摘 要
目前某纸盒制盒的生产线仍然是人工流水线，生产的纸盒质量不均、效率低、人工成本高，迫切需要一款自动化的生产设备代替人工生产线。吸风输送机作为自动化生产线的重要组成部分，对物料的输送、定位、成型质量等都有至关重要的影响。本课题研究的是自动化生产线里框型纸盒成型设备中的吸风输送机，由于框型纸盒成型的特殊性，对吸风输送机的稳定性、准确性等提出了更高的要求。
因此，对吸风输送机进行相关的研究，具体内容如下：
（1）以纸盒成型设备中的吸风输送机为例，利用机械原理、机械设计等相关理论知识对吸风输送机的方案和结构进行初步设计，采用 Solidworks 软件建立三维模型。
（2）对物料建立受力模型，分析影响吸风输送机稳定输送的相关因素。建立吸风输送机透过面积的数学模型，分析吸风输送带及吸风箱孔半径和孔间距对吸风输送机运行时透过面积变化的影响。确定吸风输送机相关参数，使透过面积的变化波动变小，降低透过面积变化对输送稳定性的影响。
（3）吸风输送机运行时，吸风箱阻力和吸附负压的变化会对物料的稳定输送产生影响。利用计算流体力学和 Fluent 软件，对吸风输送机上的吸风箱阻力进行分析。获取吸风输送机的吸风输送带在运行时，吸风箱内外压差的变化和规律。
（4）应用传统静态法对吸风输送机各点张力进行分析计算；同时，考虑输送带的力学特性，对吸风输送机动态特性进行分析。利用有限刚体元分析方法，在ADAMS 中建立吸风输送机的虚拟样机，对吸风输送机中带块的速度、位移和张力等进行分析。为吸风输送机的设计和稳定运行提供一定指导。
本文通过对吸风输送机透过面积的变化、吸风箱的阻力和吸附负压变化及吸风输送机动态特性的研究，对吸风输送机稳定输送因素进行分析。为吸风输送机的设计和研究提供支撑。
关键词： 吸风输送机，透过面积，流体特性，动态特性。
Abstract
labor cost and packaging quality, there is an urgent need for an automated production equipment to replace the manual production line. As an important part of the automatic production line, conveyor has a vital impact on material transportation,positioning, forming quality and so on. This paper studies the conveying device in the box forming equipment of the automatic production line. Because of the particularity of the box forming, hAt present, a carton production line is still manufactured by artificial hydration. The quality of cartons produced is uneven, the efficiency is not high, and the labor cost is high. With the improvement ofigher requirements are put forward for the stability and accuracy of the conveying device. In this paper, vacuum belt conveyor,namely suction conveyor, is selected to realize the conveying of materials. Therefore,the contents of the research on suction conveyor are as follows:
1.Taking the conveyor after the bonding of grey cardboard and large-face paper as an example, the scheme design and structure of conveyor are preliminarily determined by using the relevant knowledge of mechanical principle and mechanical design, and the three-dimensional model of suction conveyor is established by using Solidworks software.
2.Establish the force model of the material and analyze the related factors affecting the stable conveying of the suction conveyor. The mathematical model of suction conveyor's penetration area is established, and the influence of the radius and spacing of suction conveyor belt and suction box holes on the penetration area of suction conveyor is analyzed. The influence of relevant parameters on the transmission area is obtained,and the parameters of suction conveyor are determined to ensure that the variation oftransmission area fluctuates slightly and reduce the influence of the change of transmission area on the stability of transmission.
3.Analyse the influence of suction box resistance and negative pressure on the stable transportation of materials when suction conveyor is running. Using computational fluid dynamics and Fluent software, the resistance of suction box on suction conveyor is analyzed. Obtain the variation and law of pressure difference inside and outside the suction box of suction conveyor when the suction conveyor belt is running.
