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Ⅰ
摘 要
啤酒作為一種口味獨(dú)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(jì)量準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)、無噪音和液體不外溢等優(yōu)點(diǎn)，使用廣泛。
關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)，常壓式灌裝方式。
Ⅰ
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.
Keywords: Fills installing equipment，
The atmospheric pressure type fills installs the way.
Ⅱ
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
第一章 緒論 1
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2
2.1 確定功能與應(yīng)用范圍 2
2.2 工藝分析 2
2.2.1 確定機(jī)械類型 2
2.2.2 確定灌裝程序以及工位數(shù) 2
2.2.3 對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求 2
2.3 擬訂主要技術(shù)參數(shù) 3
第三章 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 6
3.2 灌裝機(jī)輸送管路計(jì)算 8
3.3 灌裝時(shí)間的確定 10
3.4 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的工藝計(jì)算 13
3.4.1 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率分析 13
3.4.2 灌裝機(jī)的最小旋轉(zhuǎn)角度確定 14
3.5 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
3.5.1 傳動(dòng)比 17
3.5.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 19
3.5.3 蝸桿斡輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21
3.5.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 25
3.6 灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸的選擇 31
3.6.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算 31
3.6.2 軸的剛度計(jì)算 32
第四章 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
4.1 灌裝閥的設(shè)計(jì) 33
4.2 升降瓶機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 35
第五章 結(jié)論 38
參考文獻(xiàn) 39
致謝 40
四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第一章 緒 論
隨著市場經(jīng)濟(jì)的完善和發(fā)展，商品流通的深度和廣度進(jìn)一步擴(kuò)大，包裝工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用和地位越來越高。根據(jù)各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，包裝工業(yè)的產(chǎn)值通常占國民生產(chǎn)總值的1.5%-2.2%。經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，包裝工業(yè)所占的比重就越大。灌裝機(jī)就是包裝機(jī)械的一種。建國以后，我國陸續(xù)建立了一些灌裝設(shè)備生產(chǎn)廠，但主要是一些小型設(shè)備，技術(shù)落后。八十年代初，國家開始積極引進(jìn)國外先進(jìn)灌裝技術(shù)，當(dāng)時(shí)灌裝技術(shù)主要掌握在少數(shù)國有企業(yè)手中。隨著改革開放的推進(jìn)，一些原來從事機(jī)床、農(nóng)機(jī)制造的企業(yè)也轉(zhuǎn)到灌裝設(shè)備的開發(fā)制造上，從業(yè)廠商逐漸增多。
我國的灌裝設(shè)備主要是應(yīng)用在酒業(yè)、飲料的灌裝上，從灌裝原理上大體可分為負(fù)壓灌裝機(jī)、常壓灌裝機(jī)、等壓灌裝機(jī)、定量灌裝機(jī) 、料位灌裝機(jī)等幾種類型。但是目前各個(gè)設(shè)備生產(chǎn)廠家的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適宜瓶型范圍及自動(dòng)化程度等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同程度地制約著產(chǎn)品包裝質(zhì)量和生產(chǎn)率。
目前，灌裝機(jī)呈現(xiàn)出新的發(fā)展動(dòng)向，主要為：（1）多功能。同一臺設(shè)備，可進(jìn)行茶飲料、咖啡飲料、豆乳飲料和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝；均可進(jìn)行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝。（2）高速度、高產(chǎn)量。碳酸飲料灌裝機(jī)的灌裝速度最高達(dá)2000灌/分，非碳酸飲料灌裝速度最高達(dá)1500灌/分。（3）技術(shù)含量高、可靠性高、計(jì)量精確。
