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湖州師范學院本科畢業(yè)論文文獻綜述
畢業(yè)論文文獻綜述
畢業(yè) 論 文 題 目
全自動液體罐裝機的設計
文獻綜述題目
全自動液體罐裝機的設計
學 院
專 業(yè)
姓 名
學 號
指導教師
全自動液體罐裝機的設計—文獻綜述
摘要：灌裝機是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關鍵設備之一。目前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。
本文針對傳統(tǒng)罐裝機性能比較單一、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，結合全自動液體灌裝的工藝流程，分析了全自動液體灌裝機的工作過程及其主要部件的功能，重點介紹了全自動液體灌裝機設計過程。
全自動液體灌裝機實現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化、精確化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求。對灌裝工作過程進行實時監(jiān)控及動態(tài)管理，提高了液體灌裝的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率。
關鍵詞：全自動，液體，灌裝機，控制系統(tǒng)
1.研究背景及意義
1.1研究背景
目前中國飲用水、碳酸飲料、茶飲料的前處理設備國內(nèi)產(chǎn)品基本上可以滿足需要，中、低速理瓶、裝箱設備也有相匹 配的產(chǎn)品可供選擇，在熱液體灌裝機方面，各設備廠都能解決設備在熱灌裝環(huán)境下的控制、密封等工藝要求。江蘇美星、廣東達意隆公司也解決了無菌冷灌裝的問題。不過無論是碳 酸飲料、瓶裝水、果汁還是茶飲料，也無論是PET瓶、金屬罐還是利樂包，中國著名飲料企業(yè)的包裝生產(chǎn)線基本上是引進設備的天下。
1.2研究的目的及意義
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。食品包裝機械是對食品進行完成全部或部分包裝過程的機器。包裝過程包括充填、裹包、封口等主要包裝工序，以及與其相關的前后工序、計量等輔助設備。食品包裝機械是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。發(fā)展食品包裝機械化，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)質量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。
灌裝機械是食品包裝機械中的一種，通常將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱為灌裝機械。在自動灌裝機中，按照灌裝的工藝要求、速度、間距和狀態(tài)，準確地將待灌瓶送入主轉盤升降托瓶臺上，是保證灌裝機正常而有序地工作的關鍵。常用的供送裝置有鏈帶式、動梁推進式、螺桿和星型撥輪等。供瓶機構是液體灌裝機的
必要組成部分，它在液體灌裝機中起到承上啟下的作用，完善的結構設計可以保證灌裝動作的順利完成，實現(xiàn)其自動化操作。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外灌裝與封口設備向高速、多用、高精度方向發(fā)展，目前部分灌裝生產(chǎn)線已可以在玻璃瓶與塑料容器(聚酯瓶)、碳酸飲料與非碳酸飲料、熱灌裝與冷灌裝等不同要求和環(huán)境下使用。目前碳酸飲料灌裝機灌裝速度最高已達2000罐／分，德國H＆K公司灌裝機的灌裝閥多達165頭，SEN公司144頭，Krones公司178頭，灌裝機直徑大至5米，灌裝精度±0.5ml以下。
非碳酸飲，灌裝速度最高達1500罐／分，灌裝機料槽轉速20～25轉／分，速度提高1倍?？梢赃M行茶飲料、咖啡飲料、豆乳和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝，國外熱灌裝飲料封口后不再進行二次殺菌。
液體灌裝機是伴隨飲料工業(yè)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并追隨飲料工業(yè)的發(fā)展而進步的。1890年，美國研制出玻璃灌裝機械，1902年市場上出現(xiàn)灌裝番茄醬的壓力灌裝機械，1912年發(fā)明了封口機械，不久灌裝機械和封口機械合為一體。在20世紀末，德國制造出手動灌裝機。
含氣體飲料的灌裝工藝難度較大，灌裝設備的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段。第一階段是1952年---1957年之間，完成了含氣體飲料的灌裝機械由差壓灌裝向等壓灌裝發(fā)展，采用的是機械閥。第二階段是1957年---1759年，這期間先是德國H￡K公司，之后是法國和前蘇聯(lián)，發(fā)明研制了等壓彈簧閥，彈簧在等壓狀態(tài)下，借助彈簧力將沖液閥打開，破瓶后沖液閥可以自動關閉，這樣不僅使灌裝機械的結構簡單了，而且延長了灌裝閥的有效工作時間，為灌裝機械的高速化創(chuàng)造了條件。等壓彈簧閥的出現(xiàn)是灌裝發(fā)展史上的一個重要階段，至今等壓灌裝機還廣泛使用，只是功能更完善，結構更合理。第三階段是一德國SEN公司發(fā)明的電動閥為標志，電動閥中氣閥和水閥的開啟和關閉由可控編程器控制，對灌裝時間，灌裝速度進行嚴格的控制和可靠的界定。
國內(nèi)灌裝生產(chǎn)線全方位發(fā)展我國飲料灌裝設備基本是在引進設備和技術的基礎上發(fā)展起來的，八十年代，引進各種飲料灌裝生產(chǎn)線300多條，包括啤酒灌裝線達500多條。引進灌裝生產(chǎn)線主要分為以下幾類：
八十年代引進116條玻璃瓶飲料灌裝線，主要用于碳酸飲料，其中80多條是以記賬貿(mào)易方式從東歐國家引進的。生產(chǎn)線主要設備有卸箱機、洗瓶機、灌裝機、壓蓋機、玻璃瓶飲料灌裝線貼標機、噴碼機、氣水混合機、裝箱機等。在線檢測設備有真空檢測儀、液面檢測儀、灌裝能力150、200、300～400瓶／分。設備主要生產(chǎn)廠家有德國SEN、H＆K、O＋H、日本三菱重工、意大利希莫拉茲(Simonazzi)、美國邁耶等。
1984年廣東輕機廠引進德國SEN公司和H＆K公司啤酒灌裝線制造技術，制造每小時2萬瓶的瓶裝啤酒灌裝線，南京輕機廠和合肥輕機廠引進日本三菱重工技術，制造每小時1.8萬瓶的汽水灌裝線。其他還有重慶輕機廠的32／8設備，每小時14000瓶，廊坊包裝設備制造總公司24／6設備、每小時6000～8000瓶的灌裝線。 “八五”期間，我國引進易拉罐飲料灌裝線15條，同時引進易拉罐啤酒灌裝線14條。主要是德國SEN、美國邁耶公司的設備，包括卸罐機、洗罐機、灌裝機、封罐機、溫罐機、碼垛機及混合機、噴碼機、薄膜收縮機、液位檢測儀等。灌裝能力為150、300、400、500罐／分，最高575罐／分。目前廣東輕機、南京輕機、合肥輕機等都有自己的易拉罐灌裝線。引進的聚酯瓶飲料灌裝線6～7條，包括卸箱機、洗瓶機、灌裝機、旋蓋機、溫瓶機、裝箱機等。聚酯瓶灌裝生產(chǎn)線灌裝能力為400～500瓶／分(250ml)，50～ 280瓶／分(250ml)。主要設備廠家有美國邁耶和德國SEN公司。合肥輕機利用德國 Krones公司技術，制造聚酯瓶飲料灌裝線，目前合肥輕機、南京輕機均能制造玻璃瓶和聚酯瓶兩用的飲料灌裝線。
3.全自動液體灌裝機概述
全自動液體灌裝機的使用和需求日益增長，已經(jīng)逐步代替手工灌裝或半自動灌裝，并將發(fā)展成為液體灌裝行業(yè)所必備的設備。目前，市場上對全自液體灌裝機沒有明確的定義和劃分，大多只對能進行自動計量或某部分機構能實現(xiàn)自動控制。
在全自動灌裝、包裝生產(chǎn)線中，液體灌裝機是包裝機械的重要組成部分之一，其主要用在食品、化工等輕工行業(yè)中。在食品行業(yè)中的用途則尤為重要，例如：酒水、飲料、乳品、油脂以及調(diào)味品等與日常生活息息相關產(chǎn)品的包裝。另外是在化工行業(yè)中包括洗滌類、日化、礦物油和農(nóng)藥等化工類液體產(chǎn)品的灌裝。然而，由于我國灌裝行業(yè)起步較晚，灌裝、包裝的自動化水平較底，市場自動化灌裝設置要求很高?；诖耍疚淖髡哌x擇采用可編程控制器結合上位機軟件進行控制的全自動液體灌裝機作為討論的主題進行研究和設計。
3.1國內(nèi)外液體灌裝機的發(fā)展歷史
液體灌裝機是伴隨飲料工業(yè)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并追隨飲料工業(yè)的發(fā)展而進步的。1890年，美國研制出玻璃灌裝機械，1902年市場上出現(xiàn)灌裝番茄醬的壓力灌裝機械，1912年發(fā)明了封口機械，不久灌裝機械和封口機械合為一體。在20世紀末，德國制造出手動灌裝機。
