旋轉(zhuǎn)式灌漿機(jī)構(gòu)設(shè)計【旋轉(zhuǎn)式啤酒灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計】

旋轉(zhuǎn)式灌漿機(jī)構(gòu)設(shè)計【旋轉(zhuǎn)式啤酒灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計】,旋轉(zhuǎn)式啤酒灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計,旋轉(zhuǎn)式灌漿機(jī)構(gòu)設(shè)計【旋轉(zhuǎn)式啤酒灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計】,旋轉(zhuǎn),灌漿,機(jī)構(gòu),設(shè)計,啤酒,灌裝,結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計 旋轉(zhuǎn)式灌漿機(jī)構(gòu)設(shè)計 DESIGN OF ROTARY GROUTING MECHANISM 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 年級專業(yè)及班級： 指導(dǎo)老師及職稱： 學(xué) 院：工學(xué)院 湖南·長沙 提交日期：2013 年 5 月 設(shè)計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要……………………………………………………………………………4 關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………4 1 前言…………………………………………………………………………5 1.1 研究意義…………………………………………………………………5 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………5 1.3 發(fā)展趨勢…………………………………………………………………6 2 總體方案的確定……………………………………………………………7 2.1 確定用途與灌裝方式……………………………………………………8 2.2 工藝分析…………………………………………………………………8 2.2.1 確定機(jī)械類型…………………………………………………………8 2.2.2 分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動要求……………………………………………9 2.3 擬定主要技術(shù)參數(shù)………………………………………………………9 3 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)計計算…………………………………………………10 3.1 電動機(jī)的選擇……………………………………………………………10 3.2 灌裝機(jī)輸送管路計算……………………………………………………12 3.2.1 圓管直徑………………………………………………………………13 3.2.2 圓管壁厚………………………………………………………………14 3.3 灌裝時間的確定…………………………………………………………14 3.4 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的工藝計算………………………………………………17 3.4.1 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率分析…………………………………………17 3.4.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的最小旋轉(zhuǎn)角懂得確定………………………………18 3.5 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………21 3.5.1 傳動比分析……………………………………………………………22 3.5.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)帶傳動設(shè)計………………………………………………22 3.5.3 蝸桿渦輪的傳動設(shè)計……………………………………………………24 3.5.4 齒輪傳動設(shè)計……………………………………………………………28 3.6 旋轉(zhuǎn)主軸的設(shè)計……………………………………………………………30 3.6.1 軸的強度計算……………………………………………………………30 3.6.2 軸的剛度計算……………………………………………………………30 3.7 灌裝閥的設(shè)計………………………………………………………………32 3.8 升降瓶機(jī)構(gòu)的設(shè)計…………………………………………………………32 4 結(jié)論……………………………………………………………………………33 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………33 致謝………………………………………………………………………………34 旋轉(zhuǎn)式灌漿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： () 摘 要：啤酒作為一種口味獨特的風(fēng)味飲料．深受廣大老百姓的喜歡。灌裝機(jī)是啤酒包裝生產(chǎn)線的核心設(shè)備，因此，灌裝機(jī)灌裝效果的好壞直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。液體的灌裝方式分為常壓式、等壓式、真空式、機(jī)械壓力式四種。一般而言酒類灌裝多采用常壓式灌裝方式，常壓式灌裝機(jī)使用方便，具有速度可調(diào)、計量準(zhǔn)確、運行平穩(wěn)、無噪音和液體不外溢等優(yōu)點，使用廣泛。 