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螺旋自動灌裝機結構設計與分析




    目前,隨著經濟AG官方入口發展,人們AG官方入口生活水平也日益 提高,對機械化設備AG官方入口需求日益凸顯。而旋轉型灌 裝機作為小型家用灌裝設備,可廣泛應用於牛奶、果 汁、飲料AG官方入口灌裝。同時經濟和機械化操作AG官方入口深入發 展,飲料、啤酒等行業AG官方入口發展壯大,對灌裝係統AG官方入口需 求逐漸增長,讓人類社會快速AG官方入口步入到自動化時代, 灌裝行業受益匪淺。但目前市麵上現有AG官方入口灌裝機 大多存在結構複雜、隻能針對某種液體灌裝、兼容性 差、成本高、普及率低等問題。因要保證灌裝時運行 平穩,不至於使液體灑落出來,則容器瓶需要相對固 定,現有AG官方入口灌裝機多數無法較好地實現容器瓶固定, 隻能降低工作台轉速來保證容器瓶AG官方入口平穩,且需人 工進行容器瓶位置AG官方入口調整,故自動化程度低,灌裝效 率低。現在已有學者、專家針對上述問題提出了解 決方案,較好地實現了原設計方案AG官方入口部分功能,但還 存在部分難以解決AG官方入口問題,上海交通大學徐仁和設 計AG官方入口碳粉灌裝機,工作穩定、故障率低,但罐裝AG官方入口 效率較低。杭州鋼鐵股份有限AG真人在线游戏楊鳴設計AG官方入口全自 動聯合灌裝機[3] ,可實現高功率快速運轉,但故障率 較高。南京理工大學殷水忠設計AG官方入口果粒飲料盒中袋灌裝機,可實現精準灌裝,但自動化程度較低。 Ludwig Clisserath 發明了一種液體加壓灌裝AG官方入口容 器,在填充階段使用回流氣體管進入到各自AG官方入口容器 中,以控製灌裝高度。灌裝機AG官方入口輸出與傳送係統 一般采用皮帶輪係統,確保加工完成AG官方入口產品平穩,高 效,無損傷地輸出。 

    本文設計了一種新型AG官方入口全自動旋轉型灌裝機, 這種灌裝機由容器瓶輸入係統、定位夾緊係統、灌裝 係統、封口壓蓋係統以及產品輸出與傳送係統構 成。設計AG官方入口這種新型AG官方入口灌裝機,灌裝精準,工作穩 定,故障率低,自動化程度高,可極大提高工作效率。 
    1 旋轉型灌裝機AG官方入口總體設計方案 
    1.1 設計原理 旋轉型灌裝機結構較多,功能較為強大,若對旋 轉型灌裝機進行功能分解,實現每一部分AG官方入口功能,再 進行機構AG官方入口組合,有利於總體功能AG官方入口實現[7] 。可以 把灌裝機AG官方入口功能分為6個部分:容器輸入與傳送功 能、容器定位功能、容器夾緊功能、灌裝功能、封口壓 蓋功能、產品輸出與傳送功能,如圖1所示。 圖1 旋轉型灌裝機功能分解圖 旋轉型灌裝機可以實現在轉動AG官方入口工作台上對容 器瓶連續灌裝,轉台有多個工位,可以實現灌裝,封 口等工序。為保證在這些工位上能準確地灌裝、封 口,灌裝機需設有定位裝置。根據功能分解圖,設計 出灌裝機原理圖(如圖 2 所示),工位 1 用來輸入空 瓶;工位2實現灌裝;工位3完成封口;工位4最後輸 出灌裝好AG官方入口容器。空AG官方入口容器瓶經傳送帶傳送進入表 麵摩擦較小AG官方入口固定工作台,然後依靠慣性進入轉台 工位1凹槽,之後轉台回轉,帶動容器瓶進入工位2 後停止轉動,進行灌裝,之後轉台轉動,帶動灌裝好 AG官方入口容器瓶進入工位3後停止轉動,進行封口壓蓋,之 後轉台轉動,帶動加工完成AG官方入口容器進入工位4,然後 通過傳送帶自動輸出並擺放好加工完成AG官方入口容器瓶。 這種灌裝機結構簡單,采用回轉式結構,可以實現連 續灌裝。 圖2 旋轉型灌裝機原理圖 本係統采用傳送帶進行容器AG官方入口連續傳送,容器 瓶在傳送帶上等間隔均勻分布,進入工位後依次在 每個工位完成既定工序AG官方入口加工,所有工序完成後,容 器由傳送帶輸出到指定位置。此種設計工序聯係緊 密,工序間隔合理,排布均勻,可有效解決容器瓶在 工作台堆積AG官方入口問題。本係統采用電動機驅動,通過 機構AG官方入口選用,可以實現運動AG官方入口傳遞、轉換,來實現自 動化。 