含氣體飲料的灌裝工藝難度較大，灌裝設備的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段。第一階段是1952年---1957年之間，完成了含氣體飲料的灌裝機械由差壓灌裝向等壓灌裝發(fā)展，采用的是機械閥。第二階段是1957年---1759年，這期間先是德國H￡K公司，之后是法國和前蘇聯(lián)，發(fā)明研制了等壓彈簧閥，彈簧在等壓狀態(tài)下，借助彈簧力將沖液閥打開，破瓶后沖液閥可以自動關閉，這樣不僅使灌裝機械的結構簡單了，而且延長了灌裝閥的有效工作時間，為灌裝機械的高速化創(chuàng)造了條件。等壓彈簧閥的出現(xiàn)是灌裝發(fā)展史上的一個重要階段，至今等壓灌裝機還廣泛使用，只是功能更完善，結構更合理。第三階段是一德國SEN公司發(fā)明的電動閥為標志，電動閥中氣閥和水閥的開啟和關閉由可控編程器控制，對灌裝時間，灌裝速度進行嚴格的控制和可靠的界定。
3.2國內(nèi)外液體灌裝機械的發(fā)展趨勢
一 灌裝機械制造水平的發(fā)展體現(xiàn)在灌裝閥核心的發(fā)展上：從機械閥到等壓閥，再到電子閥。這些都體現(xiàn)了技術的進步和發(fā)展。
二 灌裝機械向大型化發(fā)展。為適合食品飲料工業(yè)的大生產(chǎn)，以獲取規(guī)模經(jīng)濟利潤，灌裝機械向高速化，高生產(chǎn)能力化發(fā)展。
三 灌裝機械結構趨向于簡單合理。灌裝機械產(chǎn)品結構越來越簡單，零部件在減少，設備可靠性在提高，成本降低，操作簡單，維修方便。
四 灌裝機械在向多功能發(fā)展。能夠使用用戶改變包裝容器，改變灌裝液體的需要。更換部件也能適應封口形式的變化，產(chǎn)品的適應性提高，市場競爭力加強。
五 灌裝機械的光機電的一體化。先進的控制系統(tǒng)用于灌裝機械中，人機界面，故障自我診斷，實現(xiàn)了設備運行的智能化。
六 灌裝機械技術的精確，高效，自動化。精確的灌裝量，灌裝過程的高速，可靠，盡量少的液損，整條生產(chǎn)線的最優(yōu)化控制，都由于電子技術的實際應用而成為可能。電子灌裝閥灌裝技術的迅速發(fā)展是大的趨勢。目前國外使用的電子灌裝閥有三種形式：探針式電子閥，配置電磁流量計的電子閥，配置定量筒的電子閥。我國的一些灌裝設備廠也在研制設計一些符合我國國情的電子灌裝閥，但是電子灌裝閥在我國的推廣使用受到了國產(chǎn)灌裝器容器幾何形狀精度不高和電子元件水平的制約。
4.方案設計的基本內(nèi)容
4.1確定功能與應用范圍
早期的灌裝機械功能單一的居多數(shù)，這樣可以簡化設計，并且比較容易成功。若將多臺機械和多道工序合成由一臺包裝來完成，可以取得明顯的經(jīng)濟效益。
確定灌裝機的功能與應用范圍，需要注意兩個問題：
（1）可靠性。在一般情況下，功能增加灌裝操作環(huán)節(jié)變多，故障發(fā)生的可能性也相應增大。因此，只有在單功能灌裝的操作都相當穩(wěn)定可靠的情況下，才能考慮將它們組成多功能的多功能灌裝機。
（2）適應性。任何灌裝機的應用范圍都是有限的，機器的功能越多，結構就越復雜。因此，常將多功能灌裝機設計成組合的形式，也可以根據(jù)用戶的不同需要靈活增加或改裝一些組合部件。
4.2工藝分析
工藝分析是研究，分析和確定所設計的包裝機械完成預計包裝工序的工藝方法。需要考慮的幾個問題：
4.2.1包裝方法
（1）把保證灌裝質量放在首要位置。不論選用何種灌裝方法，都要保證灌裝質量。
（2）當有多種方法可以選擇時，應選用容易實現(xiàn)的方案。
4.2.2機器類型
（1）根據(jù)灌裝執(zhí)行機構的多少選擇機械類型。
（2）根據(jù)生產(chǎn)率的高低選擇機械類型。
4.2.3包裝程序，包裝工藝和工位數(shù)
（1）包裝程序是指：完成包裝操作的先后順序。包裝方式往往決定了包裝程序。
（2）包裝工藝路線：包括包裝材料和包裝物品的供送路線，以及他們在包裝過程中的傳送路線，包裝成品的輸出線。
4.2.4運動要求和機構選型
根據(jù)已定的功能，應用條件和范圍，工藝方法，分析和確定對執(zhí)行機構的運動要求，進而完成機構的選型及其綜合。
參考文獻
[1]唐大放，馮曉寧，機械設計工程學，第一版，徐州，中國礦業(yè)大學出版社， 2001
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[3]邱宣懷，機械設計，第四版，北京，高等教育出版 1997
[4]機械工程手冊機電工程手冊編輯委員會，工程手冊，第二版，北京，機械工業(yè)出版社，1996.4
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[8]高德，包裝機械設計[M]，北學工業(yè)出版社，2005
[9]彭青，2006年的薩克米的飲料熱灌裝[J]機，中國包裝工業(yè)2007．
[10]謝小鵬，王大成，灌裝機控制系統(tǒng)改進設計[J]，石油化工設備，2000
[11]張磅，王長偉，劉長建等．低真空灌裝機實用技術講座(一)[J]，釀酒，1999 [9]張暗，王長偉，劉長建等．低真空灌裝機實用技術講座(二)們，釀酒，1999
[12]Hildebrand K J. Integration of optical and mechanical design based on professional CAD software. Lens Design, Illumination, and Optomechanical Modeling[J]. SPIE , 1997,3130:121-127.
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全自動液體罐裝機設計
摘要：灌裝機是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關鍵設備之一。目前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。
本文針對傳統(tǒng)罐裝機性能比較單一、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，結合全自動液體灌裝的工藝流程，分析了全自動液體灌裝機的工作過程及其主要部件的功能，重點介紹了全自動液體灌裝機設計過程。
全自動液體灌裝機實現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化、精確化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求。對灌裝工作過程進行實時監(jiān)控及動態(tài)管理，提高了液體灌裝的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率。
關鍵詞：全自動，液體，灌裝機，控制系統(tǒng)
Automatic liquid filling machine design
Abstract: The filling machine is one of the key devices drinks, beverages and other food processing industries. Now toward filling the high-speed, precise; and intelligent, multi-direction.
In this paper, the traditional canning machine performance is relatively simple, low degree of automation, general poor, filling speed adjustment inconvenient and difficult to apply the bottle-shaped, liquid filling materials and changes in specifications and other issues, combined with automatic liquid filling process analyzes the features automatic liquid filling machine working process and its main components, focusing on the automatic liquid filling machine design process.
Automatic liquid filling machine filling production to achieve a high-speed, accurate, intelligent, multi-functional and user-friendly interface requirements. Work on the filling process real-time monitoring and dynamic management, improve the automation level of liquid filling, improve production efficiency.
