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摘 要
隨著我國經濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，啤酒等碳酸飲料在人們生活中占有重要地位，也帶動了灌裝機械的發(fā)展。啤酒灌裝是啤酒生產的最后一道工序，灌裝工藝和設備的優(yōu)劣直接影響到啤酒的成品質量、成本和銷售效果，進而影響到啤酒的整體生產效率。
本次設計主要研究的內容是500ml啤酒定量灌裝機構設計，主要包括三個部分：灌裝部分的設計、托瓶升降機構的設計和輔助零件的設計。灌裝部分主要是灌裝閥，是灌裝機執(zhí)行機構的主要部分。其功能是根據(jù)灌裝過程的要求，為確保灌裝過程的順利進行，要求以最快的速度連接或切斷儲液箱、氣室和灌裝容器之間的液體流動通道。本設計擬定選用盤式灌裝閥。升瓶機構的作用是根據(jù)灌裝過程的要求將啤酒瓶送到固定位置進行灌裝，灌裝完成后將啤酒瓶降到指定位置，這樣送瓶機構就可以將啤酒瓶送到指定的輸送鏈上進行輸送。本次設計選擇機械與氣動組合式升降機構。輔助零件主要包括旋轉主軸、灌裝臺等。
本次灌裝機構的設計可以實現(xiàn)各個部分同步運動，以此提高啤酒灌裝的準確性和高效性。同時，可實現(xiàn)啤酒的大量生產以及帶來巨大的經濟效益。
關鍵詞：灌裝機；灌裝閥；機構設計
I
ABSTRACT
With the continuous development of our country’s economy and the continuous improvement of people’s living levels,beer and other carbonated beverages have played an important role in people’s lives and have also driven the development of filling machinery.Beer filling is the last process of beer production.The advantages and disadvantages of the filling process and equipment directly affect the finished product quality,cost and sales effect of beer, and thus affect the overall production efficiency of beer.
The main research content of this design is the design of 500ml beer quantitative filling mechanism, which mainly includes three parts: the design of the filling part, the design of the bottle lifting mechanism and the design of auxiliary parts. The filling part is mainly the filling valve and is the main part of the filling machine's actuator. Its function is to ensure the smooth progress of the filling process according to the requirements of the filling process, and it is required to connect or cut off the liquid flow path between the liquid storage tank, the air chamber and the filling container at the fastest speed. The function of the bottle raising mechanism is to send the beer bottle to a fixed position for filling according to the requirements of the filling process. After the filling is completed, the beer bottle is lowered to a designated position, so that the bottle sending mechanism can send the beer bottle to the designated conveying chain on the conveyor. The design selected mechanical and pneumatic combined lift mechanism.Auxiliary parts mainly include rotating spindles, filling tables, and so on.
The design of the filling mechanism can realize synchronous movement of various parts, so as to improve the accuracy and high efficiency of high beer filling. At the same time, mass production of beer and great economic benefits can be achieved.
Key Words：Filling Machine; Filling Valve; Structural Design
V
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 選題研究的意義與價值 1
1.2 選題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 選題研究的內容 3
2 總體方案設計 4
2.1 設計參數(shù)確定 4
2.2 灌裝方法確定 4
2.3 定量方法確定 5
2.4 灌裝主要機構確定 7
3 灌裝機構相關設計計算 12
3.1 電動機的選擇 12
3.2 灌裝機構輸送管路的計算 13
3.3 灌裝時間的確定 14
3.4 灌裝傳動系統(tǒng)的設計 15
4 主要部件的設計 22
4.1 灌裝部分的設計 22
4.2 托瓶升降機構的設計 24
4.3 輔助零件的設計 30
5 灌裝機構總體裝配 34
6 結 論 36
參 考 文 獻 37
附錄1：外文翻譯 40
