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任務(wù)書
論文(設(shè)計(jì))題目：500ml啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月20日
1.選題依據(jù):
啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)線上，其結(jié)構(gòu)和控制性能的優(yōu)劣直接影響定量啤酒灌裝的工作效率、精度和成本。以其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為題可有效地培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的能力及對所學(xué)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。
2.論文要求(設(shè)計(jì)參數(shù)):
1.學(xué)習(xí)理解設(shè)計(jì)對象工作原理，擬定設(shè)計(jì)方案；
2.啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括關(guān)鍵部件、組件及零件選型、設(shè)計(jì)、校核；
3.繪制相關(guān)工程圖紙，圖量不少于3張A0，必須含有部分3D圖；
4.書寫設(shè)計(jì)說明書，不少于6000字；
5.翻譯一篇與設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的外文文獻(xiàn)，不少于2000字。
3.個(gè)人工作重點(diǎn):
1.整理參考文獻(xiàn)，理解多自由度機(jī)械手工作原理，進(jìn)行定量灌裝機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；
2.灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、選型、校核計(jì)算。
4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作:
第1周：明確畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，指導(dǎo)查閱參考文獻(xiàn)。 第2周：指導(dǎo)如何整理參考文獻(xiàn)。
第3周：指導(dǎo)書寫開題報(bào)告注意事項(xiàng)。
第4周：檢查開題報(bào)告，提出指導(dǎo)意見，指導(dǎo)開題報(bào)告答辯。 第5周：上交開題報(bào)告終稿，擬定定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。第6周：動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及組成元件選擇計(jì)算。
第7周：灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及組成元件選擇計(jì)算。第8周：灌裝機(jī)構(gòu)組成元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第9周：繪制總裝裝配圖。
第10周：圖紙繪制及校核計(jì)算。 第11周：繪制設(shè)計(jì)對象的3D圖紙。第12周：檢查修改所有設(shè)計(jì)圖紙。
第13周：書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，翻譯與本設(shè)計(jì)相關(guān)的英文文獻(xiàn)。 第14周：準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn):
[1] 鄭秀麗,楊曄,謝勝終. 智能控制模塊下的數(shù)字齒輪泵定量灌裝[J]. 輕工機(jī)械, 2015, 5: 50-51 [2] 龔雨豪,祝熔杰,鄭秀麗. 精密定量灌裝進(jìn)出料口的設(shè)計(jì)與分析[J]. 科技信息, 2013, 20: 142 [3] 李明,李麗娟,楊松,程國清. 全自動(dòng)液體定量灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2013, 5:
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[4] 陳軍陽. 稱重式灌裝系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2011, 7: 28-29+98
[5] 張德芹,徐世許,吳光強(qiáng). 基于PLC的定量灌裝控制系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2014, 8: 127- 128
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指導(dǎo)教師簽字：
XX
教研室主任意見：
同意
簽字：XX 2017年12月14日
教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)意見：
同意
簽字：XX 2017年12月15日 學(xué)院公章
500ml啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國經(jīng)濟(jì)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(dòng)了灌裝機(jī)械的發(fā)展。啤酒灌裝是啤酒生產(chǎn)的最后一道工序，灌裝工藝和設(shè)備的優(yōu)劣直接影響到啤酒的成品質(zhì)量、成本和銷售效果，進(jìn)而影響到啤酒的整體生產(chǎn)效率。
本次設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容是500ml啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括三個(gè)部分：灌裝部分的設(shè)計(jì)、托瓶升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和輔助零件的設(shè)計(jì)。灌裝部分主要是灌裝閥，是灌裝機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)行，要求以最快的速度連接或切斷儲(chǔ)液箱、氣室和灌裝容器之間的液體流動(dòng)通道。本設(shè)計(jì)擬定選用盤式灌裝閥。升瓶機(jī)構(gòu)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(jìn)行灌裝，灌裝完成后將啤酒瓶降到指定位置，這樣送瓶機(jī)構(gòu)就可以將啤酒瓶送到指定的輸送鏈上進(jìn)行輸送。本次設(shè)計(jì)選擇機(jī)械與氣動(dòng)組合式升降機(jī)構(gòu)。輔助零件主要包括旋轉(zhuǎn)主軸、灌裝臺(tái)等。