關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)；常壓式灌裝方式； Design of Rotary Grouting Mechanism Student: Zhou bo Tutor: Gao ying Wu (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: The beer takes one kind of taste unique flavor drink. Deeply generalcommon people's liking. Fills installing equipment is the beer packing production line coreequipment, therefore, fills installing equipment to fill installs theeffect the quality directly to affect enterprise's economicefficiency. The liquid fills installs the way to divide into the atmosphericpressure type, the equi-pressure type, the vacuum type, the mechanicalpressure type four kinds. Generally speaking the wines fill install use the atmospheric pressuretype to fill install the way, the atmospheric pressure type fill theinstalling equipment easy to operate, has the speed to be possible toadjust, the measurement accurate, the movement steady, does not havemerit and so on noise and liquid overflow, the use is not widespread. Key words: Fills installing equipment; The atmospheric pressure type fills installs the way 1 前言 1.1 研究意義 灌裝機(jī)是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著食品工業(yè)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，食品的需求量和種類與日俱增，食品包裝也日漸突出。而傳統(tǒng)罐裝機(jī)有性能比較單一、自動化程度低、通用性差，灌裝速度調(diào)整不方便，而且難以適用瓶形、液體物料及灌裝規(guī)格的變化等問題，這就給生產(chǎn)帶來了很多不便。目前的灌裝機(jī)正向著灌裝的高速化、精確化；以及智能化、多功能化方向發(fā)展。發(fā)展灌裝機(jī)，可以提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約大量勞動力，可以降低勞動強度，改善勞動條件，有利于食品衛(wèi)生，提高生產(chǎn)質(zhì)量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。所以研究一款好的灌裝機(jī)對食品加工行業(yè)的發(fā)展意義重大。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國灌裝機(jī)械制造業(yè)起步晚，建國后基本上采用的是手工灌裝，當(dāng)時國內(nèi)啤酒廠和汽水廠都是使用國外早期比較落后的設(shè)備，工藝落后，灌裝速度慢，而且在衛(wèi)生上也存在很大問題，嚴(yán)重影響了我國飲料行業(yè)的發(fā)展。改革開放后，隨著輕工業(yè)的迅速發(fā)展，一方面我國先后引進(jìn)了一些國外灌裝生產(chǎn)線，在改造一些飲料生產(chǎn)企業(yè)的同時，另一方面我國也在自行研制，這就促進(jìn)了我國的包裝機(jī)械行業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期， 開發(fā)出各種自動、半自動中小型的灌裝機(jī)械，提供給國內(nèi)大批飲料廠，促進(jìn)了我國飲料業(yè)的迅速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，我國采用技術(shù)貿(mào)易結(jié)合的方式，引進(jìn)德國SEN公司20000瓶／小時的啤酒灌裝線和日本三菱公司18000瓶／小時的含氣體飲料灌裝線的制造技術(shù)，到1991年又引進(jìn)了德國KHS公司36000瓶／小時的啤酒灌裝線及生產(chǎn)技術(shù)。這樣，我國不僅能夠生產(chǎn)中小型的灌裝機(jī)，而且開始生產(chǎn)大型灌裝機(jī)。我們參照國外全自動液體灌裝機(jī)的先進(jìn)機(jī)型，結(jié)合國內(nèi)液體灌裝的實際情況，獨立開發(fā)設(shè)計并制造新型全自動灌裝生產(chǎn)線，并且完全可以代替進(jìn)口同類產(chǎn)品，具有良好的價格性能比，同時技術(shù)水平也上了一個臺階，將我國灌裝設(shè)備制造業(yè)的整體水平提高到一個新的水平。我國的灌裝機(jī)械制造業(yè)，經(jīng)歷了仿制、引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、創(chuàng)新、自主開發(fā)的過程，技術(shù)進(jìn)步及創(chuàng)新的速度很快，而且在不斷縮小與國外先進(jìn)技術(shù)之間的差距。國內(nèi)很多廠家生產(chǎn)的灌裝機(jī)比較有代表性，能在模仿的基礎(chǔ)上發(fā)展出自己的特色，且能夠溶入高新技術(shù)，比如有灌裝時灌裝頭自動伸入瓶內(nèi)緩緩上升，使液體不向外溢，灌裝量通過PLC控制在熒屏顯示，適合有一定泡沫的藥液或化妝品的潛入式灌裝機(jī)；攻克了屋頂形包裝機(jī)不能熱灌裝、不能加蓋等難題。 