4.Based on the dynamic theory of belt conveyor and considering the mechanical characteristics of conveyor belt, the dynamic characteristics of suction conveyor are analyzed. Using the idea of finite element discretization, a virtual prototype of suction conveyor is built in ADAMS, and the dynamic simulation of suction conveyor is carriedout. The velocity curve of suction conveyor belt and the tension curve of suction conveyor belt are obtained. It provides a certain direction for the design and research ofsuction conveyor.
In this paper, the influence factors of stable conveying of suction conveyor are studied by studying the change of the transmission area of suction conveyor, the resistance of suction box and the dynamic characteristics of suction negative pressure and suction conveyor under working conditions. It provides certain support for the design and research of suction conveyor.
Keywords: suction conveyor, transmission area, fluid characteristics, dynamic char acteristics。
第1章 绪 论
1.1 课题概述。
1.1.1 课题来源。
本论文课题来源于湖北工业大学与武汉一家智能包装设备公司的校企合作项目：纸盒包装成型设备的技术开发。
该项目经过一年左右的研发与样机制作，现在设备已基本满足使用要求。
1.1.2 课题背景。
在经济全球化的大前提下，商品的流通也越来越便利[1]。消费者对商品的需求得到巨大的提升，对于商品外包装的追求也越来越多元化[2][3]。任何商品都需要进行包装，包装已经变成商品的重要组成部分。由于各种各样商品的出现和包装要求的提高，对包装机械提出了巨大的挑战[4]。包装机械需要向着速度快、自动化高、可靠性强、质量好、智能化程度高的方向不断发展。经过统计发现，包装机械的品种在我国有 1300 多种，但是这些设备中有许多都处于仿造阶段或低自动化水平，不能完全满足现在飞速增长的市场需求。包装机械在自动化方面发展还不够，需要结合气、电、磁、光等进行研究，达到更高自动化[5][6]。高自动化和高智能化的目的在于，利用机械代替人工，使人们从简单重复的工作中解放出来的同时提高效率和降低伤害[1]。