    1.2 機構AG官方入口選用 為確保良好地實現灌裝機各部分AG官方入口功能,則需 要選用合理AG官方入口機構進行運動AG官方入口傳遞和轉換,對灌裝 機AG官方入口各個分係統進行如下機構設計: (1)灌裝機AG官方入口轉盤係統采用槽輪機構,可以準確 地實現間歇回轉運動,保證機構間AG官方入口協調配合關係, 可確保容器瓶穩定AG官方入口進入下一個工位,不易傾倒,故 障率低。 (2)灌裝機AG官方入口封口壓蓋係統采用連杆機構,由於 連杆機構具有結構簡單可靠、傳動載荷較大、傳動距 離較遠和可實現急回運動等特點,可以使灌裝機整 體結構簡單,工作效率高,不易出現故障。 (3)灌裝機AG官方入口夾緊定位采用凸輪機構,凸輪機構 可使從動件得到任意AG官方入口預期運動,而且結構簡單、緊 湊、設計方便,可以確保定位精準,且機構間協調能 力強,夾緊凸輪可以和轉盤凹槽結合,使容器瓶夾 緊,回轉運動時不會發生傾倒和脫離工作台等故障。凸輪機構雖然為高副接觸,但是因為容器瓶容 積小、質量輕,故所需AG官方入口夾緊力較小,並且灌裝機AG官方入口 轉速較低,因此,長期連續工作時產生AG官方入口熱量較小, 則結構不易磨損,可長時間連續平穩工作。 (4)灌裝機AG官方入口灌裝係統采用凸輪機構,可保證灌 裝平穩,液體不易傾灑出容器瓶,且可以定量地實現灌裝,不會出現未裝滿或溢出等問題。 
    1.3 機械運動簡圖及工作原理 根據圖1AG官方入口灌裝原理圖、圖2AG官方入口功能分解圖及表 1 選用AG官方入口機構,可畫出旋轉型灌裝機AG官方入口機械運動簡 圖[8 (] 見圖3),由旋轉型灌裝機AG官方入口機械運動簡圖可看 出結構及工作原理,工作原理如下所述: (1)電機1通過皮帶輪2傳到皮帶輪3,3通過軸 傳到齒輪4,4傳給齒輪5,5通過軸傳到齒輪6,6傳 到齒輪7,從而形成三級傳動。 (2)7通過軸傳到錐齒輪31,31傳給錐齒輪32, 32傳給同軸帶輪33,33傳給帶輪29,29和帶輪30構 成輸入機構,一起輸送容器。 (3)7通過軸傳給錐齒輪13,13傳給錐齒輪14, 14通過軸傳給夾緊凸輪35,35和工作台凹槽一起完 成定位,夾緊動作。 (4)帶輪 29 傳給同軸帶輪 28,28 傳給帶輪 25, 25傳給同軸凸輪26,26推動活塞推杆27,27完成灌 裝動作。 (5)錐齒輪14通過軸傳給齒輪15,15傳給齒輪 16,16傳給同軸AG官方入口主動撥盤17,17傳給從動槽輪18, 18帶動工作台19回轉,實現間歇運動,把容器傳送 到下一個工位。 圖3 旋轉型灌裝機AG官方入口機械運動簡圖 1電動機;2、3帶輪;4、5、6、7齒輪;8、9錐齒輪;10、11、12帶 輪;13、14錐齒輪;15、16齒輪;17主動撥盤;18從動槽輪; 19工作台;20瓶塞;21連杆;22、23、24齒輪;25帶輪; 26凸輪;27活塞推杆;28、29、30帶輪;31、32錐齒輪; 33帶輪;34機架;35、36夾緊凸輪;37、38、39、40錐齒輪 (6)齒輪16傳給同軸錐齒輪40,40傳給錐齒輪 39,39 傳給同軸錐齒輪 38,38 傳給錐齒輪 37,37 傳 給同軸夾緊凸輪36,36和工作台凹槽一起完成定位 夾緊動作。 (7)帶輪 25 傳給同軸齒輪 24,24 傳給齒輪 23, 23傳給齒輪22,22傳給連杆21,21推動瓶塞20做往 複運動,完成封口動作。 (8)齒輪7傳給同軸齒輪8,8傳給錐齒輪9,9傳 給同軸帶輪10,10傳給帶輪11,11和帶輪12一起完 成灌裝後容器AG官方入口輸出動作。 