1.3 發(fā)展趨勢 1.3.1 建立包裝機(jī)械骨干企業(yè) 引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，建立一批包裝機(jī)械骨干企業(yè)，包括個別中外合資企業(yè)。這是縮短我國包裝機(jī)械技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平差距的有效途徑可滿足大型包裝生產(chǎn)線以及高精度、高自動化程度的單機(jī)或機(jī)組生產(chǎn)的需要，進(jìn)而可加快包裝機(jī)械國產(chǎn)化的速度。 1.3.2 大多數(shù)企業(yè)要重點發(fā)展中、小型包裝機(jī)械 我國大多數(shù)企業(yè)技術(shù)水平不高，生產(chǎn)能力較低，生產(chǎn)以單機(jī)為主的中、小型包裝機(jī)械比較適宜，但要在此基礎(chǔ)上不斷提高制造精度、自動化程度和配套。 1.3.3 引入高新技術(shù) 在包裝機(jī)械生產(chǎn)中，大量引入高新技術(shù)，如微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)、激光技術(shù)，新的機(jī)械結(jié)構(gòu)（如錐形同步齒輪帶傳動）、新的光纖材料以及運用可靠性、優(yōu)化設(shè)計方法和計算機(jī)輔助設(shè)計，研制組合式、模塊式等先進(jìn)結(jié)構(gòu)，使包裝機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計先進(jìn)、使用可靠，使其性能指標(biāo)、工藝水平、“三化”（多功能化、高速化、自動化）水平高，向機(jī)電結(jié)合、主輔機(jī)結(jié)合、成套聯(lián)線方向發(fā)展。 1.3.4 發(fā)展包裝機(jī)械新品種 滿足重點商品的包裝為出發(fā)點，發(fā)展包裝機(jī)械新品種。目前，我國重點發(fā)展食品、醫(yī)藥、化工、日用品以及易碎、易腐爛變質(zhì)等商品的包裝技術(shù)和包裝機(jī)械。重點開發(fā)的包裝機(jī)械設(shè)備及其研究方向為：1、灌裝設(shè)備：著重發(fā)展自動連續(xù)作業(yè)的多工位充填-封口設(shè)備，以解決食用油、化妝品等具有一定粘度的物料的包裝，解決氣溶膠等物料的噴霧包裝。2、貼標(biāo)設(shè)備重點開發(fā)研制適于各種瓶形的壓敏膠標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)、卷帶標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)。提高各種貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)質(zhì)量和速度。 3、袋成型-充填-封口機(jī)大力開發(fā)適用于不同狀態(tài)的物料、不同重量的系列包裝設(shè)備；開發(fā)各種配套輔助設(shè)備，如物品整理分送裝置，以擴(kuò)大主機(jī)功能，使之向多功能化、高速化、自動化方向發(fā)展。 2 總體方案的設(shè)計 2.1 確定用途與灌裝方式 用途：灌裝瓶裝啤酒。 規(guī)格：灌裝瓶容量為640mL，空瓶為670mL。 灌裝方式：常壓式灌裝。常壓式灌裝，是在大氣壓下直接靠被灌液料的自重流入包裝容器內(nèi)的灌裝方式。常壓式灌裝的工藝過程為：1、進(jìn)液排氣:即液料進(jìn)入容器，同時容器內(nèi)的空氣被排出。2、停止進(jìn)液:即容器內(nèi)的液料達(dá)到定量要求時，進(jìn)液自動停止。 設(shè)計要求：對灌裝機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在生產(chǎn)率、可靠性、使用壽命和噪聲等方面都應(yīng)有明顯改進(jìn)。 2.2 工藝分析 2.2.1 確定機(jī)械類型 工位:啤酒生產(chǎn)批量大，灌裝機(jī)工作動作多，故選用多工位灌裝機(jī)。 運動形式:灌裝機(jī)分為直線型和旋轉(zhuǎn)型2種，而此次畢業(yè)設(shè)計要求采用旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)。 灌裝程序:啤酒空瓶由進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)傳送至升降瓶機(jī)構(gòu)上，升降瓶機(jī)構(gòu)控制瓶子升降，升瓶灌裝完成后，降瓶由撥瓶機(jī)構(gòu)傳送出去。 即進(jìn)瓶——升瓶——灌裝——降瓶——出瓶。 工位數(shù):由于啤酒灌裝是大批量生產(chǎn)，所以要求工位數(shù)多，在結(jié)構(gòu)合理且提高生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上采用多的工位，故選用24工位。 2.2.2 分析執(zhí)行構(gòu)件的運動要求 啤酒瓶升降機(jī)構(gòu):對于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)，通常是借助分件供送螺桿將瓶子按所要求的狀態(tài)、間距、速度逐個而連續(xù)地供送到灌裝機(jī)的托瓶臺上。并由托瓶機(jī)構(gòu)將其升起使瓶口與灌裝頭緊密接觸而進(jìn)行灌裝。待灌裝過程完成后下降復(fù)位。 托瓶機(jī)構(gòu)固定在導(dǎo)向板上。 托瓶機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械式、氣動式、機(jī)械與氣動組合式等三種結(jié)構(gòu)形式。 對于旋轉(zhuǎn)型啤酒灌裝機(jī)來說，應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實惠，便與維護(hù)，所以宜選擇機(jī)械式托瓶機(jī)構(gòu)。 