包装按物品分类，有适用于电子产品、化学品、药品、食品等的包装；按软硬程度分类，有软包装、硬包装等；按包装材料分类，采用塑料、金属包装、玻璃包装、纸质包装等[7]，包装分类及占比见图 1.1。在各种各样的包装中，纸盒包装以高度的环保、低廉的价格、多样的形式受到人们的喜爱[8]。据统计，纸盒包装在欧洲的使用量达到了 40%之多，而我国对纸盒包装的需求也在不断的提高[9]。纸盒包装需求的提升促使包装机械不断的发展，但在我国还有很多关键技术的包装设备需要从国外采购。为提高我国包装机械的整体水平，需要设计研发人员对包装机械的核心技术进行攻关，以缩小我国包装行业与国外包装行业的差距，扩大我国包装行业的市场占有率。
纸盒成型设备是纸盒包装及包装机械里的重要组成部分，适用于礼品盒、手机盒、数码产品盒、首饰盒等各种高端纸盒产品。随着食品、化妆品、卷烟、酒品等在市场的占有率变高，对于高档纸盒的需求越来越高。本课题涉及的纸盒是一种由灰纸板及其表面粘贴的一层面纸组成，通过各种工艺将灰纸板和面纸贴合并成型。目前，这种纸盒的生产还处于人工流水线生产的阶段。基于以上前提，为实现对纸盒的自动化生产、降低人工成本、提升效率与产品质量，研发出一种纸盒包装成型的自动化生产设备。纸盒包装成型设备中有许多装置都需要设计与研究，本课题所研究的是此自动化生产线中的吸风输送机，用于实现物料的输送定位等功能。
1.2 吸风输送机发展现状及论文相关领域研究现状。
1.2.1 国内外吸风输送机发展现状。
（1）国外发展现状。
国外的包装机械发展比较早，到目前为止已经有几十年的历史，经过一步步的发展形成了比较独立的体系。包装机械向着高自动化、高智能化和模块化的方向逐步发展[10]。由于国外发展包装机械较早，包括美国、日本、欧洲等在内的发达国家的包装机械在市场上的出口量占世界包装机械总量的 70%[11]。
吸风输送机在包装机械中有着不可替代的地位，特别是在纸质物料的输送方面有着重要作用。吸风输送机作为一种输送装置，首先被设计应用于造纸和印刷行业，随后被推广应用到包装、运输等行业。在吸风输送机问世之前，对于纸质物料输送的输送装置结构比较复杂。传统的纸质物料输送装置采用带式输送机结合压纸滚轮、压纸球等实现纸质物料的输送，但此种输送装置其输送速度不高，且对于一些特殊情况无法使用，如纸质物料上部有胶水等情况。由于传统纸质物料输送装置的各种缺点，在 1997 年一种抽吸输送装置被克里斯蒂安·希布[12]
设计出来，即为吸风输送机的原型。此装置由机架、输送带和抽吸腔等组成，其结构简单、输送平稳和准确。随后此种真空输送技术被各大印刷制作商应用，比如德国罗兰公司、日本小森公司和三菱公司等。随着科技的发展，智能机械手也被应用于纸质物料的输送，在机械手上安装吸盘及真空吸附系统便可实现对于纸质物料的输送。但是机械手无法实现连续的输送且使用和维护成本过高，所以吸风输送机仍然有着其优势。
伴随对包装市场需求的增加，世界各国包装机械之间的竞争变得更加激烈，包装机械向着新技术、新方法的研发于应用上的方向发展[13]。由于吸风输送机在包装等行业的重要作用，对其研究也不容忽视。
（2）国内发展现状。
包装机械是包装工业的重要组成，为其行业提供技术设备。没有包装机械的发展就没有现在的包装工业。我国的包装机械相对于国外来说发展起步较晚，从1980 年前后至今，我国包装机械从引进国外先进技术到消化创新，一步一步的实现完备的工业体系。在产品和品种上都取得巨大成就，部分机械设备填补了国内空白。除了满足自身的市场需求外，一些包装机械远销海外，与世界上的包装强国共同竞争国际市场[14]。但是我国包装机的发展还有许多问题，诸多因素制约着包装行业的发展[15]。其中关于吸风输送机的相关研究的滞后，对我国包装机械的发展产生一定影响。由于缺乏对吸风输送机的研究，我国的不少生产厂家只能从国外进口，从而增大了整套设备的生产成本。有部分公司对国外产品进行了仿制，但缺乏对吸风输送机的深入研究，使其使用效果差、性能不稳定。随着人们对吸风输送机的重视，国内对吸风输送机的研究逐步深入，对吸风输送机的结构、输送原理和输送稳定性等都进行了研究。张选生[16]等研制了一台真空输送装置，为吸风输送机的研究和开发提供了研究平台。韩丽娜[17]利用输送特性，建立物料受力和透过面积的数学模型，分析气腔负压与输送物料类型的关系。随着我国经济的发展，我国的包装机械行业飞速发展，与国外的差距在逐渐缩小。但像吸风输送机等设备方面的研究仍然不足，相关领域的研究还需要完善。