啤酒作為一種口味獨(dú)特的風(fēng)味飲料，深受廣大老百姓的喜歡，近年來由于受釀酒原材料漲價(jià)的影響，啤酒的釀造成本隨之增高，而啤酒的市場競爭越來越激烈，啤酒生產(chǎn)廠家為了爭奪啤酒的市場份額，一方面對啤酒的銷售價(jià)格不敢輕易提價(jià)，一方面內(nèi)部加強(qiáng)管理努力消化原材料漲價(jià)帶來的負(fù)面影響。啤酒灌裝機(jī)是啤酒包裝生產(chǎn)線的核心設(shè)備，啤酒灌裝過程中出現(xiàn)的冒酒、灌不滿、液位偏高或偏低、增氧量和瓶頸空氣超出標(biāo)準(zhǔn)等現(xiàn)象，都會直接導(dǎo)致酒損的增加，從而增加了啤酒的包裝成本，因此，灌裝機(jī)灌裝效果和機(jī)械本身的性能的好壞直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以，希望通過對灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)，能更好的發(fā)揮出灌裝機(jī)的使用性能，提高生產(chǎn)率和機(jī)械自身的性能，使之能運(yùn)行更加穩(wěn)定、計(jì)量更加準(zhǔn)確、使用更加方便、盡可能的減小噪音等等。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 確定功能與應(yīng)用范圍
用途：灌裝瓶裝啤酒。
規(guī)格：灌裝瓶容量為640Lm，空瓶為670Lm。
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：
A. 進(jìn)液排氣，即液料進(jìn)入容器，同時(shí)容器內(nèi)的空氣被排出。
B. 停止進(jìn)液，即容器內(nèi)的液料達(dá)到定量要求時(shí)，進(jìn)液自動(dòng)停止。
C. 排除余液，即排除管道中的殘余液料。
設(shè)計(jì)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
2.2.1.1 工位
啤酒生產(chǎn)批量大，灌裝機(jī)工作動(dòng)作多，故選用多工位灌裝機(jī)。
2.2.1.2 運(yùn)動(dòng)形式
灌裝機(jī)分為直線型和旋轉(zhuǎn)型2種，而啤酒灌裝機(jī)都是采用旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)進(jìn)行
灌裝，且是連續(xù)型灌裝工作方式，故采用旋轉(zhuǎn)型連續(xù)灌裝機(jī)。
2.2.2 確定灌裝程序，工位數(shù)
2.2.2.1 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。
2.2.2.2 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。
2.2.3 對執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)要求
2.2.3.1 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(gè)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(dòng)式、機(jī)械與氣動(dòng)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(shí)惠，便與維護(hù)，所以宜選擇機(jī)械式托瓶機(jī)構(gòu)。
2.2.3.2 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(jì)。
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。
2.2.3.3 主軸
主軸是灌裝機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)軸。電機(jī)通過減速裝置把動(dòng)力傳送到主軸上，主軸帶動(dòng)儲液箱和導(dǎo)向板同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2.3.4 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(dòng)，帶動(dòng)灌裝閥一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2.3.5 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(dòng)。
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。如灌裝機(jī)列數(shù)，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(yùn)動(dòng)參數(shù)
運(yùn)動(dòng)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、計(jì)量與充填速度等。
2.3.3 動(dòng)力參數(shù)
動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)的能量消耗，如成型、封口等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作載荷，動(dòng)力機(jī)的額定功率、額定扭矩和調(diào)速范圍，氣液壓傳動(dòng)的工作壓力和流量，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。
2.3.4 工藝參數(shù)
工藝參數(shù)反映完成灌裝工序所用的工藝方法及其特性，如完成包裝工序的有關(guān)溫度、時(shí)間、壓力、拉力、速度、真空度、計(jì)量精度等參數(shù)。