灌裝閥:灌裝閥是對啤酒進(jìn)行灌裝的關(guān)鍵裝置，所以對其結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計。灌裝閥應(yīng)固定在儲液箱下部，其安裝軸線應(yīng)該與啤酒瓶升降機(jī)構(gòu)的軸線一 致，以便于啤酒瓶在升起過后能正確的對準(zhǔn)灌裝口進(jìn)行灌裝工作。 常壓式灌裝機(jī)的灌裝閥也采用常壓灌裝閥，因灌裝操作環(huán)境為常壓狀態(tài)，灌裝過程簡單，通常采用彈簧閥門式灌裝閥。 主軸：主軸是灌裝機(jī)的動力傳動軸。電機(jī)通過減速裝置把動力傳送到主軸上，主軸帶動儲液箱和導(dǎo)向板同步轉(zhuǎn)動。 儲液箱：儲液箱位于主軸頂端，箱體下面在圓周方向配置灌裝閥，箱體隨主軸轉(zhuǎn)動，帶動灌裝閥一起同步轉(zhuǎn)動。 導(dǎo)向板：導(dǎo)向板的作用是固定托瓶機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向板和儲液箱一樣固定在主軸上，隨主軸一起同步轉(zhuǎn)動。 2.3 擬訂主要技術(shù)參數(shù) 2.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù) 結(jié)構(gòu)參數(shù)反映灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和灌裝物件的尺寸范圍。如包裝工位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)頭數(shù)，主傳送機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)直徑或直線移距，工作臺面的寬度與高度，物件的輸入高度，成品的輸出高度等等。 2.3.2 運動參數(shù) 運動參數(shù)反映灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度，如主軸轉(zhuǎn)速、物件供送速度、灌裝速度等。 2.3.3 動力參數(shù) 動力參數(shù)反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作載荷和灌裝機(jī)正常運轉(zhuǎn)的能量消耗，如灌裝等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作載荷，動力機(jī)的額定功率、額定扭矩和調(diào)速范圍，以及為完成清洗、殺菌、熱封等工序所需的水、汽、電和其他能源的消耗量，等等。眾所周知，傳動件的結(jié)構(gòu)及其尺寸等參數(shù)在很大程度上是根據(jù)動力參數(shù)設(shè)計計算的。所以，若動力參數(shù)選擇過大就會使動力機(jī)、傳動件的結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)增大，若過小又會使它們經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)而難以維持正常工作，甚至損壞。 確定灌裝機(jī)功率的方法有： A：類比法 通過調(diào)查研究、統(tǒng)計和分析比較同類型灌裝機(jī)所需功率的狀況，從而確定灌裝機(jī)功率。 B：實測法 選擇同類型灌裝機(jī)或試制樣機(jī)，測其動力機(jī)的輸入功率，再依它的效率和轉(zhuǎn)速計算輸出功率和扭矩?？紤]到被測的與所設(shè)計的灌裝機(jī)有某些差異，應(yīng)將實測結(jié)果加以適當(dāng)修正，作為確定灌裝機(jī)功率的依據(jù)。 C：計算法 動力機(jī)的輸出功率也可用下式粗略計算： （i=1，2，.......） （1） 也就是灌裝機(jī)所需功率等于個執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需功率之和。 在總體方案設(shè)計階段，有關(guān)的動力參數(shù)主要根據(jù)前兩種方法粗略求算，待到零部件設(shè)計完成后尚須做進(jìn)一步的校核。采用計算法確定動力參數(shù)日前還不普遍。這主要是由于包裝機(jī)的工作載荷大都難以精確汁算，加之對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動效率和慣性力的計算相當(dāng)麻煩，以致把計算法僅作為確定動力參數(shù)的一種輔助手段。 3 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)計計算 3.1 電動機(jī)的選擇 擬訂本次設(shè)計的灌裝機(jī)是用來完成灌裝空瓶容量為670mL的啤酒灌裝，要求灌裝量為640mL。由此條件，經(jīng)查閱相關(guān)旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的資料，可得出以下參考數(shù)據(jù)： 灌裝閥頭數(shù)： 24頭 灌裝閥節(jié)距： 150mm 灌裝區(qū)間角： = 灌裝區(qū)占有率： 0.54 生產(chǎn)率： 7200Pcs/h 貯液箱半徑： 參考類似型號灌裝機(jī)工藝參數(shù)，現(xiàn)在先擬訂灌裝時間為9s，于是由灌裝時間的計算公式： (2) n----主軸轉(zhuǎn)速，r/min ----灌裝區(qū)間角 得： (3） 擬訂貯液箱在裝有液料的時候的最大重量為500kg，半徑r為600 mm，則角速度為： （4） 貯液箱上作用力F對主軸的力矩為： （5） =mgr =5009.81=4900 再由功率： （6） 得： =49000.357=1.75Kw 由于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)主體是同其他機(jī)構(gòu)連在一起構(gòu)成灌裝機(jī)組，包括進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)、出瓶機(jī)構(gòu)、升降瓶機(jī)構(gòu)和壓蓋機(jī)，用同一臺電動機(jī)提供動力，這樣才能保證工作同步，所以經(jīng)考察同類型機(jī)組，現(xiàn)擬訂： 進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)功率P1為1.2kw； 出瓶機(jī)構(gòu)功率P2為1.2kw； 升降瓶機(jī)構(gòu)功率P3為1kw； 由此根據(jù)式（1-1）可估算出灌裝機(jī)組總功率P： P=+++ =1.75+1.2++1.2+1=5.15kw 所以，選擇電動機(jī)型號為： Y132S-4型 額定功率----5.5kw 額定轉(zhuǎn)速----1440r/min 額定轉(zhuǎn)矩----2.2 重 量----68kg 3.2 灌裝機(jī)輸送管路計算 輸送管路是連接貯液箱和啤酒瓶口之間的管道，開始灌裝時，液料從輸送管路口直接靠自重灌入瓶內(nèi)。