Keywords: Automatic, Liquid filling machine, Control system
目 錄
第1章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3液體灌裝機介紹 2
1.3.1基本灌裝方法 2
1.3.2灌裝機結構組成 5
第2章 總體方案設計 9
2.1灌裝流程設計 9
2.2 各部分方案設計 9
2.2.1容器輸入與傳送 9
2.2.2容器定位 10
2.2.3容器夾緊 11
2.2.4灌裝 12
2.2.5封口壓蓋 12
2.2.6產(chǎn)品輸出與傳送 12
2.3總體方案確定 13
第3章 各部分設計 15
3.1電動機的選擇 15
3.2主傳動機構設計 15
3.3傳動齒輪，帶輪，鏈輪的設計 15
3.3.1總體參數(shù)匹配 15
3.3.2 V帶傳動設計 17
3.3.3齒輪傳動設計與校核 18
3.4軸系部件的設計 21
3.4.1軸的設計 21
3.4.2軸承的選用與校核 24
3.4.3鍵的校核計算 24
3.5旋轉工作臺設計 25
3.5.1間隙運動機構的設計 25
3.5.2傳送輪的設計 25
3.6 升降機構設計 27
3.6.1工況分析 27
3.6.2液壓缸設計 27
3.6.3液壓系統(tǒng)回路方案設計 29
3.6.4選擇液壓元件 30
第4章 控制系統(tǒng)的設計 32
總 結 34
參考文獻 35
致 謝 36
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
目前中國飲用水、碳酸飲料、茶飲料的前處理設備國內(nèi)產(chǎn)品基本上可以滿足需要，中、低速理瓶、裝箱設備也有相匹 配的產(chǎn)品可供選擇，在熱液體灌裝機方面，各設備廠都能解決設備在熱灌裝環(huán)境下的控制、密封等工藝要求。江蘇美星、廣東達意隆公司也解決了無菌冷灌裝的問題。不過無論是碳 酸飲料、瓶裝水、果汁還是茶飲料，也無論是PET瓶、金屬罐還是利樂包，中國著名飲料企業(yè)的包裝生產(chǎn)線基本上是引進設備的天下。
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。食品包裝機械是對食品進行完成全部或部分包裝過程的機器。包裝過程包括充填、裹包、封口等主要包裝工序，以及與其相關的前后工序、計量等輔助設備。食品包裝機械是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。發(fā)展食品包裝機械化，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)質量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。
灌裝機械是食品包裝機械中的一種，通常將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱為灌裝機械。在自動灌裝機中，按照灌裝的工藝要求、速度、間距和狀態(tài)，準確地將待灌瓶送入主轉盤升降托瓶臺上，是保證灌裝機正常而有序地工作的關鍵。常用的供送裝置有鏈帶式、動梁推進式、螺桿和星型撥輪等。供瓶機構是液體灌裝機的
必要組成部分，它在液體灌裝機中起到承上啟下的作用，完善的結構設計可以保證灌裝動作的順利完成，實現(xiàn)其自動化操作。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外灌裝與封口設備向高速、多用、高精度方向發(fā)展，目前部分灌裝生產(chǎn)線已可以在玻璃瓶與塑料容器(聚酯瓶)、碳酸飲料與非碳酸飲料、熱灌裝與冷灌裝等不同要求和環(huán)境下使用。目前碳酸飲料灌裝機灌裝速度最高已達2000罐／分，德國H＆K公司灌裝機的灌裝閥多達165頭，SEN公司144頭，Krones公司178頭，灌裝機直徑大至5米，灌裝精度±0.5ml以下。
非碳酸飲，灌裝速度最高達1500罐／分，灌裝機料槽轉速20～25轉／分，速度提高1倍?？梢赃M行茶飲料、咖啡飲料、豆乳和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝，國外熱灌裝飲料封口后不再進行二次殺菌。
液體灌裝機是伴隨飲料工業(yè)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并追隨飲料工業(yè)的發(fā)展而進步的。1890年，美國研制出玻璃灌裝機械，1902年市場上出現(xiàn)灌裝番茄醬的壓力灌裝機械，1912年發(fā)明了封口機械，不久灌裝機械和封口機械合為一體。在20世紀末，德國制造出手動灌裝機。
含氣體飲料的灌裝工藝難度較大，灌裝設備的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段。第一階段是1952年---1957年之間，完成了含氣體飲料的灌裝機械由差壓灌裝向等壓灌裝發(fā)展，采用的是機械閥。第二階段是1957年---1759年，這期間先是德國H￡K公司，之后是法國和前蘇聯(lián)，發(fā)明研制了等壓彈簧閥，彈簧在等壓狀態(tài)下，借助彈簧力將沖液閥打開，破瓶后沖液閥可以自動關閉，這樣不僅使灌裝
湖州師范學院本科畢業(yè)論文
畢 業(yè) 設 計（說明書）
2014 屆
題 目 全自動液體灌裝機設計
專 業(yè)
學生姓名
學 號
指導教師
論文字數(shù)
完成日期
湖 州 師 范 學 院 教 務 處 印 制
36
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文，是在指導老師的指導下獨立進行研究所取得的成果。畢業(yè)論文中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究成果做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。
本聲明的法律責任由本人承擔。
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本人在指導老師指導下所完成的論文及相關的資料（包括圖紙、試驗記錄、原始數(shù)據(jù)、實物照片、圖片、錄音帶、設計手稿等），知識產(chǎn)權歸屬湖州師范學院。本人完全了解湖州師范學院有關保存、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學校保存或向國家有關部門或機構送交論文的紙質版和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權湖州師范學院可以將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用任何復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文。如果發(fā)表相關成果，一定征得指導教師同意，且第一署名單位為湖州師范學院。本人離校后使用畢業(yè)論文或與該論文直接相關的學術論文或成果時，第一署名單位仍然為湖州師范學院。
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指導老師簽名： 日 期：
全自動液體罐裝機設計
摘要：灌裝機是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關鍵設備之一。目前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。
本文針對傳統(tǒng)罐裝機性能比較單一、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，結合全自動液體灌裝的工藝流程，分析了全自動液體灌裝機的工作過程及其主要部件的功能，重點介紹了全自動液體灌裝機設計過程。
全自動液體灌裝機實現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化、精確化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求。對灌裝工作過程進行實時監(jiān)控及動態(tài)管理，提高了液體灌裝的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率。
關鍵詞：全自動，液體，灌裝機，控制系統(tǒng)
Automatic liquid filling machine design
Abstract: The filling machine is one of the key devices drinks, beverages and other food processing industries. Now toward filling the high-speed, precise; and intelligent, multi-direction.
In this paper, the traditional canning machine performance is relatively simple, low degree of automation, general poor, filling speed adjustment inconvenient and difficult to apply the bottle-shaped, liquid filling materials and changes in specifications and other issues, combined with automatic liquid filling process analyzes the features automatic liquid filling machine working process and its main components, focusing on the automatic liquid filling machine design process.
Automatic liquid filling machine filling production to achieve a high-speed, accurate, intelligent, multi-functional and user-friendly interface requirements. Work on the filling process real-time monitoring and dynamic management, improve the automation level of liquid filling, improve production efficiency.