通過分析對比同一類型灌裝機(jī)的不同設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，無疑可以判斷各個(gè)設(shè)備的性能優(yōu)劣。而且用戶在籌建生產(chǎn)車間或工廠之際，借此可根據(jù)各自的生產(chǎn)條件、規(guī)模與物料消耗情況，妥善配備各種設(shè)備并核算經(jīng)營成本。
鑒于灌裝機(jī)所完成的灌裝工序、灌裝物件、所用工藝方法、機(jī)器類型等種類繁多，各種灌裝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的具體內(nèi)容也互有差異，因此，擬定主要技木參數(shù)時(shí)，務(wù)必遵循基本準(zhǔn)則按具體條件加以具體分析來解決。
眾所周知，傳動(dòng)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(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的。所以，若動(dòng)力參數(shù)選擇過大就會使動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)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(jì)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(shí)測法
選擇同類型灌裝機(jī)或試制樣機(jī)，測其動(dòng)力機(jī)的輸入功率，再依它的效率和轉(zhuǎn)速計(jì)算輸出功率和扭矩?？紤]到被測的與所設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)有某些差異，應(yīng)將實(shí)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(jì)算法
動(dòng)力機(jī)的輸出功率也可用下式粗略計(jì)算：
P=++………… （i=1，2，.......） （2-1）
也就是灌裝機(jī)所需功率等于個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需功率之和。
在總體方案設(shè)計(jì)階段，有關(guān)的動(dòng)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(jì)完成后尚須做進(jìn)一步的校核。采用計(jì)算法確定動(dòng)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(dòng)效率和慣性力的計(jì)算相當(dāng)麻煩，以致把計(jì)算法僅作為確定動(dòng)力參數(shù)的一種輔助手段。
41
第三章 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
擬訂本次設(shè)計(jì)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： r==600 mm
參考類似型號灌裝機(jī)工藝參數(shù)，現(xiàn)在先擬訂灌裝時(shí)間為9s，于是由灌裝時(shí)間的計(jì)算公式：
=* （3-1）
n----主軸轉(zhuǎn)速，r/min
----灌裝區(qū)間角
得：
n==3.57 r/min （3-2）
擬訂貯液箱在裝有液料的時(shí)候的最大重量為500kg，半徑r為600 mm，則角速度為：
= （3-3）
=0.1n=0.1*3.57=0.357 rad/s
貯液箱上作用力F對主軸的力矩為：
=F*Z （3-4）
=m*g*r
=500*9.8*1
=4900 N*m
再由功率：
P= * （3-5）
得：
P= *
=4900*0.357
=1.6 Kw
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(dòng)機(jī)提供動(dòng)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0.6kw；
升降瓶機(jī)構(gòu)功率P3為0.5kw；
壓蓋機(jī)功率為1.5kw。
由此根據(jù)式（1-1）可估算出灌裝機(jī)組總功率P：
P=++…………
=1.6+1.2+0.6+0.5+1.5
=5.4kw
所以，選擇電動(dòng)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(jì)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(shí)，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(jì)時(shí)，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：
= (3-6)
= (3-7)
故得：
= (3-8)
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/Pc），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） （3-9）
=
=1.004* /s
將和帶入式（3-8）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(fèi)用都相應(yīng)減少，但往往要增加輸送液料所需的動(dòng)力和操作費(fèi)用。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選取流速。
計(jì)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(shí)間的確定