輸液管路一般均用圓管，設(shè)計時，首先要合理選擇它的內(nèi)徑和壁厚。 3.2.1 圓管內(nèi)徑 設(shè)輸液管的內(nèi)徑為(m)，截面積為()，液料在管內(nèi)的流速為(m/s)，體積流量為(/s)。由于： = (7) = (8) 故得： = (9) 可見，欲求必先求及。為此，又設(shè)： W----管內(nèi)質(zhì)量流量（kg/s） ----液料密度（kg/），取0.996 kg/ ----每瓶灌裝液料質(zhì)量（kg/Pcs），取=0.5kg/Pc ----灌裝機(jī)最大生產(chǎn)能力（Pcs/h）,已知=7200 Pcs/h ----液料在管內(nèi)的流速，取0.7 m/s 遂寫出： ==（/s） （10） = =1.004 /s 將和帶入式（9）中，得： = = =25 mm 在流量保持定值的條件下，雖然提高流速會使管徑和設(shè)備投資費用都相應(yīng)減少，但往往要增加輸送液料所需的動力和操作費用。因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況選取流速。 計算出圓管內(nèi)徑后，必須參照現(xiàn)有的圓管規(guī)格圓整至標(biāo)準(zhǔn)值。 3.2.2 圓管壁厚 圓管的壁厚一般根據(jù)它的耐壓和耐腐蝕等條件，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選取。 選取圓管壁厚2.5mm，故圓管外徑為30mm。 3.3 灌裝時間的確定 利用流體力學(xué)能量守恒定律，可計算出各類灌裝閥的灌裝時間，從理論上找出影響液料灌裝速度時間的因素，以便設(shè)計出較合理的灌裝機(jī)構(gòu)．從而提高灌裝機(jī)生產(chǎn)率。 在前面已經(jīng)介紹過灌裝機(jī)有常壓式、等壓式、真空式、機(jī)械壓力式四種。對啤酒類液體進(jìn)行灌裝時，閥門被打開后，也是靠自重流入容器的。因此，旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的灌裝方式可分為常壓式和等壓式，但是一般都采用常壓式灌裝，因為常壓式灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，灌裝方便且生產(chǎn)速度快，非常適合啤酒類大批量生產(chǎn)所要求的生產(chǎn)率，是啤酒灌裝機(jī)的首選灌裝方式。 本次設(shè)計擬采用定量杯式定量方式，首先將料液灌入定量杯定量后再灌入包裝容器中。若不考慮滴液等損失，則每次灌裝的液料容積應(yīng)與定量杯的相應(yīng)容積相等。要改變每次的灌裝量，只需改變調(diào)節(jié)管在定量杯中的高度或更換定量杯。這種定量方式，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、定量速度快，避免了瓶子本身的制造誤差帶來的影響，故定量精度高。 如圖1所示，圖中定量杯的內(nèi)腔直徑為D，定量杯的計量高度為H，定量杯底部液孔直徑為d。定量杯上液面及裝液容器均受大氣壓作用。 因為對啤酒瓶的灌裝容量為640mL，所以定量杯的容量也應(yīng)為640mL。假設(shè)定量杯液面與進(jìn)液管口的距離H=100 mm，則定量杯直徑D=90 mm。 定量杯中的液料流入容器的過程其液位不斷下降，直到定量杯中的液料流完，定量杯流出液料的過程由于為非穩(wěn)定性流動，其流出液料體積在各個相等瞬時的間隔是不等的。隨著定量杯液料的不斷流出其液位不斷下降，液料流出速度相應(yīng)地隨之減小。設(shè)在時間內(nèi)從定量杯底孔d流出的液體體積為： =uF =F = (11) 相同的時間內(nèi),定量杯中液料減少的體積為： = (12) 顯然有 = 即有 = （13） 式中 ----經(jīng)dt時間，定量杯內(nèi)液料的液面水平高度(m) ----經(jīng)dt時間，定量杯內(nèi)液料的液面高度改變量 上式整理后有： =（S） （14） 在定量杯內(nèi)液料流入容器的過程中，液面將由H到0；其所經(jīng)的時間由0到t，定量杯內(nèi)的液料才全部流完。即： = = = = (15) 式中 ----灌裝閥流液管的流量系數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，取0.5 g----重力加速度，9.81 m/s D----定量杯直徑 d----進(jìn)液管直徑 H----定量杯液面與進(jìn)液管口的距離 由此可算出灌裝時間為： = =8.6 （s） 取整數(shù)9s，與前面假設(shè)的灌裝時間相符。 圖1 定量杯圖 Fig1 Quantitative cup drawing 3.4 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的工藝計算 3.4.1 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率分析 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率： =60 （16） 式中： ----生產(chǎn)率（Pcs/h） ----旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速（r/min） ----灌裝工位數(shù) 上式說明灌裝機(jī)的生產(chǎn)率與旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速、灌裝工位數(shù)有關(guān)。