双封式横封机构设计
图1：立式袋装机连续横封器结构图
1-主动齿轮,2-横封辊,3-电热管,4-加压弹簧,5-机架,
6-调节套筒,7-锁紧螺母,8-支杆,9-滑环,10-碳刷
如上图所示：在双封式连续横封机构中，有两只横封辊，每一只横封辊上对称分布两只热封头，由电热丝加热并自动进行恒温控制。热封所需压力可借助两侧的压缩弹簧进行适当调节。热封头的工作表面大都具有花纹；以加强包装袋的密封强度并增加美观。花纹样式依据所用包装材料的性质、厚薄而定。
应用于连续制袋式袋装机上的横封机构有如下一些工艺要求应满足,一是横封器的热封件与连续运动着的包装料袋热封瞬时应有相同的线速度。这点若不能满足,热封时就可能造成封口部位起皱、拉伸过度,甚至断裂；二是袋长规格变化时,横封器热封件回转半径不变下经调节有关部位能得到所需热封线速度。对此,要求横封器在工作中用不等速回转机构带动,袋装机上常用偏心链轮及转动导杆机构作横封不等速回转机构。
横封器工作时，已经完成纵封和充填的包装袋从两横封辊间通过，两横封辊做周期回转，当两辊重合时，便对包装袋进行横封、切断。横封辊由不等速回转机构带动，要求在封合瞬间，横封头回转的线速度与包装袋运行的线速度相等。不等速机构通常采用偏心链轮机构，调整主链轮的偏心距离可实现对不同长度的包装袋的封合。
因横封机构在进行封合时必须满足对不同长度的包装袋的封合，横封头在封合的瞬间，热封头线速度必须与包装袋的线速度相同。横封器采用偏心链轮不等速回转机构传动，当封合过程中包装袋长度变化时，调节偏心链轮不等速回转机构的主链轮上的偏心距便可实现同步封合。偏心链轮不等速回转机构图如下：
如图2：该机构由两只齿数相等的链轮,一个张紧轮和链条等组成,其中一只链轮的回转中心在链轮内可以变化,由分配轴带动作匀角速回转,另一只则是绕固定轴回转的从动链轮,该轮作变角速回转,并通过中间传动装置可带动横封器的热封器的热封件作不等速回转。
1.运动规律：如图3所示为该偏心链轮机构的工作原理图,分别为两只链轮的回转中心,两回转中心距离=g,链轮半径,偏心轮的偏心距以等角速ω0作主动回转,某瞬时转角为θ,从动链轮在链条带动下作不等速回转,转角用表示。主动轮节圆上任一点A转到与链条AB相切时,则A点瞬时线速度为,其大小,方向垂直AO,AO为该瞬时A点的回转半径,中使链条向前运动的分速度为,其方向沿AB,其值为：
式中: ω0—主动轮回转角速度,调定后为一常数。
VA－某瞬时主动轮节圆上与链条相切点的回转半径,为瞬变值。
β－切点上线速度方向与该瞬时两轮链条直线之间的夹角,也是 瞬变值。
在△AO1O中,令AO=R,OO1=e,∠O1AO=β,应用余弦定理可得：
又令∠O1OO2=α,而∠AOO2是直角,则仍在△AO1O中应用余弦定理得:
在△OO1O2中,与α角的对边为O1O2,令O1O2=g,连OO2,并令OO2=L,它∠OO1O2相对,而∠OO1O2正是主动链轮在该瞬时的转角,应用正弦定理得：
在∠OO1O2中应用余弦定理得：
将L值代入得：
将此式代入AO 式中：
则链条向前运动的瞬时分速度:
在同一根链条上的同一方向,链条即不能伸长又不能缩短,故：
而VB是从动轮O2上与AB链条相切点B处的瞬时线速度,令O2轮在该瞬时的角速度ω,则 VB=ωR
所以：
则从动轮O2某瞬时的角速度为:
即当主动偏心轮以ω0匀角速回转时,该偏心链轮机构的链轮作非匀角速转动。 在的表达式中可,AO及cosβ这两个值是时刻改变着的,其值
显然, 随着主动轮转角θ的变化而变化的。从动链轮角速度ω随主动链轮转角变化。求极值可得: 、
最终可求得：、
立式连续制袋式袋装机上的横封机构正是利用从动轮能有规律的快慢交替的输出角速度的特性来满足使用要求的。
由上式可知偏心链轮不等速回转机构输出角速度的大小与偏心距e、链轮半径R、两轮轴中心距g各参数有关,设计偏心链轮不等速机构时,e、R、g也是必须计算确定的重要参数.