附錄2：外文原文 51
致 謝 57
500ml啤酒定量灌裝機構設計
1 緒論
1.1 選題研究的意義與價值
灌裝飲料在國際市場上的迅速發(fā)展，對飲料生產技術的進一步開發(fā)與研究，起到一定的推動作用，事實上，液體產品及飲料的生產技術中，灌裝是重要的環(huán)節(jié)，而灌裝技術和設備的優(yōu)劣則直接影響到產品的質量，進而影響整體的生產效益。為了提高產品的質量，各種先進的灌裝系統(tǒng)不斷的得到開發(fā)研究。灌裝設備設計的基礎概念，以衛(wèi)生為首要從生產及經濟效益來看，能準確快捷地把產品灌裝到容器里是至關重要的[1]。
目前人們對于食品衛(wèi)生的要求不斷提高，因此自動化的食品灌裝變得越來越普遍和重要，而如何提高灌裝的精度，降低灌裝過程中的損耗是食品灌裝行業(yè)的研究方向[2]。如何進行液體定量灌裝是一項有實際應用價值的技術，其發(fā)展直接影響到關鍵機構運行的穩(wěn)定性和精確性[3]。同時，液體定量灌裝具有以下優(yōu)勢：（1）改善產品質量，加強市場競爭能力；（2）能改善勞動條件，避免污染危害環(huán)境；（3）能節(jié)約原材料減少浪費，降低成本；（4）能提高生產效率，加速產品的不斷更新。
1.2 選題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 國內外發(fā)展狀況
隨著現(xiàn)代社會科技的發(fā)展和人們物質水平的提高，促進了包裝行業(yè)的高速發(fā)展，也給包裝機械行業(yè)帶來史無前例的前景與挑戰(zhàn)。包裝機械是包裝工業(yè)的根本，其先進程度決定了包裝行業(yè)的發(fā)展水平。灌裝機械屬于包裝機械中的一種機械，它的發(fā)展是在我國改革開放以后快速發(fā)展起來的一個新的機械行業(yè)，隨著人們生活需求，包裝機械每年都以較快的速度增長，給包裝機械的成長帶來了無限前景[5]。
就生產效率方面來看：美、日、德、意作為世界四大包裝機械制造強國，都比較重視用戶和市場需要，其以增加生產率作為設備制造的重要目標。德國目前飲料灌裝速度可高達1200瓶/h，香煙包裝12000支/min。集制袋、稱重、充填、抽真空、封口等與一體的世界上最高速的茶葉包裝機械速度達到 350 袋/min。意大利生產的小劑量顆粒包裝機采用機械轉鼓式計量，連續(xù)式封合并裁切，一機多工位，包裝速度可達 120 袋/min。以啤酒飲料灌裝設備為例由德國克朗斯公司制造的易拉罐包裝線能實現(xiàn)高達 7.2 萬瓶/h[4]。
就設備結構上：國外設計師所設計的灌裝機械力求零部件不斷減少、產品的可靠性不斷提高、產品的成本逐漸下降，隨著灌裝設備結構的不斷簡化，使得設備的操作及維修更加方便。例如，德國的貼標機大大的減少了轉換部件數(shù)量，設備的使用和維護更加方便。
設備功能上：灌裝機對產品對象的適應性更廣，其市場競爭力逐步增強。同一臺灌裝設備，可滿足不同液體以及不同容器規(guī)格的灌裝，其工藝范疇更廣。零部件更換也能夠適應封口形式的變化[4]。
從灌裝機技術角度來看，主要表現(xiàn)在科技含量高、可靠性強，全自動化控制和生產效率高等特點。在加工過程中實時在線檢測裝置和計量裝置配備齊全，實現(xiàn)自動檢測各項參數(shù)指標、計量精確無誤。灌裝機械是集成了機、電、氣、光、磁為一體機械設備，其中德國占有該領域較好的主導地位[5]。
國外對液體灌裝系統(tǒng)進行了大量研究，自動化程度高，灌裝效果好。國內液體灌裝系統(tǒng)起步較晚，在液體灌裝過程中大多存在滴漏和起泡現(xiàn)象[6]。滴漏現(xiàn)象容易對灌裝容器和機器造成污染，影響產品的清潔度；起泡現(xiàn)象則會影響產品外觀。
經過近幾十年的技術不斷提升，我國灌裝機行業(yè)取得了一定的成績，灌裝機械的發(fā)展來看，走的是一條典型的“引進技術、消化吸收、自主創(chuàng)新、逐步國產化”的道路。國內灌裝機生產廠家大多在仿制的基礎上通過結合高新技術，發(fā)展出了自己的特色我國在食品灌裝機械業(yè)已經獲得了可喜的業(yè)績。例如，國內第一條5萬瓶/小時高速啤酒灌裝生產線由南京輕機集團自主研發(fā)生產在而成已經在百威英博啤酒集團有限公司已經在生產上使用，完成了我國在啤酒行業(yè)擁有了本國自主研發(fā)和制造的高速灌裝生產線，使得我國啤酒包裝裝備行業(yè)有一個新的高度[5]。
目前中國灌裝機械對國外高端技術的依賴程度還比較高，對于關鍵和核心的零部件不能自主生產，這些同樣制約了中國灌裝機械工業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定的發(fā)展。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國每年要花費大量的資金作為機械裝備的購買。由于購買外國設備成本高，運行維護費用大，維修麻煩等問題[5]。
目前我國的灌裝機械與西方發(fā)達國家之間仍然存在著不同程度的差距，其主要體現(xiàn)在一下幾個方面：在產品的加工制造方面，我國的主機速度集中在中等水平，主機的制造與國外先進的設備相比，穩(wěn)定性和可靠性較差；在設計方面，對機械設計和優(yōu)化的相關理論研究較少，應用計算機仿真技術和虛擬樣機技術等計算機輔助設計來優(yōu)化設計灌裝機械零部件較為缺乏。主要以經驗為主來指導生產；在產品外觀和零部件的質量方面，我國的灌裝機外觀設計不夠大方美觀；在人體工學等方面設計還有欠缺。材料達不到規(guī)定的要求，導致零部件比發(fā)達國家灌裝機產品的質量差。發(fā)達國家的灌裝機電氣元件選用較好，由于成本限制等因素使得國內灌裝機選用的元器件使用時間不長，可靠性較低，導致產品整體的性能不高。國產灌裝機機械性能不穩(wěn)定，重復灌裝精度低，普遍運行低速度、結構單一化、成套的灌裝線少、灌裝控制精度低[5]。
1.2.2 發(fā)展趨勢
慶波和羅金剛歸納出灌裝機械未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)以下幾個方向：
（1）灌裝機械設備趨向大型化。
（2）灌裝機械結構設計簡單合理。
（3）灌裝設備向多功能化發(fā)展。
（4）灌裝機械向光、機、電、氣、磁一體化方向發(fā)展。
（5）運行速度高速化、高產量。
（6）設計綠色化。
（7）智能化[4,5]。
1.3 選題研究的內容
1.3.1 設計內容
本文主要研究啤酒定量灌裝機構，主要包括三個部分：灌裝部分設計、托瓶升降機構設計和輔助零件設計。本次灌裝方法選用等壓法。?
1.3.2 設計要求?
（1）灌裝閥要求能夠很快的速度連通或切斷儲液箱、氣室和灌裝容器之間液體流動的通道，確保灌裝工藝過程順利進行，并且能夠實現(xiàn)啤酒的定量控制。
（2）托瓶升降機構要求運行平穩(wěn)、迅速、準確，安全可靠，結構簡單，托瓶升降實現(xiàn)自動化。?