利用流體力學(xué)能量守恒定律，可計(jì)算出各類灌裝閥的灌裝時(shí)間，從理論上找出影響液料灌裝速度時(shí)間的因素，以便設(shè)計(jì)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(shí)，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?yàn)槌菏焦嘌b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(jì)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3-1所示，圖中定量杯的內(nèi)腔直徑為D，定量杯的計(jì)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?yàn)閷ζ【破康墓嘌b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(dòng)，其流出液料體積在各個(gè)相等瞬時(shí)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(shí)間內(nèi)從定量杯底孔d流出的液體體積為：
=u*F*
=**F*
=*** (3-10)
相同的時(shí)間內(nèi),定量杯中液料減少的體積為：
=* (3-11)
顯然有 =
即有 ***=* （3-12）
式中 ----經(jīng)dt時(shí)間，定量杯內(nèi)液料的液面水平高度(m)
----經(jīng)dt時(shí)間，定量杯內(nèi)液料的液面高度改變量
上式整理后有：
=*（S） （3-13）
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(shí)間由0到t，定量杯內(nèi)的液料才全部流完。即：
=**
=*
=*
=** (3-14)
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(shí)間為：
=
=8.6 （s）
取整數(shù)9s，與前面假設(shè)的灌裝時(shí)間相符。
圖3-1 定量杯定量圖
3.4 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的工藝計(jì)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 （3-15）
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(gè)因素的限制，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(shí)，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(gè)因素是，液料的罐裝速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速提高時(shí)，在灌裝轉(zhuǎn)角不變的情況下其灌裝時(shí)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(shí)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(shí)間：
= （3-16）
根據(jù)灌裝工藝過程，上式又可寫成：
=+++ （3-17）
式中 ----灌裝時(shí)間 （s）
----瓶托下降時(shí)間 （s）
---- 瓶托下降到最低點(diǎn)停留時(shí)間 （s）
----瓶托上升時(shí)間 （s）
灌裝時(shí)間，在自動(dòng)機(jī)械中稱為基本工藝時(shí)間，基本工藝時(shí)間一般都要經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，然后經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)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
圖3-2 灌裝機(jī)工藝轉(zhuǎn)角平面示意圖
如圖3-2所示，該圖為本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)平面工藝布置示意圖，前面已經(jīng)介紹了灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)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(diǎn)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(shí)包括灌液，瓶托帶動(dòng)瓶子下降，瓶托帶動(dòng)瓶子下降在最低點(diǎn)(為了瓶子進(jìn)出瓶托)，瓶托帶動(dòng)瓶子上升。即：
=* （s） (3-18)
=* （s） (3-19)
=* （s） (3-20)
=* （s） (3-21)
在前面已經(jīng)從理論上推導(dǎo)出了灌裝時(shí)間=9s，于是根據(jù)式(3-18)得：
=**
=9**3.57
= （3-22）
現(xiàn)在已根據(jù)理論灌裝時(shí)間求出了灌裝轉(zhuǎn)角，在實(shí)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(jì)算公式算出實(shí)際灌裝時(shí)間。由此可知，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)過角的灌裝時(shí)間，必需等于或大于實(shí)際灌裝時(shí)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：
*
= （3-23）
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(jì)時(shí)，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(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)角，就可以根據(jù)式（3-19）、（3-20）、（3-21）算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)過沒個(gè)區(qū)間轉(zhuǎn)角所需要的時(shí)