如果以增加灌裝工位數(shù)來提高生產(chǎn)率，那么灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作臺直徑也要相應(yīng)地增大。 從式中還可以看到，提高旋轉(zhuǎn)工作合轉(zhuǎn)速，也可以提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)率，但是受到兩個因素的限制，一個是旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生離心力，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速增大到一定程度時，瓶托上玻璃瓶的離心力達(dá)到足以克服啤酒瓶與瓶托之間的摩擦力，啤酒瓶便會被甩出瓶托；另一個因素是，液料的罐裝速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速提高時，在灌裝轉(zhuǎn)角不變的情況下其灌裝時間就會相應(yīng)地縮短，即是說瓶子在旋轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)過一定角度的時間相應(yīng)減少，因而瓶子不能裝滿。影響液料灌裝速度的因素是液料的粘度，液缸液位高度，灌裝閥的結(jié)構(gòu)等。 由此可知這些因素直接限制了旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的提高。旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一用的時間： = （17） 根據(jù)灌裝工藝過程，上式又可寫成： =+++ （18） 式中 ----灌裝時間（s） ----瓶托下降時間（s） ---- 瓶托下降到最低點停留時間（s） ----瓶托上升時間（s） 灌裝時間，在自動機(jī)械中稱為基本工藝時間，基本工藝時間一般都要經(jīng)過設(shè)計計算，然后經(jīng)過多次反復(fù)試驗才能確定。 根據(jù)以上分析，提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)率可從兩方面考慮：一是適當(dāng)增加灌裝工位數(shù)。二是設(shè)法提高灌裝閥的灌裝速度。 3.4.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的最小旋轉(zhuǎn)角確定 前面已經(jīng)介紹了灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間為： =+++ 式中、、、其各相應(yīng)灌裝轉(zhuǎn)角、、、即： ----灌裝轉(zhuǎn)角 （度） ----瓶托下降所占轉(zhuǎn)角 （度） ----瓶托下降到最低點所占轉(zhuǎn)角 （度） ----瓶托上升所占轉(zhuǎn)角 （度） 灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時包括灌液，瓶托帶動瓶子下降，瓶托帶動瓶子下降在最低點(為了瓶子進(jìn)出瓶托)，瓶托帶動瓶子上升。即： = （s） (19) = （s） (20) = （s） (21) = （s） (22) 在前面已經(jīng)從理論上推導(dǎo)出了灌裝時間=9s，于是根據(jù)式(19)得： = (23) =93.57= 現(xiàn)在已根據(jù)理論灌裝時間求出了灌裝轉(zhuǎn)角，在實際生產(chǎn)當(dāng)中，若已知灌裝方式和被灌容器的體積，就可以按在不同情況下的計算公式算出實際灌裝時間。由此可知，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)過角的灌裝時間，必需等于或大于實際灌裝時間，才能保證被灌裝容器灌滿。根據(jù)這一原則有： 常壓式灌裝液缸液位不變情況下灌裝機(jī)最小灌裝轉(zhuǎn)角： = （24） 式中： ——灌裝液料的容器的體積() n——灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min) ----灌裝閥流液管的流量系數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，取0.5 A——灌裝閥液管橫截面積() g——重力加速度(9．81m／) 設(shè)計時，首先確定灌裝轉(zhuǎn)角，確定后再根據(jù)具體結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其他輔助角、、。 現(xiàn)在擬訂： = = 則： =---= 現(xiàn)在已知每個區(qū)間的轉(zhuǎn)角，就可以根據(jù)式（20）、（21）、（22）算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)過沒個區(qū)間轉(zhuǎn)角所需要的時間 ==1.65（s） ==4.1（s） ==2.25（s） 由式（18）得，灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間為： =+++ =9+1.65+4.1+2.25=17 s 3.5 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動系統(tǒng)設(shè)計 灌裝不含氣液體的灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)都是各自獨立分開，各自單獨由電機(jī)驅(qū)動，在這里，旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)主要的功能是實現(xiàn)灌裝，壓蓋則在后續(xù)過程中由壓蓋機(jī)來完成。 旋轉(zhuǎn)式灌壓機(jī)組其傳動系統(tǒng)可分為外傳動鏈和內(nèi)傳動鏈。 