（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧錦州 121001）

0 引言

水果包裝和運輸過程中使用的紙箱作為現(xiàn)代農業(yè)生產中不可缺少的一部分，承擔著水果容裝、保護產品、美觀的重要任務[1-4]。紙箱以其便于裝卸搬運、易于折疊平放、堆疊節(jié)省倉容等特點受到青睞，并廣泛適用于物流、食品、飲料、書刊、家用電器、零件加工、化工等行業(yè)，使用量巨大[5-8]。市面上常見的的手柄式封箱器或簡易封箱器為人工封箱帶來便利，但是人工封箱存在著效率低、成本高、包裝不嚴密等缺點[9-11]。

傳統(tǒng)封箱機中一般情況下壓蓋裝置和封膠裝置是核心的兩個裝置。壓蓋裝置的作用是壓平紙箱上面的四個箱蓋，以確保其嚴密封膠，而封膠裝置的作用是將紙箱上下箱蓋縫隙處粘膠帶，如果壓上蓋裝置不能壓平紙箱上部的箱蓋，在封膠時會產生封不嚴的狀態(tài)，導致整個紙箱封箱的過程還需重作業(yè)?，F(xiàn)有的封箱機在封箱蓋機構中僅采用一個壓板，常常出現(xiàn)紙箱上部壓平三個蓋子，另一個蓋子反向彎折的狀況，在封膠裝置中是以紙箱與傳送帶的摩擦力作為動力，使膠帶被切刀切斷，但是箱體重量影響切斷膠帶的長度，封膠連貫性被破壞。

本文提出一種新型的封箱機，根據工作特點定義為壓板式棘輪膠帶封箱機，在這種封箱機中，采用“三桿一板”式封蓋裝置壓平箱體上部箱蓋，封膠裝置采用棘輪與彈簧相搭配，連貫有效實現(xiàn)箱體封膠。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

該裝置機械部分由機架、折疊校中裝置、壓上蓋裝置、折下蓋裝置、運輸裝置、封膠裝置組成，壓板式棘輪膠帶封箱機的設計實現(xiàn)了紙箱包裝的折疊、運輸、封箱、封膠的全自動過程，整體裝置實物圖如圖1。

1.2 工作原理

本設計在于設計一種具有自動包裝封箱的一體機。主要是通過紙箱折疊板及膠帶封箱器的工作，將紙箱折疊完好并且將膠帶沾到封好紙箱上面，達到自動一體包裝封箱的目的，使其更能高效快捷。此外，本設計采用立式傳輸帶在兩側提供動力，節(jié)省空間的同時巧妙地解決了箱子上下口不能同時封裝的難題，其工作過程如圖2所示。

封箱裝置中的折疊校中裝置的作用是實現(xiàn)對不同規(guī)格的紙箱進行立口及校中，圖1中水平向左為紙箱運行方向，其中主折箱板通過電機的控制在導軌上縱向（左）運動，副折箱板通過齒輪齒條的嚙合，在導軌上橫向運動，折疊式紙箱在這兩個擋板的共同擠壓下，完成紙箱折疊立口過程，實現(xiàn)首次粗略校中，而后在光電感應下，電機聯(lián)軸器帶動雙向絲杠，調節(jié)紙箱的橫向位置，使紙箱恰好位于運輸架傳送帶的中軸線上，得以完全實現(xiàn)校中。

壓上蓋裝置如圖3所示，當紙箱完成校中后，擋板氣缸推動整個紙箱至傳送帶，然后打桿氣缸迅速驅動折箱打桿，將紙箱上部的后蓋壓平，完成壓箱蓋的第一步；然后由傳送帶帶動立口紙箱向前運動，壓上蓋裝置中兩個壓桿使紙箱上部左右箱蓋向內彎曲，中折箱壓板將紙箱上部所有箱蓋壓平，完成壓上蓋的第二步；在傳送帶下端有倒V型擋板，當紙箱經過擋板即可完成下箱蓋的封箱過程。

封膠裝置主要由棘輪封膠器構成，利用棘輪原理，單向步進，紙箱推動上下兩個封膠器前、后輪逆時針轉動，紙箱經過后，封膠器前輪和封膠器后輪由彈簧和連桿帶動順時針轉動復位，切刀也隨即切斷膠帶，如圖4所示。