Keywords: Automatic, Liquid filling machine, Control system
目 錄
第1章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3液體灌裝機介紹 2
1.3.1基本灌裝方法 2
1.3.2灌裝機結構組成 5
第2章 總體方案設計 9
2.1灌裝流程設計 9
2.2 各部分方案設計 9
2.2.1容器輸入與傳送 9
2.2.2容器定位 10
2.2.3容器夾緊 11
2.2.4灌裝 12
2.2.5封口壓蓋 12
2.2.6產(chǎn)品輸出與傳送 12
2.3總體方案確定 13
第3章 各部分設計 15
3.1電動機的選擇 15
3.2主傳動機構設計 15
3.3傳動齒輪，帶輪，鏈輪的設計 15
3.3.1總體參數(shù)匹配 15
3.3.2 V帶傳動設計 17
3.3.3齒輪傳動設計與校核 18
3.4軸系部件的設計 21
3.4.1軸的設計 21
3.4.2軸承的選用與校核 24
3.4.3鍵的校核計算 24
3.5旋轉工作臺設計 25
3.5.1間隙運動機構的設計 25
3.5.2傳送輪的設計 25
3.6 升降機構設計 27
3.6.1工況分析 27
3.6.2液壓缸設計 27
3.6.3液壓系統(tǒng)回路方案設計 29
3.6.4選擇液壓元件 30
第4章 控制系統(tǒng)的設計 32
總 結 34
參考文獻 35
致 謝 36
湖州師范學院本科畢業(yè)論文
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
目前中國飲用水、碳酸飲料、茶飲料的前處理設備國內(nèi)產(chǎn)品基本上可以滿足需要，中、低速理瓶、裝箱設備也有相匹 配的產(chǎn)品可供選擇，在熱液體灌裝機方面，各設備廠都能解決設備在熱灌裝環(huán)境下的控制、密封等工藝要求。江蘇美星、廣東達意隆公司也解決了無菌冷灌裝的問題。不過無論是碳 酸飲料、瓶裝水、果汁還是茶飲料，也無論是PET瓶、金屬罐還是利樂包，中國著名飲料企業(yè)的包裝生產(chǎn)線基本上是引進設備的天下。
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。食品包裝機械是對食品進行完成全部或部分包裝過程的機器。包裝過程包括充填、裹包、封口等主要包裝工序，以及與其相關的前后工序、計量等輔助設備。食品包裝機械是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。發(fā)展食品包裝機械化，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)質量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。
灌裝機械是食品包裝機械中的一種，通常將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱為灌裝機械。在自動灌裝機中，按照灌裝的工藝要求、速度、間距和狀態(tài)，準確地將待灌瓶送入主轉盤升降托瓶臺上，是保證灌裝機正常而有序地工作的關鍵。常用的供送裝置有鏈帶式、動梁推進式、螺桿和星型撥輪等。供瓶機構是液體灌裝機的
必要組成部分，它在液體灌裝機中起到承上啟下的作用，完善的結構設計可以保證灌裝動作的順利完成，實現(xiàn)其自動化操作。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外灌裝與封口設備向高速、多用、高精度方向發(fā)展，目前部分灌裝生產(chǎn)線已可以在玻璃瓶與塑料容器(聚酯瓶)、碳酸飲料與非碳酸飲料、熱灌裝與冷灌裝等不同要求和環(huán)境下使用。目前碳酸飲料灌裝機灌裝速度最高已達2000罐／分，德國H＆K公司灌裝機的灌裝閥多達165頭，SEN公司144頭，Krones公司178頭，灌裝機直徑大至5米，灌裝精度±0.5ml以下。
非碳酸飲，灌裝速度最高達1500罐／分，灌裝機料槽轉速20～25轉／分，速度提高1倍?？梢赃M行茶飲料、咖啡飲料、豆乳和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝，國外熱灌裝飲料封口后不再進行二次殺菌。
液體灌裝機是伴隨飲料工業(yè)的產(chǎn)生而產(chǎn)生，并追隨飲料工業(yè)的發(fā)展而進步的。1890年，美國研制出玻璃灌裝機械，1902年市場上出現(xiàn)灌裝番茄醬的壓力灌裝機械，1912年發(fā)明了封口機械，不久灌裝機械和封口機械合為一體。在20世紀末，德國制造出手動灌裝機。
含氣體飲料的灌裝工藝難度較大，灌裝設備的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段。第一階段是1952年---1957年之間，完成了含氣體飲料的灌裝機械由差壓灌裝向等壓灌裝發(fā)展，采用的是機械閥。第二階段是1957年---1759年，這期間先是德國H￡K公司，之后是法國和前蘇聯(lián)，發(fā)明研制了等壓彈簧閥，彈簧在等壓狀態(tài)下，借助彈簧力將沖液閥打開，破瓶后沖液閥可以自動關閉，這樣不僅使灌裝機械的結構簡單了，而且延長了灌裝閥的有效工作時間，為灌裝機械的高速化創(chuàng)造了條件。等壓彈簧閥的出現(xiàn)是灌裝發(fā)展史上的一個重要階段，至今等壓灌裝機還廣泛使用，只是功能更完善，結構更合理。第三階段是一德國SEN公司發(fā)明的電動閥為標志，電動閥中氣閥和水閥的開啟和關閉由可控編程器控制，對灌裝時間，灌裝速度進行嚴格的控制和可靠的界定。
國內(nèi)灌裝生產(chǎn)線全方位發(fā)展我國飲料灌裝設備基本是在引進設備和技術的基礎上發(fā)展起來的，八十年代，引進各種飲料灌裝生產(chǎn)線300多條，包括啤酒灌裝線達500多條。引進灌裝生產(chǎn)線主要分為以下幾類：
八十年代引進116條玻璃瓶飲料灌裝線，主要用于碳酸飲料，其中80多條是以記賬貿(mào)易方式從東歐國家引進的。生產(chǎn)線主要設備有卸箱機、洗瓶機、灌裝機、壓蓋機、玻璃瓶飲料灌裝線貼標機、噴碼機、氣水混合機、裝箱機等。在線檢測設備有真空檢測儀、液面檢測儀、灌裝能力150、200、300～400瓶／分。設備主要生產(chǎn)廠家有德國SEN、H＆K、O＋H、日本三菱重工、意大利希莫拉茲(Simonazzi)、美國邁耶等。
1984年廣東輕機廠引進德國SEN公司和H＆K公司啤酒灌裝線制造技術，制造每小時2萬瓶的瓶裝啤酒灌裝線，南京輕機廠和合肥輕機廠引進日本三菱重工技術，制造每小時1.8萬瓶的汽水灌裝線。其他還有重慶輕機廠的32／8設備，每小時14000瓶，廊坊包裝設備制造總公司24／6設備、每小時6000～8000瓶的灌裝線。 “八五”期間，我國引進易拉罐飲料灌裝線15條，同時引進易拉罐啤酒灌裝線14條。主要是德國SEN、美國邁耶公司的設備，包括卸罐機、洗罐機、灌裝機、封罐機、溫罐機、碼垛機及混合機、噴碼機、薄膜收縮機、液位檢測儀等。灌裝能力為150、300、400、500罐／分，最高575罐／分。目前廣東輕機、南京輕機、合肥輕機等都有自己的易拉罐灌裝線。引進的聚酯瓶飲料灌裝線6～7條，包括卸箱機、洗瓶機、灌裝機、旋蓋機、溫瓶機、裝箱機等。聚酯瓶灌裝生產(chǎn)線灌裝能力為400～500瓶／分(250ml)，50～ 280瓶／分(250ml)。主要設備廠家有美國邁耶和德國SEN公司。合肥輕機利用德國 Krones公司技術，制造聚酯瓶飲料灌裝線，目前合肥輕機、南京輕機均能制造玻璃瓶和聚酯瓶兩用的飲料灌裝線。
1.3液體灌裝機介紹
1.3.1基本灌裝方法
（1）常壓灌裝
在常壓下，直接依靠灌裝液料的自重流進包裝容器內(nèi)。主要用灌裝低粘度的不含氣液料。如牛奶、白酒、醬油、醋。使用的設備構造簡單、操作方便、易于保養(yǎng)，至今仍被廣泛使用。
灌裝過程：液體從貯液槽1流經(jīng)灌裝閥4進入容器。灌裝時升降機構將容器向上托起（或將灌裝管向下降），容器口部和灌裝閥下部的密封蓋5接觸并將容器密封，然后 使容器再上升頂開而開啟灌裝閥，液體靠重力自由流入容器中，即停止流動，液位達到規(guī)定高度完成灌裝后，升降機構將容器下降，灌裝閥失去壓力并由彈簧自動關閉。容器內(nèi)的空氣經(jīng)設在灌裝管端部的空氣出口2通到貯液槽液面上部的排氣管3排出。
圖1.1常壓灌裝
（2）真空灌裝
在低于大氣壓的條件下進行灌裝，適用于灌裝粘度稍大的液料，如油類、糖漿等。又適于灌裝含維生素的飲料，如蔬菜汁、果汁等；
1）重力真空灌裝
在低于大氣壓的條件下進行灌裝，適用于灌裝粘度稍大的液料，如油類、糖漿等。又適于灌裝含維生素的飲料，如蔬菜汁、果汁等。
灌裝過程：位于頂部的貯液槽是封閉，供液管1從槽頂介入并浸沒在液體下部，由浮子2控制液面，其上部空間保持低真空，當容器輸送到灌裝閥4下方時，升降機構將它托起，與密封蓋5吻合，將容器密封，繼續(xù)上升將閥開啟。由于容器經(jīng)閥中的排氣管3與貯液槽上部簿冊形成低真空，因而液體經(jīng)閥中的套管靠重力灌入容器內(nèi)。與重力灌裝一樣，當排氣口被上升的液體封閉時，容器中的液面就不再上升。灌裝完畢，容器下降，灌裝閥由彈簧自動關閉。
圖1.2重力真空灌裝
2）真空壓差灌裝
適用于易氧化變質的液體食品，如富含維生素等營養(yǎng)成分的果蔬汁產(chǎn)品的灌裝。即貯液箱內(nèi)處于常壓，只對包裝容器抽真空，料液依靠貯液箱與待灌裝容器間壓差作用產(chǎn)生作用產(chǎn)生流動而完成灌裝。供液管1由供液閥2控制，液位由浮子3保持。另設有真空泵7和真空室6以建立真空。溢流至真空室的液體由供液泵5送回貯液槽。
應用此法灌裝時，瓶子上升或灌裝閥下降，將瓶口密封，并在瓶內(nèi)建立高真空（860-930Pa），然后開啟灌裝閥10。閥中套管內(nèi)有真空管與真空室相連。當封住瓶口并開啟后，真空口也同時開啟，瓶內(nèi)變?yōu)檎婵?。液體靠壓力差從貯液槽流入瓶內(nèi)。當液體上升到灌裝閥中真空管口中時即停止流動，液位保持不變，如果瓶子不離開瓶口，液體會繼續(xù)緩慢地流出，因為抽真空時會將液體從瓶內(nèi)吸出，形成溢流和回流。
圖1.3真空壓差灌裝
（3）等壓灌裝
在高于大氣壓的條件下，首先對包裝容器充氣，使之形成與貯液箱箱等的氣壓，然后依靠被灌裝液料的自重流進包裝容器內(nèi)。
常用于灌裝含氣飲料、啤酒等的灌裝。
等壓灌裝過程：回轉臺上方的貯液槽是密封的，其液面由浮子1控制，液面以上空間充有壓縮空氣或CO2,以保持一定壓力（灌裝啤酒時要求用CO2, ，以避免啤酒與氧氣接觸）。液體經(jīng)下部的供液口2進入。灌裝閥4裝在貯液槽內(nèi)，其中部設有的排氣管頂端伸出液面，下端為排氣口7和泄壓口5.