本次灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分同步運(yùn)動(dòng)，以此提高啤酒灌裝的準(zhǔn)確性和高效性。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)啤酒的大量生產(chǎn)以及帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：灌裝機(jī)；灌裝閥；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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
IV
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 選題研究的意義與價(jià)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(nèi)容 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)確定 3
2.2 灌裝方法確定 4
2.3 定量方法確定 4
2.4 灌裝主要機(jī)構(gòu)確定 7
3 灌裝機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 11
3.2 灌裝機(jī)構(gòu)輸送管路的計(jì)算 12
3.3 灌裝時(shí)間的確定 13
3.4 灌裝傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14
4 主要部件的設(shè)計(jì) 20
4.1 灌裝部分的設(shè)計(jì) 20
4.2 托瓶升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
4.3 輔助零件的設(shè)計(jì) 29
5 灌裝機(jī)構(gòu)總體裝配 32
6 結(jié) 論 34
參 考 文 獻(xiàn) 35
致 謝 36
1 緒論
1.1 選題研究的意義與價(jià)值
灌裝飲料在國際市場上的迅速發(fā)展，對飲料生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)與研究，起到一定的推動(dòng)作用，事實(shí)上，液體產(chǎn)品及飲料的生產(chǎn)技術(shù)中，灌裝是重要的環(huán)節(jié)，而灌裝技術(shù)和設(shè)備的優(yōu)劣則直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而影響整體的生產(chǎn)效益。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，各種先進(jìn)的灌裝系統(tǒng)不斷的得到開發(fā)研究。灌裝設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念，以衛(wèi)生為首要從生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益來看，能準(zhǔn)確快捷地把產(chǎn)品灌裝到容器里是至關(guān)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(dòng)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(jìn)行液體定量灌裝是一項(xiàng)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)，其發(fā)展直接影響到關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性[3]。同時(shí)，液體定量灌裝具有以下優(yōu)勢：（1）改善產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)市場競爭能力；（2）能改善勞動(dòng)條件，避免污染危害環(huán)境；（3）能節(jié)約原材料減少浪費(fèi)，降低成本；（4）能提高生產(chǎn)效率，加速產(chǎn)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(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的發(fā)展和人們物質(zhì)水平的提高，促進(jìn)了包裝行業(yè)的高速發(fā)展，也給包裝機(jī)械行業(yè)帶來史無前例的前景與挑戰(zhàn)。包裝機(jī)械是包裝工業(yè)的根本，其先進(jìn)程度決定了包裝行業(yè)的發(fā)展水平。灌裝機(jī)械屬于包裝機(jī)械中的一種機(jī)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(gè)新的機(jī)械行業(yè)，隨著人們生活需求，包裝機(jī)械每年都以較快的速度增長，給包裝機(jī)械的成長帶來了無限前景[5]。
就生產(chǎn)效率方面來看：美、日、德、意作為世界四大包裝機(jī)械制造強(qiáng)國，都比較重視用戶和市場需要，其以增加生產(chǎn)率作為設(shè)備制造的重要目標(biāo)。德國目前飲料灌裝速度可高達(dá)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(jī)械速度達(dá)到 350 袋/min。意大利生產(chǎn)的小劑量顆粒包裝機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)鼓式計(jì)量，連續(xù)式封合并裁切，一機(jī)多工位，包裝速度可達(dá) 120 袋/min。以啤酒飲料灌裝設(shè)備為例由德國克朗斯公司制造的易拉罐包裝線能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 7.2 萬瓶/h[4]。
就設(shè)備結(jié)構(gòu)上：國外設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)械力求零部件不斷減少、產(chǎn)品的可靠性不斷提高、產(chǎn)品的成本逐漸下降，隨著灌裝設(shè)備結(jié)構(gòu)的不斷簡化，使得設(shè)備的操作及維修更加方便。例如，德國的貼標(biāo)機(jī)大大的減少了轉(zhuǎn)換部件數(shù)量，設(shè)備的使用和維護(hù)更加方便。
