旋轉(zhuǎn)式啤酒灌裝機(jī)設(shè)計
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四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(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化程度等方面各有優(yōu)缺點,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格不敢輕易提價,一方面內(nèi)部加強(qiáng)管理努力消化原材料漲價帶來的負(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,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,進(jìn)液自動停止。C. 排除余液,即排除管道中的殘余液料。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2.2.1.1 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)。2.2.1.2 運(yùn)動形式灌裝機(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)。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。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。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,帶動灌裝閥一起同步轉(zhuǎn)動。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。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)動參數(shù) 運(yùn)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、計量與充填速度等。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(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,動力機(jī)的額定功率、額定扭矩和調(diào)速范圍,氣液壓傳動的工作壓力和流量,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、時間、壓力、拉力、速度、真空度、計量精度等參數(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,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。考慮到被測的與所設(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: P=+ (i=1,2,.) (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。39第三章 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: r=600 mm 參考類似型號灌裝機(jī)工藝參數(shù),現(xiàn)在先擬訂灌裝時間為9s,于是由灌裝時間的計算公式: =* (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-68kg3.2 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: = (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力和操作費(fèi)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3-1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: =u*F* =*F* =* (3-10)相同的時間內(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) (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間為: = =8.6 (s)取整數(shù)9s,與前面假設(shè)的灌裝時間相符。 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:= (3-16)根據(jù)灌裝工藝過程,上式又可寫成: =+ (3-17)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 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) (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: *= (3-23) 式中: 灌裝液料的容器的體積()n灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)-灌裝閥流液管的流量系數(shù),經(jīng)查閱相關(guān)資料,取0.5A灌裝閥液管橫截面積()g重力加速度(981m)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、?,F(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(3-19)、(3-20)、(3-21)算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)過沒個區(qū)間轉(zhuǎn)角所需要的時 =*=1.65 (s) =*=4.1 (s) =*=2.25 (s)由式(3-17)得,灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間為: =+ =9+1.65+4.1+2.25 =17 s3.5 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(dú)立分開,各自單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動,但含氣液體灌裝都是將灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)設(shè)計成聯(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)速和一定調(diào)速范圍。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;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,因為電氣無級調(diào)速器操作方便,同時由于電子技術(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(yùn)動和功率的傳遞。B保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)間運(yùn)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。3.5.1 傳動比旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動比計算,經(jīng)考察同類型灌裝機(jī)普遍采用的傳動方式,了解其傳動特點,然后在本次設(shè)計中擬采用最常用的傳動方式,如圖3-3。圖為本次設(shè)計的灌裝機(jī)傳動示意圖,圖中帶、蝸桿蝸輪為外傳動鏈,為內(nèi)傳動鏈,設(shè)計類似這樣的傳動鏈時,首先計算灌裝機(jī)的灌裝時間,并確定灌裝工藝轉(zhuǎn)角,根據(jù)灌裝時間和灌裝工藝轉(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)傳動鏈和外傳動鏈的傳動比。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)傳動鏈的分析和計算僅僅是為了機(jī)組同步和協(xié)調(diào),還必須考慮功率的傳遞,即傳動元件的強(qiáng)度,對齒輪來說就是模數(shù)的大小。因此計算時可能會出現(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)帶傳動設(shè)計 已知電動機(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=1800mm3.5.2.3 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時傳遞功率的增量取0.17kwZ= (3-41) = =4 根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)GB1008788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=3280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 =24.7 r/min (3-43)3.5.3.1 圓柱蝸桿蝸輪傳動基本尺寸計算如下: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315mm3.5.3.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗算許用接觸應(yīng)力 = (3-58) =173 MPa式中:轉(zhuǎn)速系數(shù) =0.75 壽命系數(shù) =1.131.6 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) =149173 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) = =3280 MPa計算結(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) =0.0270.032mm計算結(jié)果表明,蝸桿軸撓度合格。3.5.3.4 溫度計算傳動嚙合效率 = (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,前面已知i=4。3.5.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算初步計算: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初步計算許用接觸應(yīng)力 =0.96=675MPa =0.96=540MPa值 取=85初步計算直徑 = (3-70) =85* =360mm 取400mm初步計算齒寬 =*=144mm (3-71)校核計算: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動載系數(shù) =1.2齒間載荷分配系數(shù) 先求: = (3-73)=2012 = (3-74)=21 N/mm100 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接點區(qū)域系數(shù) =2.5接觸最小安全系數(shù) =1.05總工作時間 =12000 h應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 估計,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驗算 = (3-82) =189.8*2.5*0.87* =635 MPa714 MPa計算結(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)行驗算。確定傳動主要尺寸: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 mm3.5.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算重合度系數(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驗算 = (3-93) = =360 MPa456 MPa =360* (3-94) =320 MPa349 MPa計算結(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。傳動無嚴(yán)重過載,故不作靜強(qiáng)度校核?,F(xiàn)在對其他次要齒輪傳動進(jìn)行尺寸確定。由于是非關(guān)鍵傳動部份,且也非本次設(shè)計題目范圍,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因為 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。雖然空心軸比實心軸更節(jié)約材料,比較經(jīng)濟(jì),但是當(dāng)外直徑相同時,空心軸的內(nèi)直徑若取為=0.625,則它的強(qiáng)度比實心軸削弱18%,且空心軸的制造比較費(fèi)時,所以這里選擇實心軸,材料選取45鋼。3.6.1 軸的強(qiáng)度計算按許用切應(yīng)力計算:受轉(zhuǎn)矩(N*mm)的實心圓軸,其切應(yīng)力 = MPa (3-95)寫成設(shè)計公式,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
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