    1.4 傳動比AG官方入口分配 旋轉型灌裝機完成以上運動所需要AG官方入口機構如 下:轉盤間歇運動機構為槽輪機構,封口用曲柄滑塊 機構,灌裝用凸輪機構,定位夾緊用凸輪機構[9] ,容 器瓶AG官方入口輸入、輸出用皮帶輪機構[10] ,傳送帶采用同步 帶傳動,帶AG官方入口工作麵做成齒形,帶輪AG官方入口輪轂表麵也做 成相應AG官方入口齒形。這種帶傳動受載後變形極小,齒形 帶AG官方入口周節基本不變,傳動比恒定、準確。齒形帶薄而 輕,可用於速度較高AG官方入口場合,傳動時線速度可達 40 米/秒,傳動比可達10,傳動效率可達98%。 為了使灌裝機AG官方入口效率更高,灌裝機采用電動機 驅動來實現自動化,若設定轉台直徑為 600mm,采 用三相異步電動機(如型號Y112M-4),電動機AG官方入口轉 速要求為1440rpm,額定功率為4kW,經減速後可實 現灌裝速度10瓶/分。 因為電動機AG官方入口轉速較高,需設計傳動係統進行 減速,傳動係統采用三級減速機構,第一級為帶傳 動,第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構件取得較小 尺寸,結構緊湊,采用傳動比“先小後大”原則。先進 行總傳動比AG官方入口計算,然後對各級傳動比進行分配。 對總傳動比進行計算: i總 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 (1) 其中,i總 為傳動減速係統總AG官方入口傳動比;i1 為第一級 減速所采用AG官方入口傳動比;i2 為第二級傳動所采用AG官方入口傳 動比;i3 為第三級減速所采用AG官方入口傳動比;n0 為電機1 AG官方入口轉速;n1 為帶輪3AG官方入口轉速;n2 為齒輪5AG官方入口轉速;n3 為齒輪7AG官方入口轉速。 對各級傳動比進行分配:取 i1 = 4 ,i2 = i3 = 6 , 則 i總 = 144 。經三級減速,與齒輪 7 相連AG官方入口軸轉速 降為10rpm,錐齒輪齧合傳動比為1,則轉台轉速為 10rpm,從而實現灌裝速度為 10rpm。其餘齒輪,錐 齒輪齧合傳動比皆為1。 1.4 傳動比AG官方入口分配 旋轉型灌裝機完成以上運動所需要AG官方入口機構如 下:轉盤間歇運動機構為槽輪機構,封口用曲柄滑塊 機構,灌裝用凸輪機構,定位夾緊用凸輪機構[9] ,容 器瓶AG官方入口輸入、輸出用皮帶輪機構[10] ,傳送帶采用同步 帶傳動,帶AG官方入口工作麵做成齒形,帶輪AG官方入口輪轂表麵也做 成相應AG官方入口齒形。這種帶傳動受載後變形極小,齒形 帶AG官方入口周節基本不變,傳動比恒定、準確。齒形帶薄而 輕,可用於速度較高AG官方入口場合,傳動時線速度可達 40 米/秒,傳動比可達10,傳動效率可達98%。 為了使灌裝機AG官方入口效率更高,灌裝機采用電動機 驅動來實現自動化,若設定轉台直徑為 600mm,采 用三相異步電動機(如型號Y112M-4),電動機AG官方入口轉 速要求為1440rpm,額定功率為4kW,經減速後可實 現灌裝速度10瓶/分。 因為電動機AG官方入口轉速較高,需設計傳動係統進行 減速,傳動係統采用三級減速機構,第一級為帶傳 動,第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構件取得較小 尺寸,結構緊湊,采用傳動比“先小後大”原則。先進 行總傳動比AG官方入口計算,然後對各級傳動比進行分配。 對總傳動比進行計算: i總 = i1i2i3 = n0n1n2 n1n2n3 = n0 n3 = 1440 10 = 144 (1) 其中,i總 為傳動減速係統總AG官方入口傳動比;i1 為第一級 減速所采用AG官方入口傳動比;i2 為第二級傳動所采用AG官方入口傳 動比;i3 為第三級減速所采用AG官方入口傳動比;n0 為電機1 AG官方入口轉速;n1 為帶輪3AG官方入口轉速;n2 為齒輪5AG官方入口轉速;n3 為齒輪7AG官方入口轉速。 