設(shè)備功能上：灌裝機(jī)對產(chǎn)品對象的適應(yīng)性更廣，其市場競爭力逐步增強(qiáng)。同一臺(tái)灌裝設(shè)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(yīng)封口形式的變化[4]。
從灌裝機(jī)技術(shù)角度來看，主要表現(xiàn)在科技含量高、可靠性強(qiáng)，全自動(dòng)化控制和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。在加工過程中實(shí)時(shí)在線檢測裝置和計(jì)量裝置配備齊全，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、計(jì)量精確無誤。灌裝機(jī)械是集成了機(jī)、電、氣、光、磁為一體機(jī)械設(shè)備，其中德國占有該領(lǐng)域較好的主導(dǎo)地位[5]。
國外對液體灌裝系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，自動(dòng)化程度高，灌裝效果好。國內(nèi)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(jī)器造成污染，影響產(chǎn)品的清潔度；起泡現(xiàn)象則會(huì)影響產(chǎn)品外觀。
經(jīng)過近幾十年的技術(shù)不斷提升，我國灌裝機(jī)行業(yè)取得了一定的成績，灌裝機(jī)械的發(fā)展來看，走的是一條典型的“引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、自主創(chuàng)新、逐步國產(chǎn)化”的道路。國內(nèi)灌裝機(jī)生產(chǎn)廠家大多在仿制的基礎(chǔ)上通過結(jié)合高新技術(shù)，發(fā)展出了自己的特色我國在食品灌裝機(jī)械業(yè)已經(jīng)獲得了可喜的業(yè)績。例如，國內(nèi)第一條5萬瓶/小時(shí)高速啤酒灌裝生產(chǎn)線由南京輕機(jī)集團(tuán)自主研發(fā)生產(chǎn)在而成已經(jīng)在百威英博啤酒集團(tuán)有限公司已經(jīng)在生產(chǎn)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(chǎn)線，使得我國啤酒包裝裝備行業(yè)有一個(gè)新的高度[5]。
目前中國灌裝機(jī)械對國外高端技術(shù)的依賴程度還比較高，對于關(guān)鍵和核心的零部件不能自主生產(chǎn)，這些同樣制約了中國灌裝機(jī)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(jì)顯示，我國每年要花費(fèi)大量的資金作為機(jī)械裝備的購買。由于購買外國設(shè)備成本高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大，維修麻煩等問題[5]。
目前我國的灌裝機(jī)械與西方發(fā)達(dá)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(gè)方面：在產(chǎn)品的加工制造方面，我國的主機(jī)速度集中在中等水平，主機(jī)的制造與國外先進(jìn)的設(shè)備相比，穩(wěn)定性和可靠性較差；在設(shè)計(jì)方面，對機(jī)械設(shè)計(jì)和優(yōu)化的相關(guān)理論研究較少，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來優(yōu)化設(shè)計(jì)灌裝機(jī)械零部件較為缺乏。主要以經(jīng)驗(yàn)為主來指導(dǎo)生產(chǎn)；在產(chǎn)品外觀和零部件的質(zhì)量方面，我國的灌裝機(jī)外觀設(shè)計(jì)不夠大方美觀；在人體工學(xué)等方面設(shè)計(jì)還有欠缺。材料達(dá)不到規(guī)定的要求，導(dǎo)致零部件比發(fā)達(dá)國家灌裝機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量差。發(fā)達(dá)國家的灌裝機(jī)電氣元件選用較好，由于成本限制等因素使得國內(nèi)灌裝機(jī)選用的元器件使用時(shí)間不長，可靠性較低，導(dǎo)致產(chǎn)品整體的性能不高。國產(chǎn)灌裝機(jī)機(jī)械性能不穩(wěn)定，重復(fù)灌裝精度低，普遍運(yùn)行低速度、結(jié)構(gòu)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(jī)械未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方向：
（1）灌裝機(jī)械設(shè)備趨向大型化。
（2）灌裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單合理。
（3）灌裝設(shè)備向多功能化發(fā)展。
（4）灌裝機(jī)械向光、機(jī)、電、氣、磁一體化方向發(fā)展。
（5）運(yùn)行速度高速化、高產(chǎn)量。
（6）設(shè)計(jì)綠色化。
（7）智能化[4,5]。
1.3 選題研究的內(nèi)容
1.3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本文主要研究啤酒定量灌裝機(jī)構(gòu)，主要包括三個(gè)部分：灌裝部分設(shè)計(jì)、托瓶升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和輔助零件設(shè)計(jì)。本次灌裝方法選用等壓法。?
1.3.2 設(shè)計(jì)要求?
（1）灌裝閥要求能夠很快的速度連通或切斷儲(chǔ)液箱、氣室和灌裝容器之間液體流動(dòng)的通道，確保灌裝工藝過程順利進(jìn)行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)啤酒的定量控制。
（2）托瓶升降機(jī)構(gòu)要求運(yùn)行平穩(wěn)、迅速、準(zhǔn)確，安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單，托瓶升降實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。?
