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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 14 頁
單齒齒輪傳動中輪齒負載的動力學研究
W.Nadolski，Warsaw
Archive of Mechanics 61(1991)523-531
摘要：此文中對單齒齒輪傳動中輪齒負載的動力學研究分析中提及了一種離散—連續(xù)的分析模型，在此模型中恒定的等效嚙合硬度和由轉(zhuǎn)矩引起的可估算的軸變形均被考慮到計算當中。在分析討論中應用到了波形圖法，即利用了運動方程式而得到的波形圖。數(shù)值計算都集中在確定輪齒上的動力載荷波動的波幅大小，計算時還要考慮到在第一第二共振區(qū)域外部激發(fā)作用下的頻率變化。
1 緒論
在參考文獻[1，2]中剛性齒單齒輪傳動的動力學研究是在離散—連續(xù)的模型中被執(zhí)行的，此文中也考慮應用一種相似的模型，然而此處相嚙合齒的齒廓等效剛度可被假設為3到6的常數(shù)，在科技文獻中齒輪傳動的研究大多依靠在一到多個自由度條件下進行離散分析（見參考文獻 [7,8]）。
此文中的離散—連續(xù)模型由兩個可測得軸和四個在考慮旋轉(zhuǎn)軸時質(zhì)量慣性矩為常數(shù)的剛體組成，這樣的齒輪傳動都要考慮由于撓度作用消除支撐軸承的變形和軸系大體上的扭轉(zhuǎn)變形。系統(tǒng)中的剛體所受外力矩是被隨機加載的。阻尼的作用也被考慮在內(nèi)，主要依靠當量的粘滯型外阻尼和當量的福哥特型內(nèi)阻尼。本研究中還會運用利用波形圖法來解運動方程式的方法，這種方法可以用來測定在齒輪齒的位移，張力和速度處于穩(wěn)定狀態(tài)或者瞬時狀態(tài)下，輪齒上動載荷的變化。為了挑選描述單齒齒輪傳動各種機械性能的參數(shù)而進行的數(shù)值計算，目標主要集中在測定齒輪齒上動載荷的振幅大小與處在第一第二共振區(qū)域的外部激發(fā)的頻率大小的關(guān)系。
2 假設和控制方程
圖1. 單齒齒輪傳動模型
假設這個單齒齒輪傳動的離散—連續(xù)模型有平行軸，圖1中齒輪軸1和2的性能用以下參數(shù)描述，剪切彈性模量G，極慣性矩Ii，密度和長度（i=1,2），輪齒4,5和剛體3，6的質(zhì)量慣性矩分別為（i=3,4,5,6）。X軸平行于齒輪軸，而且它的原點在未受干擾前提下與齒輪軸1的左端點的位置一致。在t=0時齒輪軸橫截面的位移和速度可以假設等于0，這里分析時不包括一些細微因素的影響，例如制造加工時造成的齒形誤差，齒面磨損，離線的運動接觸，齒間潤滑油的影響等，這些因素在齒輪傳動的運動分析中通常被忽略不計。在這些假設下這個單齒齒輪傳動的控制方程將會是線性的。
假設在運動過程中輪齒不分離，而且在橫截面x=L1處的軸位移滿足關(guān)系式（1）
（1）
其中R4、R5分別齒輪4和5的節(jié)圓半徑，θi（x，t）分別為齒輪軸1和2的角位移。
輪齒上的動載荷可由下式表達
（2）
其中Km為等效嚙合剛度,Cm為嚙合阻尼系數(shù)，α為與節(jié)圓半徑R4、R5對應的壓力角。需要指出的是在參考文獻[1，2]中（1）式等于0，描述無齒形誤差的動載荷的公式（2）是從參考文獻[8]中得到的。
在以上假設條件下，測定公式（2）中出現(xiàn)的位移和速度的問題最終歸結(jié)為解下面這個經(jīng)典的波動方程
（3）
初始條件為
（4）
邊界條件為
（5）
其中M(t)為加載在剛體3上的外激勵，（i=3,4,5,6）和（i=1,2）分別為外阻尼和內(nèi)阻尼系數(shù)，出自參考文獻[1，2]。
邊界條件（5）和參考文獻[1，2]中的參照條件是相似的，他們之間的區(qū)別是，在條件（5）中動載荷依照（2）式得出，并依靠等效嚙合剛度和嚙合阻尼系數(shù)。如果（1）式等于0則文獻[1]中的邊界條件和此文中的邊界條件是相同的。
在緒論上的無量綱數(shù)為式（6）如下
關(guān)系式（3）—（5）為
（7）
（8）
其中θ0為一個等于常數(shù)的角位移，為方便分析此模型中的圍護邊界被省略。
式（7）的解代入到初始條件（8）中可以得到以下公式（10）
（10）
其中這些表示波形的未知因素和是由外部力矩M(t)引起是的，齒輪軸一和二間的傳動方向一致并分別與x軸方向垂直。自變量和在計算中已被考慮在內(nèi)，第一次擾動在齒輪軸1中出現(xiàn)在t=0時x=0處，在齒輪軸2中出現(xiàn)在t=1時x=1處。變量和是連續(xù)的而且對于負的自變量它們都等于0。
把式（10）代入邊界條件（9）可以得到對于和的微分方程。從式（10）的形式可知道它遵循的是在不同時刻的瞬時狀態(tài)和不等于0，在計算中為方便操作在所有函數(shù)中引入常規(guī)自變量z。在參考文獻[1，2]中對剛性齒齒輪傳動的研究中，每個等式中從邊界條件獲得的最大的自變量也是用z表示，在這種情況下當齒輪齒是柔性時，適用的方程式會稍微的更加復雜些，因為這些函數(shù)f2，g1與實變量z，z2=z+2都不是相互獨立的，這種情況下，把式（10）代入式（9），我們可以得到下式
其中
（12）
微分方程（11）可以依靠有限差分法求解，當z≥0時可以從式（11）中求得函數(shù)f1，f2，g2的值，當z2=z+2≥0可以從式（11）中求得時函數(shù)g1的值。對于負的自變量它們卻都等于0，所以從式(11)3可得它遵循的是當z2=z+2<2時g1(z2)≡0.雖然函數(shù)f2(z)和g1(z+2)都不是相互獨立的，但是依靠恰當函數(shù)已知的函數(shù)值，運用有限差分法可以推導出這些函數(shù)的表達式。這些表達式將在附錄中給出。
3 數(shù)值計算結(jié)果
在數(shù)值計算中下列單齒齒輪傳動的參數(shù)都是假設的，假設如下：
量綱量
無量綱量
該文分析過程中包括以下無量綱量：當齒高等于0.10m，嚙合阻尼系數(shù)Cm=Di1時，嚙合剛度=0.005 859，0.018528，0.0585（單位分別為）參見參考文獻[9—11]。
外部力矩M(t)是隨機得到的，它可以是規(guī)則的或不規(guī)則的，周期的或非周期的。此處假定有下式得出
（14）
其中， 是無量綱的外激勵頻率。
目前考慮的重點集中在，在考慮頻率處在第一第二共振區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)下的外激勵的作用下，如何測定齒輪齒上的動載荷的振幅。
由（2）式給出的動載荷的表達式，是依靠等效嚙合剛度Km, 嚙合阻尼系數(shù)Cm和相對位移，及相對速度而得到的。阻尼對，的影響，Km、 Cm對動載荷的影響，分別在圖2，3，4中顯示出來。
圖2.振幅—頻率對，的影響曲線
圖2所示振幅—頻率對相對位移的影響曲線是連續(xù)曲線，對相對速度的影響曲線點曲線。這些曲線是運用式（11）利用參數(shù)（13）和以下附加參數(shù)計算得到的。
附加參數(shù)為
外阻尼對該研究中函數(shù)的作用是可估測的，但是內(nèi)阻尼的影響是完全可以忽略的。圖2中對于每條有確定的Di1值的曲線都符合系數(shù)Di2的三個值，所以內(nèi)阻尼的影響是不可測得的，進一步的數(shù)值計算擬定內(nèi)阻尼系數(shù)D12=D22=0.01外阻尼系數(shù)Di1=0.05（i=3，4，5，6）。
圖3.Km—動載荷振幅關(guān)系圖 圖4.Cm—動載荷振幅關(guān)系圖
圖3繪制的圖形可知，動載荷的振幅在Cm=0時，對于不同的等效嚙合剛度=0.005859，0.018528，0.05859所得的圖形是規(guī)則的，也就是說在第一共振區(qū)里載荷的最大振幅會隨著Km的增大而升高，圖4，5，6，7和9中動載荷的振幅—頻率曲線都是在Km=0.018528的條件下繪制的。
嚙合阻尼系數(shù)Cm對動載荷的影響在本項研究中分別取值為Cm=0，
0.01，0.05，0.1。圖4中遵循忽略嚙合阻尼系數(shù)Cm影響，除了處在第一諧振區(qū)鄰域內(nèi)的情況。
此項研究中的單齒齒輪傳動由式（13）中的多個參數(shù)表現(xiàn)出來，例如參數(shù)K1，K2和A6對動載荷P的振幅—頻率曲線的作用在圖5，6和7中表現(xiàn)出，圖6中遵循的是載荷P的最大值隨處于第一共振區(qū)域的自變量K2的值的升高而升高。這樣的規(guī)律在圖5和7是沒有表現(xiàn)的，圖5和7中分別表現(xiàn)的是不同的K1和A6對振幅—頻率曲線的作用。
圖5.不同K1對動載荷振幅的影響 圖6. 不同K2對動載荷振幅的影響
從圖2-7可以發(fā)現(xiàn)它們都遵循這樣一個規(guī)律，動載荷P的最大振幅出現(xiàn)在第一共振區(qū)，當外激勵的頻率等于自激振動的第一頻率ω1時。這樣進一步的數(shù)值計算中，將對共振振幅進行討論，依靠A6的作用挑選出適當?shù)腒m，K1和K2，這些數(shù)據(jù)可用于測定=ω1時動載荷的振幅。
在忽視阻尼和邊界條件（9）中外力矩作用的情況下，運用分離變量法求解式（7），可以獲得自激振動的第一頻率及其次的頻率。
在圖8,9中可見參數(shù)Km，K1和K2對動載荷P共振振幅的影響，其中A6的變化范圍是從0.03到0.77。圖8中繪制出了對于各個不同的Km=0.005859，0.018528，0.05859的適當?shù)膱D表，圖8中各曲線的規(guī)律是，隨著參數(shù)A6的升高動載荷的共振振幅先單調(diào)升高達到最大值然后單調(diào)下降。對于確定的A6共振振幅隨著Km的升高而升高，同樣的結(jié)論也可以從圖9中得到，圖9表現(xiàn)了當A6升高時不同的指示參變量對K1，K2所得到的共振振幅變化曲線，其中常數(shù)K1的值由d1=0.06m，0.10m，…，0.22m決定，常數(shù)K2的值由d2=0.09m，0.15m，…，0.33m決定，d1，d2分別為齒輪軸1，2的直徑。
圖7. A6=0.03，0.15，0.75時動載荷振幅變化
圖8. Km對動載荷共振振幅的影響 圖9. K1和K2對動載荷共振振幅的影響
4 最終備注
本文介紹的事項理論上有這樣一個性質(zhì)，它們都涉及到了單齒齒輪傳動的離散—連續(xù)模型，此模型具有不變的等效嚙合剛度并且齒輪軸是扭轉(zhuǎn)變形可稱的。此項研究中還運用到了波形法。數(shù)值計算的結(jié)果也給出了關(guān)于這些參變量在研究過程中的影響的信息，描述了這種單齒齒輪傳動及作用在齒輪齒上的動載荷的振幅。實際情況下，這些已得到的信息對設計單齒齒輪傳動是很有用的，其中等效嚙合剛度可以假定為常數(shù)。
附錄：函數(shù)g1（z2）和f2（z）的測定
函數(shù)g1（z2）和f2（z）都是由式（12）中的第三第四等式?jīng)Q定的，運用有限差分法給出下列等式
定義
g1（z2）和f2（z）的表達式
參考文獻
單位代碼 02
學 號
分 類 號 TH6
密 級
畢業(yè)設計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
2011 年3 月 10日
黃河科技學院本科畢業(yè)設計（論文）任務書
工 學院 機械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 08 級 1 班
學 號 學生 指導教師
畢業(yè)設計（論文）題目
螺旋紙管卷管機設計
畢業(yè)設計（論文）工作內(nèi)容與基本要求（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）以及設計技術(shù)要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁）