（3）輔助零件主要包括旋轉主軸和灌裝臺等，因此要求主軸、灌裝臺等滿足剛度、強度等要求。
2 總體方案設計
2.1 設計參數(shù)確定
灌裝部件：盤式灌裝閥
灌裝閥頭數(shù)：24
灌裝速度：72-96瓶/分鐘
灌裝瓶直徑：75mm
灌裝瓶高度：230mm
用途：灌裝瓶裝啤酒
生產能力：4320-5760瓶/小時
2.2 灌裝方法確定
2.2.1 灌裝方法分類
根據(jù)液料產品的物理化學特性，一般分為以下幾種：
（1） 常壓法灌裝
在常壓下，灌裝系統(tǒng)在大氣壓下自動進入包裝容器，整個灌裝系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)。其工作過程為：①進液排氣；②達到要求，停止灌裝；③去掉殘留的液體，并將剩余的液體排出到排氣管中，以便為下一次灌裝和排氣做好準備。
常壓法主要用于灌裝醬油、牛奶、白酒、醋、果汁等粘度小、無二氧化碳、無異味的液體產品[7]。
（2）等壓法灌裝
等壓法灌裝是在儲液箱上部氣室中使用壓縮空氣，先將空容器充氣，使內壓接近相同，然后液體通過自重在密閉系統(tǒng)中流入容器。其工作過程：①充氣等壓；②進液回氣；③停止進液；④釋放壓力
這種方法一般用來灌裝如啤酒等含氣飲料，并且此法可以降低液體中氣體的泄露。它可以保證灌裝產品的質量和計量精度[9]。
（3）真空法灌裝
真空灌裝裝置是將灌裝液體與吸入容器的氣體出口之間的壓力差進行填充。
此法適宜如油類、糖漿類、蔬菜汁、果汁等黏性較大的液體。
（4）壓力法灌裝
液體進入灌裝容器是通過外部機壓力壓入的。工作過程為：①吸料定量；②擠料回氣。
此法可用來灌裝用于灌裝番茄醬、肉糜、牙膏、香脂等黏度較大的稠性物料，但有時也可灌裝含氣飲料等。
本次設計的灌裝機構用于啤酒灌裝，啤酒是含氣液體，即考慮到啤酒的工藝特點，以及通過對比以上幾種方法的優(yōu)缺點以及適用條件，本次設計選用等壓法灌裝。
2.3 定量方法確定
2.3.1 定量方法分類
（1）液位控制定量法
該方法通過控制灌裝容器內液面高度達到定量灌裝的目的。由于每個填充液料體積等于具有一定高度的內腔體積，所以通常用“以瓶定量”來表示。此法使用簡單結構設備，使用起來相對方便，因此較為便捷。又瓶子容積精度對灌裝精度影響較大，因此不適合用來灌裝定量精度要求高的液體。如圖2.1所示。
1-排氣；2-支架；3-緊固螺母；4-彈簧；5-橡皮墊；6-滑套；
7-灌裝頭；8-儲液箱；9-調節(jié)螺母
圖2.1 控制液位定量法工作原理圖
（2）定量杯定量法
這種方法是將液體注入定量杯中進行定量，然后將計量好的液體注入待灌裝的瓶子中，這樣每次灌裝的體積等于定量杯的體積[8]。如圖2.2所示。
1—定量杯；2—定量調節(jié)管；3—閥體；4—緊固螺母；5—密封圈；6—進液管；7—彈簧；8—灌裝頭；9—透氣孔；10—下孔；11—隔板；12—上孔；13—中間槽；14儲液箱
圖2.2 定量杯定量法工作原理圖
（3）定量泵定量法
這是一種定量的壓力填充方法。一般情況下，活塞的往復運動由動力控制，物料從儲料缸吸入活塞缸，然后壓入灌裝容器中，每個灌裝物料的體積由活塞的往復行程控制[8]。如圖2.3所示
2.3.2 確定定量方法
定量方法的正確選擇，主要考慮產品所需要的定量精度，同時，還應考慮液體本身的工藝性。選擇灌裝的定量方法也要根據(jù)所選灌裝方法來確定。從機械結構角度，應盡量選擇結構簡單，易于操作、運行和維護；從經濟角度，應盡量減少物料的損失，節(jié)約材料，降低成本，提高經濟效益。
比較上述三種定量方法，第一種方法直接受瓶體精度和瓶口密封程度的影響，因此其定量精度不如后兩種方法高；但是第一種方法結構是最簡單的，應用廣泛。且本次設計的是啤酒的定量灌裝，結合其他機構，所以本次設計定量方法選用液位控制定量法。
1—貯料缸；2—閥室；3—彈簧；4—滑閥；5—灌裝頭；6—活塞缸體；7—活塞
圖2.3 定量泵定量法工作原理圖
2.4 灌裝主要機構確定
2.4.1 灌裝閥的確定
將儲液箱中的液體填充到包裝容器中的機構稱為灌裝閥。灌裝閥是灌裝機執(zhí)行機構的主要部分。其功能是根據(jù)灌裝過程的要求，為確保灌裝過程的順利進行，要求以最快的速度連接或切斷儲液箱、氣室和灌裝容器之間的液體流動通道。
包裝容器與儲液箱及氣室間液料的通道由灌裝閥控制，主要由閥體、閥端、閥門、密封元件、開閉件等組成。
根據(jù)閥中可動部分的運動形式主要可分為3種類型[8]。
（1）單移閥
閥體中有一件可動部分，它相對于不動部分開閉閥時做往返一次的直線運動，根據(jù)可動部分移動前后開閉流體通道的方法又可分為兩種。
① 端面式
這種閥體是利用移動塊的端面來開閉流體的通道。如圖2.4所示。
1—閥蝶；2—橡膠墊圈；3—墊片；4—閥芯；5—彈簧；6—彈簧；7—閥套
圖2.4 端面式單移閥結構原理圖
② 柱面式
利用移動塊柱面上的孔道與不動部分（閥座）的孔道接通與否來開閉。如圖2.5所示。
1—定量杯；2—閥芯；3—彈簧；4—壓蓋；5—容器；6—下孔口；7—抽氣孔；8—上孔口
圖2.5 柱面式單移閥結構原理圖
（2）旋轉閥
閥體通過可動部分相對于固定部分在開閉時做往復一次或多次的旋轉擺動，使氣兩個部分的孔眼在兩個擺動極限點對正，以此以此來開閉液體通道。根據(jù)相對轉動面是沿圓柱面（或圓錐面）還是平面進行，又可分為以下兩種形式[8]。