（3）輔助零件主要包括旋轉(zhuǎn)主軸和灌裝臺(tái)等，因此要求主軸、灌裝臺(tái)等滿足剛度、強(qiáng)度等要求。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)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(chǎn)能力：4320-5760瓶/小時(shí)
2.2 灌裝方法確定
2.2.1 灌裝方法分類
根據(jù)液料產(chǎn)品的物理化學(xué)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(dòng)進(jìn)入包裝容器，整個(gè)灌裝系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)。其工作過程為：①進(jìn)液排氣；②達(dá)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(zhǔn)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(chǎn)品[7]。
（2）等壓法灌裝
等壓法灌裝是在儲(chǔ)液箱上部氣室中使用壓縮空氣，先將空容器充氣，使內(nèi)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(jìn)液回氣；③停止進(jìn)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(chǎn)品的質(zhì)量和計(jì)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(jìn)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(jìn)入灌裝容器是通過外部機(jī)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(shí)也可灌裝含氣飲料等。
本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)構(gòu)用于啤酒灌裝，啤酒是含氣液體，即考慮到啤酒的工藝特點(diǎn)，以及通過對比以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件，本次設(shè)計(jì)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(nèi)液面高度達(dá)到定量灌裝的目的。由于每個(gè)填充液料體積等于具有一定高度的內(nèi)腔體積，所以通常用“以瓶定量”來表示。此法使用簡單結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǔ)液箱；9-調(diào)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(jìn)行定量，然后將計(jì)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(diào)節(jié)管；3—閥體；4—緊固螺母；5—密封圈；6—進(jìn)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(chǔ)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(fù)運(yùn)動(dòng)由動(dòng)力控制，物料從儲(chǔ)料缸吸入活塞缸，然后壓入灌裝容器中，每個(gè)灌裝物料的體積由活塞的往復(fù)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(chǎn)品所需要的定量精度，同時(shí)，還應(yīng)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(jī)械結(jié)構(gòu)角度，應(yīng)盡量選擇結(jié)構(gòu)簡單，易于操作、運(yùn)行和維護(hù)；從經(jīng)濟(jì)角度，應(yīng)盡量減少物料的損失，節(jié)約材料，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)是最簡單的，應(yīng)用廣泛。且本次設(shè)計(jì)的是啤酒的定量灌裝，結(jié)合其他機(jī)構(gòu)，所以本次設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)確定
2.4.1 灌裝閥的確定
將儲(chǔ)液箱中的液體填充到包裝容器中的機(jī)構(gòu)稱為灌裝閥。灌裝閥是灌裝機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)行，要求以最快的速度連接或切斷儲(chǔ)液箱、氣室和灌裝容器之間的液體流動(dòng)通道。
包裝容器與儲(chǔ)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(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)形式主要可分為3種類型[8]。
（1）單移閥
閥體中有一件可動(dòng)部分，它相對于不動(dòng)部分開閉閥時(shí)做往返一次的直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)可動(dòng)部分移動(dòng)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(dòng)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(jié)構(gòu)原理圖
② 柱面式
利用移動(dòng)塊柱面上的孔道與不動(dòng)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(jié)構(gòu)原理圖
（2）旋轉(zhuǎn)閥
閥體通過可動(dòng)部分相對于固定部分在開閉時(shí)做往復(fù)一次或多次的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，使氣兩個(gè)部分的孔眼在兩個(gè)擺動(dòng)極限點(diǎn)對正，以此以此來開閉液體通道。根據(jù)相對轉(zhuǎn)動(dòng)面是沿圓柱面（或圓錐面）還是平面進(jìn)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(zhuǎn)閥，多用于黏度較高液料的灌裝[7] ，如圖2.6所示。
1-凸輪轉(zhuǎn)柄；2—螺母；3—彈簧；4—進(jìn)氣管；5排氣管；6—液道；7—閥體；8-進(jìn)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(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)灌裝閥結(jié)構(gòu)原理圖
（3）多移閥
該閥屬于雙閥式或多閥式。其特征在于：當(dāng)閥門開啟和關(guān)閉時(shí)，閥體內(nèi)有若干可移動(dòng)的部件，這些部件可與不可移動(dòng)的部件作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)開啟和關(guān)閉控制液閥的方法不同，可分為氣動(dòng)和機(jī)械兩種類型[8]。
綜合以上各種灌裝閥的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及啤酒的性質(zhì)，因此，本次設(shè)計(jì)灌裝閥選擇圓盤式旋轉(zhuǎn)灌裝閥。
2.4.2 托瓶升降機(jī)構(gòu)的確定
托瓶升降機(jī)構(gòu)作用是將包裝容器托起，并上升到一定高度以便進(jìn)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(jìn)行下一步動(dòng)作。
托瓶機(jī)構(gòu)主要由機(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。