當容器上升至灌裝閥口時，先由密封蓋3將容器封閉，然后壓縮彈簧，頂開灌裝閥，開始灌裝；同時，機械彈簧打開排氣管頂部的充氣閥6，使容器的壓力與貯液槽上部的壓力相等，通常稱為“建立背壓”。當液體上升到排氣管口時，液位不再變化。
采用等壓灌裝時，在灌裝過程中可以改變排氣速度，借以改變灌裝速度。當液體灌裝到規(guī)定液位時，容器頂部的空氣具有一定的壓力，為排除這種壓力，在閥門中裝一個機械泄壓口，使容器頂部與大氣壓力相同，保證當容器下降失去密封時，液體不至噴出。
圖1.4等壓灌裝法
（4）機械壓力灌裝
利用機械壓力如液泵、活塞泵或氣壓將灌裝液料擠入包裝容器內(nèi)。
主要用于灌裝粘性較大的稠性液料，如果醬、奶油等
機械壓力灌裝過程：貯液槽經(jīng)供液閥2與供液槽1連接，液面由浮子4控制。灌裝閥5與貯液槽8分開放置，供液泵7將液體送入灌裝閥，容器與閥連接處靠密封蓋6密封后，灌裝閥開啟進行灌裝，同時容器內(nèi)的空氣由溢流管3排至貯液槽，當容器內(nèi)液面達到溢流管口處時，液體開始 經(jīng)溢流管流回貯液槽，液面不再變動。
溢流管口與容器頂部的相對位置決定了灌裝液面的高度，只要保持灌裝閥與容器的密封，液體就會連續(xù)不斷地通過溢流管流出，當容器不再密封時會關閉灌裝閥和溢流口。
圖1.5機械壓力灌裝
1.3.2灌裝機結構組成
目前灌裝機大多采用旋轉型結構,即包裝容器隨灌裝閥一起做等速回轉運動，同時進行灌裝。主要由包裝容器的供送裝置、瓶托升降機構、灌裝液料的供送裝置（即供料裝置）、液位控制裝置、灌裝閥等組成。
（1）包裝容器的供送裝置
在自動灌裝機中，按照灌裝的工藝要求，準確地將待灌容器送入主轉盤升降機構托瓶臺上,是保證灌裝機正常而有秩序地工作的關鍵。一般供送機構的關鍵問題是容器的連續(xù)輸送和容器的定時供給。常用的供送裝置有螺桿、輸送鏈帶和星形撥輪等。圖3-2所示為典型容器供送機構示意圖。
（2）瓶托升降機構
升降機構的作用是將送來的包裝容器上升到規(guī)定的高度，以便完成灌裝,然后再把灌裝完的包裝容器下降到規(guī)定位置。目前常用的升降機構有機械式、氣動式、機械與氣動組合式3種結構形式。
（3）灌裝液料的供送裝置
灌裝液料的供送裝置也即供料裝置，是將液料由儲液箱經(jīng)泵、輸液管道送到儲液箱中的裝置。它包括儲液箱、泵、管道、閥門、儲液箱及高度調(diào)節(jié)裝置、液位控制器等。不同灌裝方法的灌裝機供液裝置的結構是不相同的，詳見各灌裝方法的灌裝機供液裝置。
（4）液位控制裝置
液體包裝機要求有穩(wěn)定的液位,一般都是通過液面浮球閥或液面電極來控制液位。常見的液位控制裝置有浮球液位控制器、電接觸液位控制器、電導式液位控制器以及PLC 控制液位的方法。
（5）灌裝閥
將儲液箱中的料液充填到包裝容器內(nèi)的機構稱為灌裝閥,主要由閥體、閥端、閥門、密封元件、開啟元件等組成。
第2章 總體方案設計
2.1灌裝流程設計
如圖2-1所示，在按照工作要求下，旋轉型灌裝機在同一個原動機的帶動下，輸入傳送帶將待灌裝和封口壓蓋的容器輸入工位1，同時旋轉工作臺作間隙旋轉運動，將空容器和已灌的容器分別送至工位2和工位3，在定位夾緊之后，固定于工作臺上方的灌裝設備和封口壓蓋設備分別對空容器進行灌裝和已灌裝容器進行封口壓蓋。灌裝，封口壓蓋工序完成后，容器隨著旋轉工作臺的間隙旋轉運動至4位置，由于輸出傳送帶的作用，在4位置的容器將隨著輸出傳送帶被帶至下一個工序的位置上。
圖2-1
基于上述設計任務書的要求以及旋轉型灌裝機的工作原理，為了實現(xiàn)旋轉型灌裝機的總功能要求，我們將旋轉型灌裝機要實現(xiàn)的功能分解為如下分功能：
（1）容器輸入與傳送功能；
（2）容器定位功能；
（3）容器夾緊功能；
（4）灌裝功能；
（5）封口壓蓋功能；
（6）產(chǎn)品輸出與傳送功能。
2.2 各部分方案設計
2.2.1容器輸入與傳送
為了達到容器的輸入與傳送的目的，同時使設計過程簡單化，我們采用皮帶傳送的方式。如圖2-4所示，并且這種傳送方式在實際生產(chǎn)活動中被大量采用。
圖2-4
由于傳送皮帶上容器是連續(xù)排列的，而旋轉工作臺是間隙轉動，為了使容器能夠間隙有序地傳送到旋轉工作臺工位1，從而到達各機構運動的配合與協(xié)調(diào)，我們準備采用了如圖2-5，圖2-6所示的傳送輪機構：
圖2-5 圖2-6
圖2-5所示的不完全齒輪安裝在傳送導軌的一側，傳送輪一次往下一工位間隙有序地傳送4個容器。圖2-6所示機構安裝在傳送導軌的軸線上，傳送輪有三個互成120°轉角的槽位，傳送皮帶連續(xù)傳送，設傳送輪轉速W,則傳送輪每次傳送容器到工位1的時間間隔為t=2π/3W，這樣就實現(xiàn)了間隙有序地往旋轉工作臺傳送待灌裝和封口壓蓋的容器。比較兩種方案，我們發(fā)現(xiàn)圖2-5所示機構雖然可以達到間隙有序傳送容器的目的，但是對于設計任務要求的旋轉型灌裝機來說，其外形尺寸偏大，使機器整體外形龐大，占用廠房空間大。而圖2-6所示機構不僅可以很好地與旋轉工作臺配合，而且尺寸也不會過大，所以我們決定采用圖2-6所示的“不完全齒輪”式傳送輪。
同時為了使容器能夠更好的輸出到工位1，我們還設計了如下圖2-7所示的擋板：
擋板示意圖
2.2.2容器定位
可以實現(xiàn)容器定位的機構很多，在這里我們設計了下圖2-8所示的帶凹槽并且間隙轉動的旋轉工作臺。
圖2-8 凹槽定位
旋轉工作臺有六個半圓形凹槽，一方面隨著工作臺的間隙轉動，凹槽邊緣可以把傳送輪傳送到工位1的容器帶走，另一方面依靠間隙旋轉工作臺的間隙轉動凹槽可以起到很好的定位，即旋轉工作臺每次轉過60°，容器就被定位。
怎樣實現(xiàn)旋轉工作臺的間隙轉動呢？可以實現(xiàn)間隙轉動的機構有棘輪間隙運動機構，槽輪間隙機構，凸輪間隙機構，不完全齒輪間隙機構，偏心輪分度定位機構等，綜合考慮各因素，我們選用下圖所示的槽輪間隙機構。槽輪機構將旋轉運動轉換為單向間隙轉動。如圖右所示，槽輪機構由主動撥盤，從動槽輪和機架組成。主動撥盤以等角速度W1作連續(xù)回轉，當撥盤上的圓銷未進入槽輪的徑向槽時，由于槽輪的內(nèi)凹槽止弧被撥盤的外凸鎖止弧卡住，使槽輪在停歇時不能產(chǎn)生游動，并獲得定位。當圓銷進入槽輪徑向槽時，槽輪受圓銷的驅使而轉動。當圓銷離開徑向槽時，鎖止弧又被卡住，槽輪又靜止不動。直至圓銷再次進入槽輪的另一個徑向槽時，又重復上述運動。所以，槽輪作時動時停的間隙運動。
2.2.3容器夾緊
因為要對容器進行灌裝，封口壓蓋，所以在灌裝工位和封口壓蓋工位時要對容器進行夾緊固定，防止容器在灌裝時不準確，封口壓蓋時跳動，導致封口壓蓋錯位，產(chǎn)生廢品，而浪費材料和經(jīng)費。
采用圖示兩斜臺，斜臺在灌裝工位和封口壓蓋工位處與容器相切，容器剛好被運送至灌裝工位和封口壓蓋工位時就被夾緊，此時旋轉工作臺進入間隙停止期，利用這段間隙，灌裝設備和封口壓蓋設備剛好可以對容器進行灌裝和封口壓蓋。
圖2-12 斜臺夾緊示意圖
2.2.4灌裝
如圖2-13所示，采用液壓缸升降機構連接灌裝閥進行灌裝。
2.2.5封口壓蓋
如下圖2-13，同灌裝工位，采用液壓缸升降機構連接壓蓋器進行壓蓋作業(yè)。
圖2-13 灌裝、壓蓋升降機構
2.2.6產(chǎn)品輸出與傳送
在產(chǎn)品的輸出與傳送上，我們像容器的輸入一樣采用輸出擋板和輸出傳送帶。如圖2-16所示，容器到達圖示虛線位置時，輸出擋板將容器往輸出傳送帶方向推擋，同時容器是隨著旋轉工作臺一起旋轉的，在合成力的作用下，容器被帶至輸出傳送帶上，進而傳送到下個加工工位。
2.3總體方案確定
綜合考慮旋轉型灌裝機要實現(xiàn)的6個功能，我們設計了如下旋轉式自動液體灌裝機。灌裝機總體方案圖（機構運動簡圖）如下：
圖3-1 機構運動簡圖
1.電動機同軸帶輪 2.帶輪 3.4.5.6.齒輪 7.9.斜齒輪 8.8’.鏈輪10.11.12.13.齒輪 14.主動撥盤 15.從動槽輪 16.旋轉工作臺 17.傳送輪 18.鏈輪 18‘.帶輪