當主動擺桿逆時針擺動時，驅動棘爪便插入棘輪的齒槽中，推動棘輪轉過一個角度。此時，止動爪在棘輪的齒背上滑動，當主動件搖桿順時針擺動時，止動爪阻止棘輪沿順時針方向轉動，而驅動棘爪卻能夠在棘輪齒背上滑過，故棘輪靜止不動，搖桿作連續(xù)的往復擺動時，棘輪便作單向的間歇運動，具體棘輪結構圖如圖5所示。膠帶封箱器的核心機構設計的原理圖如圖6所示。

2 關鍵件有限元分析

壓上蓋裝置需要左右折箱壓桿向內壓彎紙箱外搖蓋，中折箱壓板壓平紙箱箱蓋，使紙箱箱蓋無法張開，最終在封膠時足以使紙箱箱蓋完整地封膠。但是在實際工作狀態(tài)中，中折箱壓板受力狀態(tài)不夠理想，使用中易發(fā)生明顯形變，對達成封箱的目的造成影響，故對中折箱壓桿進行了有限元結構分析[12-13]。封上蓋過程中，中折箱壓板形變程度較大，對其厚度進行調整，載荷位置位于最遠離中折箱壓板的兩個平面上，力的作用位置在中折箱壓板的下凹部分和連接板下表面處，機身經過實際運行，中折箱壓板對紙箱的壓力在12 N左右。

原有中折箱壓板厚度為2 mm，設置參數進行靜力學受力分析，其中綠色箭頭和藍色箭頭分別表示為夾具和載荷，發(fā)現(xiàn)板材安全系數較低，根部發(fā)生了變形，如圖7所示，設置安全系數為2.5，小于和大于安全系數的表示顏色分別為藍色和紅色。

通過設置參數對折箱壓桿進行靜力學分析，如圖8所示，從安全系數的分析結果中得出折箱壓板在壓上蓋裝置中受力變形較大，故對其厚度進行調整，由原來的2 mm加厚為8 mm，以便增加其強度和硬度，改善根部形變過大的狀態(tài)，并對改良后的應力和位移進行分析[14]。

3 計算結果分析

3.1 基本假設

（1）中折箱壓板各個部分材料相同，材料屬性相同。

（2）材料具備塑形，中折箱壓板的厚度-形變程度曲線取直線對分析結果進行評估。

（3）為了分析簡便，對所需要求分析的兩個平面取靜載荷的分析。

（4）材料屬性不受到溫度，濕度等因素干擾。

3.2 計算結果

在有限元分析中（改進方案的正確性的取決因素最為重要的就是計算結果分析），然后才能根據分析結果優(yōu)化尺寸。采用Solidworks中SimulationXpress插件，分析設計參數參數為：中折箱板的材料為7075鋁合金，泊松比0.33，彈性模量71 GPa，應力強度572 MPa，紙箱發(fā)生變形10 mm，就會造成包裝質量和運輸的影響。根據材料參數，描繪在12N壓力下機器在運轉時，中折箱壓板的材料厚度與形變程度曲線，結果見圖9所示。

由圖9可知在隨著中折箱壓板的厚度增加，形變程度大幅減弱，當壓板厚度為8 mm時形變僅為2.403 mm，這時壓板受到的壓應力大小為45.2 MPa，遠小于許用應力505 MPa，此時紙箱發(fā)生的變形也很小，根據實際測量只有1 mm左右，遠小于設計參數10 mm的限制，所以不會對封箱質量造成包裝和運輸影響，可以投入使用。

4 結論

（1）棘輪的巧妙運用，使切刀既可以割斷膠帶達到封箱的目的，又可以復位封膠器，封膠過程變得連貫，提高封箱效率。

（2）壓板式棘輪膠帶封箱機在封箱時，最大應力符合屈服力的要求，即在封箱時壓板不會明顯形變，強度符合要求，達到設計的目的。

（3）利用 Solidworks SimulationXpress 對部分結構分析，但在載荷力的大小選取對中折箱壓板形變影響大，應合理選取中折箱壓板厚度。

壓板式棘輪膠帶封箱機解決了對大小不一的箱子封箱的問題，在實現(xiàn)為箱子粘貼膠帶的基礎上增加對紙箱的校中、折蓋等新功能。市場對紙箱包裝封箱需求大，現(xiàn)有的包裝機構已不能滿足廣大商家的要求，因此自動包裝一體機的出現(xiàn)已成為必然趨勢，本裝置體積小，成本低，結構簡單，能給廣大企業(yè)帶來便利，據實際效果看，折箱封膠效率高，可見具有良好的市場應用前景。