1.2.2 论文相关领域研究现状。
（1）输送装置的研究。
输送装置是将被输送的物料由一个位置输送到指定位置的输送设备。在包装行业，输送装置被广泛应用于生产线的各个生产环节，比如对原料的输送，半成品的输送及成品的输送等。输送装置可以是带式、链传动、辊道式和螺旋式等，其中应用比较广泛的是带式输送装置。带式输送装置用于纸质物料的输送的结构有很多，其中一种是传送带式输送机构，皮带输送纸制物料时，其上有压轮保证输送过程中的物料位置，如图 1.2；还一种是真空吸气带式输送机构，通过真空负压将物料吸附在皮带上进行输送如图 1.3。本文的吸风输送机是一种真空吸气带式输送装置，许多学者对此种输送装置进行了研究。明承涛[18]为满足国内机械的高速、平稳传纸的要求，对真空输纸板进行设计，同时对输纸板和输纸带孔进行了一定的优化设计。徐文英[19]设计了一种真空变速输送机，用于消除纸张对前规的冲击与反弹，使纸张在前规处定位的准确性，采用新型非圆齿轮变速传动装置，实现变速输纸，为真空带式输送装置的研究提供一定依据。潘洁等[20]介绍了海德堡 Speedmas-terl02、高 KBARAPIAD105、小森 LITHRONE40、罗兰 ROLAND700、三菱 DIAMOND3000、BEIREN300 等印刷机上采用的真空吸气带变速输送装置的原理及特点，其特点是结构简单、输送平稳准确且速度高。Shen Shao-hua[21]等介绍了一种变速输纸凸轮连杆机构优化设计，提出了纸张传递距离作为优化目标的优化方法。赵小平[22]等提出了一种改进的高性能真空输送结构，研究其中的关键结构参数，得到一种既满足输纸工艺要求又能减少人工劳动强度的孔的布局形式。张晓玲[23]等建立对输送装置中的纸张到前规时的速度为目标函数的优化设计数学模型，研究求解方法并进行了优化设计。涂亮[24]对海德堡公司应用于糊盒机的摩擦式输送装置的调节和使用进行了详细介绍，得出在设备维护中的一些重点注意事项。郑俊强等[25]对输纸带的负压孔性与侧规拉力的匹配关系进行研究，通过实验验证负压孔型中正方形具有更好的侧规拉力。真空带式输送装置自被设计和应用于纸制物料等的输送以来，对其原理和输纸特性等不断研究，从而使其向着适应性强、性能稳定和成本低廉的方向发展。
（2）流体阻力特性的研究。
流体的实际流动都伴随着阻力的损失，这些能量的损失对技术安全性、经济合理性等方面都有影响。阻力损失可以分为两类，一种是流体流动过程中沿管路的摩擦阻力等引起的阻力，称为沿程阻力；一种是流经各种横截面发生变化部分发生的阻力，称为局部阻力。吸风输送机的真空泵在对吸风箱进行抽气时，其管道系统同样存在着在两种阻力的损失，需对其流体特性进行研究。对于流体的阻力特性，前人进行了大量实验总结，得出了一套比较完善的理论。在沿程阻力的研究上，尼古拉兹于 1933 年进行了粗糙圆管里的沿程阻力系数的测量和实验，对管路里的阻力损失规律进行揭示。局部阻力损失同样是在大量的实验下归纳总结得出，苏联人依杰里奇克所编写的水力摩阻手册有比较详细的阐述。Hamid Mirzaei等[26]研究了数值模型中最优网格划分问题，在河道弯道 90°出进行模拟冲刷，结果表明三维数值模型具有较强的运动床通道模拟能力。董家宁等[27]对穿孔壁面通道内流动进行了沿程阻力特性分析，提出等效粗糙度的概念并研究其影响因素，得出等效粗糙度与孔径成二次方关系、与穿孔率成线性关系。徐旭等[28]通过数值模拟的方法对多孔板送风末端的孔板阻力特性进行分析，提出了一种含变阻力件的阻力特性计算方法，为有送风需求场合的实际应用节省了人力和物力，具有一定的参考价值。李新光[29]通过 Fluent 对矩形弯管截面管道内的流动情况进行分析，研究管道内壁受力及分布情况并推导出矩形弯管内的应力和应变的分布规律，对流体流动下的矩形弯管内部的受力分布情况具有指导意义。樊洪明等[30]对弯曲管段流动使用隐含流线迎风耗散作用的离散格式进行数值模拟，表明对于边界形状复杂和存在各向异性大尺度涡使用具有计算格式的湍流大涡模拟方法的合理性。