機(jī)械式依靠彈簧力抬起瓶子臺(tái)，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(jī)。氣動(dòng)式采用壓縮空氣作為動(dòng)力源。它具有良好的減震和緩沖能力，當(dāng)瓶失效時(shí)不易翻滾，但活塞的運(yùn)動(dòng)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(huì)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(jìn)入液體管道并校正瓶子。機(jī)械氣動(dòng)組合式轉(zhuǎn)動(dòng)可靠，循環(huán)管內(nèi)采用壓縮空氣。它只需補(bǔ)充泄漏，應(yīng)用廣泛，但凸輪導(dǎo)向也增加額外的潤滑，磨損和運(yùn)行阻力。對于等壓灌裝機(jī)，因已有空壓系統(tǒng)，宜采用氣動(dòng)式或機(jī)械與氣動(dòng)組合式托瓶機(jī)構(gòu)[7]
因?yàn)槠【乒嘌b為等壓法灌裝，又結(jié)合各個(gè)托瓶機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)機(jī)構(gòu)的選擇，因此本次設(shè)計(jì)托瓶機(jī)構(gòu)選用機(jī)械與氣動(dòng)組合式托瓶機(jī)構(gòu)。
2.4.3 輔助零件確定
輔助零件主要是旋轉(zhuǎn)主軸以及灌裝臺(tái)。
旋轉(zhuǎn)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(xiàng)結(jié)構(gòu)功能條件下，還需滿足足夠的強(qiáng)度和剛度。
灌裝臺(tái)主要起著旋轉(zhuǎn)、支撐和導(dǎo)向等作用，且灌裝臺(tái)是與旋轉(zhuǎn)主軸以及托瓶升降機(jī)構(gòu)配合在一起使用的。因此，在確定灌裝臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)還應(yīng)該滿足其他機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功能，且必須滿足一定的強(qiáng)度。
3 灌裝機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
本次設(shè)計(jì)的灌裝容量為500ml，參考相關(guān)資料可擬定啤酒瓶容積530ml，根據(jù)從相關(guān)的旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)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(chǔ)液箱半徑： r=24×1502π=600mm
查閱相關(guān)資料，參考同類別灌裝機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)擬定灌裝時(shí)間Tα為9s，于是，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]公式得主軸計(jì)算公式：
n=60T=60αα360°Tα=3.57r/min （3.1）
n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min；
αα ——灌裝區(qū)間角。
擬定儲(chǔ)液箱在裝有液料的時(shí)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(chǔ)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(zhuǎn)灌裝機(jī)是一個(gè)整體部件，它包括送瓶機(jī)構(gòu)、撥瓶機(jī)構(gòu)、壓蓋機(jī)構(gòu)和灌裝機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分，又灌裝機(jī)是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，所以，參考相關(guān)文獻(xiàn)和同類機(jī)組，現(xiàn)擬定：
進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)功率P1：1.2kW
出瓶機(jī)構(gòu)功率P2：0.6kW
升降機(jī)構(gòu)功率P3：0.5kW
壓蓋機(jī)功率P4：1.5kW
由此可估算灌裝機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選擇電動(dòng)機(jī)：
型號(hào)：Y132S-4，額定功率：5.5kW，額定轉(zhuǎn)速：1440r/min，最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：2.2，重量：68kg[13] 。
3.2 灌裝機(jī)構(gòu)輸送管路的計(jì)算
輸送管路是連接儲(chǔ)液箱和啤酒瓶口之間的管道，當(dāng)啤酒瓶充氣使之與儲(chǔ)液箱中壓力相等后，由于自重原因啤酒流入瓶里。灌裝機(jī)的輸送管路一般用圓管。設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選擇合適的直徑與壁厚。
3.2.1 圓管內(nèi)徑
由參考文獻(xiàn)[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(nèi)徑，m；
u——液料在管內(nèi)的流速，m/s；
V——體積流量，m2/s。
可見，欲求d必先求V機(jī)u。為此寫出：
V=Wρ=GbQmax3600ρ （3.9）
式中，W——管內(nèi)質(zhì)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(zhì)量，kg/pc，取0.5kg/pc；
Qmax——灌裝機(jī)最大生產(chǎn)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(yīng)根據(jù)圓管的工藝性能、工作環(huán)境等有關(guān)條件，按有關(guān)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(shí)間的確定
由前面的設(shè)計(jì)可知本次啤酒灌裝方法為等壓法，此法設(shè)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(shè)計(jì)擬采用液位控制定量法，經(jīng)過查閱相關(guān)資料以及類比同類型的灌裝機(jī)參數(shù)現(xiàn)選定灌裝區(qū)所占時(shí)間Tα=9s。
3.3.1 灌裝機(jī)的工藝計(jì)算
旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力：
Q=60nj （3.10）
式中，n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min。
可見，想提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力就得增加頭數(shù)j和轉(zhuǎn)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(tái)等的直徑就要加大，從而使得設(shè)備重量增加；而且因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速不變，根據(jù)相關(guān)資料可知，直徑越大，瓶受到的離心力越大，托瓶臺(tái)和啤酒瓶之間的持續(xù)摩擦可能導(dǎo)致瓶飛出瓶托瓶臺(tái)。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(tái)之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)[7]。
如果加大轉(zhuǎn)速，除了要考慮離心力的影響，還應(yīng)考慮是否有足夠時(shí)間來進(jìn)行灌裝，以便滿足特定的灌裝要求。
主軸旋轉(zhuǎn)一周灌裝機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)所需時(shí)間為
T=60n （3.12）
如圖3.2所示，它是由下列幾個(gè)動(dòng)作時(shí)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(shí)間。該區(qū)間角的大小供瓶機(jī)構(gòu)、撥瓶機(jī)構(gòu)以及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)尺寸決定。
T2、T2'分別為上升、降瓶區(qū)所占的時(shí)間。除了瓶子在升降過程中瓶子具有更穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)過程外，還需要確保氣缸凸輪的輪廓曲線具有適當(dāng)?shù)膲毫恰?
