压板式水果封箱机设计及有限元分析

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001）

0 引言

水果包装和运输过程中使用的纸箱作为现代农业生产中不可缺少的一部分，承担着水果容装、保护产品、美观的重要任务[1-4]。纸箱以其便于装卸搬运、易于折叠平放、堆叠节省仓容等特点受到青睐，并广泛适用于物流、食品、饮料、书刊、家用电器、零件加工、化工等行业，使用量巨大[5-8]。市面上常见的的手柄式封箱器或简易封箱器为人工封箱带来便利，但是人工封箱存在着效率低、成本高、包装不严密等缺点[9-11]。

传统封箱机中一般情况下压盖装置和封胶装置是核心的两个装置。压盖装置的作用是压平纸箱上面的四个箱盖，以确保其严密封胶，而封胶装置的作用是将纸箱上下箱盖缝隙处粘胶带，如果压上盖装置不能压平纸箱上部的箱盖，在封胶时会产生封不严的状态，导致整个纸箱封箱的过程还需重作业。现有的封箱机在封箱盖机构中仅采用一个压板，常常出现纸箱上部压平三个盖子，另一个盖子反向弯折的状况，在封胶装置中是以纸箱与传送带的摩擦力作为动力，使胶带被切刀切断，但是箱体重量影响切断胶带的长度，封胶连贯性被破坏。

本文提出一种新型的封箱机，根据工作特点定义为压板式棘轮胶带封箱机，在这种封箱机中，采用“三杆一板”式封盖装置压平箱体上部箱盖，封胶装置采用棘轮与弹簧相搭配，连贯有效实现箱体封胶。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

该装置机械部分由机架、折叠校中装置、压上盖装置、折下盖装置、运输装置、封胶装置组成，压板式棘轮胶带封箱机的设计实现了纸箱包装的折叠、运输、封箱、封胶的全自动过程，整体装置实物图如图1。

1.2 工作原理

本设计在于设计一种具有自动包装封箱的一体机。主要是通过纸箱折叠板及胶带封箱器的工作，将纸箱折叠完好并且将胶带沾到封好纸箱上面，达到自动一体包装封箱的目的，使其更能高效快捷。此外，本设计采用立式传输带在两侧提供动力，节省空间的同时巧妙地解决了箱子上下口不能同时封装的难题，其工作过程如图2所示。

封箱装置中的折叠校中装置的作用是实现对不同规格的纸箱进行立口及校中，图1中水平向左为纸箱运行方向，其中主折箱板通过电机的控制在导轨上纵向（左）运动，副折箱板通过齿轮齿条的啮合，在导轨上横向运动，折叠式纸箱在这两个挡板的共同挤压下，完成纸箱折叠立口过程，实现首次粗略校中，而后在光电感应下，电机联轴器带动双向丝杠，调节纸箱的横向位置，使纸箱恰好位于运输架传送带的中轴线上，得以完全实现校中。

压上盖装置如图3所示，当纸箱完成校中后，挡板气缸推动整个纸箱至传送带，然后打杆气缸迅速驱动折箱打杆，将纸箱上部的后盖压平，完成压箱盖的第一步；然后由传送带带动立口纸箱向前运动，压上盖装置中两个压杆使纸箱上部左右箱盖向内弯曲，中折箱压板将纸箱上部所有箱盖压平，完成压上盖的第二步；在传送带下端有倒V型挡板，当纸箱经过挡板即可完成下箱盖的封箱过程。

封胶装置主要由棘轮封胶器构成，利用棘轮原理，单向步进，纸箱推动上下两个封胶器前、后轮逆时针转动，纸箱经过后，封胶器前轮和封胶器后轮由弹簧和连杆带动顺时针转动复位，切刀也随即切断胶带，如图4所示。