該旋轉型灌裝機的工作原理如下所述：
①電機1通過皮帶輪傳到2，2通過軸傳到3，3又傳到齒輪4，齒輪4通過軸傳到輪5轉動，齒輪5又帶動齒輪6，從而形成三級減速。
②錐齒輪7傳給錐齒輪9 ，與錐齒輪9同軸的齒輪10又帶動齒輪11，齒輪11又通過軸傳給傳動輪17，用來傳送容器。
③與錐齒輪7同軸的帶輪8以相同角速度轉動通過皮帶傳給鏈輪18，使軸轉動，從而使皮帶輪18‘轉動，帶動皮帶用來傳送容器。
④與錐齒輪9同軸的齒輪12傳給齒輪13，齒輪13通過軸傳到主動撥盤14，主動撥盤14帶動從動槽輪16，實現(xiàn)旋轉工作臺的間隙旋轉運動。
以下兩圖圖3-2，圖3-3分別是旋轉型灌裝機的左視圖，旋轉工作臺的俯視圖。
圖3-2 選裝型灌裝機左視圖
圖3-3 旋轉工作臺的俯視圖
第3章 各部分設計
3.1電動機的選擇
參照市場上已有灌裝機，本次采用的是轉速為1440r/min的電動機。
3.2主傳動機構設計
由對傳動裝置相互比較可知，由于傳動效率高等原因，故選擇齒輪傳動，第一級傳動選擇帶傳動，可對電動機起到過載保護的作用。
減速器分為三級減速，第一級為皮帶傳動，后兩級都為齒輪傳動。具體設計示意圖及參數(shù)如下：
1、2為皮帶輪：i12＝3
3、4、5、6為齒輪： z3=20 z4=100
z5=20 z6=80
i34=z4/z3=100/20=5
i56=z6/z5=80/20=4
所以Ⅰ軸轉速480r/min,Ⅱ軸轉速為96r/min,Ⅲ軸轉速為24r/min.
齒數(shù)
模數(shù)
分度圓直徑d
傳送比i
壓力角
帶輪1
60mm
3
帶輪2
180mm
齒輪3
20
1.5mm
30mm
5
20°
齒輪4
100
1.5mm
150mm
20°
齒輪5
20
2mm
40mm
4
20°
齒輪6
80
2mm
160mm
20°
3.3傳動齒輪，帶輪，鏈輪的設計
3.3.1總體參數(shù)匹配
如下圖所示從電動機到軸Ⅲ的減速以及齒輪帶輪的設計在前面已經(jīng)闡述過，在這里就不再重復。
（2）下圖所示為旋轉型灌裝機系統(tǒng)中的鏈傳動
設計數(shù)據(jù)如下：①鏈輪8和18的齒數(shù)Z8=24，Z18=72，模數(shù)m=2mm, d8=48mm，d18=144mm;
i8 18= Z18/ Z8=3,n8=24r/min, n18=8r/min;
②鏈輪8’和18’’的齒數(shù)Z8’=24，Z18’’=72，模數(shù)m=2mm, d8’=48mm，d18’=144mm;i8 18’= Z18’’/ Z8’=3,n8’=24r/min, n18’’=8r/min;
③鏈輪19和20的齒數(shù)Z19=60，Z20=40，模數(shù)m=2mm, d19=120mm，d20=80mm;i19 20= Z20/ Z19=2/3,n19=8r/min, n20=12r/min;
（3）系統(tǒng)中錐齒輪的設計
Ⅲ軸轉速為24r/min, Ⅳ軸轉速為12r/min,固i7 9=2：1，設計錐齒輪7，9的齒數(shù)為30，60，模數(shù)為2mm，則直徑為60mm,120mm。
（4）系統(tǒng)中灌裝和封口壓蓋處齒輪的設計
如圖所示齒輪21‘ 帶動齒輪22轉動，與齒輪22同軸的22’帶動齒輪23，從而實現(xiàn)齒輪23上曲柄的連續(xù)轉動。這四個齒輪的具體設計數(shù)據(jù)如下：
①齒輪21‘與齒輪22嚙合：齒數(shù)Z21=60，Z22=77，模數(shù)m=2mm, d21=120mm，d22=154mm;
②齒輪22’與齒輪23嚙合：齒數(shù)Z23=60，Z22=77，模數(shù)m=2mm, d23=120mm，d22=154mm;
（5）傳送輪同軸齒輪，主動撥盤同軸齒輪，錐齒輪同軸齒輪的設計
①齒輪10與齒輪11嚙合，n10=12r/min, n11=4r/min; i10 11= n10/ n11=3,齒數(shù)Z10=40，Z11=60，模數(shù)m=2mm, d10=80mm，d11=120mm;
②齒輪12與齒輪13嚙合，n12=12r/min, n13=12r/min; i12 13= n12/ n13=1,齒數(shù)Z12=77，Z13=77，模數(shù)m=2mm, d12=154mm，d13=154mm;
3.3.2 V帶傳動設計
設計普通V形帶傳動須確定的內(nèi)容是：帶的型號、長度、根數(shù)，帶輪的直徑、寬度和軸孔直徑中心距、初拉力及作用在軸上之力的大小和方向
（1）選擇帶的型號
查表6－4得, 則計算功率為
PC=KA·P=1.2×3.21= 3.852KW
根據(jù)、查表和圖6－8，選取A型帶。
（2）確定帶輪基準直徑、驗算帶速
查資料表6－5，6－6，選取
帶速帶速驗算：
V=n1·d1·π/（1000×60）=3.14×112×960/1000×60=5.63m/s
介于5~25m/s范圍內(nèi)，故合適
大帶輪基準直徑d2=n1/n2×d1=2.5×112=280mm
（3）確定帶長和中心距a
0.7·（d1+d2）≤a0≤2·（d1+d2）
0.7×（112+280）≤a0≤2×（112+280）
274.4mm≤a0≤784mm
初定中心距a0=500 ，則帶長為
L0=2·a0+π·（d1+d2）+（d2-d1）2/(4·a0)
=2×500+π·（112+280）/2+（280-112）2/(4×500)=1629.55 mm
查6－2表，按標準選帶的基準長度Ld=1600mm的實際
中心距a=a0+(Ld-L0)/2=500+(1600-1629.55)/2=485.23 mm
（4）驗算小帶輪上的包角α1
α1=180-(d2-d1)×57.3/a=160.16>120小輪包角合適
（5）確定帶的根數(shù)
由式確定V帶根數(shù)，
查6－3表得＝1.16kW，查6－7表得＝0.11kW
查6－2表得＝0.99，＝0.95
則 Z=PC/（(P0+△P0)·=3.852/（1.16+0.11）×0.99×0.95 = 3.22
故要取4根A型V帶
（6）計算軸上壓力
由課本表 查得q=0.1kg/m，單根V帶的初拉力：
F0=500PC/ZV（2.5/Kα-1）+qV2=[500×3.852/（4×5.63）×(2.5/0.95-1)+0.1×5.632}N=93.22N
則作用在軸承的壓力FQ，
FQ=2ZF0sinα1/2=2×4×93.22sin（160.160/2）=871.3N
3.3.3齒輪傳動設計與校核
（1）選擇齒輪材料
查表 大小齒輪均用45號鋼，調(diào)質
（2）按齒面接觸疲勞強度來計算
確定齒輪傳動精度等級
按
估取圓周速度為=
查表選取公差等級為8級
小輪分度圓直徑，由公式可得
齒寬系數(shù)查表，按齒輪相對軸承為非對稱布置，
可取=
小輪齒數(shù)，在推薦值17~20中選則，=17
大輪齒數(shù)==圓整，取
小輪轉矩
由前面的計算可知
載荷系數(shù)K
使用系數(shù)，查表得 =1
動載荷系數(shù) ，查表得初值 =
齒向載荷分布系數(shù) ，查表得 =
齒向載荷分配系數(shù) ，由下式及得
查表并插值
則載荷系數(shù)K的初值=1.34
彈性系數(shù) 查表得 =
節(jié)點影響系數(shù) ，查表（）得=
重合度系數(shù) ，查表得
許用接觸應力
接觸疲勞極限應力，，查表得，
應力循環(huán)次數(shù)
=
則查圖得接觸強度的壽命系數(shù)，（不允許有點蝕）：==1
硬化強度 =1
接觸強度安全系數(shù)，按一般可靠度
=，取=
故由上面的一系列參數(shù)可以得出：
齒輪模數(shù)
查表取