随着科学技术的发展，对于工程实际中的管道的湍流大涡模拟将越来越有价值。郑俊强[31]对纸币平整化设备中的负压带和负压滚筒进行流体流场分析，获得负压带及滚筒吸附结构的压强和临界拉力的值，研究负压腔压力和负压带孔型对吸附力的影响。朱春等[32]对应用于站台和列车通风的孔板阻力特性进行理论分析，基于 CFD 数值模拟得出不同开孔率下的孔板阻力特性并推出相应计算式，为实际工程应用提供支撑。姚正钢[33]运用 Fluent 等数值模拟软件，分析通风管道系统的流场，得到管道阻力曲线和速度矢量图，并优化结构化风管的结构，提高了通风的效率。
（3）带式输送机动态特性研究。
带式输送机良好的动态和静态特性是保证输送机运行安全可靠的前提，其中输送机的动态特性研究尤为重要。吸风输送机作为带式输送机的一种，对其进行动态分析必不可少。早在上个世纪时前苏联研究人员就对输送机的动态特性进行了研究。德国研究人员首次利用行波理论研究输送机的动力学特性，随后越来越多的研究人员对输送机动态特性进行研究。为分析输送带横向和纵向的动态响应，荷兰研究人员提出用二维梁单元代替原杆单元进行输送带模型建立。Kim 等人利用集中参数测量的方法对带式输送机启动时的张力变化进行分析[34]。同时，针对带式输送机的设计问题，各国纷纷开发出设计软件以满足实际应用。美国的 CDI公司、OC 公司都研发了专门的输送机静动态分析软件。我国对于带式输送机的研究随着各种矿产等资源的开发，对输送带的动态研究投入越来越大[35]。李玉瑾[36]利用偏微分方程推导出带式输送机的张力表达式，为带式输送机工况下的张力计算提供方法。李光布对带式输送机的制动工况进行研究，建立带式输送机非线性动力学方程，利用实验法和动态仿真分析法进行验证。宋伟刚对带式输送整体建立离散化模型，基于输送带的粘弹性建立输送带离散模型。对输送机的启动工况的张力特性进行研究，设计研究了用于带式输送机设计的软件 BCD2.0[37]。李晓婧利用刚柔耦合多体动力学理论对带式输送机动态特性进行研究，推导出刚体元的振动微分动力学方程，使用 RecuDyn 软件对输送机的启动、空载和重载等工况进行张力的变化分析[38]。周压傲对我国带式输送机的设计标准和美国 CEMA 设计标准进行对比研究，确定带式输送机的动力学模型，运用 AMESlim 软件进行离散化模型建模，研究模型单元划分对输送机动态仿真的影响。分析带式输送机滚筒附加的张力和速度变化，对带式输送机系统启动曲线进行优化，为带式输送机的设计提供一定的参考[39]。刘点点[40]分析了不同的带式输送机的动态特性研究方法，对有限元分析法、波动分析法和牛顿分析法进行比较。选取 voigt 模型对比输送带离散建模，仿真分析输送带张力在一定启动曲线下的变化。Daijie He 等[41]以水平输送系统，采用三步法进行研究。计算了允许最大加速度的预测器，并进行仿真分析，确定了加速运行，对输送机动力学进行了分析。王爱兵考虑驱动和拉紧装置的限制条件，利用 MATLAB 对输送机进行启动的仿真，分析输送机驱动及速度的设置对输送机稳定性的影响[42]。
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1.3 课题研究目的和意义