一、設計技術(shù)要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）
通過實習調(diào)研搜集資料，運用所學知識，并借助CAD等繪圖軟件，針對化纖用螺旋紙管，設計一種螺旋紙管卷管機。該機必須滿足以下要求：
1：螺旋紙管卷紙層數(shù)6-12層，紙寬60-110mm；
2：卷軸直徑Ф65-Ф120mm；
3：卷管外徑Ф80-Ф140mm；
4：卷管速度3-8m/min；
5：調(diào)速方法采用勵磁調(diào)速電機實現(xiàn)無級調(diào)速；
在做本課題時，需要查閱機械原理，機械設計，包裝紙性能，機械設計手冊1-5卷等相關(guān)資料。
二、設計目標與任務
1.查閱文獻資料12種以上，外文資料不少于兩篇。寫出3000字以上的文獻綜述，單獨裝訂成冊。
2.翻譯外文科技資料，不少于3000漢字，單獨裝訂成冊。
3.完成開題報告，填寫開題報告表。
4.擬定設計方案，完成螺旋紙管卷管機結(jié)構(gòu)設計及強度計算等。
5.卷管機裝配圖一張A0；
卷管機架零件圖一張A0；
卷管機花鍵軸零件圖一張A3；
卷管機托板零件圖、支撐板零件圖各一張A1；
6.編寫摘要，英中文完全對照，中文不少于300字。
7.編寫設計說明書，不少于8000字符。
三、時間安排
1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設計
5-10 周 完成總體設計、完成部分機構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書
10-11 周 修改論文、資格審查等
12 周 畢業(yè)答辯
畢業(yè)設計（論文）時間： 2012 年 02 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日
計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 05 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
單位代碼 02
學 號
分 類 號 TH6
密 級
畢業(yè)設計說明書
螺旋紙管卷管機設計
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
2011 年 5 月 15日
黃河科技學院畢業(yè)設計（論文）開題報告表
課題名稱
螺旋紙管卷管機設計
課題來源
教師擬訂
課題類型
工程設計真實課題AX
指導教師
學生姓名
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
學 號
1、 調(diào)研資料的準備
螺旋紙管已廣泛應用于食品包裝，農(nóng)膜，造紙，紡織等行業(yè)，主要包括纏繞膜紙管，膠帶紙管，保鮮膜紙管，熱電偶紙管，塑料薄膜紙管，造紙用管，皮革紙管，鋁箔紙管，高強度紙管，化纖紙管等，適用范圍比較廣，用量比較大。
此次設計我是用螺旋紙管卷管機設計作為設計的課題。在準備階段，我首先在網(wǎng)上搜集了一些關(guān)于卷管機工作原理的資料，中國卷管機的發(fā)展前景以及國內(nèi)外卷管機的發(fā)展現(xiàn)狀。然后又在圖書館的網(wǎng)站上搜集了一些關(guān)于卷管機設計方面的材料和文獻。
二、設計的目的與要求
畢業(yè)設計是大學教學中最后一個實踐性教學環(huán)節(jié)，通過該設計過程，可以檢驗學生所學的知識，同時培養(yǎng)學生處理工程中實際問題的能力，因此意義特別重大。
要求：查閱文獻資料12種以上，外文資料不少于兩篇。擬定設計方案，完成螺旋紙管卷管機機構(gòu)設計及強度要求等，完成卷管機裝配圖一張A0;卷管機架零件圖一張A0；卷管機花鍵零件圖一張A3；卷管機托板零件圖、支撐板零件圖各一張A1；編寫摘要，編寫設計說明書。
三、設計的思路與預期成果
（1）.了解卷紙機的結(jié)構(gòu)和工作過程，對自動換卷系統(tǒng)進行設計。
（2）.進行基本的幾何計算和受力分析，選擇合適的參數(shù) （3）.完成文獻綜述和外文翻譯。
（4）.設計圖樣（包括總裝圖和主要零部件圖）。 （5）.完成畢業(yè)論文，編寫設計說明書。
四、任務完成的階段內(nèi)容及時間安排
1周———4周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設計
5周——-10周 完成總體設計、完成部分機構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書
10周——11周 修改論文、資格審查等
12周 畢業(yè)答辯
五、完成設計（論文）所具備的條件因素
首先完成本次設計，主觀上要有主動性，閱讀與題目相關(guān)的資料等，同時也必須了解論文的格式，撰寫的方法等等。其次客觀上要具備一定的條件，如通用計算機，繪圖機，設計室，AUTOCAD、SOLIDWORKS、UG、電子圖板等繪圖軟件，有關(guān)參考書、工具書、資料等。
指導教師簽名： 日期： 2012年2月20日—2012年2月27日
課題來源：（1）教師擬訂；（2）學生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設計（藝術(shù)設計）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報告
（2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻綜述） 第 16 頁
螺旋卷管機的工作原理
摘要：卷管機是生產(chǎn)卷紙管的機器，卷管部分是螺旋紙管生產(chǎn)的最主要的一部分，本文主要介紹卷管機的發(fā)展歷程及其工作原理。本文研究了螺旋紙管（罐身）各參數(shù)之間，以及皮帶輪直徑和最大紙管外徑之間的關(guān)系，另外還研究了螺旋焊管的成型原理，對螺旋焊管成型技術(shù)的輥形設計、預彎定位、成型控制以及彎板輥的適用性等問題進行了研究，并給出了成型工藝設計示例。
關(guān)鍵詞：卷管機的發(fā)展/螺旋紙管/成型原理/螺旋焊管/預彎/彈復
前言
卷管機，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機器，是一種紙料加工機械，它以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過切刀成片，將其卷成紙管的設備[1]。生產(chǎn)的卷紙管應用于各個行業(yè)，有纖工業(yè)用管、薄膜工業(yè)用管、印刷工業(yè)用管、造紙工業(yè)用管、皮革工業(yè)用管、食品包裝用管、展覽行業(yè)用管等。卷管機的類型也多種多樣，最常見的卷管機就是螺旋卷管機和平卷式卷管機。還有其他類型的卷管機，如自動卷管機[1]（如圖1）、自動卷芯機、衛(wèi)生紙卷管機、壓力卷管機等，自動卷芯機和紙管的作用有關(guān)，很多紙管一般都是作為內(nèi)芯來卷產(chǎn)品的，因此把做紙管的機器叫做自動卷芯機。另外還可以按輥長劃分為多種規(guī)格的卷管機[23]。
圖1 自動卷管機的外觀圖
卷管機按力的傳動方式分為芯軸主動和芯軸被動，按浸漬材料與芯軸的纏繞角度分為平繞和斜繞。芯軸主動的方式適合于卷制大直徑的管，對于小直徑的管，在浸漬材料連續(xù)平繞時，芯軸主動和芯軸被動卷制的產(chǎn)品性能差不多。但是，芯軸主動的卷管機設備和操作要比芯軸被動的復雜的多，所以目前廣泛使用的是芯軸被動的三輥卷管芯[2]。
1.卷管機國內(nèi)外發(fā)展狀況
在卷管機不斷發(fā)展的過程中，人們對于卷管機的認識理念也是在不斷的變化，那么重視紙管機就成為了我們當前最重要的事情。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，紙管機、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無公害等優(yōu)點，在紙管機、造紙業(yè)、包裝業(yè)、紡織化纖業(yè)得到了普遍應用。它即可以作為各種卷筒紙和紙板的內(nèi)芯，也可作為合成長絲、滌綸、丙綸、氨綸等所用的紡織紗管，尤其是用于紡織業(yè)的紙管已逐步取代錐形紗管。
以前的國產(chǎn)卷紙機與造紙機一樣，長期停留在窄幅、慢速、受控。卷紙輥從卷紙機的副臂轉(zhuǎn)到主臂的過程，或是引紙、換紙均靠手工操作來完成。無疑，勞動強度較大，又不安全，卷成的紙卷外緊內(nèi)松，在紙卷端面形成卷曲的荷葉狀，造成幾十層紙的質(zhì)量下降或報廢[3]。而且國內(nèi)相似的紙管加工機多為半自動機型，主要采用機械傳動的方式實現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機內(nèi)進行卷管，生產(chǎn)效率比較低[1]，不能適應時代的要求。
印度Sodahech公司推出的最新款高性能自動寶塔紙筒機最大產(chǎn)能為每分鐘生產(chǎn)55個紙筒，其上安裝有獨特的握持卷繞系統(tǒng)，以防止筒子模型滑移。同時該公司生產(chǎn)的螺旋紙管卷繞機具有氣動式或機械式皮帶拉力，能快速地改變筒管尺寸，積極式驅(qū)動將載荷有效地從最初的移動件傳遞到卷繞筒上，沒有任何猛拉或振動[4]。近幾年我國通過引進國外先進技術(shù)，對卷管機的送料機構(gòu)、往復運動機構(gòu)以及各部分之間的相位匹配等進行改進，大大提高了我國卷管機的發(fā)展水平[3]。通過對國產(chǎn)卷管機發(fā)展的回顧與現(xiàn)代卷紙機系列產(chǎn)品的開發(fā)，表明國產(chǎn)卷紙機已經(jīng)步入世界先進水平的行列，為寬幅、高速、大型全自動化的卷紙機設計制造了條件。隨著卷紙機幅寬增加，原在主副臂上所用氣缸均改為油缸。這樣使結(jié)構(gòu)緊湊、合理，加上制造精良，外表美觀，使卷紙機的水平達到了一流[3]。
2.卷管機的成型原理及分析
普通螺旋傳動是螺母和螺桿組成的傳動副，可以實現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動。主要把回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動以傳遞運動或動力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[5]。卷管機的螺旋傳動則完全不同于普通的螺旋傳動，它是螺旋傳動的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動又作軸向移動的功能，并可以實現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進給，可應用生產(chǎn)線上[6]。
2.1 簡易螺旋卷管機的研制
1-電機；2-減速器；3-齒輪；4-齒輪；5-主座；6-螺紋管模軸；7-托輪裝置；8-副座；9-床體滑道；10-行走絲杠；11-行走絲母；12-三角帶；13-電控箱
圖2 螺旋卷管機結(jié)構(gòu)圖
螺旋卷管機有以下幾部分組成：電機、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機體、電控箱等組成如圖2所示[7]
正常情況下工作時，先用方銷將無縫鋼管的一端固定在螺紋管模軸起始端托管架(焊接主座端面)內(nèi)，然后開啟電控箱內(nèi)正轉(zhuǎn)按鈕，電動機通過減速器一齒輪一傳動軸，帶動螺旋卷管機轉(zhuǎn)軸每分鐘1O轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，完成后，按停止按鈕；先將副座后退至機座末端，再取出方銷將卷好的螺旋管拿下來。
