基于虚拟仿真技术的异形桶罐封口机构的设计研究

邹振健

摘要：金属包装容器由于具有优良的阻隔性能和力学性能，表面装饰性好，废弃处理方便等优点，已经广泛应用在食品包装中，特别在罐头生产中，大量地使用金属容器作为包装物。但金属容器的密封性是金属容器包装的重要一环，使用三维虚拟仿真技术进行设计，具有相对简单和明了的特点，文中以鱼罐头椭圆罐封罐机构的设计为例进行了研究，取得了满意的效果。
关键词：异形桶罐；封口；UG

引言

金属包装容器由于具有优良的阻隔性能和力学性能，表面装饰性好，废弃处理方便等优点，已经广泛应用在食品包装中，特别在罐头生产中，大量地使用金属容器作为包装物。金属容器的密封性是金属容器包装的重要一环，特别是非圆金属容器（又称异形罐）的封罐的形式一直是食品企业关注的问题之一。在一些罐头产品中，如豆豉鲮鱼一类的罐头，使用了大量的异形罐，如椭圆罐等，异性罐作为包装物使罐头产品的包装更为美观，更易吸引消费者。金属容器的密封，一般采用卷边封口的形式加以密封，卷边封口使金属罐体与金属罐盖的周边牢固，紧密钩合而形成五层卷边。但由于异形罐的形状不规则，封罐机的封罐机构较圆形罐复杂，给机构的设计带来了麻烦。为此，根据鱼罐头椭圆罐封罐机的生产现状，对异形罐封罐机构进行了基于三维仿真技术的设计研究，以求一种比较简单可行的异形罐封罐机构设计方法。

1 工作原理

图1 新型异形罐封罐机构
1、2、3-转盘；4-凸轮；5-滚轮；6-弹簧；7-封边滚轮；
8-行星轮机构；9-压盖、压罐板；10-周转轮系

如图1所示，异形罐封罐机构的部件主要由头道封罐凸轮导轨、二道封罐凸轮导轨、头道卷边滚轮、二道卷边滚轮、弹簧、齿轮周转轮系、压罐机构、转盘等组成，其工作原理为：异形罐在进入封罐机构封罐以前，先要通过排盖机构把异形盖放在异形罐的罐体上，然后再进入封罐机。当传送带把异形罐及其异形盖送到指定的位置后（压罐板上），转盘1向下移动，使压盖板压紧异形盖，使罐体在压盖板与压罐板的作用下相对固定，同时在周转轮系的作用下自传，罐体也随着同轴转盘1、2、3做周转运动，同轴转盘转一圈后，异形罐的罐体自身也自转约大于两圈，异形罐罐身在自转的过程中，封（卷）边滚轮依靠弹簧的拉力始终与其接触，并在拉力的作用下进行封罐卷边，当转盘旋转过180°后，罐体自转一圈，头道滚轮完成卷边；随后进入二道卷边，二道滚轮在凸轮导轨的引导下下降进入二道卷边，然后完成二次卷边。卷边完成后，凸轮控制滚轮使卷边滚轮移开，封罐好的异形罐进入下道工序。二道滚边原理和效果和头道滚边相同，在此不加累述。

图2 头道滚轮滚边前示意图

图3 头道滚边后效果图

2 设计计算

金属异形罐封罐机构除了机构运动方案的设计之外，还包括凸轮的设计、弹簧的设计、齿轮系的设计等。整个设计过程还进行了大量现场试验，以便在设计的过程中对参数进行修正。

凸轮机构是金属异形罐封罐机构的重要零件，本研究对凸轮机构的设计采用三维软件进行仿真设计。该凸轮包括两条导轨，即头道滚轮导轨和二道滚轮导轨（圆柱凸轮槽），当头道滚轮完成滚边以后，就使滚轮移开罐体并随着凸轮的运动上升，同时二道滚轮下降到预定位置准备二道滚边。由于头道滚轮和二道滚轮的交换有一个过程，故设计时整个转盘转一圈，罐体自转要大于2圈。UG（unigraphics软件）是一款集CAD／CAE／CAM于一体的强大的三维软件，目前基于UG的机构设计主要的两种方法是参数法设计和编程法设计，本机构的凸轮采用参数法进行设计，设计过程如下。

图4 圆柱轨迹及其坐标图

坐标的建立如图4 所示，且X轴过轨迹的最低点。各种参数如下：

①圆柱半径R；

②基圆柱半径Rb；

③从动件滚轮的厚度b；

④滚子半径r；

⑤从动件的运动规律S（φ），其中φ为凸轮的转角。

由图4，建立图示圆柱上的曲线方程：

从动件是一个滚子，（1）是滚子中心线的方程，现在要建立实际轮廓线。滚子的实际轮廓线为滚轮的切线，由高等数学知识可知，实际轮廓线的方程为滚子轮廓的圆曲线方程的导数。滚子轮廓圆曲线的方程为：

实际轮廓线方程为：

x、y、z 为理论廓线上的坐标；xa、ya、za为滚子圆和实际廓线上的公共点坐标，也是滚子圆实际廓线上的切点坐标。由于实际廓线也位于圆柱面上，所以满足下式：

联立以上3式，可得到在半径为R时的实际廓线的方程：

在得出了实际的轮廓曲线后，就可以利用UG6.0中的“工具”-“表达式” 建立相关的曲线方程，然后用UG中的“规律曲线”绘制出这些曲线，在绘制曲线前，先建立圆柱面,实际曲线绘制完成后，就在两条实际轮廓线之间建立一深度为b的槽。根据参数法设计的图形可以随时进行更改设计。

弹簧的设计主要是涉及到弹簧的长度，弹簧的弹性系数。弹簧的长度要根据罐形来选择，当封罐机更换罐形的时候，根据需要更新弹簧长度。弹簧系数要结合工况确定。异形罐的罐体材料，厚度确定后计算出其刚度，确定塑性变形所需的力，根据该力的大小来确定弹簧的参数。通过试验检测，要对马口铁异形罐卷边所需的力为9N左右。

F＝kx （5）

弹簧在封罐过程中变化范围由异形罐的罐形可计算出：

△x=（145.2-71）／2=37.1mm     （6）

k的取值要考虑到封罐过程由于罐形变化引起的作用力变化，还要考虑初始力的大小，综合以上因素，根据现场试验取k=50N／m。且弹簧封罐过程中最小伸长量18cm。由于要实现转盘与罐体的传动比，可以采用行星轮系，且n2／n1＝1／2.1。行星轮设计过程如下：给整个行星轮系加一个公共的角速度－ωH,即行星架固定。

为了防止根切，齿数z要大于17，故可取z2=42，z1=20。之所以取i=2.1，因为在异形罐进入封罐机构和出封罐机构都有一定缓冲过程，以及头道滚轮和二道滚轮的的切换需要时间。

图5 异形罐罐体

图6 行星轮系示意图

3 结束语

使用三维软件对异形罐封罐机的封罐机构进行仿真设计，设计相对简易实用，经实验可以满足对金属异形罐的封罐要求，进行仿真设计后的封罐机构进行封罐实验，具有如下优点。

（1）生产率高，可以达到20000罐／h，有利于工艺条件的改变与控制。

（2）便于连续生产和实现自动控制，提高劳动生产率，改善劳动条件。

（3） 机构调节性好。