不难看出,对某一具体的偏心链轮来说,R是定值,而e是可调的变量,随e的改变会有相应的不同 、值,且和e是线性函数关系,借用中间某些环节,即可找出偏心距e与袋长L间的对应关系.
立式连续制袋式袋装机横封机构的传动关系如下图所示,图中Z1=Z2,Z5=Z6,Z4=qZ3,其中q是横封棍上热封件的个数,常用的为q=1~4之间,此不等速机构输入的角速度是ω0 ,输出的角速度为 ωF ,横封辊回转角速度为 ω10
所以有即
制袋工艺要求热封件在热合瞬间与包装料袋运动线速度相同,则有: ω
式中:r-横封辊上热封件的回转半径, 亦可写成: 亦可写成:
-显然也作周期性变化,也可写成
上式表示不同袋长在热合瞬间要求不等速机构输出角速度的大小。当主动链轮不偏心工作时,这时的偏心距e=0,i=1偏心链轮机构输出的输出的角速度 即
由此式可得热封件的回转关系表达式与上式化简得
根据本次设计要求：
颗粒自动包装机整机尺寸
横封辊封截面长度及横封切刀外沿的半径为：由上表可知生产力Q=40.袋长L=80㎜,带宽B=30-80㎜。根据带宽横封辊上封截面长度必须大于80㎜，因此取封截面长度为85㎜。
横封器在封合时，热封头封合瞬间的线速度与包装袋运动的线速度相等。主动偏心轮以ω0匀角速回转时,该偏心链轮机构的链轮作非匀角速转动。在封合瞬间，封头的角速度为。本次设计中袋长为固定值，因此取偏心距为0。设横封切刀外沿的半径为R，热封头个数为q因此有：qQL/60=ωR。令偏心链轮的转速为n0(r/min),由于ω0= n0/30.则：
R= qQL/60ω0= qL/2。代入数据q=2、L=80得R=2×80/2×3.14≈25.5㎜。
热封原理及热封头的设计：
1、热封原理:将两层以上的塑料薄膜热熔到一起，这除了与塑料本身的性能有关，如熔融温度、热稳定性等，还与温度、压力、时间和加热方式、封头形式有关。他们都是在加热条件下，使薄膜的热合部位局部地达到熔融状态，并施加一定压力，经过一段时间后，分子互相渗透，经过冷却、定型后而起热封合作用。一般说来，温度低些、压力小些、时间长点，热封质量较好。温度太高，薄膜容易出现软化，产生较大的热收缩变形，影响封口质量，甚至烧穿；如果时间太长，有的塑料会受热分解，压力过大，使封口变成增大，封接强度下降。
2、热封头设计：本次设计的热封方法采用回转辊连续回转实现热封，封合工艺与板式热封相似，其封合工艺图如下：
封合工艺要求：如图可知为了实现加热及加压切断时包装材料与热封切断件的同步要求,希望热封切断件与包装材料接触表面从P位置至Q位置的线速度的水平分量始终与包装材料的运动速度相等.因此,热封切断件在P处的切向线速度应大于在Q处的切向线速度,故热封切断件在此PQ区间作不等速回转。另外,还要求热封切断件在Q处热封切断结束后以比Q处较快的角速度转动离开,以不影响物件1的前进,可见热封切断在区间按卧式袋装横封工艺需要必须作不等速回转,并且在Q处角速度最小。
转动导杆机构以导杆转角θ为横坐标,从动曲柄输出角速度ω为纵坐标θ-ω曲线如图5.48所示,该曲线的最低点专门用来适应卧式袋装机横封切断;如用在立式袋装机上,则θ=0,及θ=180°处的最低,最高可适应短袋及长袋的热封需要。
热封方法的原理是：将要封合的薄膜紧压在耐热橡胶及加热到一定温度的加热板之间实现热封，这种热封机机构和原理简单，封合速度也快。广泛用于聚乙烯薄膜和聚乙烯复合薄膜的热封，但不适用不受热易分解或易收缩的薄膜的热封。本次包装袋采用聚乙烯复合薄膜制袋。对于单膜的热封来说，热封头表面大多采用光面，上板或下板加热，用不锈钢制成，另一板为耐热的硅橡胶，不加热，为了阻止热封合时塑料与加热板粘连，在加热板上与塑料接触的地方应涂上一层聚四氟乙烯；为了使封口美观，封口宽度一般为2～3㎜。对复合薄膜，为了提高封接强度和增加美观，封头表面常有纵横花纹，封口宽度为10㎜。因此本次设计中取封口宽度D=10㎜。
对于薄膜厚度大、加热时间短的热封接，容易形成薄膜上下层温度不均匀，上热下冷或下热上冷温差较大的现象。过大的温差容易引起与加热板接触的塑料薄膜表面过热，产生热变形和热分解，影响封接质量。这时易采用双面加热的方式。