2.2 螺旋紙管（罐身）的成型原理
螺旋卷繞法卷制復合罐罐身，紙管及紙芯，由于生產(chǎn)率高，用科省，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而被廣泛應用[8]。許多資料都簡要介紹過這種成型方法的基本原理。下面試圖作較深入的理論分析，以便必要時作為參考。
2.2.1 概述
螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的基本成型原理如下圖所示：
1——驅(qū)動皮帶輪；2——成型皮帶輪；3——面紙；4——中層紙；5——內(nèi)襯紙；6——固定芯軸
圖3 螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的成型原理
由上圖可知，紙管壁由內(nèi)襯紙、中層紙和面紙組成，通常紙管內(nèi)襯紙和面紙用輕質(zhì)薄紙。為了減小卷繞時內(nèi)襯紙和芯軸之間的摩擦力，要求內(nèi)襯紙的內(nèi)表面光滑。并且常在卷繞時于內(nèi)表面涂臘．以降低摩擦系數(shù)。中層紙用表面粗糙的重質(zhì)紙，如650g／m。的板紙。復合罐罐身的內(nèi)襯紙常用紙塑或鋁塑復合薄膜[9]， 而中層紙用200-300~／m 的中質(zhì)紙。
工藝過程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復臺罐罐身時燙封螺旋接縫。然后，將施以粘膠的各層紙，分別按一定的角度一層層重疊一起螺旋卷繞到固定芯軸上。每層的螺旋接縫，由其相鄰的外層紙覆蓋[10]。
卷繞成型皮帶按紙條同樣的方式繞在紙管的外表面，它由兩個轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動輪同時驅(qū)動。皮帶對紙管的裹緊力使各層紙互相粘牢，皮帶與面紙外表面的摩擦力使紙管在固定芯軸上向前作螺旋運動，從而連續(xù)不斷地卷出紙管。
卷成的紙管定型后即可按一定規(guī)格切斷，晾干后便成要求的紙管，復臺罐罐身還需要貼上商標紙或在光滑白色的面紙上印以商標圖案后才能切斷成罐身[11]。
2.2.2 幾何參數(shù)分析
由幾何原理，紙條寬度、芯軸直徑和螺旋角的關(guān)系[12]（參考圖4）如下：
圖4 螺旋紙管的幾何展開圖（三層為例）
(1)
式中
i一一 由內(nèi)襯紙開始向外計數(shù)的層次
一一 第i層紙的螺旋角
一一 第i層紙的紙條寬度
一一 層紙的厚度
D 一一 芯軸直徑
或者公式如下：
(2)
式中
Di 一一 第i層紙圈的內(nèi)徑
(3)
下圖5表示紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間的關(guān)系：
圖5 紙圈內(nèi)徑、紙條寬度和螺旋角之間關(guān)系曲線
設螺距為S，則
(4)
如果相鄰兩層紙圈的螺距不同，則在不斷卷繞過程中，會經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象從而影響紙管質(zhì)量。為此在卷繞時應使所有各層紙圈的螺距相同，即對一批紙管,S是定值。聯(lián)立解(2)式和(4)式，得
(5)
卷制時，可先按芯軸直徑和內(nèi)襯寬(或紙管外徑和面紙寬度)確定螺旋角及螺距，然后按式(4)和式(5)計算各層紙的寬度和螺旋角[10]。通常，中間各層紙條的寬度比計算值小2mm左右，卷繞時會形成間隙以儲存多余的粘膠[11]。
2.2.3 受力分析
與皮帶傳動相似，成型皮帶和紙管按要求安裝好以后，帶有一定的張緊力，但比皮帶傳動的張緊力小，當不工作時各段皮帶的拉力相等。工作時各段皮帶的拉力出現(xiàn)差異，帶在紙管兩拉邊的力之差值，即為有效拉力F(圖6)。其值可按下式計算
(6)
式中
F1 ——紙管緊邊帶的拉力（N）
F2 ——紙管松邊帶的拉力（N）
P ——驅(qū)動紙管所需功率（kw）
v ——成型皮帶的工作速度（m/s）
跟推導歐拉公式一樣I ，在皮帶上取一徽段d 。微段始端到剜轉(zhuǎn)軸心的垂直距離即為半徑冗。該垂足到微段未端中點的距離可近似認為等于 它們的夾角d0 。則
另一方面，dl在紙管橫截面方向投影dlcosa的計算公式是
因此
(7)
沿皮帶縱向列出垂直和水平各力的平衡式，考慮(7)式，并使F在F2到F1 ，θ在0到2范
圍內(nèi)積分，即得成型皮帶螺旋卷繞一向的歐拉公式
(8)
式中
f —— 皮帶與紙的摩擦系數(shù)
聯(lián)立(6)式和(8)式得：
(9)
(10)
為驅(qū)動紙管旋轉(zhuǎn)的力，為推動紙管向前運動的力[19]。
圖6 成型皮帶輪受力分析圖
2.3 螺旋焊管的成型原理
在研究螺旋焊管的成型原理時必須對輥形設計、預彎定位、成型控制以及彎板棍的適用性等問題進行研究，這里主要介紹預彎定位和成型控制方法。
2.3.1 成型預彎的定位
預彎與定徑是螺旋焊管成型過程中的主要工序。預彎的主要目的是解決管坯的彈復問題,因為彈復的大小直接影響鋼管的內(nèi)在質(zhì)量;定徑的主要目的是為了得到更加精確的管坯直徑,因為直徑控制是鋼管的主要質(zhì)量指標之一。預彎與定徑之間需要有一個合適搭配才能得到理想的鋼管管坯[13]。
帶鋼（中性層）彎曲與彈復的狀態(tài)示意圖如下圖7所示，通過對狀態(tài)示意圖的分析來解決成型預彎的定位問題[14]。
圖7 帶鋼的彎曲和彈復示意圖
由圖可知，定位必須以G點為基準點，,使定徑弧、預彎弧、彈復弧在G 點公切。因為只有這樣的定位方法才能滿足預彎弧在定徑套內(nèi)的充分彈復。為了便于敘述我們可以把這種方法叫做“公切”定位法。
按G點公切設置的不同彈復狀態(tài)可以找出以下幾種預彎定位示意圖：等量預彎設置示意圖、正彈復設置示意圖、負彈復設置示意圖、適量成型設置示意圖等。實際意義的適量成型是不存在的，因此使用這種方法時應當有相應的輔助控制手段。下面是四種示意圖：
圖8 等量預彎設置示意圖
圖9 正彈復設置示意圖
圖10 負彈復設置示意圖
圖11 適量成型設置示意圖
除了上面四種“公切”定位法外還有“非公切”定位法，這里就不再注重介紹。
2.3.2 成型控制方法
螺旋焊管成型技術(shù)中成型控制過程也是很重要的部分，成型控制方法主要有三種：公切、正壓預彎法，公切、偏壓預彎法，等量預彎法[15]。
公切、正壓預彎的含義就是在預彎成型的控制過程中(見圖12) ,預彎弧( R2z) 、彈復弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 與預彎弧( R2z) 的垂直中心線相重合,即內(nèi)壓輥的作用力垂直正壓。
圖12 公切、正壓預彎法
1- 帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預彎下棍（1#輥）
4-預彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預彎下輥（3#輥）
圖13 公切、偏壓預彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預彎下棍（1#輥）
4-預彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預彎下輥（3#輥）
公切、偏壓預彎的含義就是在預彎成型的控制過程中(圖13) ,預彎弧( R2z) 、彈復弧( R3z) 與定徑弧( Rz) 在3 # 輥處公切,內(nèi)壓輥的力作用線( F2) 相對預彎弧( R2z) 的垂直中心線有一個偏轉(zhuǎn)即內(nèi)壓輥的作用力呈偏心壓下。
等量預彎的含義就是在成型的控制過程中(圖14) ,預彎半徑R2z與擬定的管坯半徑Rz 之值相等且重合。顯然,本方法是公切、正壓預彎法和公切、偏壓預彎法中的一種特例情況,單獨提出的原因在于這種情況的典型性和應用的普遍性。
圖14 公切、等量預彎法
1-帶鋼 2-帶鋼輸入定位輥（0#輥） 3-預彎下棍（1#輥）
4-預彎上輥（2#輥） 5-定徑輥 6-預彎下輥（3#輥）
3 卷管機研究過程中所遇到的問題和解決方法
卷紙機構(gòu)主要卷針和伺服電機組成，作用是將送到卷針里的紙片卷繞成紙管。在整個結(jié)構(gòu)設計中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是送料機構(gòu)和往復運動機構(gòu)以及各個模塊之間相位的匹配。送料機構(gòu)和往復運動機構(gòu)是紙管機能否連續(xù)精確送料、實現(xiàn)自動化的基礎；各個模塊的協(xié)調(diào)一致，是保證生產(chǎn)線正常工作的關(guān)鍵[1]。
送紙機構(gòu)將型紙從堆紙臺送至卷繞裝置，安裝在其輸出構(gòu)件上的送紙吸嘴的一個運動周期分為：吸紙、輸紙、喂入和取紙四個階段。在工作過程中，要求送紙吸嘴在吸紙和喂人兩個階段處于停歇狀態(tài)，并有較高的停歇精度，保證在吸取和喂人型紙時的準確性；另外還要求送紙吸嘴在輸紙、取紙兩個階段有較好的運動平穩(wěn)性，以保證卷制出的紙管有較高的品質(zhì)。由于送紙吸嘴在兩個近似停歇階段均有較大的波動，故在送紙過程中有顫動，這些現(xiàn)象影響了送紙吸嘴的工作性能。分析其原因，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象主要是有氣壓傳動自身的局限性所致，由于平面連桿機構(gòu)具有運動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、制造精度高等特點，因此，通過用平面連桿機構(gòu)替代普通機構(gòu)來滿足輸出構(gòu)件上送紙吸嘴的性能要求[16]。
往復運動機構(gòu)的用途是將切刀片切成的固定長度的料紙準確的送給卷針。托紙架要實現(xiàn)兩個動作：來回往復運動和上下擺動[17]。往復運動實現(xiàn)紙的運送，擺動實現(xiàn)紙的吸收和放開。往復運動過程中的帶輪是主動輪，通過帶與紙張之間的摩擦來帶動紙的高速旋轉(zhuǎn)。常見的往復運動的機構(gòu)有曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪往復機構(gòu)、液壓氣動往復機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)等。前兩種機構(gòu)在實現(xiàn)較大行程時占用空間過大，后兩種機構(gòu)成本偏高。并且以上一套機構(gòu)只能實現(xiàn)一個方向的往復[17]。為了實現(xiàn)兩個方向的往復運動，低成本，結(jié)構(gòu)緊湊等要求，需提出一種新型復合往復運動機構(gòu)。
紙管是有十幾層或二十幾層紙卷繞而成的紙筒，這多層紙中最內(nèi)層紙的內(nèi)層不涂膠，最外層紙的外層不涂膠，其余層雙面涂膠。這些紙在卷管機上加溫、加壓捂接卷繞，經(jīng)后序加工及定性處理而制成的一種專用紙管制品。在紙管生產(chǎn)工藝中很關(guān)鍵的一個問題是卷繞粘合強度，因為卷繞粘合的好壞，直接影響著紙管的耐蒸煮性能及使用壽命，而影響粘合質(zhì)量中的一個重要因素是熱輥的表面溫度[18]。因此．熱輥功率確定的正確與否，不但直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，也影響能源的利用率，是生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。為了解決這個問題，用溫度傳感器間斷供電的方式來控制溫度。