当主动摆杆逆时针摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，推动棘轮转过一个角度。此时，止动爪在棘轮的齿背上滑动，当主动件摇杆顺时针摆动时，止动爪阻止棘轮沿顺时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，故棘轮静止不动，摇杆作连续的往复摆动时，棘轮便作单向的间歇运动，具体棘轮结构图如图5所示。胶带封箱器的核心机构设计的原理图如图6所示。

2 关键件有限元分析

压上盖装置需要左右折箱压杆向内压弯纸箱外摇盖，中折箱压板压平纸箱箱盖，使纸箱箱盖无法张开，最终在封胶时足以使纸箱箱盖完整地封胶。但是在实际工作状态中，中折箱压板受力状态不够理想，使用中易发生明显形变，对达成封箱的目的造成影响，故对中折箱压杆进行了有限元结构分析[12-13]。封上盖过程中，中折箱压板形变程度较大，对其厚度进行调整，载荷位置位于最远离中折箱压板的两个平面上，力的作用位置在中折箱压板的下凹部分和连接板下表面处，机身经过实际运行，中折箱压板对纸箱的压力在12 N左右。

原有中折箱压板厚度为2 mm，设置参数进行静力学受力分析，其中绿色箭头和蓝色箭头分别表示为夹具和载荷，发现板材安全系数较低，根部发生了变形，如图7所示，设置安全系数为2.5，小于和大于安全系数的表示颜色分别为蓝色和红色。

通过设置参数对折箱压杆进行静力学分析，如图8所示，从安全系数的分析结果中得出折箱压板在压上盖装置中受力变形较大，故对其厚度进行调整，由原来的2 mm加厚为8 mm，以便增加其强度和硬度，改善根部形变过大的状态，并对改良后的应力和位移进行分析[14]。

3 计算结果分析

3.1 基本假设

（1）中折箱压板各个部分材料相同，材料属性相同。

（2）材料具备塑形，中折箱压板的厚度-形变程度曲线取直线对分析结果进行评估。

（3）为了分析简便，对所需要求分析的两个平面取静载荷的分析。

（4）材料属性不受到温度，湿度等因素干扰。

3.2 计算结果

在有限元分析中（改进方案的正确性的取决因素最为重要的就是计算结果分析），然后才能根据分析结果优化尺寸。采用Solidworks中SimulationXpress插件，分析设计参数参数为：中折箱板的材料为7075铝合金，泊松比0.33，弹性模量71 GPa，应力强度572 MPa，纸箱发生变形10 mm，就会造成包装质量和运输的影响。根据材料参数，描绘在12N压力下机器在运转时，中折箱压板的材料厚度与形变程度曲线，结果见图9所示。

由图9可知在随着中折箱压板的厚度增加，形变程度大幅减弱，当压板厚度为8 mm时形变仅为2.403 mm，这时压板受到的压应力大小为45.2 MPa，远小于许用应力505 MPa，此时纸箱发生的变形也很小，根据实际测量只有1 mm左右，远小于设计参数10 mm的限制，所以不会对封箱质量造成包装和运输影响，可以投入使用。

4 结论

（1）棘轮的巧妙运用，使切刀既可以割断胶带达到封箱的目的，又可以复位封胶器，封胶过程变得连贯，提高封箱效率。

（2）压板式棘轮胶带封箱机在封箱时，最大应力符合屈服力的要求，即在封箱时压板不会明显形变，强度符合要求，达到设计的目的。

（3）利用 Solidworks SimulationXpress 对部分结构分析，但在载荷力的大小选取对中折箱压板形变影响大，应合理选取中折箱压板厚度。

压板式棘轮胶带封箱机解决了对大小不一的箱子封箱的问题，在实现为箱子粘贴胶带的基础上增加对纸箱的校中、折盖等新功能。市场对纸箱包装封箱需求大，现有的包装机构已不能满足广大商家的要求，因此自动包装一体机的出现已成为必然趋势，本装置体积小，成本低，结构简单，能给广大企业带来便利，据实际效果看，折箱封胶效率高，可见具有良好的市场应用前景。