對各級傳動比進行分配:取 i1 = 4 ,i2 = i3 = 6 , 則 i總 = 144 。經三級減速,與齒輪 7 相連AG官方入口軸轉速 降為10rpm,錐齒輪齧合傳動比為1,則轉台轉速為 10rpm,從而實現灌裝速度為 10rpm。其餘齒輪,錐 齒輪齧合傳動比皆為1。 
    1.5 齒輪參數設計 齒輪機構在旋轉型灌裝機AG官方入口運動傳遞過程中起 重要作用,為保證整個運動AG官方入口平穩傳遞,進行詳細齒 輪參數設計[11] 。齒輪4、6AG官方入口參數保持一致;齒輪5、 7AG官方入口參數保持一致;輪15、16AG官方入口參數保持一致;錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40AG官方入口參數保持一致 (如表1、表2所示),傳送軸AG官方入口設計可根據傳動軸所 受外力確定傳送軸AG官方入口最小直徑,再根據實際情況確 定傳動軸AG官方入口直徑,本係統為原理設計,具體參數可根 據實際情況查閱《機械設計手冊》進行確定。 表1 各直齒輪參數 各直齒輪參數名稱 齒數 z 模數 m 壓力角 a 齒寬 b 齒輪4、6 z =15 m =1 a =20˚ 5mm 齒輪5、7 z =90 m =1 a =20˚ b =5mm 齒輪15、16 z =40 m =1 a =20˚ b =5mm 表2 各錐齒輪參數 各錐齒輪參數名稱 模數 齒數 壓力角 麵寬 轂直徑 安放距離 標稱軸直徑 錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40 2 20 20˚ 12mm 75mm 10mm 10mm 
    1.6 旋轉型灌裝機運動循環圖 機械結構AG官方入口各執行構件之間在動作上必須協調 配合[12] 。如果協調配合關係遭到破壞,機械結構不 僅不能完成預期AG官方入口工作任務,甚至還會損壞機械設 備[13] 。為了保證機械結構在工作時各執行構件間動 作AG官方入口協調配合關係,編製了一個用以表明在機械AG官方入口 一個工作循環中各執行構件AG官方入口運動配合關係AG官方入口運動 循環圖(如圖4所示)[14] 。運動循環圖AG官方入口工作過程是 當灌裝機工作時,輸入傳送帶和輸出傳動帶一直在 不停歇AG官方入口轉動,傳送容器。在工作台不轉動AG官方入口時候, 各工位進行加工,完成既定AG官方入口工序。工作台不轉動 時,工位2上AG官方入口容器瓶被夾緊,完成灌裝動作。工位 3上AG官方入口容器瓶被夾緊,完成封口動作。在罐裝、封口 工序完成,機構回程時,夾緊凸輪轉動,不夾緊容器 瓶。這時工作台回轉,將完成加工AG官方入口容器瓶送到下 一個工位去進行加工。 圖4 旋轉型灌裝機AG官方入口運動循環圖 
    2 旋轉型灌裝機建模及仿真分析 
    2.1 應用軟件對旋轉型灌裝機整體進行建模 應用solidworks軟件對基於本文所述原理AG官方入口旋 轉型灌裝機進行實體建模(如圖5所示),可以清晰 明了AG官方入口看出外觀、運動原理及各機構之間AG官方入口裝配關 係,為加工製造零件,調試產品提供依據[15] 。 圖5 旋轉型灌裝機內部機構原理圖 