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單位代碼 02
學 號
分 類 號 TH6
密 級
畢業(yè)設計
文獻綜述
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
2011 年3 月 10日
黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第II頁
螺旋紙管生產(chǎn)線卷管機設計
摘 要
卷管部分是螺旋紙管生產(chǎn)的最主要的一部分。在此設計的螺旋紙管機適用于造紙、紡織、地毯、薄膜、食品、輕工以及其它行業(yè)各種品質(zhì)和規(guī)格的紙管生產(chǎn)，特別是化纖絲廠用紙管生產(chǎn)。皮帶纏繞方式采用雙導程纏繞傳動方式，又加上四機頭的設計，這些都可保證芯軸的受力平衡和卷管過程的穩(wěn)定，從而保證紙管的質(zhì)量，使該設備更能輕松完成紙管的加工。本設計部分給出了紙帶寬度與卷管直徑的關(guān)系，并且對不同卷管直徑的各層紙帶寬度做了具體計算。通過對普通V帶傳動、鏈傳動、錐齒輪傳動以及花鍵軸的設計、計算和校核，比較詳細地對各傳動部分做了具體分析，以確保其在實際生產(chǎn)中穩(wěn)定高效地工作。
關(guān)鍵詞 螺旋卷管機/紙管/雙導程纏繞/四機頭
Paper Tube Machine of Spiral
Paper Tube Production Lin
ABSTRACT
Rolling paper tube part is the most important part of the spiral paper tube production. In this design, the spiral paper tube machine is applicable in the paper making, textile, carpet, film, food, light industry and other industries for a variety of qualities and specifications of the paper tube production, especially in the production of chemical fiber silk mill paper tube. Winding way of the belt is dual lead winding drive way, coupled with the four-head design, which can ensure the force balance of the mandrel and the stability of the rolling process to ensure the quality of paper tube and make the device more easily to complete the paper tube processing. the design part presents the relationship between the width of paper reel tape and the diameter of volume , furthermore make a specific calculation on the paper reel tape width in different layers corresponding to different diameters of the volume. Through the design, calculation and verification of the ordinary V-belt drive, chain drive, bevel gear and the spline axis, the paper do a detailed analysis in each part of these drives to ensure the stability and efficiency in the actual production work .
KEY WORDS spiral paper tube machine, paper tube, dual lead winding , four-head design
黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 IV頁
目 錄
1 緒論 1
1.1 紙管 1
1.1.1 紙管的分類及用途 1
1.1.2 紙管的結(jié)構(gòu)形式及材料 2
1.2 螺旋紙管機 3
1.2.1 紙管機的概述 3
1.2.2 螺旋紙管機 4
1.3 本課題研究的背景 5
1.4 探究本課題的研究意義 6
1.4.1 包裝機械的發(fā)展歷程 6
1.4.2 紙制品包裝的發(fā)展歷程 7
1.4.3 紙管機的發(fā)展歷程 8
2 卷管機的工作原理和設計方案 9
2.1 螺旋紙管機的工作原理 9
2.1.1 紙架部分 9
2.1.2 上膠部分 9
2.1.3 卷管設備 9
2.1.4 切斷部分 10
2.2 卷管機設計方案的確定 10
3 總體設計計算 12
3.1 螺旋卷管機的幾何計算 12
3.1.1 概述 12
3.1.2 紙帶的幾何計算 13
3.1.3 平帶拉力 16
3.2 電機的選擇 17
3.2.1 功率的計算 17
3.2.2 電機的選擇 17
3.3 減速器的選擇 18
3.3.1 轉(zhuǎn)速的計算 18
3.3.2 傳動比的分配 18
3.3.3 減速器的選擇 18
3.4 V帶傳動計算 19
3.4.1 確定計算功率 19
3.4.2 選擇V帶的帶型 19
3.4.3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速v 20
3.4.4 確定中心距a并選擇V帶的基準長度Ld 20
3.4.5 驗算小帶輪包角 21
3.4.6 計算帶的根數(shù)z 21
3.4.7 計算單根V帶的初張緊力的最小值 22
3.4.8 作用在軸上的力即壓軸力的最小值（Fr）min及帶輪的結(jié)構(gòu)設計 22
3.5 鏈傳動的設計 23
3.6 齒輪傳動 25
3.6.1 第一組錐齒輪的設計、計算及校核 25
3.6.2 第二組錐齒輪的設計、計算及校核 36
3.7 軸的設計和校核 49
3.7.1 第一根軸的設計、計算和校核 49
3.7.2 花鍵軸的設計、計算及校核 51
3.7.3 花鍵的擠壓強度校核 57
3.7.4 鍵聯(lián)接的強度驗算 58
3.7.5 軸承壽命的計算 59
結(jié)束語 63
致 謝 64
參考文獻 65
黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 67頁
1 緒論
1.1 紙管
紙管是工業(yè)生產(chǎn)的常用物品，目前紙管已經(jīng)廣泛應用于各種領(lǐng)域，它即可以作為各種卷筒紙和紙板的內(nèi)芯，也可作為合成長絲、滌綸、丙綸、氨綸等所用的紡織紗管，如食品包裝，農(nóng)膜，造紙，紡織等行業(yè)，尤其是用于紡織業(yè)的紙管已逐步取代錐形紗管。
1.1.1 紙管的分類及用途
紙管主要包括纏繞膜紙管、膠帶紙管、保鮮膜紙管、熱電偶紙管、塑料薄膜紙管、造紙用管、皮革紙管、鋁箔紙管、高強度紙管、化纖紙管等，適用范圍比較廣，用量比較大。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，紙管機、紙芯、紙管產(chǎn)品以其成本低、質(zhì)量輕、易回收、無公害等優(yōu)點，在紙管機、造紙業(yè)、包裝業(yè)、紡織化纖業(yè)得到了普遍應用。根據(jù)行業(yè)有應用，可以將紙管具體分類如下：
1) 化纖工業(yè)用管：主要有DTY管、POY管、FDY管、錦綸管、氨綸管、氨綸包覆紗管
2) 薄膜工業(yè)用管：有BOPP、PET、PVC、BOPA、CPP、農(nóng)用地膜、保鮮膜、纏繞膜、塑料袋用管（超市用）、鍍鋁膜、電工電容膜、丙膜、煙膜
3) 印刷工業(yè)用管：主要應用于卷桶印刷、薄膜印刷、紙張印刷、新聞紙、紗管紙、白板紙、傳真紙、票據(jù)紙、水松紙、鋁泊紙、書寫紙、彩色羊皮紙、口杯紙、利樂保鮮紙、其他
4) 冶金工業(yè)用管：鋁板、鋼板、鐵板等卷材
5) 包裝用管：醫(yī)療器械、書畫、食品罐等外包裝
6) 測溫用紙管：鋼水測溫 一次性熱電偶
7) 取樣器用紙管
8) 傳真機用紙管
9) 電池紙管
10) 橋梁建筑用管
1.1.2 紙管的結(jié)構(gòu)形式及材料[1]
（1）紙管的結(jié)構(gòu)形式
紙管按其制造工藝分為三種形式：螺旋卷繞式、搭接式和平繞式。螺旋卷繞式紙管通常使用幾種材料傾斜卷繞而成，搭疊邊是傾斜的。搭接式紙管是先將紙板沖切成坯料，再成型粘接而成。平繞式紙管由片材卷繞數(shù)層制成，內(nèi)外層的接縫位于同一直線上。
通常，螺旋卷繞式紙管都是圓的，近年來也能卷繞各種異形紙管，但技術(shù)比較復雜。其它兩種形式比較容易制造矩形或橢圓形等截面的紙管。特別是搭接式，還能容易地制成圓錐形的紗管。搭接方式又可分兩種：其一是先將原材料用粘合劑復合，再沖切成坯料以后在芯軸上成型搭接；第二種先將原材料分別沖裁成同樣大小的坯料，然后在芯軸上一層層成形粘合。第二種方式可使各層的搭接縫互相錯開，以提高接縫的強度和密封性。
螺旋卷繞法具有制管速度快、用料省、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是一種最為經(jīng)濟合理的方法，而且可卷成任意長度的紙管，故得到廣泛的應用。就容器的強度而言，螺旋卷繞式的要差一些；就大型容器在貯運中的抗破損能力來說也是平繞式容器優(yōu)于螺旋卷繞式的。
（2）卷繞紙管的各層紙有著不同的要求
紙管壁由內(nèi)襯紙、中層和面紙組成。通常，內(nèi)襯紙用輕質(zhì)薄紙，為了減少卷繞時內(nèi)襯紙和芯軸之間的摩擦力，要求內(nèi)襯紙的內(nèi)表面盡可能光滑，而外表面則要求有較好的粘合性。制造一般紙管的內(nèi)襯紙可用單面牛皮紙為基材，有時在其光滑內(nèi)表面上復合一層鋁箔，鋁箔上再涂一層光滑的涂料，最大限度的降低摩擦系數(shù)。有時也采用羊皮紙、塑料薄膜、真空鍍鋁紙、鍍塑鋁箔等為內(nèi)襯紙。
選用中間層材料時應考慮罐身有足夠的耐破度，能經(jīng)受住與金屬罐同等的堆碼壓力和側(cè)向壓力。罐身一般用未漂牛皮紙板制造，也可以用再生牛皮紙板或以草漿為主的牛皮紙板。紙表面至少有一面是不光滑的，以得到良好的著膠效果。一般制罐罐身用紙的定量為(200～300)g／m2，厚度公差為±0.3％，水分含量小于7％±1％，透水試驗20～80s，斷裂強度中等。制紙芯用紙管時用定量650g／m2以上的或更厚的紙板。
外層紙或商標紙通常，應具備制作標簽的性能，并選擇美麗的色調(diào)，使外表美觀；另外還要考慮與中間層的粘結(jié)性、表面摩擦系數(shù)、遮光性、保香性、耐熱性、耐濕性、耐水性等?？墒褂勉~版紙、塑料薄膜、鋁箔等材料。一般復合罐可用100g／m2的一面光滑的白牛皮紙；出口罐常用60g／m2的褐色牛皮紙，外表復合一層9μm的標簽鋁箔。芯軸紙管外層紙可用輕質(zhì)紙即可。
粘合劑粘合劑的選擇主要考慮作業(yè)性、安全性、初粘力、速干性等。外層用粘合劑要考慮對外界條件的適應性。淀粉漿糊、凝膠等高粘性粘合劑，流動性差而適合于紙筒卷繞機使用，且價格便宜；硅酸鹽粘合劑粘性強，固化后變硬，紙筒剛性好，成本也最低?！ ?