3.包装袋热封切断形式：切断形式有热切和冷切两种。本次设计采用热切。热切是在一定压力作用下，将薄膜局部加热熔化分离的一种切断方式，通常和横封机构连在一起，即在横封的同时完成切断。本次切断采用热切中的电加热刀（恒温切断）。在一些高速包装机上，采用脉冲电加热的方法进行封接和切断已经不能满足要求，因此常用恒温切断方法（又陈电加热切刀法）。
它是用高温绝热材料（丁晴橡胶）将刀体包裹好后，固定于轴上，在一个刀体上用螺钉将刀片固定，并保持一定的间隙，下端夹内耐热弹性材料，它主要起缓冲作用。另一刀体上的刀片的尖形（通常为60度细实线表示），主要与平口刀配合进行切断，刀体两边的突出部分在加热后，对压起的薄膜有热封作用，电加热器有两只，对刀体起加热作用。
为了保证刀体的工作热合表面温度地达到需要的温度，常与热电偶和恒温控制仪表一起配合使用，保证刀体温度稳定在一定范围内。所施加的电功率太大，使恒温控制仪表的动作太频繁;如电功率太小，使刀体不可能加热到需要的温度上来，因此，对已设计的刀体作出正确的电功率估算是很重要的。
恒温切断在工作中是一个复杂的热过程。
加热：它主要靠电加热器通过发热而来，最初是连续加热，使刀体组件达到预定的温度，陈预热过程；在工作中为求得热平衡而补偿散热损失的间断式加热过程陈为工作加热过程。
散热损失：散热损失分有用的和无用的两种。在薄膜的热合、切断过程中，对薄膜加热的热损失是有用的；在工作表面的传热、辐射及空气流动的散热是无用的，采用绝热措施减少无用部分的损耗是很有效的办法。其热计算应是刀体的加热过程和工作中的热平衡计算。为计算方便作如下假设：电热元件与刀体接触均匀，刀体的导热均匀，并视作绝热状态下的一维导热过程，只有理想辐射表面散热过程，刀体的热流密度只与被封合的材料有关。
横封辊上零件的设计：
1、轴设计：热封切刀是安装在轴上的，经过以上的设计知道热封刀的回转半径为25.48mm,封头宽10 mm。设计热封切刀的底座宽为16 mm。轴的直径大于热封切刀的底座宽，因此可设计轴上安装热封切刀部位的直径为24 mm。轴上安装轴承的部位的直径要比安装热封切刀部位的直径小。且大小等于轴承小径。轴上还有安装齿轮的部分和安装其它部件的部分。因为部分电加热装置要安装在轴内从轴端到达热封合切刀上，因此轴的两端到安装热封合切刀的部分中间要设置通道。安装轴承和齿轮及其它部件的部位的尺寸根据所选的零部件而相应的确定。
2.轴承选取：用来支承轴或轴上回转零件、保持轴的旋转精度、减小磨擦和磨损。本此设计中轴承的选取：在横封机工作过程中，工作压力不大，轴承的负荷不大。转速不高，因此对轴承的强度要求不高，根据轴承工作要求及与轴的配合查表选取深沟球轴承中的代号为6003的轴承。其基本尺寸/mm：d=17，D=35，B=10，rs=0.3.其安装尺寸/mm:da=19.4，Da=32.6,ras=0.3.基本额定动载荷6.00KN。基本额定静载荷3.25KN。极限转速r/min，脂润滑：17000，油润滑：22000
3、齿轮设计：用来传递任意轴间的运动和动力，在此起传动及减速作用，齿轮是机械传动系统中最常用的传动部件，齿轮传动有传动稳定、适用的圆周速度和功率范围广、效率较高、寿命较长、工作可靠性高、可实现平行轴，任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动等优点。横封机工作过程中，横封辊有齿轮直接带动，横封辊的转速不高，因此齿轮的转速也不高。在包装袋的封合过程中，对尺寸的控制要求比较高，这要求齿轮在传动过程中传动误差要小。
本此设计中查表选取主动齿轮的模数m=2.由上面轴承选取中可知轴承小径为17mm。因此齿轮上与轴套合的中间孔的直径要小于17mm，设计中设定此孔的直径为13 mm。设定齿轮齿数为Z=25，齿顶高ha=2 mm,齿底高hf=2.5 mm。则分度圆直径d=mZ=2×25=50 mm,齿顶圆直径da=50+2×2=54 mm.