=*=1.65 （s）
=*=4.1 （s）
=*=2.25 （s）
由式（3-17）得，灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間為：
=+++
=9+1.65+4.1+2.25
=17 s
3.5 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
灌裝不含氣液體的灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)都是各自獨(dú)立分開，各自單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但含氣液體灌裝都是將灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)設(shè)計(jì)成聯(lián)合機(jī)組常稱灌裝機(jī)組，目的是為了灌液后，盡快封蓋，以減少液料的增氧量。
旋轉(zhuǎn)式灌壓機(jī)組其傳動(dòng)系統(tǒng)可分為外傳動(dòng)鏈和內(nèi)傳動(dòng)鏈。
外傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯脕砺?lián)接電機(jī)和灌壓機(jī)組的傳動(dòng)主軸，其功用是：
A．把一定的功率從動(dòng)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)速和一定調(diào)速范圍。
C．能夠方便地對機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、停止、發(fā)生故障或過載時(shí)自動(dòng)停機(jī)。
外傳動(dòng)鏈可用傳動(dòng)比不準(zhǔn)確的傳動(dòng)副和摩擦副，例如皮帶傳動(dòng)，摩擦無級變速器等；但一般不采用機(jī)械無級調(diào)速，而是采用電氣無級調(diào)速，因?yàn)殡姎鉄o級調(diào)速器操作方便，同時(shí)由于電子技術(shù)的普及和提高，維護(hù)方便，操作可靠。
內(nèi)傳動(dòng)鏈為了保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，其主要功能是：
A．進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和功率的傳遞。
B．保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格速比和按動(dòng)作順序協(xié)調(diào)動(dòng)作。
內(nèi)傳動(dòng)鏈為了保證各機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，因此必須保證傳動(dòng)精度。實(shí)際上內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈不能用傳動(dòng)比不準(zhǔn)確的摩擦副、傳動(dòng)副作為傳動(dòng)元件，必須由定比傳動(dòng)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。
3.5.1 傳動(dòng)比
旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動(dòng)比計(jì)算，經(jīng)考察同類型灌裝機(jī)普遍采用的傳動(dòng)方式，了解其傳動(dòng)特點(diǎn)，然后在本次設(shè)計(jì)中擬采用最常用的傳動(dòng)方式，如圖3-3。
圖為本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)傳動(dòng)示意圖，圖中帶、蝸桿蝸輪為外傳動(dòng)鏈，為內(nèi)傳動(dòng)鏈，設(shè)計(jì)類似這樣的傳動(dòng)鏈時(shí)，首先計(jì)算灌裝機(jī)的灌裝時(shí)間，并確定灌裝工藝轉(zhuǎn)角，根據(jù)灌裝時(shí)間和灌裝工藝轉(zhuǎn)角可算出灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速，即圖中液缸的轉(zhuǎn)速，按液缸轉(zhuǎn)速和選定電機(jī)轉(zhuǎn)速確定內(nèi)傳動(dòng)鏈和外傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比。
為了保證同步，裝在主軸3上的出瓶撥輪的工位數(shù)(槽數(shù))與裝在主鈾4上的液缸的工位數(shù)之比必須等于齒輪的齒數(shù)與齒輪的齒數(shù)之比，即：
= （3-24）
已知貯液缸的工位數(shù)為24，若初設(shè)出瓶撥輪的工位數(shù)為8，則：
==3 （3-25）
因此與的齒數(shù)比也必須等于3。更確切地說為了保證傳動(dòng)精度，灌裝閥尾管中心線即瓶子垂直中心線到液缸的回轉(zhuǎn)軸線的距離與出瓶撥輪的回轉(zhuǎn)軸線的距離之比也必須但等于3。和也是齒輪和齒輪的節(jié)圓半徑。
同理：
（3-26）
（3-27）
（3-28）
而與之間的關(guān)系：若進(jìn)瓶撥輪工位數(shù)為8，則進(jìn)瓶撥輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，不等距進(jìn)瓶螺旋必須轉(zhuǎn)8轉(zhuǎn)，即：
（3-29）
以上內(nèi)傳動(dòng)鏈的分析和計(jì)算僅僅是為了機(jī)組同步和協(xié)調(diào)，還必須考慮功率的傳遞，即傳動(dòng)元件的強(qiáng)度，對齒輪來說就是模數(shù)的大小。因此計(jì)算時(shí)可能會出現(xiàn)反復(fù)，但最終必須保證同步和功率的傳遞。