① 圓柱（或圓錐）式
為減少泄露損失，防止污染環(huán)境，不論是圓柱式或圓錐式旋轉閥，多用于黏度較高液料的灌裝[7] ，如圖2.6所示。
1-凸輪轉柄；2—螺母；3—彈簧；4—進氣管；5排氣管；6—液道；7—閥體；8-進氣管；9-旋塞；10-液道；11-排氣管；12-接套；13-定位罩；14-密封圈；15-液管；16-灌裝頭
圖2.6 錐面式旋轉閥結構原理圖
② 圓盤式
如圖2.7所示。
1—閥蓋；2—閥座；3—閥球；4—對中罩；5—下液管；6—螺母
圖2.7 盤式旋轉灌裝閥結構原理圖
（3）多移閥
該閥屬于雙閥式或多閥式。其特征在于：當閥門開啟和關閉時，閥體內有若干可移動的部件，這些部件可與不可移動的部件作直線往復運動。根據(jù)開啟和關閉控制液閥的方法不同，可分為氣動和機械兩種類型[8]。
綜合以上各種灌裝閥的結構和特點，以及啤酒的性質，因此，本次設計灌裝閥選擇圓盤式旋轉灌裝閥。
2.4.2 托瓶升降機構的確定
托瓶升降機構作用是將包裝容器托起，并上升到一定高度以便進行灌裝；待灌裝完成后，再將灌裝好的容器降低到固定的位置，以便進行下一步動作。
托瓶機構主要由機械式、氣動式、機械與氣動組合式等三種結構形式。
機械式依靠彈簧力抬起瓶子臺，無需密封，但彈簧在連續(xù)工作中容易失效，并且壓力也受到限制。主要用于無氣液物料灌裝機。氣動式采用壓縮空氣作為動力源。它具有良好的減震和緩沖能力，當瓶失效時不易翻滾，但活塞的運動速度受氣壓變化的影響很大。如果壓力下降，瓶子的上升速度會減慢，并且很難保持瓶口和灌裝頭之間的緊密接觸。如果壓力增加，瓶子的速度上升得更快，因此不容易進入液體管道并校正瓶子。機械氣動組合式轉動可靠，循環(huán)管內采用壓縮空氣。它只需補充泄漏，應用廣泛，但凸輪導向也增加額外的潤滑，磨損和運行阻力。對于等壓灌裝機，因已有空壓系統(tǒng)，宜采用氣動式或機械與氣動組合式托瓶機構[7]
因為啤酒灌裝為等壓法灌裝，又結合各個托瓶機構的優(yōu)缺點以及相關機構的選擇，因此本次設計托瓶機構選用機械與氣動組合式托瓶機構。
2.4.3 輔助零件確定
輔助零件主要是旋轉主軸以及灌裝臺。
旋轉主軸主要起到傳遞扭矩、支撐等作用，主軸選擇要求在滿足上面兩項結構功能條件下，還需滿足足夠的強度和剛度。
灌裝臺主要起著旋轉、支撐和導向等作用，且灌裝臺是與旋轉主軸以及托瓶升降機構配合在一起使用的。因此，在確定灌裝臺的結構尺寸時還應該滿足其他機構的結構功能，且必須滿足一定的強度。
3 灌裝機構相關設計計算
3.1 電動機的選擇
本次設計的灌裝容量為500ml，參考相關資料可擬定啤酒瓶容積530ml，根據(jù)從相關的旋轉灌裝機獲得的數(shù)據(jù)，可得以下參考數(shù)據(jù)：
灌裝閥頭數(shù)： 24頭
灌裝閥節(jié)距： 150mm
灌裝區(qū)間角： αα=193°
灌裝區(qū)間占有率： 0.54
儲液箱半徑： r=24×1502π=600mm
查閱相關資料，參考同類別灌裝機相關技術參數(shù)，現(xiàn)擬定灌裝時間Tα為9s，于是，根據(jù)參考文獻[7]公式得主軸計算公式：
n=60T=60αα360°Tα=3.57r/min （3.1）
n——主軸轉速，r/min；
αα ——灌裝區(qū)間角。
擬定儲液箱在裝有液料的時候最大重量為500kg，半徑r=600mm，則有：
ω=πn30 （3.2）
ω=πn30≈0.1n=0.357ras/s
儲液箱上作用力對主軸的力矩Mz為：
Mz=F×Z （3.3）
=mgr
=3000N.m
再由功率：
P=Mz×ω （3.4）
得：
P=Mz×ω
=3000×0.357=1.1kW
旋轉灌裝機是一個整體部件，它包括送瓶機構、撥瓶機構、壓蓋機構和灌裝機構等幾個部分，又灌裝機是由一臺電動機帶動，所以，參考相關文獻和同類機組，現(xiàn)擬定：
進瓶機構功率P1：1.2kW
出瓶機構功率P2：0.6kW
升降機構功率P3：0.5kW
壓蓋機功率P4：1.5kW
由此可估算灌裝機組總功率P：
P=P1+P2+P3+??????+Pi （3.5）
=1.1+1.2+0.6+0.5+1.5
=4.9kW
所以，根據(jù)《機械設計手冊》選擇電動機：
型號：Y132S-4，額定功率：5.5kW，額定轉速：1440r/min，最大轉矩/額定轉矩：2.2，重量：68kg[13] 。
3.2 灌裝機構輸送管路的計算
輸送管路是連接儲液箱和啤酒瓶口之間的管道，當啤酒瓶充氣使之與儲液箱中壓力相等后，由于自重原因啤酒流入瓶里。灌裝機的輸送管路一般用圓管。設計時，首先要選擇合適的直徑與壁厚。
3.2.1 圓管內徑
由參考文獻[2]得圓管截面積：
A=πd24 （3.6）
u=VA （3.7）
故得：
d=4Vπu （3.8）
式中，A——圓管截面積，m2;
d——輸液管內徑，m；
u——液料在管內的流速，m/s；
V——體積流量，m2/s。
可見，欲求d必先求V機u。為此寫出：
V=Wρ=GbQmax3600ρ （3.9）
式中，W——管內質量流量，kg/s；
ρ——液料密度，kg/m3，取1×103kg/m3；
Gb——每瓶灌裝液料的質量，kg/pc，取0.5kg/pc；
Qmax——灌裝機最大生產能力，pcs/h，取5670pcs/h；