从动齿轮各参数与主动齿轮相同。
4.压力调节机构设计：如图1所示：通过手轮与压缩弹簧调节热封所需压力。用螺栓调节上下刀间的间隙大小,用螺栓调节因物件厚薄尺寸影响横封缝的上下位置横封辊热封件表面的花纹与所热封包装材料有关。封合过程中，如果封合压力过小，则薄膜相互渗透不足，封合不牢靠，达不到封合要求。如果压力过大，则薄膜变形较大，影响封口质量。
封合时热封所需压力主要由弹簧的弹力实现。调节过程中，当需要增加热封压力时调节调节套筒向由旋，从而挤压弹簧，弹簧再使横封辊产生相应位移，从而增加两横封辊间压力。当热封压力过大需要减小时，将调节套筒向左旋，此时弹簧伸开，弹力减小，夹在横封辊上的压力也减小。热封压力也相应的减小从而达到要求。热封压力由弹簧产生，弹簧的弹力与弹簧的材料，形式有关。因此对压力调节机构的设计主要是对弹簧进行选取。连续式横封器封合过程中所需要的热封压力不大，一般在0.1～0.6MP之间。
弹簧有螺旋弹簧、环形弹簧、蝶形弹簧、平面涡卷弹簧和板弹簧等，在横封机构中选用螺旋弹簧。螺旋弹簧是用金属丝按螺旋线卷绕而成。其又可分为圆柱形、截锥形等。按受载荷情况可分为拉伸弹簧、压缩弹簧和扭转弹簧。横封机构中用于调节热封压力的是圆柱形压缩弹簧。
对比弹簧所用材料及横封器中热封压力，本次横封器设计中选择碳素钢弹簧。弹簧材料直径为1.5 mm，弹簧中径为13 mm。
电机及链轮的选定
1、电机选定：在横封机构中，电机经过链传动，齿轮传动将转动传给横封辊，中间进过一次减速器减速，一次链传动，一次滚动轴承传动，三次齿轮传动，由此可求得传动效率查表得传动效率。查表可得其它传动过程的传动效率为η1（滚动轴承）=0.99，η2（齿轮传动）=0.97，η3（链条传动）0.96。减速器传动效率设定为0.95
总传动效率为=0.99×0.973×0.96×0.95=0.824
横封器上横封辊的转矩不大，通过计算可知所需功率小于1KW,转矩小于2，又因为横封辊的转速为40r/min，因此对电机转速要求也不高。由此可查表选取电机。选取Y系列电动机中的Y90S-6，其额定功率为0.75KW,满载转速为910 r/min，额定转矩为2.
2、链轮设计:在连续式横封器中，链轮主要用于将电机的转动传送到齿轮。链轮用于偏心链轮传动机构中，有主链轮和从动链轮。主链轮为偏心链轮。链轮与链条配合使用从而实现传动功能。
在传动过程中链速在0.6～3m/s之间，本次设计中设定链速为1m/s，查表可知链轮相应的齿数Z≥17，因此设计中设定Z=20.设定在横封机构选用08A号A系列磙子链，其节距P=12.70 mm。根据链条节距和链轮齿数可计算处链轮节圆半径。设节圆半径为R.
根据公式R=1/2Pcsc1800/Z=1/2×12.7×csc1800/Z=41 mm.
则链轮分度圆直径D=2×R=2×41=82 mm
链轮齿顶圆直径Da=P(0.54+cot1800/Z)=12.7×(0.54+6.31)=87 mm
在传动过程中转矩比较小，因此所用的轴的直径也小，由前面的设计结果可设定此处与链轮配合的轴的直径为24 mm，进而可设定与轴配合的链轮的中间孔的直径d=24 mm.
因为在链轮传动过程中，链轮与链条间的接触为刚性接触，因此链轮磨损较大。因此链轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，故齿面多经热处理。小链轮的齿合次数比大链轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢、灰铸铁等。
参考文献：
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2. 许林成. 包装机械学. 长沙：湖南大学出版社，1989
3. 马喜川. 包装机械概论. 北京：印刷工业出版社，1998
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5. 许林成. 包装机械原理与设计. 上海：上海科学技术
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