1.4 研究内容及方法
1.5 本章小结
第 2 章 吸风输送机结构设计
2.1 吸风输送机在纸盒成型中的作用
2.2 吸风输送机设计参数的确定
2.3 吸风输送机中的结构设计
2.3.1 滚筒的设计
2.3.2 张紧装置的设计
2.3.3 吸风输送带的设计
2.3.4 驱动系统的设计
2.4 本章小结
第 3 章 吸风输送机透过面积的研究
3.1 物料受力分析
3.1.1 被输送物料的受力分析
3.1.2 有效透过面积与总透过面积的关系
3.2 吸风输送机透过面积的计算
3.2.1 单独孔间的透过面积的计算
3.2.2 运行中的透过面积分析计算
3.3 影响吸风输送机透过面积的参数的分析
3.4 影响吸风输送机透过面积的参数的设计
3.5 本章小结
第 4 章 吸风输送机吸风箱的流体特性模拟与分析
4.1 计算流体力学概论
4.2 计算流体力学控制方程
4.2.1 质量守恒方程
4.2.2 动量守恒方程
4.2.3 能量守恒方程
4.3 湍流模型
4.4 简化流体模型流体特性模拟与分析
4.4.1 简化流体模型的建立与模拟
4.4.2 仿真结果与数据分析
4.5 吸风箱实际流体模型的模拟与分析
4.5.1 吸风箱实际流体模型的数值模拟
4.5.2 仿真结果与数据分析
4.6 工况下吸风箱的数值模拟
4.7 本章小结
第 5 章 吸风输送机动力学分析与研究
5.1 吸风输送机的静态分析
5.1.1 普通输送带阻力计算
5.1.2 吸风输送带阻力计算
5.1.3 普通输送带张力计算
5.1.4 吸风输送带的张力计算
5.2 吸风输送带动力学模型
5.2.1 吸风输送带粘弹性模型的类型
5.2.2 吸风输送带动力学模型的选择与建立
5.3 基于 ADAMS 的吸风输送机虚拟样机建立
5.3.1 基于 ADAMS 的建模及简化
5.3.2 吸风输送机的约束及运动副添加
5.3.3 吸风输送机驱动的设置
5.4 吸风输送机的仿真结果分析
5.4.1 吸风输送机运动学分析
5.4.2 吸风输送机张力分析
5.4.3 吸风输送机动态特性分析
5.5 本章小结
第6章 总结
某纸盒成型的生产仍然是手工生产，急需设计研发一条自动生产线提高生产效率，降低人工成本。吸风输送机作为整个设备不可缺少的一部分，根据物料的输送要求对其进行设计研究是至关重要的。
本文对无底框型纸盒成型设备中的吸风输送机进行研究，主要包括吸风输送机的结构设计、吸风输送机透过面积、吸风箱的流体特性和吸风输送机的动态特性等方面进行研究。完成的具体内容包括：
（1）依据物料的输送要求和相关工位的工艺动作及部件间的空间和位置关系，应用机械原理、机械设计等相关理论知识对吸风输送机进行设计，选取合适的滚筒、张紧装置、驱动系统等。运用 Solidworks 建立吸风输送机的三维模型。
（2）对物料输送建立力学模型，分析影响吸风输送机稳定输送的相关因素。同时建立吸风输送机透过面积的数学模型，推导出吸风输送机总透过面积的计算公式，分析吸风输送带孔半径和孔间距对吸风输送机运行时的透过面积的变化的影响。选取合适的吸风输送带和吸风箱孔径和孔间距，降低输送过程中透过面积的变化波动。
（3）利用计算流体力学和 Fluent 软件，在确定吸风输送带和吸风箱上的孔径和孔间距的前提下，分析吸风输机运行时吸风箱的阻力和吸附负压的变化情况。获取吸风输带运行到不同位置时的阻力和吸附负压。得出此种参数结构下，吸风输送机在运行时，吸风输送机的吸风箱内外压差仅发生细微的变化的结论。
（4）对吸风输送机采用传统静态设计方法进行各点张力的计算，并对吸风输送机动态特性进行分析。对吸风输送机的模型进行简化，在 ADAMS 里建立吸风输机的虚拟样机模型，对吸风输机中带块的速度、位移和张力等进行分析。静态及动态分析方法为吸风输送机的设计和分析提供一定的支撑。
参考文献