外傳動鏈?zhǔn)怯脕砺?lián)接電機(jī)和灌壓機(jī)組的傳動主軸，其功用是： A．把一定的功率從動力源傳遞給灌壓機(jī)組的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 B．保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定轉(zhuǎn)速。 C．能夠方便地對機(jī)組進(jìn)行啟動、停止、發(fā)生故障或過載時自動停機(jī)。 外傳動鏈可用傳動比不準(zhǔn)確的傳動副和摩擦副，例如皮帶傳動，摩擦無級變速器等。在這里采用皮帶傳動，實現(xiàn)從電動機(jī)到減速箱的第一級減速，在采用減速箱實現(xiàn)第二級減速，再采用渦輪蝸桿改變轉(zhuǎn)向并減速。 內(nèi)傳動鏈為了保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)動作協(xié)調(diào)一致，其主要功能是： A．進(jìn)行運動和功率的傳遞。 B．保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)間運動的嚴(yán)格速比和按動作順序協(xié)調(diào)動作。 內(nèi)傳動鏈為了保證各機(jī)構(gòu)之間的動作協(xié)調(diào)一致，因此必須保證傳動精度。實際上內(nèi)聯(lián)傳動鏈不能用傳動比不準(zhǔn)確的摩擦副、傳動副作為傳動元件，必須由定比傳動機(jī)構(gòu)如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)或間歇機(jī)構(gòu)組成。在這里主要采用齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)運動之間的配合。 3.5.1 傳動比分析 已知貯液缸的工位數(shù)為24，若初設(shè)進(jìn)、出瓶撥輪的工位數(shù)為8，則： 此處的傳動比 即主軸轉(zhuǎn)一周，1軸要轉(zhuǎn)3周。為了達(dá)到此目的，可設(shè)2軸上的錐齒輪2和1軸上的錐齒輪1的傳動比為： 2軸上的錐齒輪3和主軸上的錐齒輪4的傳動比為 故可滿足的要求，具體計算見下面的設(shè)計過程。由于主軸的轉(zhuǎn)速為3.57，而電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1440，故經(jīng)過皮帶輪一級減速，減速箱的2級減速，渦輪蝸桿的3級減速后 要達(dá)到所需要的速度3.57.具體減速過程見下列設(shè)計過程中。 3.5.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)帶傳動設(shè)計 已知電動機(jī)功率P=5.5kw，n=1440r/min，擬選用V帶傳送。 （1）選定V帶型號和帶輪直徑工作情況系數(shù) 取=1.2 計算功率 =P=1.25.5 (25) =6.6kw 選帶型號 A型 小帶輪直徑 取D1=112mm 大帶輪直徑 D2=（1-） (26) =（1-0.01）= 196mm 大帶輪轉(zhuǎn)速 =（1-） (27) =815r/min （2）計算帶長，求 = (28) =154mm 求 = (29) =42mm 初取中心距a 2()a0.55()+h （30） 取a=600mm 帶長L L= （31） =3.14154+2600+=1687mm 基準(zhǔn)長度 取=1800mm （3）求中心距和包角 中心距a a= (32) = =656mm 小輪包角 = （33） = （4）求帶根數(shù) 帶速V V= （34） = =14.8 m/s 傳動比i i1.77 (35) 帶根數(shù)Z z （36） = =3 根 （5）帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計：有機(jī)械設(shè)計課本上可知，V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)，當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑為（d為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時，可采用實心式；當(dāng)時，可采用腹板式；當(dāng)時，可采用輪輻式。 這里因為。見機(jī)械設(shè)計課本160頁。 3.5.3 蝸桿蝸輪傳動設(shè)計 由《機(jī)械設(shè)計》一書中得知，圓柱蝸桿頭數(shù)少，易于得到大的傳動比，但導(dǎo)程角小，效率低，發(fā)熱多，故重載傳動不宜采用單頭蝸桿；蝸桿頭數(shù)多，效率高，但頭數(shù)過多，導(dǎo)程角大，制造困難。 所以根據(jù)GB10087—88選取蝸桿： 模數(shù)m=8mm 分度圓直徑=80mm 頭數(shù)=2 直徑系數(shù)=10 蝸輪齒數(shù)根據(jù)齒數(shù)比和蝸桿頭數(shù)頭數(shù)決定： = （37） 傳遞動力的蝸桿蝸輪，為增加傳動的平穩(wěn)性，蝸輪齒數(shù)宜取多些，應(yīng)不少于28齒，齒數(shù)愈多，蝸輪尺寸愈大，蝸桿軸愈長且剛度小，所以蝸輪齒數(shù)不宜多于100齒，一般取=32—80齒，有利于傳動鏈趨于平穩(wěn)。 