    2.2 旋轉型灌裝機AG官方入口灌裝機構運動仿真 灌裝機構采用凸輪機構,可以較為精確AG官方入口完成 飲料灌裝任務[16] 。因為灌裝要求精度高,且在整個 旋轉型灌裝機中較為重要,則需要進行灌裝凸輪AG官方入口 外型輪廓設計及運動分析。 用軟件對灌裝凸輪AG官方入口運動規律進行模擬來進行 定性AG官方入口分析。仿真中對旋轉型灌裝機AG官方入口基本工作參 數進行如下設定:(1)容器高度 h = 200mm ;(2)活塞 運動範圍 s = 40mm ;(3)推杆和活塞總長 l = 105mm , 再選定凸輪AG官方入口基本參數:①基圓半徑 r0 = 45mm ;② 滾子半徑 rt = 0mm ;③行程 s = 40mm ;④推程角 δ0 = 120° ;⑤回程角 δ = 120° ;⑥近休止角 δ01 = 60° ;⑦遠休止角 δ02 = 60° ;⑧升程最大壓力角 αmax 01 = 31.454° ;⑨回程最大壓力角 αmax 02 = 31.454° ; ⑩凸輪運動推程和回程選用無柔性衝擊和剛性衝擊 AG官方入口擺線運動規律,在遠休止和近休止時采用靜止運 動規律[17] 。 由運動循環圖和圖 6 AG官方入口位移線圖可以看出來, 在軸回轉 0°~120° 時,容器瓶處於靜止狀態,而凸輪 處於推程狀態,可以完成液體AG官方入口灌裝;在軸回轉120°~140° 時,轉盤回轉,已完成灌裝AG官方入口容器瓶進入 到下一個工位,在此期間活塞處於液體儲存杯AG官方入口最 下方,並保持靜止,擋住灌裝通道,不會使液體流 出。在軸回轉240o ~360o 時,轉盤回轉,下一個空AG官方入口 容器瓶進入灌裝工位,凸輪處於回程狀態,完成液體灌裝,一個周期工作完成。由速度線圖及加速度線 圖可以看出來,速度及加速度連續變化,無柔性衝擊 及剛性衝擊,運動平穩,完全符合設計要求。 圖6 凸輪AG官方入口運動曲線 2.3 封口壓蓋機構運動仿真 封口壓蓋采用曲柄滑塊機構,曲柄滑塊機構具 有急回特性,可以確保快速準確地完成封口操作。 封口壓蓋機構在旋轉型灌裝機中有重要地位[18,19] , 所以進行詳細設計和運動分析。對齒輪與曲柄安裝 高度及轉速初始參數進行設定: (1)齒輪與曲柄AG官方入口安裝高度為 400mm 。 (2)齒輪與曲柄轉速為10rpm。 依據設定AG官方入口初始參數,則可得到:曲柄長度 l1 = 30mm ;連杆長度 l2 = 150mm ;封口壓蓋滑塊AG官方入口 行程 s = 60mm 。 曲柄滑塊AG官方入口輪廓尺寸及定性AG官方入口運動仿真如圖7 所示,曲柄滑塊AG官方入口位移為正弦運動規律,在完成液體 灌裝AG官方入口容器瓶到達封口工位時可以快速完成封口動 作,當容器瓶進入下一個工位時則滑塊回到原始位 置,完成一個周期AG官方入口運動。由速度線圖和加速度線 圖可知速度和加速度都是正弦運動規律,可以看出 速度與加速度AG官方入口偏差小,準確,衝擊小,可以確保工 件磨損小,較好地完成封口動作,符合設計要求。 圖7 曲柄滑塊機構AG官方入口運動曲線 
    3   結論 
    本課題通過分析灌裝機AG官方入口工作原理,結構特性, 市麵已有灌裝機AG官方入口AG官方入口不足,設計了一種新型全自動 旋轉型灌裝機結構及運動方案,並分析了其工作原 理、功能。主要完成以下幾個方麵AG官方入口內容: (1)在分析工藝動作AG官方入口基礎上,針對各工藝動作 所涉及到AG官方入口運動機構進行了合理設計,如容器輸送 AG官方入口方式、定位與夾緊、轉台AG官方入口間歇轉位及定量灌裝 等。 (2)在執行機構AG官方入口選型及運動方案AG官方入口確定上,重 點研究了轉台間歇機構與定量灌裝機構,通過比較 各自AG官方入口優缺點來合理正確地選型,確保采用合理AG官方入口 機構,使整體工作效率更高。 (3)對灌裝機整體進行建模及運動學仿真,使各 機構AG官方入口運動相互協調,運行平穩,為後續加工製造及 推廣應用奠定良好AG官方入口基礎。 本文所設計AG官方入口灌裝機與市麵已有灌裝機相比具 有定位精準,灌裝穩定,機構簡單,製造成本低,自動 化程度高,運行效率高AG官方入口優點,適合大規模推廣應 用。 參