因此，聯(lián)立公式3.8和3.9得：d=25mm。
3.2.2 圓管壁厚
圓管的壁厚應根據(jù)圓管的工藝性能、工作環(huán)境等有關條件，按有關規(guī)定選用。
選取圓管壁厚2.5mm，故圓管外徑為30mm。
3.3 灌裝時間的確定
由前面的設計可知本次啤酒灌裝方法為等壓法，此法設備簡單，易于維修，可以減少液料中所含二氧化碳的損失。
本次設計擬采用液位控制定量法，經過查閱相關資料以及類比同類型的灌裝機參數(shù)現(xiàn)選定灌裝區(qū)所占時間Tα=9s。
3.3.1 灌裝機的工藝計算
旋轉型灌裝機的生產能力：
Q=60nj （3.10）
式中，n——主軸轉速，r/min。
可見，想提高灌裝機的生產能力就得增加頭數(shù)j和轉速n。
但是，如果增加灌裝頭數(shù)，則作為子安管支撐等的灌裝臺等的直徑就要加大，從而使得設備重量增加；而且因為主軸轉速不變，根據(jù)相關資料可知，直徑越大，瓶受到的離心力越大，托瓶臺和啤酒瓶之間的持續(xù)摩擦可能導致瓶飛出瓶托瓶臺。據(jù)此，可求灌裝頭中心對主軸的半徑R必須滿足的條件，即
R≤900gμdπ2n2 （3.11）
式中，μd——瓶底與托瓶臺之間的滑動摩擦系數(shù)[7]。
如果加大轉速，除了要考慮離心力的影響，還應考慮是否有足夠時間來進行灌裝，以便滿足特定的灌裝要求。
主軸旋轉一周灌裝機完成一個工作循環(huán)所需時間為
T=60n （3.12）
如圖3.2所示，它是由下列幾個動作時間組成
T=T1+T2+T2'+T3+T 3'+T4 （3.13）
式中，T1為無瓶區(qū)所占用時間。該區(qū)間角的大小供瓶機構、撥瓶機構以及相關部件的結構尺寸決定。
T2、T2'分別為上升、降瓶區(qū)所占的時間。除了瓶子在升降過程中瓶子具有更穩(wěn)定的運動過程外，還需要確保氣缸凸輪的輪廓曲線具有適當?shù)膲毫恰?
圖3.2 旋轉型灌裝機的工作示意圖
T3、T 3'分別為開關閥區(qū)所占的時間（通常取0.5-1s）。
T4為灌裝區(qū)間所占的時間，以確保灌裝過程能夠平穩(wěn)順利進行下去。然而灌裝方法同，所以灌裝區(qū)時間也會不同。因此確定的準則是灌裝區(qū)時間應大于工藝實際所需的灌裝時間[7]。
由上面得出的轉速n可得主軸旋轉一周灌裝機完成一個工作循環(huán)所需時間為
T=60n =603.57 =17s
設計時，首先確定灌裝區(qū)角度α4即α4=αα=193°，確定后再根據(jù)具體結構形式決定其他區(qū)間的角度，現(xiàn)擬定：α1=45°， α2+α2'=80，α3=α3'=21°。
即各個動作所需時間如下：
T4=9s，T1=2.2s， T2+T2'=3.8s，T3=T3'=1s。
3.4 灌裝傳動系統(tǒng)的設計
如圖3.3，為旋轉灌裝機傳動系統(tǒng)圖。
傳動過程為：速度電機1通過無級變速器2和蝸輪蝸桿使行星輪轉動，通過齒輪5和6驅動主軸8，從而帶動儲液箱9旋轉，齒輪6和14驅動進瓶星形輪10旋轉。鏈輪13和錐齒輪12帶動分件供送螺桿裝置轉動，完成整機工作[7]。
1—電機；2—皮帶；3—蝸輪蝸桿；4—軸；5，6,14—齒輪；7—出瓶星輪；8—主軸；9—儲液箱；10—進瓶星輪；11—分揀螺桿供送裝置；12—錐齒輪；13—鏈輪
圖3.3 旋轉灌裝機傳動系統(tǒng)圖
3.4.1 帶傳動的設計計算
根據(jù)上面可得電動機功率P=5.5kw，n=1440r/min，決定使用V帶傳送。
總傳動比i=14403.57=403.4
現(xiàn)擬定：帶傳動的傳動比i12=2蝸桿傳動的傳動比i3=34，5、6齒輪的傳動比i56=2，
齒輪6與主軸齒輪傳動比i68=3
（1） 選定V帶型號和帶輪直徑
由參考文獻[11]查得工作情況系數(shù)KA為1.2
計算功率 Pca=KaP （3.13）
=1.2×5.5=6.6kW
選帶型 A型
小帶輪直徑 d1=100mm
大帶輪直徑 d2=i12d1=2×100=200mm
大帶輪轉速 n2=14402=720r/min
驗算小帶輪帶速根據(jù)公式
v1=πdd1n160×1000 （3.14）
得： v1=π×100×144060×1000=7.5m/s
因為5m/s
120°
（4計算帶的根數(shù)
由d1=100mm和n1=1440r/min.由參考文獻[11]查得P0=1.32kW， ?P0=0.17kW， Kα=0.98， KL=0.98，于是有
Pr=(P0+?P0)?Kα?KL （3.21）
得
Pr=1.32+0.17×0.98×0.98=1.43kW
于是
z=PcaPr=6.61.43=4.62
取5根。
3.4.2 蝸桿傳動設計
從參考文獻[11]可知，圓柱形蝸桿頭的數(shù)量越少，傳動比越大，并且導程角越小，傳動效率越低，產生的熱量越多，并且不易消散，因此通常不使用單個蝸桿。蝸桿頭數(shù)量越多，傳動效率越高。然而，蝸桿頭數(shù)量太大，導程角大，制造難度大。因此，根據(jù)參考文獻[11]選擇蝸桿，擬定
模數(shù) m=8mm，分度圓直徑d1=80mm，頭數(shù)z1=2，直徑系數(shù)q=10,。
根據(jù)擬定的傳動比和公式
i=n1n2=z2z1=u （3.22）
選取z2=68.