圖3.2 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的工作示意圖
T3、T 3'分別為開關(guān)閥區(qū)所占的時(shí)間（通常取0.5-1s）。
T4為灌裝區(qū)間所占的時(shí)間，以確保灌裝過程能夠平穩(wěn)順利進(jìn)行下去。然而灌裝方法同，所以灌裝區(qū)時(shí)間也會(huì)不同。因此確定的準(zhǔn)則是灌裝區(qū)時(shí)間應(yīng)大于工藝實(shí)際所需的灌裝時(shí)間[7]。
由上面得出的轉(zhuǎn)速n可得主軸旋轉(zhuǎn)一周灌裝機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)所需時(shí)間為
T=60n =603.57 =17s
設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其他區(qū)間的角度，現(xiàn)擬定：α1=45°， α2+α2'=80，α3=α3'=21°。
即各個(gè)動(dòng)作所需時(shí)間如下：
T4=9s，T1=2.2s， T2+T2'=3.8s，T3=T3'=1s。
3.4 灌裝傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
如圖3.3，為旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
傳動(dòng)過程為：速度電機(jī)1通過無級(jí)變速器2和蝸輪蝸桿使行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪5和6驅(qū)動(dòng)主軸8，從而帶動(dòng)儲(chǔ)液箱9旋轉(zhuǎn)，齒輪6和14驅(qū)動(dòng)進(jìn)瓶星形輪10旋轉(zhuǎn)。鏈輪13和錐齒輪12帶動(dòng)分件供送螺桿裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，完成整機(jī)工作[7]。
1—電機(jī)；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(chǔ)液箱；10—進(jìn)瓶星輪；11—分揀螺桿供送裝置；12—錐齒輪；13—鏈輪
圖3.3 旋轉(zhuǎn)灌裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖
3.4.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)上面可得電動(dòng)機(jī)功率P=5.5kw，n=1440r/min，決定使用V帶傳送。
總傳動(dòng)比i=14403.57=403.4
現(xiàn)擬定：帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比i12=2蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比i3=34，5、6齒輪的傳動(dòng)比i56=2，
齒輪6與主軸齒輪傳動(dòng)比i68=3
（1） 選定V帶型號(hào)和帶輪直徑
由參考文獻(xiàn)[11]查得工作情況系數(shù)KA為1.2
計(jì)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(zhuǎn)速 n2=14402=720r/min
驗(yàn)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?yàn)?m/s
120°
（4計(jì)算帶的根數(shù)
由d1=100mm和n1=1440r/min.由參考文獻(xiàn)[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(dòng)設(shè)計(jì)
從參考文獻(xiàn)[11]可知，圓柱形蝸桿頭的數(shù)量越少，傳動(dòng)比越大，并且導(dǎo)程角越小，傳動(dòng)效率越低，產(chǎn)生的熱量越多，并且不易消散，因此通常不使用單個(gè)蝸桿。蝸桿頭數(shù)量越多，傳動(dòng)效率越高。然而，蝸桿頭數(shù)量太大，導(dǎo)程角大，制造難度大。因此，根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(dòng)比和公式
i=n1n2=z2z1=u （3.22）
選取z2=68.