圖3-3 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)傳動(dòng)示意圖
A1—出瓶星輪 A2—壓蓋機(jī) A3—撥瓶星輪
A4—灌裝機(jī) A5—進(jìn)瓶星輪 A6—進(jìn)瓶螺旋裝置
3.5.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
已知電動(dòng)機(jī)功率P=5.5kw，n=1440r/min，擬選用V帶傳送。
3.5.2.1 選定V帶型號和帶輪直徑
工作情況系數(shù) 取=1.2
計(jì)算功率
=*P=1.2*5.5 (3-30)
=6.6kw
選帶型號 A型
小帶輪直徑 取D1=112mm
大帶輪直徑 D2=（1-） (3-31)
=（1-0.01）*
= 196mm
大帶輪轉(zhuǎn)速 =（1-） (3-32)
=851r/min
3.5.2.2 計(jì)算帶長
求 = (3-33)
=154mm
求 = (3-34)
=42mm
初取中心距a 2(D1+D2)a0.55(D1+D2)+h （3-35）
取a=600mm
帶長L L= （3-36）
=3.14*154+2*600+
=1687mm
基準(zhǔn)長度 取=1800mm
3.5.2.3 求中心距和包角
中心距a a= (3-37)
=
=656mm
小輪包角 = （3-38）
=
3.5.2.4 求帶根數(shù)
帶速V V= （3-39）
=
=14.8 m/s
傳動(dòng)比i i== =1.77 (3-40)
帶根數(shù)Z 單根V帶所能傳遞的功率取1.93kw
包角系數(shù)取0.969
長度系數(shù)取1.03
單根V帶i1時(shí)傳遞功率的增量取0.17kw
Z= （3-41）
=
=4 根
3.5.3 蝸桿蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》一書中得知，圓柱蝸桿頭數(shù)少，易于得到大的傳動(dòng)比，但導(dǎo)程角小，效率低，發(fā)熱多，故重載傳動(dòng)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：
= （3-42）
傳遞動(dòng)力的蝸桿蝸輪，為增加傳動(dòng)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(dòng)鏈趨于平穩(wěn)。
所以取=66
因?yàn)槭俏仐U主動(dòng)，所以齒數(shù)比=i=/=33
===24.7 r/min (3-43)
3.5.3.1 圓柱蝸桿蝸輪傳動(dòng)基本尺寸計(jì)算如下：
蝸桿軸向齒距 = （3-44）
=3.14*8
=25.12mm
蝸桿導(dǎo)程 = （3-45）
=3.14*8*2
=50.24mm
蝸桿分度圓直徑 =m (3-46)
=10*8
=80mm
蝸桿齒頂圓直徑 =+2 （3-47）
=80+2*8
=96mm
蝸桿齒根圓直徑 =- （3-48）
=80-2*（8+0.2*8）
=60.8mm
節(jié)圓直徑 = （3-49）
=8*（10+2*0.2）
=83.2mm
分度圓導(dǎo)程角 = (3-50)
=
=0.2
=
蝸桿齒寬 = （3-51）
=2*8*
=130mm
蝸輪分度圓直徑 = （3-52）
=8*66
=528mm
蝸輪齒根圓直徑 =- （3-53）
=528-2*（8-0.2*8+0.2*8）
=512mm
蝸輪喉圓直徑 = + （3-54）
=528+2*（8+0.2*8）
=547mm
蝸輪外徑 =+ （3-55）
=547+8
=555mm
蝸輪齒寬 = （3-56）
=2*8*（0.5+）
=60mm
中心距 a= （3-57）
=
=304mm 取315mm
3.5.3.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
許用接觸應(yīng)力 = （3-58）
=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 = （3-59）
=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 N*m
計(jì)算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。
3.5.3.2 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞極限 =115MPa
彎曲疲勞最小安全系數(shù) =1.4
許用彎曲疲勞應(yīng)力 = （3-60）
=80MPa
輪齒最大彎曲應(yīng)力 = （3-61）
=
=32<80 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，齒面彎曲疲勞強(qiáng)度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。
3.5.3.3 蝸桿軸撓度驗(yàn)算
軸慣性矩 = （3-62）
=
=2.01*
允許蝸桿撓度 =0.004m=0.032mm （3-63）
蝸桿軸撓度 = （3-64）
=0.027<0.032mm
計(jì)算結(jié)果表明，蝸桿軸撓度合格。
3.5.3.4 溫度計(jì)算
傳動(dòng)嚙合效率 = （3-65）
=0.901
攪油效率 =0.99
軸承效率
總效率 =** （3-66）
=0.883
散熱面積估算 （3-67）
=
=1.85
箱體工作溫度 （3-68）
=55℃
這里取w/(m*m*℃),中等通風(fēng)環(huán)境。
計(jì)算結(jié)果表明，溫度合格。
3.5.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
首先進(jìn)行對關(guān)鍵齒輪和的設(shè)計(jì)計(jì)算，前面已知i=4。
3.5.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