又已知蝸桿轉速n1=720r/min，因此得
n2=n1i3=72034=21.2r/min
（1） 蝸輪蝸桿基本尺寸的計算
中心距
a=d1+d22=80+8×682=312mm （3.23）
蝸桿基本尺寸
軸向齒距pa=25.13mm；直徑系數(shù)q=10；齒頂圓直徑da1=96mm；齒根圓直徑df1=60.8mm；分度圓導程角γ=11°18’36’’；蝸桿軸向齒厚sa=12.57mm
蝸輪基本尺寸
蝸輪分度圓直徑 d2=mz2=8×68=544mm
蝸輪喉圓直徑 da2=d2+2h2=544+2×8mm=560mm
蝸輪齒根圓直徑 df2=d2-2hf2=544-2×1.25×8mm=524mm
蝸輪喉圓半徑 rg2=a-12da2=312-12×560mm=32mm
（2） 校核齒根彎曲疲勞強度
σF=1.53KT2d1d2YFa2Yβ≤[σF] （3.24）
當量齒數(shù) zv2=z2cos3γ=68(cos11.31°)3=72.12 （3.25）
由zv2=72.12，由參考文獻[11]查得齒形系數(shù)Yfa2=2.27。
螺旋角系數(shù) Yβ=1-γ140°=1-11.31°140°=0.9192 （3.26）
許用彎曲應力 σF=[σF]'?KFN （3.27）
由文獻[11]查得蝸輪的基本許用彎曲應力[σF]'=56Mpa。
壽命系數(shù) KFN=91065.22×107=0644 （3.28）
σF=56×0.644Mpa=36.086MPa
σF=1.53×1.2×94840080×544×8=5.001MPa
彎曲強度滿足要求。
3.4.3 齒輪傳動設計
首先進行對關鍵齒輪z6和主軸齒輪z8的設計計算，前面已知i=3。
（1）計算齒面接觸疲勞強度
由參考文獻[11]得小齒輪分度圓直徑計算公式
d1t≥32KHtT1?d?u+1u?(ZHZEZεσH)2 （3.29）
①確定公式中個參數(shù)的值
試選KHt=1.3
計算小齒輪傳遞的轉矩
T1=9.55×106Pn1=9.55×106×0.610.71N?mm=5.35×105N?mm
由文獻[11]查得?d=0.4， ZH=2.5， ZE=189.8MPa12， Zε=0.87
②計算接觸疲勞許用應力[σH]
由參考文獻[11]查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為σlim6=750MPa、σlim8=600MPa
初步計算許用接觸應力[σH]6=0.96σlim6=675MPa，[σH]8=0.96σlim8=540MPa
取兩個中較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應力，即
[σH]= [σH]8=540MPa
③計算小齒輪分度圓直徑
d6t≥32KHtT1?d?u+1u?(ZHZEZεσH)2
=32×1.3×5.35×1050.4?3+13?(2.5×189.8×0.87540)2mm
=311.25mm
④計算齒寬
b=?dd6=0.4×311.25=124.5mm （3.29）
⑤圓周速度v
v=πd6n660×1000=π×371×10.7160×1000m/s=0.2m/s （3.30）
⑥計算實際載荷系數(shù)KH
由參考文獻[11]相關圖表查得KA=1，KV=1.12，KHα=1.2，KHβ=1.42。
因此得實際載荷系數(shù)
KH=KAKVKHαKHβ=1×1.12×1.2×1.42=1.91（3.31）
⑦實際載荷系數(shù)下得分度圓直徑
d6=d1t3KHKHt=311.25×31.911.3=353.84mm （3.32）
取d6=400mm
及相應的模數(shù)
m=d6z6=40080=5 （3.33）
取模數(shù)m=4
（2）校核計算
由參考文獻[8]得齒面接觸疲勞強度條件為
σH=2KHT1?dd13.u±1uZHZEZε≤[σH]
確定公式中的各參數(shù)值
由上面可知KH=1.91，T1=5.35×105N?mm，?d=0.4，u=3，ZH=2.5，ZE=189.8MPa12，Zε=0.87。
將各個數(shù)值帶入上式得
σH=2×1.91×5.35×105×40.4×4003×3?2.5×198.8×0.87MPa
=492MPa<[σH]
齒面接觸疲勞強度滿足要求，因此設計合理。
（3）確定傳動主要尺寸
齒數(shù)：