又已知蝸桿轉(zhuǎn)速n1=720r/min，因此得
n2=n1i3=72034=21.2r/min
（1） 蝸輪蝸桿基本尺寸的計(jì)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(dǎo)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(qiáng)度
σF=1.53KT2d1d2YFa2Yβ≤[σF] （3.24）
當(dāng)量齒數(shù) zv2=z2cos3γ=68(cos11.31°)3=72.12 （3.25）
由zv2=72.12，由參考文獻(xiàn)[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(yīng)力 σF=[σF]'?KFN （3.27）
由文獻(xiàn)[11]查得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)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(qiáng)度滿足要求。
3.4.3 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
首先進(jìn)行對關(guān)鍵齒輪z6和主軸齒輪z8的設(shè)計(jì)計(jì)算，前面已知i=3。
（1）計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度
由參考文獻(xiàn)[11]得小齒輪分度圓直徑計(jì)算公式
d1t≥32KHtT1?d?u+1u?(ZHZEZεσH)2 （3.29）
①確定公式中個(gè)參數(shù)的值
試選KHt=1.3
計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=9.55×106Pn1=9.55×106×0.610.71N?mm=5.35×105N?mm
由文獻(xiàn)[11]查得?d=0.4， ZH=2.5， ZE=189.8MPa12， Zε=0.87
②計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]
由參考文獻(xiàn)[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(jì)算許用接觸應(yīng)力[σH]6=0.96σlim6=675MPa，[σH]8=0.96σlim8=540MPa
取兩個(gè)中較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即
[σH]= [σH]8=540MPa
③計(jì)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(jì)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(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KH
由參考文獻(xiàn)[11]相關(guān)圖表查得KA=1，KV=1.12，KHα=1.2，KHβ=1.42。
因此得實(shí)際載荷系數(shù)
KH=KAKVKHαKHβ=1×1.12×1.2×1.42=1.91（3.31）
⑦實(shí)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(yīng)的模數(shù)
m=d6z6=40080=5 （3.33）
取模數(shù)m=4
（2）校核計(jì)算
由參考文獻(xiàn)[8]得齒面接觸疲勞強(qiáng)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(gè)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(qiáng)度滿足要求，因此設(shè)計(jì)合理。
（3）確定傳動(dòng)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(dòng)尺寸設(shè)計(jì)
因?yàn)椴皇鞘侵饕獋鲃?dòng)部分，且也不是本次設(shè)計(jì)范圍，因此只是初步選定其尺寸，不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。
由前面可知次要齒輪主要是齒輪5，又已知其傳動(dòng)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(shè)計(jì)
4.1 灌裝部分的設(shè)計(jì)
由上可知，本次設(shè)計(jì)灌裝部件用盤式旋轉(zhuǎn)灌裝閥。
4.1.1 盤式旋轉(zhuǎn)灌裝閥的工作原理
這種閥門在其活動(dòng)部件閥蓋的端面上有一定夾角的孔，它們分別對應(yīng)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(chǔ)液箱的大轉(zhuǎn)盤上，閥座內(nèi)有兩個(gè)氣道和兩個(gè)液道。兩個(gè)氣體孔道：一個(gè)孔道與儲(chǔ)液箱中的氣室相通；另一個(gè)孔道與灌裝瓶連通，但它們不相互連接。兩個(gè)液體孔道：一個(gè)孔道與貯液箱中液室相通，而另一個(gè)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(gè)相互連通的氣體通道，2個(gè)液體通道相互連接。閥蓋的旋轉(zhuǎn)是由固定擋塊驅(qū)動(dòng)其上的旋爪動(dòng)作，同時(shí)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(jìn)行。
第一工作位置(充氣等壓)：閥蓋從初始位置逆向旋轉(zhuǎn)40°。同時(shí)，閥蓋與閥座上的氣孔連通，從而使儲(chǔ)液箱中的氣體能夠進(jìn)入灌裝容器內(nèi)，從而完成充氣等壓過程。
第二工作位置(進(jìn)液回氣)：這時(shí)閥蓋在逆向旋轉(zhuǎn)40°，使其上的液體孔道與閥座上的液體孔道連通。儲(chǔ)液箱中液體由于液位差的原因由閥座上的一個(gè)液體孔道，經(jīng)過閥蓋上的兩個(gè)液體孔道再轉(zhuǎn)入閥座上的另一個(gè)液體孔道，流入灌裝容器內(nèi)。同時(shí)，閥座與閥蓋的另一個(gè)氣體孔道連通，使灌裝瓶內(nèi)氣體能夠沿著孔道經(jīng)過閥座氣孔排出到儲(chǔ)液箱氣室中，從而完成進(jìn)液回氣過程。
第三工作位置(氣、液全閉)：此時(shí)閥蓋順時(shí)針旋轉(zhuǎn)80°，使得閥蓋蓋上的兩個(gè)通道對應(yīng)于閥座上的兩個(gè)通道。事實(shí)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(guān)閉狀態(tài)。
第四工作位置(排除余液)：此時(shí)，閥蓋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(nèi)，完成殘液的去除過程，不會(huì)影響下一個(gè)灌裝周期的正常進(jìn)行。