小齒輪分度圓直徑的參數(shù)值圓整
==25.5
圓周速度V
與估取值誤差不大，對取值影響不大，不必修正
小輪分度圓直徑
=26
大輪分度圓直徑
中心距a
齒寬b
大輪齒寬
小輪齒寬
（3）齒根彎曲疲勞強度校核計算
齒形系數(shù) 查圖8—67
小輪 =2.9
大輪 =2.8
應力修正系數(shù) 查圖8—68
小輪 =1.54
大輪 =1.73
重合度系數(shù)
許用彎曲應力[由式（8—71）得
彎曲疲勞極限 查圖8—72
=
=
彎曲壽命系數(shù) 查圖8—73，=1，=1
尺寸系數(shù) 查圖8—74，=1
安全系數(shù) 查圖8—27，=1.3
則
故
，滿足強度要求
3.4軸系部件的設計
3.4.1軸的設計
傳動件裝在軸上以實現(xiàn)回轉運動和傳遞功率，支撐傳動件是機器中不可缺少的通用零件。
（1）軸的材料
要求：由于軸的載荷通常是變載荷，或變應力，故材料應具備較好的強度和韌性。對軸的表面與支承有相對滑動的軸，還需要求材料有較好的耐磨性。
（2）初算軸徑
計算公式：
c——與材料的許用應力有關，可以參考表19--2
p——軸的傳動功率（kw）
n ——軸的轉速（r/min）
所以：
因為軸上有雙鍵，所以d增加7%，d=43.29*1.07=46.32mm取d=60mm
（3）結構設計
1）計算轉矩：T=9550*P/n =9550*7/140 =477.5N.m
查表得 K=1.5
Tc=477.5*1.5=716.25
2）為軸向夾緊，須取與配合的軸長度要小一些
3）定位軸肩直徑一般須增大不小于5mm.。
4）取軸徑d=60mm，軸段長L=82mm
5）查手冊確定鍵的尺寸參數(shù)
選用A型鍵14*9*75和A型鍵18*11*70
（4）軸的校核
繪制彎矩圖和扭矩圖
1）軸承支點按圖19---22所示計。
2）求各支點在垂直面V與水平H中支反力,。
水平面內(nèi)：
垂直面內(nèi)：
由得：
得：=
由得：
得=
求合成彎矩：
3）列出V面與H面彎距方程并繪制出各平面的彎距圖。
4）計算出各平面內(nèi)彎距中最大值。
5）繪制出合成彎距分布圖。
6）繪制出扭矩分布圖，軸承損耗的扭矩可以忽略
7）確定轉換系數(shù)a
-----為靜應力時，a=0.3
------為脈動循環(huán)時。a=1
------為對循環(huán)時，a=1
8）計算aT
作扭矩圖
T=
可見C點處有最大載荷，所以對其進行彎扭合成校核。
忽略鍵的影響
所以合格，可以使用。
按彎扭矩合成校核軸的強度計算公式
計算受載荷最大點處
抗彎端面模數(shù)W值，查表19---5。
其它計算項目忽略
繪制軸的工作圖查閱有關手冊圖例。
3.4.2軸承的選用與校核
已知條件：軸承用于輸送線上，軸頸d=55mm,轉速n=140r/min,軸承所承受的徑向載荷R=2000N,軸向載荷為500N，要求使用壽命=5000h。
（1）求當量動載荷
受復合載荷作用的深溝球軸承，求時用到的系數(shù)X，Y要根據(jù)來查取。在軸承型號選定前又不可知，故采用試算法，根據(jù)表5---12暫取=0.08,則e=0.22
因，表5----12查得X=0.56,Y=1.99，按式5---7得
=XR+YA=0.56*2000+1.99*500=2115N
（2）計算軸承所需要的徑向額定載荷
因軸承的溫度不高，工作載荷只有輕微的沖擊，由表5---9，5---10查得。按式5---6有
（3）選擇軸承型號
查滾動軸承標準GB/T272—93，選得6211軸承。其=25700N>=22001N;
,因=500/15300=0.0349,用線形插值法可求得e=0.23，與原估計相近，適用。
3.4.3鍵的校核計算
鍵是一種標準件，根據(jù)連接的具體結構，使用要求以及工作條件選擇合適的類型，最后按連接的直徑從標準中選用相應的剖面尺寸，并選擇鍵的長度。鍵長要比輪轂的長度短并且符合鍵長標準，然后進行鍵連接的強度進行校核
因為使用普通平鍵，所以對其進行校核。
鍵的長度為L，軸的直徑為d的平鍵
當軸傳遞轉矩T時，鍵的工作平面壓力N的作用，工作面受擠壓，鍵受剪切，失效形式是鍵，軸槽和輪轂槽三者中最弱的工作面被擠壓破壞和鍵被剪壞。當鍵是用45鋼制造時，主要失效形式是壓潰，所以通常只進行擠壓強度計算。假定擠壓應力在鍵的接觸面上是均勻分布的，此時擠壓強度條件是
剪切強度
強度條件為
式中
d-----軸的直徑（mm）
h-----鍵的接觸長度（mm）
---許用擠壓應力（MPa）
-----許用剪切(MPa)
鍵的材料一般采用抗拉強度極限------的精拔鋼制造，常用材料為45號鋼；軸的材料一般為鋼；而輪轂材料可能是鋼或鑄鐵。
當計算結果不能滿足強度要求時，可以用雙鍵。
所選用的鍵符合強度要求，可以使用。
3.5旋轉工作臺設計
3.5.1間隙運動機構的設計
由于要求灌裝速度為12r/min，因此每個工作間隙為5s，轉臺每轉動60°用時5/6s，停留25/6s，。
由此設計如下槽輪機構，完成間歇運用，以達到要求。槽輪機構具有以下特點：構造簡單，外形尺寸?。?機械效率高，并能較平穩(wěn)地，間歇地進行轉位； 但因傳動時存在柔性沖擊，故常用于速度不太高的場合；同時由于槽輪機構具有自行鎖緊的功能，所以能用于此機構的定位作用。
具體數(shù)據(jù)如下：
從動槽輪15如圖所示有六個徑向槽，并且從動槽輪的轉速為2r/min;
主動撥盤有一個撥動圓銷，并且主動撥盤的的轉速為12r/min;
3.5.2傳送輪的設計
傳送輪是為了將傳送帶的連續(xù)傳送轉變?yōu)殚g隙有序地傳送到旋轉工作臺的工位1，這樣就可以利用傳送輪轉動120°的時間間隔來使空容器間隙有序的傳送到位。
如圖所示傳送倫上設計有三個互成120°的凹槽，傳送輪直徑為200mm。
由上圖可知，旋轉工作臺轉動1轉，有6個容器完成灌裝和封口壓蓋，由于傳送輪上只有3個凹槽，所以傳送輪轉動在旋轉工作臺轉1轉的時候，它應該轉動2轉。
（1）撥瓶輪齒槽數(shù)（齒數(shù)）確定
設要設計星形撥輪齒數(shù)為Zb，灌裝機的生產(chǎn)能力為Q，撥輪主軸轉速為，依據(jù)單位時間內(nèi)供瓶數(shù)應等于出瓶數(shù)（不考慮灌裝過程中出現(xiàn)爆瓶現(xiàn)象）。則
（3.1）
式中，
Zb ――齒數(shù)；
Q ――生產(chǎn)能力，瓶/時；
――轉速，/min。
撥瓶輪齒數(shù)由確定。
已知灌裝機得生產(chǎn)能力Q＝瓶/時，初步確定撥瓶輪主軸轉速與灌裝機大轉盤主軸轉速的比例為i＝5.大轉盤主軸轉速根據(jù)計算得出n1＝3/min.則可以確定撥瓶輪主軸轉速n＝15/min.撥瓶輪齒數(shù)Zb:
選取撥輪齒數(shù)Zb＝8。
（2）撥瓶輪節(jié)圓半徑的確定
設撥輪節(jié)圓半徑為Rb, Cb為行星撥輪的節(jié)距，因為容器以等間距定時供送，則
（3.2）
（3.3）
對于旋轉灌裝機來講，Cb應等于灌裝閥的節(jié)距。
在確定灌裝機整體尺寸時確定的灌裝閥節(jié)距尺寸Cb＝126mm，Rb＝160mm。
用Cb帶入驗算：
用Rb帶入驗算：
根據(jù)檢驗，對Cb, Rb進行優(yōu)化設計，最后確定Cb＝126mm，Rb＝160mm。
3.6 升降機構設計
3.6.1工況分析
當灌裝瓶子的送料機構將料送到位后,升降液壓缸將托盤以及灌裝瓶頂起,進行灌裝. 灌裝結束后下降。
（1）負載移動力分析
負載移動阻力F=500N，慣性力: 100=50N,設負載動摩擦系數(shù)0.1，靜摩擦阻力， 0.1*（100*10）=100N，0.2*100*10=200N ，考慮液壓缸密封裝置的摩擦阻力（取液壓缸的機械效率ηm＝0.9），則液壓缸在各工況階段的負載值見表1-1
表1-1液壓缸各運動階段負載表：
運動階段
計算公式
液壓缸負載Ｆ（Ｎ）
液壓缸推力（Ｎ）