z6=d6m=4004=100
z8=i?z6=3×100=300
分度圓直徑:
d6=400mm
d8=m?z8=4×300=1200mm
中心距：
a=d6+d82=400+12002=800mm
齒寬：
b6=160mm
b8=120mm
3.4.4 其他次要齒輪傳動尺寸設計
因為不是是主要傳動部分，且也不是本次設計范圍，因此只是初步選定其尺寸，不需要進行強度校核。
由前面可知次要齒輪主要是齒輪5，又已知其傳動比i=i56=2，且已知z6=100。
因此，
z5=z6i56=1002=50
分度圓直徑：
d5=m?z5=4×50=200mm
齒寬：
b5=?dd5=0.4×200=80mm
4 主要部件的設計
4.1 灌裝部分的設計
由上可知，本次設計灌裝部件用盤式旋轉灌裝閥。
4.1.1 盤式旋轉灌裝閥的工作原理
這種閥門在其活動部件閥蓋的端面上有一定夾角的孔，它們分別對應于固定部件閥座的孔[7]。
其工作原理如上圖2.7。
閥座通過螺釘固定在儲液箱的大轉盤上，閥座內有兩個氣道和兩個液道。兩個氣體孔道：一個孔道與儲液箱中的氣室相通；另一個孔道與灌裝瓶連通，但它們不相互連接。兩個液體孔道：一個孔道與貯液箱中液室相通，而另一個孔道與灌裝瓶相通，它們彼此也不相通。閥蓋套在固定在閥座上的短軸上，閥蓋有3個相互連通的氣體通道，2個液體通道相互連接。閥蓋的旋轉是由固定擋塊驅動其上的旋爪動作，同時閥蓋與閥座相對位置也不相同，以便保證灌裝工藝過程能夠平穩(wěn)順利進行。
第一工作位置(充氣等壓)：閥蓋從初始位置逆向旋轉40°。同時，閥蓋與閥座上的氣孔連通，從而使儲液箱中的氣體能夠進入灌裝容器內，從而完成充氣等壓過程。
第二工作位置(進液回氣)：這時閥蓋在逆向旋轉40°，使其上的液體孔道與閥座上的液體孔道連通。儲液箱中液體由于液位差的原因由閥座上的一個液體孔道，經過閥蓋上的兩個液體孔道再轉入閥座上的另一個液體孔道，流入灌裝容器內。同時，閥座與閥蓋的另一個氣體孔道連通，使灌裝瓶內氣體能夠沿著孔道經過閥座氣孔排出到儲液箱氣室中，從而完成進液回氣過程。
第三工作位置(氣、液全閉)：此時閥蓋順時針旋轉80°，使得閥蓋蓋上的兩個通道對應于閥座上的兩個通道。事實上，該閥不能與氣體通道和灌裝瓶之間的液體通道連通，從而使氣體和液體處于關閉狀態(tài)。
第四工作位置(排除余液)：此時，閥蓋逆時針旋轉40°，從而返回到第一工作位置。氣道中的殘液由于自身重量而流入待灌裝瓶內，完成殘液的去除過程，不會影響下一個灌裝周期的正常進行。
第五工作位置(氣、液全閉)：此時，閥蓋順時針旋轉40°，返回到第三工作位置，即原始位置，從而完灌裝過程循環(huán)。
此外，閥座中還安裝了閥球。當在沒有瓶子或瓶破裂，由于液體流速的突然增加，閥座上的液體流動被阻擋，從而減少液體的損失。
此外，若在托瓶臺上沒有瓶子，機構的一些部件將通過內部彈性系統(tǒng)升高，從而使碰撞到換向閥，從而控制部件的接觸部分不再驅動相對的灌裝閥以確保沒有泄漏。由于閥根據(jù)氣缸或拔塊的位置依次動作的，因此很難自動協(xié)調每個灌裝過程所需的實際時間。同時，用于低粘度液體的填充。工作性能還是很不錯的[3]。
4.1.2 閥門數(shù)目的確定
由上面可知轉盤轉速n=3.57r/min，灌裝時間為9s,轉盤旋轉一周所用時間為17s，灌裝區(qū)所占角度為193°。
已知瓶的容積為500ml，灌裝頭節(jié)距為150mm，灌裝頭個數(shù)為j=24個，即閥門的數(shù)目為24個，則可得灌裝區(qū)灌裝頭數(shù)為12.96個。
由公式
Q=60nj （4.1）
得灌裝機生產能力為Q=5141pcs/h。
由公式（3.11）得灌裝頭中心對主軸半徑R必須滿足的條件
R≤900×10×0.3π2×3.572=2150mm
4.1.3閥端結構的確定
灌裝閥的閥端結構通常分為短管和長管。根據(jù)進出瓶氣液的不同情況，灌裝閥閥端的氣液通道布置方法可分為兩類：一類是中心管灌液，環(huán)隙回氣；另一種是環(huán)隙灌液，中心管回氣。前者稱為長管灌裝閥，后者稱為短管灌裝閥。無論是哪種類型的閥門，在設計時，都要考慮閥端的尺寸和進出口孔道的布置對整個閥門工作效率的影響。
根據(jù)圓盤式旋轉閥的工作原理和滿足的工藝要求，為了防止液體進入瓶內飛濺，減少與空氣的接觸，進液口中心管大部分插入瓶底，所以在閥端選用長管法。
4.1.4 閥門啟閉元件的確定
