■向嚴(yán)嚴(yán) 鄧援超

（湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北武漢 430068)

在飼料生產(chǎn)過程中，有散裝產(chǎn)品和袋裝產(chǎn)品。對一些飼料儲存要求比較高的產(chǎn)品[1]，通常會采用雙層袋進(jìn)行包裝，外袋材質(zhì)是編織袋，保證產(chǎn)品包裝的強度要求，而內(nèi)袋材質(zhì)是塑料薄膜，保證飼料防潮防濕。很多飼料企業(yè)在使用雙層袋對飼料進(jìn)行包裝時，對內(nèi)袋的封口方式一般采用縫紉機對內(nèi)外袋同時線縫或?qū)?nèi)袋進(jìn)行熱封的方式，上述封口方式均不能很好地保證飼料的密閉性和車間安全性。對內(nèi)袋采取卡扣封口的方式能夠穩(wěn)定有效地保證內(nèi)袋封口的密閉性和避免車間粉塵爆炸的安全問題。因而在飼料生產(chǎn)線上，雙層飼料袋經(jīng)過灌裝工序之后，由傳送帶送到扎口工序中對裝有飼料的內(nèi)塑料薄膜袋進(jìn)行卡口扎緊。在整個內(nèi)薄膜袋扎口扎緊工序中，主要使用鋁硅合金型材的U型卡扣進(jìn)行扎口。如圖1所示。

圖1 U型卡扣示意圖

1 卡口機的工作原理

卡口機裝置的工作原理是由導(dǎo)向機構(gòu)、推桿機構(gòu)以及擠壓成型機構(gòu)組成，其關(guān)鍵作用部分在于最后的擠壓成型機構(gòu)。雙層飼料袋內(nèi)袋經(jīng)過灌裝工位之后，由輸送帶運送到卡口工序中的卡口封裝位置，導(dǎo)槽推動氣缸推動倒槽板繞銷軸轉(zhuǎn)動將雙層袋內(nèi)袋夾緊成一字型收攏，在止動塊作用下止動，此時，主推力氣缸通過推板推動U型卡扣沿導(dǎo)向塊中的倒槽運動，這時將橫向一字型收緊的袋口沿縱向方向壓縮收緊在卡槽模子處，在主推力氣缸的推力以及卡扣成型模子的作用下，卡口發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)變形，最終將袋口鎖緊。卡口機結(jié)構(gòu)簡圖，其中圖A為導(dǎo)向板打開狀態(tài)，圖B為導(dǎo)向板將袋口收攏的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 卡口機結(jié)構(gòu)

2 U型卡扣的受力分析

雙層飼料袋內(nèi)袋進(jìn)入如圖2中的倒槽板處后，雙層袋內(nèi)袋被卡口機裝置加持收緊。此時U型卡扣在推桿作用下通過通道進(jìn)入曲線槽中。U型卡扣在模子曲線通道上中的受力簡圖如圖3所示。

圖3 卡扣的受力

圖3中F為卡口機推桿對卡扣的主動推力,F1與F2分別為卡槽槽道對卡扣端1、2點的作用力，F(xiàn)f1、Ff2分別為卡槽槽道對卡扣端1、2點的摩擦反作用力，α、β分別為卡扣和卡槽槽道接觸處曲率半徑的切線方向與卡扣之間的夾角。

對卡扣做整體受力分析，根據(jù)牛頓第二定律和力平衡原理可得

由于卡扣為鋁材質(zhì)所制，質(zhì)量很小，故忽略其質(zhì)量的影響。其中λ是摩擦系數(shù)，為常數(shù)項。因為卡扣兩端受力情況對稱一致，α=β，因此由上述方程可得出計算結(jié)果為

從計算結(jié)果中可以看出，卡扣所受到的力F1和F2與推力F和角度α（β）有關(guān)，其中推力F來自于氣缸產(chǎn)生的推力，角度α（β）取決于卡扣和卡槽槽道接觸處曲率半徑的大小。

為了方便分析，現(xiàn)取卡扣的上半部分作為分析，將其簡化為懸臂梁純彎曲變形模型[2]。在純彎曲變形分析前先做兩個假設(shè)：1.在變形前梁的橫截面為平面，變形后依舊為平面，且此平面垂直于梁變形后的軸線；2.梁的縱向方向上無正應(yīng)力作用。從卡扣開始受力到完成彎曲變形過程中需要經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形以及塑性變形這三個過程。懸臂梁及受力簡圖如圖4所示，其橫截面寬度為b，高度為h。由于考慮到F1與F2在垂直方向上的分力對卡扣產(chǎn)生的剪切應(yīng)力以及擠壓應(yīng)力比較小，因此在對卡扣彎曲變形分析中忽略剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的影響。

圖4 懸臂梁受力及橫截面示意

由圖3可知：

只有當(dāng)作用在卡扣上的主推力滿足公式（11）不等式的情況下才能讓卡扣正常工作，為使用卡扣封口的動力選擇提供了理論依據(jù)。

3 U型卡扣的算例應(yīng)用

已知卡扣的材料為硅鋁合金，查資料可知屈服應(yīng)力σs=450 MPa，卡扣長度l=19.8 mm，橫截面的寬度b=2.6 mm，高度 h=3.1 mm，初始角度α=48°，鋁合金和鋼材之間的摩擦系數(shù)λ為0.17，將上述數(shù)據(jù)代入不等式（11）式，可得結(jié)果為F＞189.3 N。因而在對氣缸的選用上，其推力值必須大于189.3 N。為驗證上述計算結(jié)果的正確性，現(xiàn)在對該規(guī)格的卡扣進(jìn)行靜應(yīng)力分析，用solidworks軟件對卡扣進(jìn)行三維建模，利用solidworks里面的有限元工具simulation進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，利用189.1 N代入公式（7）可得F合至少為110.5 N，對卡扣懸臂的受力設(shè)置為最小值110.5 N，卡扣應(yīng)力仿真的變形位移云圖如圖5所示：

圖5 卡扣應(yīng)力仿真的變形位移

從圖5中可以看出，當(dāng)卡扣懸臂上施加的力在110.5 N時，卡扣發(fā)生了彎曲變形，其的應(yīng)力變形結(jié)果符合上述結(jié)論。

4 小結(jié)

本文通過對U型卡扣的力學(xué)分析及理論計算，得出在選用卡扣進(jìn)行封口時的最小推力表達(dá)公式，對卡口機上的氣缸選型提供了理論支撐。為適應(yīng)更廣泛的內(nèi)袋卡扣封口設(shè)計提供了技術(shù)指導(dǎo)。U型卡扣應(yīng)用在飼料包裝袋上，可以有效地保證飼料包裝的密封性，同時降低了生產(chǎn)成本，也減輕了工人的工作勞動強度[4]，是一種十分有效的封口方式。