1.2 螺旋紙管機
1.2.1 紙管機的概述
（1）紙管機：
紙管機，顧名思義，就是生產(chǎn)卷紙管的機械，它是以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過切刀成片，將其卷成紙管的設備[15]。生產(chǎn)的卷紙管應用于各個行業(yè)，有纖工業(yè)用管、薄膜工業(yè)用管、印刷工業(yè)用管、造紙工業(yè)用管、皮革工業(yè)用管、食品包裝用管、展覽行業(yè)用管等[19]。卷管機一般由四部分組成：送紙裝置、上膠裝置、卷管設備和切斷部分。
（2）紙管機的分類：
紙管機按其制造工藝分為螺旋紙管機、平繞式紙管機和搭接式紙管機。按力的傳動方式分為芯軸主動和芯軸被動，其中，芯軸主動的方式適合于卷制大直徑的紙管，而對于小直徑的紙管，芯軸主動和芯軸被動卷制的產(chǎn)品性能差不多，但是芯軸主動的紙管機設備和操作要比芯軸被動的復雜的多。按浸漬材料與芯軸纏繞角度分為平繞和斜繞。另外還可以按輥長劃分為多種規(guī)格的紙管機[23]。
（3）紙管機適用范圍及應用領(lǐng)域：
紙管機生產(chǎn)的紙管適用于煙花、布芯、電化鋁、棉紗、傳真紙、保鮮膜、衛(wèi)生紙等，通常應用于食品包裝、農(nóng)膜、造紙、紡織等行業(yè)。
1.2.2 螺旋紙管機
（1）概述
普通螺旋傳動是螺母和螺桿組成的傳動副，可以實現(xiàn)螺桿或螺母的軸向移動。主要把回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動以傳遞運動或動力，但不能連續(xù)傳遞被加工件[23]。卷管機的螺旋傳動則完全不同于普通的螺旋傳動，它是螺旋傳動的變異，它可以傳遞被加工件，它具有使被加工件既轉(zhuǎn)動又作軸向移動的功能，并可以實現(xiàn)連續(xù)加工連續(xù)進給，可應用生產(chǎn)線上[24]。
螺旋紙管機，屬紙管機械類。適用于各行業(yè)對各種品種和規(guī)格的紙管生產(chǎn)，特別是化纖長絲廠用紙管生產(chǎn)。由紙架部分、上膠部分、機架部分、機頭部分、面紙部分、切斷部分等組成[18]。
螺旋紙管機的用途與特點:
1、將適宜定量、寬幅的紙帶，卷繞成所需要內(nèi)徑及壁厚的平行螺旋狀紙管
2、采用三主動無級調(diào)速驅(qū)動輥輪，皮帶不打滑，芯軸變形小，皮帶壓力大，卷繞力強，動力傳遞效率高，紙管強度好，外表平整。
3、具有自鎖功能，擺臂角度調(diào)整后能自動鎖定無晃動。
4、帶自動跟切裝置，切口齊整無翹角，切營長度自選可調(diào)。一至兩人操作。
（2）簡易螺旋紙管機的結(jié)構(gòu)[25]
螺旋卷管機有以下幾部分組成：電機、減速器、螺旋轉(zhuǎn)軸、主座、副座、行走絲杠、拖輪裝置、床體滑道、機體、電控箱等組成如圖1-1所示：
1-電機；2-減速器；3-齒輪；4-齒輪；5-主座；6-螺紋管模軸；7-托輪裝置；8-副座；9-床體滑道；10-行走絲杠；11-行走絲母；12-三角帶；13-電控箱
圖1-1 簡易螺旋紙管機結(jié)構(gòu)圖
1.3 本課題研究的背景
紙管，是工業(yè)生產(chǎn)的常用物品，廣泛應用于熱電偶、紙制品、塑料、布匹、農(nóng)膜、地毯、食品包裝中，目前國內(nèi)現(xiàn)有紙管生產(chǎn)的現(xiàn)狀，除去用簡陋設備而自行生產(chǎn)的低檔紙管外，為化纖長絲廠以及其它行業(yè)對紙管技術(shù)性能指標有要求的生產(chǎn)紙管的設備，大都是由國外進口，這是由于國內(nèi)生產(chǎn)設備技術(shù)水平不高，尚無制造高品質(zhì)紙管的這類設備，這種進口設備價格的高昂是顯而易見的。但是這類國外進口的設備在結(jié)構(gòu)上并不先進、合理，占地面積大，而且生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定。例如紙架部分，國外進口機組采用管紙條盤平行放置，單邊長度達5.8米。又如上膠部分，全部紙條進入大膠槽中掛膠，大膠槽要容下雙邊十余層紙上膠，膠槽體積相當龐大而復雜，上膠后分層刮膠，單一個刮膠設備單邊六層紙就需高度3米以上，占地2.5米之長，層數(shù)加多，則高度仍需加高。這兩項設備不僅占地面積大，結(jié)構(gòu)復雜，而且不能保證工序質(zhì)量。特別是進口設備采用了液壓、電腦等控制部件及執(zhí)行元件，使得操作和維護都要求有較高技術(shù)的工人來操作，給我國當前紙管行業(yè)的現(xiàn)狀帶來了極大的困難，不能適應我國國情，再加上配套件、甚至原材料都得依靠進口，使得高品質(zhì)紙管生產(chǎn)的企業(yè)困難重重，極大程度的限制了當前我國高品質(zhì)紙管的生產(chǎn)供應[20]。
雖然目前高品質(zhì)紙管可以不完全依賴進口，充分發(fā)揮這些現(xiàn)有進口設備的作用，還有待一個時間來解決。因此，我國高品質(zhì)紙管生產(chǎn)的水平的提高亟待解決，現(xiàn)階段急切需要能適應我國國情又能生產(chǎn)出高品質(zhì)紙管的設備來充實我們的市場。
1.4 探究本課題的研究意義
1.4.1 包裝機械的發(fā)展歷程[1]
包裝機械是包裝工業(yè)的一大門類產(chǎn)品，在包裝工業(yè)中有著舉足輕重的地位和作用，它給行業(yè)提供必要的技術(shù)設備，以完成產(chǎn)品的包裝工藝過程。盡管包裝機械的產(chǎn)值在整個包裝工業(yè)中所占的比重不如包裝材料大，不屬于經(jīng)常性消耗品，但對包裝工業(yè)的現(xiàn)代化卻是不可缺少的支撐。它為包裝工業(yè)提供先進的技術(shù)裝備，保證包裝產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、品種多、生產(chǎn)環(huán)境好、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小，因而獲得較強的生命力，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。沒有現(xiàn)代化的包裝機械，就沒有現(xiàn)代化的包裝工業(yè)。
包裝機械作為專業(yè)性機械，除了普通機械的一般要求外，還有外表美觀、傳動裝置緊湊、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、精度高、生產(chǎn)效率高等要求，以很好地完成自身功能，適應市場需求。
隨著人民生活水平的不斷提高，對商品的包裝提出了更高的要求，哪里有商品，哪里就有包裝，可以說包裝工業(yè)對國民經(jīng)濟整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要的作用。包裝機械產(chǎn)品量大面廣，廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工、軍工等各個行業(yè)，被稱為是“朝陽產(chǎn)業(yè)”。
今后中國包裝機械市場發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點：
首先，包裝機械技術(shù)含量日趨增加。中國現(xiàn)有的一些包裝機械產(chǎn)品技術(shù)含量不高，而國外已將很多先進技術(shù)應用在包裝機械上，如遠距離遙控技術(shù)(包括監(jiān)控)、步進電機技術(shù)、自動柔性補償技術(shù)、激光切割技術(shù)、信息處理技術(shù)等。
其次，包裝機械市場日趨壟斷化。目前中國除了瓦楞紙箱包裝機械和一些小型包裝機有一定規(guī)模和優(yōu)勢外，其他包裝機械幾乎不成體系和規(guī)模，特別是市場上需求量大的一些成套包裝生產(chǎn)線，在世界包裝市場中均被幾家大包裝機械企業(yè)(集團)所壟斷。
最后，包裝機械零部件生產(chǎn)專業(yè)化。國際包裝界十分重視提高包裝機械加工和整個包裝系統(tǒng)的通用能力，所以包裝機械零部件生產(chǎn)專業(yè)化是發(fā)展的必然趨勢，很多零部件不再由包裝機械廠生產(chǎn)，而是由一些通用的標準件廠生產(chǎn)，某些特殊的零部件由高度專業(yè)化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，真正有名的包裝機械廠將可能是組裝廠。產(chǎn)品向多功能與單一、高速兩極化發(fā)展。包裝機械的最終作用在于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品多樣化。
1.4.2 紙制品包裝的發(fā)展歷程
紙制品包裝技術(shù)有著非常悠久的歷史，從公元前200年，蔡倫發(fā)明了造紙術(shù)，紙制品包裝業(yè)也隨著發(fā)展起來。現(xiàn)代紙制品包裝始于工業(yè)革命，1817年，美國人約翰?迪肯森發(fā)明圓網(wǎng)造紙機，用純紙廢紙漿制造出各種規(guī)格的紙板及多層紙板。隨著時間的發(fā)展，現(xiàn)代又出現(xiàn)了如塑料與紙復合、鋁箔復合紙板等復合材料，以及符合集裝運輸、超級市場需要的集裝化、標準化的各種規(guī)格的紙包裝容器。
紙制品包裝相比較其他材料包裝有以下優(yōu)點：
1、價格低廉、經(jīng)濟節(jié)約 紙和紙板原料豐富，來源廣泛，易大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低。同樣的包裝箱，用木材直接做成木箱與木材造紙做成紙箱相比，紙箱的用料只是木箱的1/3左右，因此節(jié)約木材和費用。紙箱重量輕，約為木箱包裝毛重的15%左右，可降低包裝成本和運輸費用。
2、防護性能好 與其他材料的包裝容器相比，紙容器的緩沖減震性能比較強。紙箱結(jié)構(gòu)緊密無縫，能遮光防塵。
3、生產(chǎn)靈活性高 紙張可裁撓、折疊、又易粘、易釘、適于機械化加工和自動化生產(chǎn)；也可較小規(guī)模地非機械化，甚至手工生產(chǎn)。
4、貯運方便 紙容器質(zhì)輕、折疊靈活、裝載和捆扎都簡便易行，也比較容易搬運和保管。
5、易于造型裝潢 紙制品能根據(jù)不同的商品，設計出各式各樣的箱型、盒型。
6、環(huán)保無污染 紙有衛(wèi)生、無毒、無味的特點，紙還可符合有呼吸作用的商品的貯存條件。
7、回收利用性好 紙可直接回收利用，或用廢紙再造紙，對環(huán)境不產(chǎn)生污染。紙制品包裝是對環(huán)境友好的包裝。
1.4.3 紙管機的發(fā)展歷程
我國很早就有紙管生產(chǎn)，但手工制作產(chǎn)量小。1980年后，從瑞典、法國、美國、丹麥等國引進了幾十條生產(chǎn)線，目前，發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?