初步計(jì)算：
轉(zhuǎn)矩 = （3-69）
=
=402388 N*m
齒寬系數(shù) =0.4
接觸疲勞強(qiáng)度極限 =750MPa
=600 MPa
初步計(jì)算許用接觸應(yīng)力 =0.96=675MPa
=0.96=540MPa
值 取=85
初步計(jì)算直徑 = （3-70）
=85*
=360mm 取400mm
初步計(jì)算齒寬 =*=144mm （3-71）
校核計(jì)算：
圓周速度 = （3-72）
=
=0.3 m/s
精度等級 選8級精度
齒數(shù)和模數(shù) 初取=80
=i*=240
==5 取=4
則==100
= i*=300
使用系數(shù) =1.5
動(dòng)載系數(shù) =1.2
齒間載荷分配系數(shù)
先求： = （3-73）
=2012
= (3-74)
=21 N/mm<100 N/mm
= (3-75)
=1.88-3.2*
=1.82
== (3-76)
=0.87
由此得 == （3-77）
=1.32
齒向載荷分布系數(shù) =1.38
載荷系數(shù) = （3-78）
=1.5*1.2*1.32*1.38
=3.28
彈性系數(shù) =189.8
接點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.5
接觸最小安全系數(shù) =1.05
總工作時(shí)間 =12000 h
應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 估計(jì)，則指數(shù)m=8.78
== （3-79）
=
=/i
=
原估算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。
接觸壽命系數(shù) =1.18
=1.25
許用接觸應(yīng)力 == （3-80）
=771 MPa
== （3-81）
=714 MPa
驗(yàn)算 = （3-82）
=189.8*2.5*0.87*
=635 MPa<714 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需在作調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗(yàn)算。
確定傳動(dòng)主要尺寸：
分度圓直徑 ==4*100 （3-83）
=400 mm
=4*300 （3-84）
=1200 mm
中心距 = （3-85）
=800 mm
齒寬 =160 mm
=120 mm
3.5.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
重合度系數(shù) ==0.25+ （3-86）
=0.66
齒間載荷分配系數(shù) = （3-87）
=1.5
齒間載荷分布系數(shù) （3-88）
取=1.38
載荷系數(shù) = （3-89）
=1.5*1.2*1.5*1.38
=3.7
齒形系數(shù) =2.46
=2.19
應(yīng)力修正系數(shù) =1.65
=1.8
彎曲疲勞極限 =600 MPa
=450 MPa
彎曲最小安全系數(shù) =1.25
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估算，則指數(shù)m=49.91
= （3-90）
=
=/i=1.85*
原估算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。
彎曲壽命系數(shù) =0.95
=0.97
尺寸系數(shù) =1.0
許用彎曲應(yīng)力 == （3-91）
=456 MPa
= （3-92）
=349 MPa
驗(yàn)算 = （3-93）
=
=360 MPa<456 MPa
==360* (3-94)
=320 MPa<349 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需在作調(diào)整。
傳動(dòng)無嚴(yán)重過載，故不作靜強(qiáng)度校核。
現(xiàn)在對其他次要齒輪傳動(dòng)進(jìn)行尺寸確定。
由于是非關(guān)鍵傳動(dòng)部份，且也非本次設(shè)計(jì)題目范圍，所以只進(jìn)行尺寸初選，不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。
前面已設(shè)灌裝機(jī)的工位為24，進(jìn)出瓶星輪的工位為8，現(xiàn)在設(shè)壓蓋機(jī)的工位為4，則根據(jù)式（3-26）有：
==2
已知 =100
則 =50
分度圓直徑 =m*=4*50=200 mm
齒寬 ==0.4*200=80 mm
因?yàn)? A1和A2的工位數(shù)相等，故
A3和A5的工位數(shù)相等，故=
3.6 旋轉(zhuǎn)主軸的選擇
灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸主要傳遞轉(zhuǎn)距，且轉(zhuǎn)距較小，所以對軸的剛度和強(qiáng)度要求不高。雖然空心軸比實(shí)心軸更節(jié)約材料，比較經(jīng)濟(jì)，但是當(dāng)外直徑相同時(shí)，空心軸的內(nèi)直徑若取為=0.625，則它的強(qiáng)度比實(shí)心軸削弱18%，且空心軸的制造比較費(fèi)時(shí)，所以這里選擇實(shí)心軸，材料選取45鋼。
3.6.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算
按許用切應(yīng)力計(jì)算：
受轉(zhuǎn)矩（N*mm）的實(shí)心圓軸，其切應(yīng)力
= MPa （3-95）
寫成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑
=C* mm （3-96）
上面兩式中 ----軸的抗扭截面系數(shù)，
----軸傳遞的功率，KW
----軸的轉(zhuǎn)速，r/min