啟動
200
223
加速
150
166.7
快進
100
111
灌裝
600
666.7
縮回
100
111
停止
50
55.6
（2）運動分析
根據(jù)條件，快進、快退速度為＝，由于加速時間很短所以可忽落不計。因此設定其行程分別為100mm和300mm。
3.6.2液壓缸設計
（1）液壓缸的工作壓力：＝6Mpa
（2）確定液壓缸尺寸：選用單活塞式液壓缸，并使。采用差動連接，因管路中有壓力損失。工進時，為使運動平穩(wěn)，在液壓缸回油路上要加背壓閥，背壓法一般為(5-15)*pa,選取背壓閥＝10*pa。
由表1－1可知，最大負載為工進階段的負載＝666.7N ，根據(jù)，可求出液壓缸大腔面積為＝1.21*
工況
計算公式
負載(N)
液壓缸
N（kw）
開啟
啟動
N=Q*
223
=0
=5
22.3
____
__
16.67
___
__
加速
166.7
頂起
111
11.1
0.01*
0.95
灌裝
666.7
33.3
0.004*
1.58
縮回
啟動
223
22.3
___
___
加速
166.7
16.7
___
___
縮回
111
11.1
0.01*
1.49
停止
0
0
0
0
0
12.4mm
根據(jù)ＧＢ2348-80 圓整成就近的標準值，得16mm,液壓缸活塞直徑d=D/=11.39mm,圓整后取d=12mm,于是液壓缸有效面積為：
?。?=2
=
按最低工進速度驗算液壓缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度v=0.02m/s為最小速度，則由≥，=﹥0.04，滿足最低速度要求。
（3）液壓缸壁厚和外徑的計算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算
我們這里采用無縫鋼管材料，其壁厚按薄壁圓筒公式計算：R>=P3/(2D[Q])
式中 R----液壓缸壁厚（mm）
D----液壓缸內(nèi)徑（mm）
P3----試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25到1.5）倍，這里取1.3倍
[Q]----缸筒材料的許用應力。其值為：無縫鋼管：[Q]=100到110Mpa。這里取[Q]=100Mpa
于是得 R>=0.834
又由于薄壁液壓缸的內(nèi)徑D與其厚度r的比值D/d>=10
綜上所述 0.854<=R<=2(這里取R=2mm)
（4）液壓缸工作行程的確定
由題意得液壓缸的工作行程為300mm
（5）缸蓋厚度的確定
其有效厚度t按強度要求用以下公式近似計算
式中 t----缸蓋有效厚度（mm）
D2----缸蓋止口內(nèi)徑（mm）
d----缸蓋口的直徑（mm）
（6）最小導向長度的確定
對于一般液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求 H>=L/20+D/2
式中 L----液壓缸的最大行程
D----液壓缸的內(nèi)徑
于是得 H>=20mm(這里取H=34.5mm)
活塞寬度B一般取B=(0.6到1.0)D;這里取B=20mm
缸蓋滑動支撐面的長度L1根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D確定：當D<=80mm時，取L1=(0.6到1.0)D,這里取L1=25mm
為保證最小導長H,必要時可在缸蓋與活塞之間增加一隔套K來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導長H決定，即 C=H-(L+B)/2，取C=14。
（7）缸體長度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮液壓缸倆端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應大于內(nèi)徑的20到30倍。
3.6.3液壓系統(tǒng)回路方案設計
（1）調(diào)速回路：該液壓系統(tǒng)功率小，因此選用節(jié)流閥調(diào)速方式?？紤]運動過程中進退兩種工況，宜采用調(diào)速閥來保證速度穩(wěn)定，并將調(diào)速閥裝在液壓缸回油路上阻尼作用，使負載低速運動時比較平穩(wěn)。
（2）換向調(diào)速回路和卸荷回路：負載采用單活塞桿液壓缸驅動。由工況可知，系統(tǒng)壓力和流量不大，同時考慮負載實現(xiàn)自動化移動，選用三位四通電磁換向閥，并對流量的控制。
（3）快速運動回路：為實現(xiàn)負載快速進給，選用三位四通電磁換向閥構成液壓缸的差動連接。這種連接的快速運動會回路，結構簡單，也比較經(jīng)濟。
（4）壓力控制回路
由于液壓系統(tǒng)流量較小，負載工作進給時，采用回油路節(jié)流調(diào)速，故選用定量泵供油。比較簡單，經(jīng)濟。
綜上所述，得到如下液壓系統(tǒng)原理圖：
液壓系統(tǒng)原理圖
3.6.4選擇液壓元件
（1）液壓泵的參數(shù)計算
取液壓系統(tǒng)的泄漏系數(shù)k=1.1,則液壓泵的最大流量≥k()=1.1*0.2=0.22,根據(jù)擬訂的液壓系統(tǒng)是回油路節(jié)油路節(jié)流調(diào)速，進油路損失pa,故液壓泵工作壓力為： =（22+5）*=27pa。
根據(jù)、和已選定的單向定量泵形式，查手冊選用YB-D型定量葉片泵。該泵額定壓力為10Mpa,轉速為600-2000r/min，該泵額定流量為0.2*,由工況分析知，最大功率在快退階段，如果取液壓缸的效率為0 .75，驅動液壓泵最大輸入功率為：==944w查電工手冊選取1200w的電動機。
（2）選擇控制元件
根據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力的通過元件的最大流量，選用各類閥的規(guī)格，見表1-7。
表1-7 選用各類閥的規(guī)格
序號
控制元件名稱
型號規(guī)格
技術數(shù)據(jù)（pa）
Q=()
實際流量Q（）
額定流量時壓力損失
1
?溢流閥
YF3-10B
=100
Q=0.317*
0.1*
卸荷壓力1-1.5
2
三位四通閥電磁換向閥
34D-25B
P=100
Q=0.317*
0.1*
2
3
順序閥
Q1-25B
P=100
Q=0.317*
0.1*
4
單向閥
1-25B
P=100
Q=0.317*
0.1*
1.5
第4章 控制系統(tǒng)的設計
下圖是液位控制原理圖，圖中虛線表示允許料位變化的上下限。在正常情況下，應保持料位在虛線范圍之內(nèi)。為此，在料倉內(nèi)的不同高度安裝2個料位檢測器，以感知料位的變化情況。其中，A處于上限料位，B處于下限料位，A、B各通過一個電阻與地相連。
電機帶動泵供料，單片機控制電機轉動，以達到對料位控制的目的。供料時，料位上升，當達到上限時，C處的料位器得到信號，此時電機和泵停止供料。
當料位處于下限位時，B處的料位器得到信號，啟動電機并開始供料。如此反復循環(huán)。
單片機的控制電路如下圖所示。對該控制電路作如下說明：
①由于8031單片機沒有內(nèi)部ROM，因此需外擴展ROM作為程序存儲器。本系統(tǒng)使用2764構成8KB的外擴展程序存儲器，74LS373作為地鎖存器。
②兩個料位器信號由P1.0和P1.1輸入，這兩個信號共有4種組合狀態(tài)，如表7-6所示：
表7-6 料位信號及操作狀態(tài)表
C(P1.1)
B(P1.0)
操 作
0
0
1
1
`0
1
0
1
電機運轉
維持原狀
故障警報
電機停轉
其中，第3種組合在正常情況下是不可能發(fā)生的，但在設計中還是應該考慮到，并作為