紙管機屬于包裝設備行列之中，近幾年市場需求量不斷增大，紙管的用途也越來越廣泛?？傊埞苄袠I(yè)是一個可以深遠發(fā)展的行業(yè)。現(xiàn)如今，螺旋紙管機在包裝機械行業(yè)中依然處于不錯的增長狀態(tài)：產(chǎn)銷依然上升、利潤增速迅猛、出口增加，是機械行業(yè)中表現(xiàn)突出的一個“亮點”行業(yè)。
卷紙管機生產(chǎn)制造上，專業(yè)化生產(chǎn)已成為趨勢。 紙管包裝機械廠商都十分重視包裝機械與整個包裝系統(tǒng)的通用能力，一些通用標準件不再由包裝機械公司生產(chǎn)，某些特殊的零部件則由高度專用化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，而真正的包裝機械公司在某種意義上是組裝廠。中國紙管包裝機械起步較晚，經(jīng)過20多年的發(fā)展，紙管包裝機械已成為機械工業(yè)中十大行業(yè)之一，為我國包裝工業(yè)快速發(fā)展提供了有效的保障，有些紙管包裝設備填補了國內(nèi)空白，已能基本滿足國內(nèi)市場的需求，部分產(chǎn)品還有出口。但在目前，國包裝機械出口額還不足總產(chǎn)值的5%進口額卻與總產(chǎn)值大抵相當，與發(fā)達國家相去甚遠。紙管包裝機械要將其他領(lǐng)域的先進技術(shù)應用在包裝機械上，如機電一體化技術(shù)，熱管技術(shù)、遠距離遙控技術(shù)、自動柔性補償技術(shù)等，使產(chǎn)品技術(shù)性能大幅度提高[20]。
但我國紙管機械制造設備的性能與國外同類設備的先進水平存在一定差距，一般認為主要反應在設備的技術(shù)含量上。重視高新技術(shù)的應用已成為提高設備的先進性、可靠性的主要途徑[19]。
2 卷管機的工作原理和設計方案
2.1 螺旋紙管機的工作原理
螺旋紙管機，主要適用造紙、紡織、地毯、薄膜、食品、輕工以及其它行業(yè)各種品質(zhì)和規(guī)格的紙管生產(chǎn)。特別適用于化纖絲廠做繞絲器上用紙管的生產(chǎn)而用的設備。該設備占地面積小、結(jié)構(gòu)靈巧、制造成本低、使用可靠、能適應我國當前國情、又能生產(chǎn)出高品質(zhì)紙管，維護簡單、操作方便的螺旋紙管機[13]。
螺旋卷管機一般由四部分組成：紙架部分、上膠部分、卷管設備及切斷部分[2]。
2.1.1 紙架部分
紙架部分主要是用來提供盤紙的收放裝置，紙架部分的主架固定在底架上，管紙條盤固定安裝在主架兩側(cè)外端，立式并排安置，可減少占地面積。另外，這樣的布置極有利于管紙條盤的更換，操作方便，一盤盤管紙條盤按序排列好，管紙由條盤處引出經(jīng)主架中部裝置的轉(zhuǎn)向輥轉(zhuǎn)一個90°至上部的管紙引出的出紙輥而引出，由于紙架部分是左右對稱設置的，兩邊的管紙同時向機架部分的方向引伸，同時經(jīng)過左右兩個對稱布置的上膠部分。整體框架形結(jié)構(gòu)的紙架安裝在機架部分的位置可隨紙管種類要求而調(diào)整，以保證管紙行走中受力均勻。
2.1.2 上膠部分
上膠部分由機架及機架支腿組成門形結(jié)構(gòu)，其上左邊裝有單邊上膠輪部分，中間裝有盒形膠槽部分，右邊裝有刮膠器，左右兩邊裝有導紙架。單邊上膠輪兩側(cè)裝有過輪各一個，下端沉浸在膠槽中。盒形膠槽上端裝有膠槽漏斗，中部開有多個過膠槽，過膠槽兩邊裝有柔性刮膠板，擋膠盒裝在第一層過紙槽中。下端裝有收膠漏斗及盛膠桶。擋膠盒安裝的數(shù)量及安裝的位置可根據(jù)紙管種類的不同要求而設置。
2.1.3 卷管設備
卷管機主要由機頭部分和機架部分組成。機頭部分裝在機架床身的托板上，兩個對稱皮帶輪部分裝在托板上，用燕尾槽與托板連接，用燕尾導軌調(diào)整螺釘來調(diào)整間隙，托板內(nèi)裝有移動皮帶輪部分的絲杠、螺母及手輪，用來調(diào)整皮帶輪前后移動，調(diào)整皮帶的松緊，并根據(jù)不同管徑來調(diào)整皮帶纏繞質(zhì)量。皮帶輪對稱安裝在芯軸兩邊，其上繞有傳動皮帶，傳動皮帶的纏繞方式是采用一根完整皮帶，兩邊繞在皮帶輪上，在芯軸上采用雙導程纏繞方式，皮帶的接頭在空間扭曲轉(zhuǎn)過180°成環(huán)形。在調(diào)整好皮帶后，兩個皮帶輪對稱施力于芯軸上，受力均勻，而不會使芯軸產(chǎn)生彎曲的受力狀，皮帶輪的動力來源是通過下方一對錐齒輪而與花鍵軸接通，花鍵軸是通過裝在床身的勵磁調(diào)速電動機、蝸桿減速器、中間軸和又一對錐齒輪而傳動花鍵軸轉(zhuǎn)動。另外，中間軸又通過鏈傳動把動力傳給另一組皮帶輪。這樣，四機頭的設計就可保證芯軸的受力平衡和卷管過程的穩(wěn)定，從而保證紙管的質(zhì)量，同時，使該設備更能輕松完成紙管的加工。
2.1.4 切斷部分
切斷部分的紙架安裝在床身上，紙架上裝有帶滾輪的滾輪架，可沿床身長度方向移動，滾輪架上裝有調(diào)整釘，調(diào)整擺動體擺動的距離，擺動體上裝有刀盤體，刀盤體一端設置有手把以便操作者握此手把進行切斷。刀盤與滾動架沿床身長度方向移動的距離在芯軸長度以內(nèi)。
此螺旋紙管機生產(chǎn)過程：原材料紙管條盤放置在紙架部分上，其數(shù)量是根據(jù)紙管不同種類要求而設置，同時兩邊對稱設置。管紙經(jīng)上膠部分上膠并經(jīng)刮膠使其均勻而至機架部分的芯軸上，經(jīng)螺旋纏繞而后至機頭部分的傳動皮帶處，經(jīng)傳動皮帶帶動紙管旋轉(zhuǎn)而向前移動，再經(jīng)面紙部分上面紙即可成形了，同時按紙管不同種類的要求，由切斷部分按長短切斷，切斷后的紙管根據(jù)要求還要進行開槽、卷邊等工序，即可成為成品管出廠。
2.2 卷管機設計方案的確定
卷管機的設計主要從四個方面入手，引紙裝置，動力傳遞過程以及各個參數(shù)的調(diào)節(jié)方法，具體措施介紹如下[28]：
1、 對于6-12層的紙管，可在尾座部分兩側(cè)各安裝一個引紙機構(gòu)，紙帶從引紙機構(gòu)中穿過，每側(cè)最多可通過6層紙，通過人工纏繞紙帶到芯軸上，其中一側(cè)的引紙機構(gòu)最上層和另一側(cè)引紙機構(gòu)的最下層為單面上膠，即所有卷紙的最外層的外面不上膠，最里層的內(nèi)層不上膠，其它各層為雙面上膠，以使所卷紙管的最內(nèi)層和最外層為單面上膠，其余各層為雙面上膠。
2、 根據(jù)紙帶寬度大小可確定紙管卷繞的螺旋角，將托板搬轉(zhuǎn)此角度，把閉合平帶纏繞在芯軸和輥筒上，纏繞方式是以紙花的形式做雙導程螺旋纏繞，再轉(zhuǎn)動手輪帶動絲杠轉(zhuǎn)動，通過絲杠螺母副使螺母移動，與螺母焊接的銷帶動齒輪箱從而帶動輥筒在托板上的移動，兩個輥筒可以在兩邊分別進行調(diào)整，以使平帶張緊。兩組輥筒進行同樣的調(diào)整。
3、 動力源的傳遞過程：動力源為勵磁調(diào)速電機，通過V帶傳動把動力傳遞給蝸桿減速機，再通過聯(lián)軸器傳給齒輪軸，然后通過一對錐齒輪傳動動力給花鍵軸，以實現(xiàn)其傳動方向的垂直改變，再通過另外一對錐齒輪把動力最終傳給輥筒，兩輥筒轉(zhuǎn)動方向相反，通過平帶與紙帶的摩擦力帶動紙管卷繞并向前移動，來完成螺旋紙管的卷管過程。與此同時，齒輪軸上裝有鏈輪，通過1:1的鏈傳動把動力傳遞給另外一組與之完全相同的輥筒，由于傳動比為1，兩組輥筒螺旋角相同，所以其卷繞速度相同，可以平穩(wěn)地帶動紙管運動，并使卷管過程更容易實現(xiàn)。
4、調(diào)整的方法：
(1)螺旋角調(diào)整的實現(xiàn)：
支撐板上開有T形槽，托板上裝有T形槽用螺栓，通過T形槽用螺栓在T形槽中的移動來實現(xiàn)螺旋角的調(diào)整。調(diào)整好之后，通過螺栓上的螺母擰緊。
(2)輥筒在托板上位置的調(diào)整：
轉(zhuǎn)動手輪帶動絲杠轉(zhuǎn)動，通過絲杠螺母副使螺母移動，與螺母焊接的銷帶動齒輪箱在托板的燕尾形導軌上的移動，進而實現(xiàn)輥筒在托板上位置的調(diào)整。
5、本設計對比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點：
（1）關(guān)鍵部位采用了新穎結(jié)構(gòu)，使機器技術(shù)水平大為提高。如采用的雙導程皮帶纏繞傳動方式，不僅簡化了傳動方式，而且保證芯軸受力均衡，使紙管質(zhì)量得到了保證。
（2）減小了機器尺寸，節(jié)約了占地面積，充分提高了廠房使用系數(shù)。
（3）設備操作簡單，維護容易，符合我國目前國情，操作人員不需專門培訓即可上崗頂班工作。設備維護及使用方便，考慮了人機工程系數(shù)，不停機即可維護和連續(xù)作業(yè)。
（4）四機頭的設計使芯軸受力平穩(wěn)，更能輕松完成紙管的加工。
3 總體設計計算
3.1 螺旋卷管機的幾何計算
3.1.1 概述
螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的基本成型原理如下圖[2]所示：
1——驅(qū)動皮帶輪；2——成型皮帶輪；3——面紙；4——中層紙；5——內(nèi)襯紙；6——固定芯軸
圖3-1 螺旋卷繞法卷制紙管（罐身）的成型原理
工藝過程：先將各層紙的原料紙按要求裁剪成一定寬度的窄長紙條。接著在芯軸上卷繞內(nèi)襯紙，制復臺罐罐身時燙封螺旋接縫。然后，將施以粘膠的各層紙，分別按一定的角度一層層重疊一起螺旋卷繞到固定芯軸上。每層的螺旋接縫，由其相鄰的外層紙覆蓋[26]。
卷繞成型皮帶按紙條同樣的方式繞在紙管的外表面，它由兩個轉(zhuǎn)向相反的驅(qū)動輪同時侍動。皮帶對紙管的裹緊力使各層紙互相粘牢，皮帶與面紙外表面的摩擦力使紙管在固定芯軸上向前作螺旋運動，從而連續(xù)不斷地卷出紙管。
卷成的紙管定型后即可按一定規(guī)格切斷，晾干后便成要求的紙管，復臺罐罐身還需要貼上商標紙或在光滑白色的面紙上印以商標圖案后才能切斷成罐身[13]。