就當下灌裝機的閥門啟閉一般分為下面幾種：（1）由托瓶機構啟閉閥門；（2）由固定擋塊啟閉閥門；（3）由固定擋塊與拔叉啟閉閥門；（4）由瓶內充氣反壓啟閉閥門。
由于固定塊可以控制閥體內的可動部件產生旋轉擺動或徑向、軸向直線運動，因此旋轉閥通常使用灌裝機的旋轉盤的固定塊來驅動閥的打開和關閉。為了避免灌裝閥在沒有瓶的情況下泄漏，有時需要氣動、電動或機械的自動控制方法。
4.1.5 密封結構的確定
由于灌裝閥本質上是流體孔道的開關，從而一定要確保不會有液體和氣體泄漏的情況。因此，在閥的接觸面上，閥芯相對于閥座運動面、閥體和儲液箱的裝配面、閥端和瓶口的壓力面等，需要相應的密封結構。常見的密封結構大體上有平面和圓柱面兩種型式。
結合圓盤式旋轉閥的自身結構綜合考慮，選擇平面型密封結構比較合適，在閥蓋和閥座接觸平面間，采用牛皮墊片并借助螺母來壓緊密封[7]。
4.1.6 相關尺寸的設計
由上面可知，此次啤酒灌裝為等壓法灌裝，灌裝容積為500ml，灌裝容器的容積為530ml，灌裝時間為9s又查得啤酒密度ρ=1.0127-1.0138kgm3，則灌裝體積流量V=5309mls=58.9mls。
（1）閥體尺寸的確定
查閱相關資料可知灌裝容量為500ml的啤酒瓶直徑一般為75mm，高度一般在230mm左右，啤酒瓶厚度>1.8mm。因此，擬定啤酒瓶直徑為75mm，啤酒瓶高度為230mm，設啤酒瓶厚度為2mm，因此啤酒瓶內徑為16mm。
由于啤酒瓶內徑為16mm，則灌裝閥的注液管必須小于16mm，為了防止啤酒瓶放置位置的不準確而影響啤酒灌裝精度，因此灌裝閥注液管外徑設為14mm，即單邊余量為1mm。經過相關設計計算，并為了達到充分灌裝，輸液管直徑設定為25mm。圓盤閥蓋閥座上的氣體和液體孔道直徑設為7mm。閥體總長設計為320,mm，閥體用螺釘固定在于儲液箱同軸的支架上。閥座與閥蓋裝配的直徑為58mm。因為此灌裝機為啤酒灌裝機，閥體材料要求有較高的防銹能力，常用的材料有黃銅和不銹鋼，為節(jié)約成本，因此選用不銹鋼，牌號為1Cr18Ni9Ti。
灌裝閥對中罩選用需要和下液管進行裝配，因此對中罩內徑尺寸為14mm，外徑為36mm，材料同樣使用不銹鋼，牌號為1Cr18Ni9Ti。
由于此灌裝機用于啤酒灌裝，因此需要考慮灌裝的密封性，如果密封性不好，則會影響灌裝的精度以及會使啤酒中二氧化碳含量不足，影響啤酒的口感，進而影響經濟效益。因此本次選用的密封裝置為O型啤酒專用密封圈，材料為聚氨酯，此材料的特點：高強度、高耐熱，具有極好的強度和耐磨性、耐熱、耐老化、耐水解性能極佳，是新一代的耐熱型聚氨酯彈性體。此種密封圈比較適合灌裝過程動作的重復性和高強度性。密封圈外徑為28mm，內徑為14mm，厚度為7mm。
閥體中閥球同樣選用不銹鋼材料，牌號為1Cr18Ni9Ti。
4.2 托瓶升降機構的設計
旋轉型灌裝機是由氣缸中氣體體積伸縮變化所產生的氣體壓力來控制托瓶升降機構的托瓶升起過程，若氣缸動作大，氣壓就就大，從而使托瓶的升降更快速、迅捷；然而同時也會使安裝在缸筒上的軸承圓柱凸輪的壓力增大。氣缸中氣體壓力通常為P=0.8~1Mpa。
由上面設計可知，本次選用的托瓶升降機構為機械與氣動組合式托瓶機構。
圖4.2為機械與氣動式托瓶機構結構圖。柱塞5是固定的，套筒2是可以滑動的。壓縮空氣從環(huán)管8進入，經柱塞5內腔、密封墊4和空心螺釘3內的中心孔進入套筒2的上部空間，使套筒2和托瓶臺1以柱塞5為導柱上升；灌裝結束后，為減少能量消耗，立即停止供送壓縮空氣并打開減壓排氣閥，由凸輪導軌6的下降廓線形與滾動軸承7控制托瓶臺與套筒的下降[8]。柱塞內空氣被排到環(huán)管中，然后通過環(huán)管進入其他待上升的托瓶氣缸內 [7] 。
1—托瓶臺；2—套筒；3—螺釘；4—密封墊；5—柱塞；
6—凸輪導軌；7—滾動軸承；8—方墊塊；9—環(huán)管；10—卡塊
圖4.2 機械與氣動組合式托瓶機構結構圖
4.2.1 托瓶臺的設計
托瓶臺是啤酒瓶的承載部件，其頂部與啤酒瓶底部直接接觸，因此托瓶臺尺寸根據(jù)啤酒瓶底部尺寸進行設計。已知啤酒瓶底部直徑為75mm，則托瓶臺頂部直徑可設計為90mm，厚度取10mm。由圖可知托瓶臺與氣缸連接在一起配合動作，從而托瓶臺下部外徑為65mm，內徑為55mm，長度為12mm。采用過盈連接將托瓶臺與套筒的連接在一起，這樣既可以保證托瓶機構的密封性，也可以防止托瓶臺在工作過程中發(fā)生晃動，從而使灌裝過程能夠穩(wěn)定進行，并且也保證了灌裝的精度。
托瓶臺工作需要足夠的強度，能夠承載動態(tài)的工作壓力，并應具有抵抗