶數(shù)布置時，傳遞轉矩較大。21世紀以來，性能好的磁體材料也得到了極大的發(fā)展，在各方面被使用，并且很多的金屬材料磁力性能都非常高，較宜制作磁力耦合機械，能實現(xiàn)磁性材料用量少、磁力耦合機械個頭較小、質(zhì)量較小。如果要傳遞的力矩不大時，也可采用性價比比較高的鐵氧體永磁。平面軸向磁力聯(lián)軸器的傳輸點M可用下式描述： (1.15)上述公式能夠當作解釋磁力耦合系統(tǒng)各參數(shù)的依據(jù)。增大磁體的體積、增大磁體的平均旋轉半徑r和減小氣隙長度Lg有利于提高傳遞力矩M。若是磁鋼體積和它的半徑、兩磁鋼的間隙都是固定值，扭矩M就需要改變間隙。綜上所述，改變最大的旋緊扭矩就靠兩磁座之間的間距變化。故表明，當此磁力耦合系統(tǒng)的尺寸（即、Am、Lm、Lg）一定時，傳遞力矩M是φ的函數(shù)，為此設m=Lm/Lg，并令?M/?φ=0，可解得： (1.16)由1.15式中得： (1.17)對于間隙比較小的磁鋼，忽略其影響即令：K關于傳遞力矩的計算結果帶來的影響雖然大，卻可以大概率地簡化計算，所以在設計的上式中使Kf/Kr≈1。如此，借助計算機按式(1.16)解得與某一Q值對應的旋蓋頭的磁力傳動器中，主動、被動磁力旋盤上分別均布有16塊（極性交錯排列）小磁體（進口鐵氧體）：Br＝0.43T，Am氣隙Lg(即主動、被動磁力旋盤間的隔距)實際使用時可在0.002和0.004m間調(diào)整，則：將Q代入式(1.16)得到=0.6565～0.7165的解，再代入式(1.15)得到磁力耦合系數(shù)，并得出扭矩，即裝置旋緊后的扭矩M=0.8183～0.4375。當然，經(jīng)過調(diào)節(jié)兩磁座之間的距離Lg來降低瓶口的磨損概率。表3-1顯示了可在磁力旋蓋頭的選取不同間距Lg時施加的旋緊力矩（即最大傳遞力矩）的計算值。表4-3的結果可作為磁力旋蓋頭時的參考。舉個例子說明，若是處理瓶口的裝置采用磁力式旋蓋，要求旋緊力矩為0.68，那么兩磁座之間的間距Lg則需要精確到小數(shù)點后四位。一般來說，設計磁力耦合傳動器時可根據(jù)所要求傳遞的力矩，修改磁力傳動器的尺寸，結合以上的內(nèi)容求得最大力矩，最終能夠滿足要求。計算得出來的數(shù)值按理來說比規(guī)定的數(shù)值稍大，誤差范圍3%～8%。表1.3不同Lg時的cosφ與最大傳遞力矩M值Lg/m0.00200.00250.00300.00350.00400.65650.67770.69370.70630.7165M/計算值0.81830.68410.58190.50170.4375具體實施及旋蓋方法：(1)將螺母的上部分和旋轉軸固定聯(lián)結，連接螺母下端與上套座牢固連接，從動芯軸安裝上套筒座的上下層上，上磁座與上套筒座固定聯(lián)結，上部分的磁鋼與磁座相配合并嵌入其中，推桿放置于滑動套的圓孔里面，彈簧設計在推桿上部分的圓心孔內(nèi)，滑動套和包含彈簧的軸套都固定在從動軸的下半部分的圓心孔中，矩形塊放在推桿下面，將下部分的磁座安裝在從動軸的下端，然后用螺釘固定好，下部分的磁鋼與磁座相配合并嵌入其中，同時其前側上嵌有下磁塊的設置:根據(jù)對應的上磁塊，將蓋擰在連接蓋的下部。如果操作者手動操作快速更換滑塊時，則不會立即運動，當然若是矩形塊往上，那么用于定位的小球就會移動到固定好的螺母中。此刻，可以將接頭零件上的旋轉套的上半部分嵌入導向套的圓心孔內(nèi)。若是滑動塊移動，在彈簧的彈性變形的作用下，定位的球形滾珠會借此將旋轉套固定好，使更換便捷。當蓋口被擰緊后，換句話說扭矩比旋轉套和墊片兩者間的接觸力矩還要大時，旋轉套就會被固定好。而預緊力是用調(diào)節(jié)螺母進行，扭矩則是有彈簧的彈力來輔助。因為本題設計的是磁力式旋蓋裝置，所以磁力強度的大小會對扭矩造成影響，而上下部分相對應的磁鋼也包含在影響之中。在裝置運行的過程中，改變磁鋼間的間隙來達到要求。(2)將一個彈性圈放置在裝置的上半部分,通電后，旋轉軸會帶動磁座的旋轉，而上下兩端的磁鋼則通過改變間隙使軸套旋轉，推桿向下移動，使瓶蓋壓緊在瓶口處，然后瓶蓋通過彈性圈將其擰緊，（1）中的內(nèi)容已經(jīng)敘述了磁鋼間的間隙與強度會影響力矩。軸承連接著從動軸與環(huán)座，產(chǎn)生的阻力可以忽略。磁力式旋蓋裝置從綜合方面來講有很多優(yōu)點，但仍存在著一些問題：定位所用鋼球與邊界孔接觸，運作頻繁造成損壞，會需要經(jīng)常的更換，而且彈簧使用的時間越長，彈性變形就會越小，最后起不了作用。定位的滾珠運作后會產(chǎn)生變化，扭力運動很容易扭曲，導致旋蓋不緊。1.6旋蓋頭安裝維護在安裝蓋頭之前，必須仔細閱讀說明書，并