3.1.2 紙帶的幾何計算
螺旋卷繞法卷制紙管的成型原理如3-1圖，螺旋紙管的幾何展開圖如3-2圖。
圖3-2 螺旋紙管的幾何展開圖（三層為例）
紙帶寬度、紙管內(nèi)徑、螺旋角和螺距之間的關(guān)系
各層紙帶的寬度、紙管的內(nèi)徑、卷繞角之間有如下幾何關(guān)系：
（3-1）
式中
——從芯軸內(nèi)層起第i層紙的螺旋角；
——第i層紙帶的寬度 ；
Di——從芯軸內(nèi)層起向外計數(shù)的第i層紙的紙管內(nèi)徑；
（3-2）
式中
D——芯軸直徑
——紙層厚度
紙帶厚度為0.4-0.5mm，取=0.5mm；
紙帶寬度、螺旋角與螺距S間的幾何關(guān)系：
（3-3）
如果相鄰兩層紙圈的螺距不同，則在不斷卷繞過程中，會經(jīng)常出現(xiàn)兩層接縫重疊的現(xiàn)象，從而影響紙管質(zhì)量。為此在正常卷繞時應使所有各層紙圈的螺距相同， 即對一批紙管，螺距S是定值，聯(lián)立式（3-1）和式（3-2）得
（3-4）
由上述各式可計算出各層紙帶寬度、卷繞螺旋角及螺距。一般可按最內(nèi)層紙圈的內(nèi)徑即芯軸直徑和最內(nèi)層紙帶的寬度確定螺旋角和螺距，然后計算各層紙帶的寬度和螺旋角。
對于內(nèi)徑為120mm的卷管，取最內(nèi)層紙帶寬度為110mm，即 D1=120mm，b1=110mm，
由上述公式（3-2），得：
卷繞螺旋角=16.96°；圓整=17°
已知=110mm 根據(jù)式（3-3）求出S=115.26mm，圓整為S=115mm。因為S是定值故S=115mm不變。
=121mm，S=115mm，
代入式（3-4）得：=110.07mm。圓整=110mm，取縫隙=0.07mm。
代入式（3-3）得：=16.82
依次類推如下：
D3 =122mm，S=115mm, =110.15mm，圓整=110mm，=0.15mm，=16.68
D4 =123mm，S=115mm，=110.22mm，圓整=110mm，=0.22mm，=16.53
D5 =124mm，S=115mm，=110.29mm，圓整=110mm，=0.29mm，=16.40
D6 =125mm，S=115mm，=110.36mm，圓整=110mm，=0.36mm，=16.27
D7 =126mm，S=115mm，=110.43mm，圓整=110mm，=0.43mm，=16.13
D8 =127mm，S=115mm，=110.50mm，圓整=110.5mm，=0mm，=16.08
D9 =128mm，S=115mm，=110.57mm，圓整=110.5mm，=0.07mm，=15.95
D10=129mm，S=115mm，=110.63mm，圓整=110.5mm，=0.13mm，=15.82
D11=130mm，S=115mm，=110.70mm，圓整=110.5mm，=0.20mm，=15.70
D12=131mm，S=115mm，=110.76mm，圓整=110.5mm，=0.26mm，=15.57
對于內(nèi)徑為65mm的卷管，取最內(nèi)層紙帶寬度為60mm，即D1 =65mm，b1 =60mm，
代入式（3-1）得：螺旋角=17.08°；
代入式（3-3）得：S=62.77mm，圓整S=63mm；
所以D1 =65mm，S=63mm，b1 =60mm，=17.08°縫隙=0；
依次類推如下：
D2 =66mm，S=63mm，b2 =60.28mm，圓整b2=60mm，=0.28mm，=16.82°
D3 =67mm，S=63mm，b3 =60.35mm，圓整b3 =60mm，=0.35mm，=16.56°
D4 =68mm，S=63mm，b4 =60.42mm，圓整b4=60mm，=0.42mm，=16.31°
D5 =69mm，S=63mm，b5 =60,49mm，圓整b5=60mm，=0.49mm，=16.06°
D6=70mm，S=63mm，b6 =60.56mm，圓整b6=60.5mm
=0.06mm，=15.59°
D7 =71mm，S=63mm，b7=60.62mm，圓整b7=60.5mm，
=0.12mm，=15.73°
D8 =72mm，S=63mm，b8 =60.69mm，圓整b8=60.5mm，
=0.19mm，=15.51°
D9 =73mm，S=63mm，b9 =60.74mm，圓整b9 =60.5mm，
=0.24mm，=15.30°
D10=74mm，S=63mm，b10=60.80mm，圓整b10=60.5mm，
=0.30mm，=15.08°
D11=75mm，S=63mm，b11=60.86mm，圓整b11=60.5mm，
=0.36mm，=14.88°
D12=76mm，S=63mm，b12=60.93mm，圓整b12=60.5mm，
=0.43mm，=14,68°
對于65-120mm內(nèi)其它直徑的卷管也可類比計算螺距、紙管各層紙帶的寬度和卷繞螺旋角。
3.1.3 平帶拉力
所選卷管紙的材料為紗管紙，其每層紙的張緊力為F=200N[1]。
對直徑為Di 的卷軸做受力分析，由力矩平衡得：
(3-5)
其中：F帶是平帶的拉力，F(xiàn)f為卷軸所受摩擦力，,FN是平帶對卷軸的壓力，由受力平衡得：F帶=FN,，查閱手冊可知，紙與卷管的摩擦系數(shù)為0.3-0.5，故取為0.4.代入式（3-5）得：
F帶=20F=4000N
3.2 電機的選擇
3.2.1 功率的計算
卷管速度v、螺旋卷管的螺距S與卷管轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系[21]:
(3-6)
v=3-8m/min，取最大速度v=8m/min。
卷管內(nèi)徑為D1=120mm時，螺距S=115mm，代入式（3-6）得：
功率[3]
（3-7）
代入數(shù)據(jù)得：
卷管內(nèi)徑為D2=65mm時，螺距S=63mm，代入式（3-6）得：
功率
所需電動機功率P
(3-8)
其中：分別是V帶效率和減速器效率[4]，查閱手冊得V帶效率取=0.9，減速器效率=0.82，代入式（3-8）得：
P=2.37KW
3.2.2 電機的選擇[6]
根據(jù)上述所取V帶效率和減速器效率[5]，故選取電機型號為：
勵磁調(diào)速電機YCT160-4B，額定功率PN=3kW，調(diào)速范圍1250-125r/min，額定轉(zhuǎn)矩為19.2N?m
3.3 減速器的選擇
3.3.1 轉(zhuǎn)速的計算
輥筒直徑d=260mm，卷管內(nèi)徑為D1=120mm時，輥筒轉(zhuǎn)速：
（3-9）
若卷管直徑D1=65mm，輥筒轉(zhuǎn)速為：
（3-10）
則輥筒最大轉(zhuǎn)速為=32,11（r/min）。
3.3.2 傳動比的分配
勵磁調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速為n=1250-125r/min，電機轉(zhuǎn)速取為n=1000r/min，從電機到輥筒的總傳動比為i=nn'=1000/32.1130
選取減速器傳動比i1=20，錐齒輪組2-3傳動比i2=i/i1=30/20=1.5
3.3.3 減速器的選擇
已知減速器的傳動比很大，故選減速器為蝸桿減速器，其型號為：WPO100-20-E，其傳動比為20，中心距為100mm[14]。減速器的簡化畫法如下：
圖3-3 減速器的簡化畫法
實物圖如下：
圖3-4 減速機的外形圖
3.4 V帶傳動計算
減速器與電機之間通過普通V帶連接，傳動比i=1，兩帶輪轉(zhuǎn)速：
普通V帶傳動的設計與計算如下：
3.4.1 確定計算功率
計算功率Pca是根據(jù)傳動的功率P和帶的工作條件而確定的
(3-11)
式中：
Pca——計算功率，kW；
KA——工作情況系數(shù)，由表13-1-16[3]查得KA=1.2；
PN——傳動功率，在此為電機的額定功率。
3.4.2 選擇V帶的帶型
由上可知計算功率Pca=3.6kw和小帶輪轉(zhuǎn)速n，由圖13-1-1[3]選取A型帶。
3.4.3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速v
1、 初選小帶輪的基準直徑dd1
由表13-1-10[3]和13-1-11[3]，為了提高V帶壽命，條件允許時，基準直徑盡量取較大值，故取小帶輪的基準直徑dd1=100mm> （dd1）min=75mm
2、驗算帶速v
帶的速度v
(3-12)
因為帶速v=5m/s-30m/s,故帶速合適。
3、大帶輪的基準直徑dd2
已知傳動比i=1，則dd2=dd1=100mm，故大帶輪的基準直徑為100mm。
3.4.4 確定中心距a并選擇V帶的基準長度Ld
1、 確定中心距a
初定中心距a0
（3-13）
代入數(shù)據(jù)得：
故初選中心距a0=300mm。
2、 計算相應帶所需的基準長度Ld0
初定基準長度Ld0
(3-14)
代入數(shù)據(jù)得：
由表13-1-5[3]選帶的基準長度為Ld=900mm。
3、 計算實際中心距a
（3-15）
將數(shù)據(jù)代入上式得：
考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補充張緊的需要，可以得出帶輪的最大中心距amax和最小中心距amin
（3-16）
（3-17）
即中心距的變化范圍為280~307mm。
3.4.5 驗算小帶輪包角
由于兩帶輪的基準直徑相等，且
（3-18）
得：=180o，一般，故適合題意。
3.4.6 計算帶的根數(shù)z
1、 計算單根V帶的額定功率P1
已知A型帶，dd1=100mm,n1=1000r/min, 查表13-1-18[3]得P0=0.99kw
傳動比i=1，增量