所以取=66 因為是蝸桿主動，所以齒數(shù)比=i=/=33 (38） 圓柱蝸桿蝸輪傳動基本尺寸計算如下： 蝸桿軸向齒距 = （39） =3.148=25.12mm 蝸桿導(dǎo)程 = （40） =3.1482=50.24mm 蝸桿分度圓直徑 =m (41) =108=80mm 蝸桿齒頂圓直徑 =+2 （42） =80+28=96mm 蝸桿齒根圓直徑 =- （43） =80-2（8+0.28）=60.8mm 節(jié)圓直徑 = （44） =8（10+20.2）=83.2mm 分度圓導(dǎo)程角 = (45) ==0.2 = 蝸桿齒寬 = （46） =28=130mm 蝸輪分度圓直徑 = （47） =866=528mm 蝸輪齒根圓直徑 =- （48） =528-2(8-0.28+0.28) =512mm 蝸輪節(jié)圓直徑 = + （49） =528+2(8+0.28) =547mm 蝸輪外徑 =+ （50） =547+8=555mm 蝸輪齒寬 = （51） =28（0.5+） =60mm 中心距 a= （52） = =304mm 取315mm （1）齒面接觸疲勞強度驗算 許用接觸應(yīng)力 = （53） =173 MPa 式中：轉(zhuǎn)速系數(shù) ==0.75 壽命系數(shù) ==1.13<1.6 接觸疲勞極限 =265MPa 接觸疲勞最低安全系數(shù) =1.3 最大接觸應(yīng)力 = （54） =149<173 MPa 式中：彈性系數(shù) = 接觸系數(shù) =2.85 使用系數(shù) =1.1 蝸輪轉(zhuǎn)矩 = =1155555 計算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。 （2）齒面彎曲疲勞強度驗算 齒根彎曲疲勞極限 彎曲疲勞最小安全系數(shù) =1.4 許用彎曲疲勞應(yīng)力 = （55） =80MPa 輪齒最大彎曲應(yīng)力 = （56） = =32<80 MPa 計算結(jié)果表明，齒面彎曲疲勞強度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。 （3）蝸桿軸撓度驗算 軸慣性矩 = （57） ==2.01 允許蝸桿撓度 =0.004m=0.032mm （58） 蝸桿軸撓度 = （59） =0.027<0.032mm 計算結(jié)果表明，蝸桿軸撓度合格。 （4）溫度計算 傳動嚙合效率 = （60） =0.901 攪油效率 =0.99 軸承效率 總效率 = （61） =0.883 散熱面積估算 （62） = =1.85 箱體工作溫度 （63） =55℃ 這里取w/(℃),中等通風(fēng)環(huán)境。 計算結(jié)果表明，溫度合格。 3.5.4 齒輪傳動設(shè)計 首先進(jìn)行對關(guān)鍵齒輪和的設(shè)計計算，即軸2和主軸上錐齒輪的設(shè)計計算前面已知i=3。根據(jù)相關(guān)資料查的各部分的傳動效率：普通V帶傳動效率，齒輪傳動效率為 （1）選取齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)1、根據(jù)要求選用直齒錐齒輪。2、灌裝機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用8級精度。3、材料選擇小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。4、選擇大齒輪齒數(shù)為，初定，則 （2）按齒面接觸強度設(shè)計 (64) 參數(shù)值確定： 1、初選載荷系數(shù)=1.3； 2、計算大齒輪的轉(zhuǎn)距 3、查《機(jī)械設(shè)計（第七版）》通常取取齒寬系數(shù)=1/3； 4、查《機(jī)械設(shè)計（第七版）》表10-6??； 5、由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》圖10-21d按齒面硬度中查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；小齒輪的接觸疲勞強度極限； 6、由式計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 7、由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》圖10-19查的接觸疲勞壽命系數(shù) 8、計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式得 （3）設(shè)計計算 1、試計算小齒輪分度圓直徑，代入 中較小值 2、計算圓周速度 3、計算齒寬b 4、計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 5、計算載荷系數(shù) 根據(jù),8級精度,由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》圖10-8查的動載系數(shù)=1.0 由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》取齒間載荷分配系數(shù)； 由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》表10-2查得使用系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》查得齒向載荷分布系數(shù)可按下式計算： 式中是軸承系數(shù)，可從《機(jī)械設(shè)計（第七版）》表10-9中查取。 所以 ；故載荷系數(shù)： 6、按實際載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑,由式得 7、計算模數(shù) （4）按齒根彎曲強度設(shè)計 （65） 確定公式內(nèi)的各計算值： 1、由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ；查得大齒輪的彎曲疲勞強度極限。 2、由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù) 3、計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式得 4、計算載荷系數(shù) 5、計算當(dāng)量齒數(shù) 6、查得齒形系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》表10-5查得 7、查取應(yīng)力校正系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計（第七版）》表10-5查得 計算大、小齒輪的加以比較： 小齒輪的數(shù)值大 （5）設(shè)計計算 對比計算結(jié)果,由齒面接觸強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算