=180o, 由表13-1-21[3]，包角修正系數(shù)=1；
Ld=900mm，由表13-1-22[3]得帶長修正系數(shù)=0.87；
（3-19）
2、 計算V帶的根數(shù)z
普通V帶及有效寬度制窄V帶：
（3-20）
取5根V帶。
3.4.7 計算單根V帶的初張緊力的最小值
由表13-1-23得V帶單位長度質(zhì)量m=0.1kg/m，所以
(3-21)
3.4.8 作用在軸上的力即壓軸力的最小值（Fr）min及帶輪的結(jié)構(gòu)設計
(3-22)
由于帶輪的基準直徑dd1=100mm,且為A型帶，查閱13-1-12[4]可知選用實心式帶輪。實心式帶輪的結(jié)構(gòu)如下[10]：
圖3-5 帶輪的外形尺寸
查閱23-1-69可知，型號為YCT160-4B的勵磁調(diào)速電機的輸出軸的直徑
輸出軸的長度E=60±0.37，根據(jù)軸頸選擇鍵的類型與尺寸[5]
選擇普通平鍵，鍵寬bх鍵高h=8x7,故帶輪的尺寸如上圖所示
3.5 鏈傳動的設計
滾子鏈傳動的設計與計算
電動機通過V帶傳動驅(qū)動蝸桿減速器，然后通過鏈傳動驅(qū)動從動機頭，所需傳遞的功率為
（3-23）
其中，V帶效率=0.9，減速器效率=0.82.由于減速器的傳動比i=20
則主動鏈輪轉(zhuǎn)速為：
n1=1000/20=50(r/min)
1.確定傳動比，選擇鏈輪齒數(shù)z1、z2
傳動比i=1，鏈輪齒數(shù)按優(yōu)先齒數(shù)選取z1=z2=21。
2.計算當量的單排鏈的計算功率Pca
根據(jù)鏈傳動的工作情況、主動鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動所需傳動的功率修正為當量的單排鏈的計算功率[16]
(3-24)
式中：KA——工況系數(shù)，由表13-2-3[4]，為1；
KZ——主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)，由表13-2-4，為1.11；
KP——多排鏈系數(shù)，此處為單排鏈，為1；
P——所需傳遞功率，由前計算得，P=2.2kW。
代入式（3-24）得：
3.選擇鏈條型號和節(jié)距
根據(jù)計算功率Pca=2.44kW和主動鏈輪轉(zhuǎn)速n1=50r/min，由圖13-2-1選取16A-1。查表13-2-1，鏈條節(jié)距為p=25.4mm。
4.驗算主動鏈輪的軸孔直徑dk
查表13-2-6,由節(jié)距p=25.4mm和齒數(shù)z1=21，得鏈輪軸孔最大許用直徑dmax=95mm。
主動鏈輪的直徑dk=45mm,小于最大許用直徑dmax=95mm。
故滿足要求,不需要調(diào)整軸孔直徑和節(jié)距。
5.計算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距
取a0=1000mm。
相應的鏈長節(jié)數(shù)為：
（3-25）
代入數(shù)據(jù)得：Lp0=100節(jié)。
鏈條長度為：
（3-26）
已知：z2=z1=z=21，
計算中心距ac
（3-27）
實際中心距a
（3-28）
一般
故實際中心距a=（999.7-1001.3）mm
由于是水平傳動，為防止鏈條脫落，可取實際中心距為1002mm。
6.計算鏈條速度，確定潤滑方式
平均鏈速v
（3-29）
故此傳動為低速鏈傳動。
由v=0.44m/s和鏈號16A-1，由圖9-14[5]可知采用定期人工潤滑。
7. 計算鏈傳動作用在軸上的壓軸力F
有效圓周力：
(3-30)
鏈輪水平布置時的壓軸力系數(shù)KFP=1.15，則壓軸力
(3-31)
3.6 齒輪傳動
3.6.1 第一組錐齒輪的設計、計算及校核
第一組錐齒輪的傳動目的是為了改變傳動方向，傳動比u=1，則n2=un1=50r/min，由于通過鏈輪將傳動傳遞到另一組機頭，故這一組錐齒輪所需的傳動功率減半，為1.1kW。
3.6.1.1 錐齒輪傳動的初步設計
1.選定齒輪類型、精度等級、材料[11]
（1）所選錐齒輪為正交傳動的等頂隙收縮齒直齒錐齒輪，即交錯角為90°。
（2）本機器為一般工作機器，速度不高，可選用7級精度的錐齒輪。
（3）材料的選擇：兩齒輪材料均為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。
2.初步設計
（1）接觸強度的初步計算公式：
（3-32）
式中：
d1——小齒輪大端分度圓直徑，mm；
e ——錐齒輪類型幾何系數(shù)，由表14-3-25[4]查得為1200；
Zb——變位后強度影響系數(shù)，由表14-3-26[4]查得為1；
——齒寬比系數(shù)，由表14-3-27[4]查得為1.629；
T1——小齒輪轉(zhuǎn)矩，，N?m；
KA——使用系數(shù)，由表14-1-81查得為1.25；
——齒向載荷分布系數(shù)，由表14-3-34查得，又；
——試驗齒輪的接觸、彎曲疲勞極限，由表14-3-28查得為650N?mm2；
u——齒輪傳動比，為1；
將以上各數(shù)代入式（3-32）得：
（2）彎曲強度的初步計算公式：
（3-33）
式中：
由接觸強度算得的分度圓直徑，按圖14-3-5[16]取z1=35；
KA——使用系數(shù)，見表14-1-81可取KA=1.25
——齒向載荷系數(shù)，；
YF——齒形系數(shù)，由式Y(jié)F=CYFO,C為有切向變位時的修正系數(shù)，由圖14-3-23，查取為1.0，由圖14-3-24查取YF0=2.53，則YF=2.53。
——試驗齒輪的彎曲疲勞極限，由表14-3-28查得為220N?mm2。
將以上各數(shù)代入式（3-33），得：
由以上計算，大端端面模數(shù)：
圓整為標準值m=6mm。
3.6.1.2 錐齒輪傳動的幾何計算
根據(jù)所選定的齒形制GB/T12369-1990[22]，按表14-3-2[4]確定如下：
1. 齒形角；
2. 齒頂高系數(shù)h*a=1；
3. 頂隙c*=0.2；
4. 螺旋角；
根據(jù)上述計算，
5. 大端端面模數(shù)m=6；
6. 齒數(shù)比u=1；
7. 齒數(shù)z1=35，z2=35；
8. 高變位系數(shù)x1=x2=0；
切向變位系數(shù)xt1=xt2=0；
9. 節(jié)錐角：
解得：，則
10.大端分度圓直徑d
11.外錐距R
12.齒寬b
齒寬系數(shù),可初選。
取齒寬b=45mm<10?m=60mm，滿足要求。
13.齒寬系數(shù)
14.平均分度圓直徑dm
15.中錐距Rm
16.平均模數(shù)mm
17.大端齒頂高ha
ha1=ha2=m?h*a=6mm
18.全齒高h
19.大端齒根高hf
20.大端齒頂圓直徑da
21.齒根角
求出=2.776o
求出=2.776o
22.齒頂角
對于齒頂隙收縮齒
23.頂錐角
24.根錐角
25.安裝距A
按結(jié)構(gòu)確定,A1=140mm,A2=141mm
26.冠頂距AK
27.支撐端距H
28.周節(jié)p
29.分度圓弧齒厚s
30.分度圓弦齒厚
31.分度圓弦齒高h
32.當量齒數(shù)zv
33.端面重合度
(3-34)
式中:
將上述數(shù)據(jù)代入式(3-34)[14]得:
圖3-6 第一對錐齒輪
3.6.1.3 錐齒輪的強度校核計算
1.接觸強度校核計算：
對于正交傳動，計算接觸應力[12]：
(3-35)
式中:
——節(jié)點區(qū)域系數(shù)，由圖14-3-27查取為2.50；
——彈性系數(shù)，由表14-1-105查得為189.8；
——接觸強度計算的重合度系數(shù)，由表14-3-30查得
(3-36)
又有當量齒輪的重合度計算如下:
(1) 分度圓直徑dv
(2) 中心距av
(3) 齒頂圓直徑dva
(4) 端面齒形角
其中,,則=20o
(5) 基圓直徑dvb
(6) 嚙合線長度
(7) 端面重合度
(8) 縱向重合度
由于是直齒錐齒輪，故，則：
將以上數(shù)據(jù)代入，得接觸強度計算的重合度系數(shù)：
——接觸強度計算的螺旋角系數(shù)，；
——接觸強度計算的錐齒輪系數(shù)，是考慮錐齒輪齒形與漸開線齒形的差異及輪齒剛度沿齒寬變化對齒面接觸強度的影響。當齒頂和齒根未經(jīng)修形時，取=1;
——使用系數(shù)，由表14-1-81查得為1.25；
——動載系數(shù)，計算如下：
（3-37）
式中：
N ——臨界轉(zhuǎn)數(shù)比，即小齒輪轉(zhuǎn)數(shù)n1與臨界轉(zhuǎn)數(shù)nE1之比
（3-38）
對工業(yè)及車輛傳動，建議在亞臨界區(qū)使用，即
vmt——中點圓周速度
代入（3-38）計算得：
K——當時，其值為
（3-39）
——齒距極限偏差，，通常按大輪查表14-3-43取20；
——跑合量，，查表14-3-32為
c‘——單對齒剛度，取14；
Cv12與Cv3——時的系數(shù)，由總重合度
查表14-3-33，分別為
——作用在錐齒輪齒寬中點端面分度圓上的名義切向力，N，計算如下：
——接觸強度計算的有效齒寬，mm，一般取為
將以上數(shù)據(jù)代入得（3-39）：
帶入式（3-37），則動載系數(shù)為：
——接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)，由表14-3-34查得
,又有；
——接觸強度計算的齒向載荷分配系數(shù)，由表14-3-35查得=1；
由以上計算代入接觸強度計算公式（3-35）得：
許用接觸應力
(3-40)
——試驗齒輪的接觸疲勞極限，為650N/mm2；
——接觸強度計算的最小安全系數(shù)，由表14-1-110取1.10；
——潤滑