第五工作位置(氣、液全閉)：此時(shí)，閥蓋順時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(dāng)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(dòng)被阻擋，從而減少液體的損失。
此外，若在托瓶臺(tái)上沒有瓶子，機(jī)構(gòu)的一些部件將通過內(nèi)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(qū)動(dòng)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(dòng)作的，因此很難自動(dòng)協(xié)調(diào)每個(gè)灌裝過程所需的實(shí)際時(shí)間。同時(shí)，用于低粘度液體的填充。工作性能還是很不錯(cuò)的[3]。
4.1.2 閥門數(shù)目的確定
由上面可知轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n=3.57r/min，灌裝時(shí)間為9s,轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)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(gè)數(shù)為j=24個(gè)，即閥門的數(shù)目為24個(gè)，則可得灌裝區(qū)灌裝頭數(shù)為12.96個(gè)。
由公式
Q=60nj （4.1）
得灌裝機(jī)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的確定
灌裝閥的閥端結(jié)構(gòu)通常分為短管和長管。根據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)，都要考慮閥端的尺寸和進(jìn)出口孔道的布置對整個(gè)閥門工作效率的影響。
根據(jù)圓盤式旋轉(zhuǎn)閥的工作原理和滿足的工藝要求，為了防止液體進(jìn)入瓶內(nèi)飛濺，減少與空氣的接觸，進(jìn)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(dāng)下灌裝機(jī)的閥門啟閉一般分為下面幾種：（1）由托瓶機(jī)構(gòu)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(nèi)充氣反壓啟閉閥門。
由于固定塊可以控制閥體內(nèi)的可動(dòng)部件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)或徑向、軸向直線運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)閥通常使用灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤的固定塊來驅(qū)動(dòng)閥的打開和關(guān)閉。為了避免灌裝閥在沒有瓶的情況下泄漏，有時(shí)需要?dú)鈩?dòng)、電動(dòng)或機(jī)械的自動(dòng)控制方法。
4.1.5 密封結(jié)構(gòu)的確定
由于灌裝閥本質(zhì)上是流體孔道的開關(guān)，從而一定要確保不會(huì)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(yùn)動(dòng)面、閥體和儲(chǔ)液箱的裝配面、閥端和瓶口的壓力面等，需要相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)。常見的密封結(jié)構(gòu)大體上有平面和圓柱面兩種型式。
結(jié)合圓盤式旋轉(zhuǎn)閥的自身結(jié)構(gòu)綜合考慮，選擇平面型密封結(jié)構(gòu)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(guān)尺寸的設(shè)計(jì)
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(shí)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(guān)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(shè)啤酒瓶厚度為2mm，因此啤酒瓶內(nèi)徑為16mm。
由于啤酒瓶內(nèi)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(zhǔn)確而影響啤酒灌裝精度，因此灌裝閥注液管外徑設(shè)為14mm，即單邊余量為1mm。經(jīng)過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，并為了達(dá)到充分灌裝，輸液管直徑設(shè)定為25mm。圓盤閥蓋閥座上的氣體和液體孔道直徑設(shè)為7mm。閥體總長設(shè)計(jì)為320,mm，閥體用螺釘固定在于儲(chǔ)液箱同軸的支架上。閥座與閥蓋裝配的直徑為58mm。因?yàn)榇斯嘌b機(jī)為啤酒灌裝機(jī)，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(hào)為1Cr18Ni9Ti。
灌裝閥對中罩選用需要和下液管進(jìn)行裝配，因此對中罩內(nèi)徑尺寸為14mm，外徑為36mm，材料同樣使用不銹鋼，牌號(hào)為1Cr18Ni9Ti。
由于此灌裝機(jī)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(huì)影響灌裝的精度以及會(huì)使啤酒中二氧化碳含量不足，影響啤酒的口感，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)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(diǎn)：高強(qiáng)度、高耐熱，具有極好的強(qiáng)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(dòng)作的重復(fù)性和高強(qiáng)度性。密封圈外徑為28mm，內(nèi)徑為14mm，厚度為7mm。
閥體中閥球同樣選用不銹鋼材料，牌號(hào)為1Cr18Ni9Ti。
4.2 托瓶升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)是由氣缸中氣體體積伸縮變化所產(chǎn)生的氣體壓力來控制托瓶升降機(jī)構(gòu)的托瓶升起過程，若氣缸動(dòng)作大，氣壓就就大，從而使托瓶的升降更快速、迅捷；然而同時(shí)也會(huì)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(shè)計(jì)可知，本次選用的托瓶升降機(jī)構(gòu)為機(jī)械與氣動(dòng)組合式托瓶機(jī)構(gòu)。
圖4.2為機(jī)械與氣動(dòng)式托瓶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。柱塞5是固定的，套筒2是可以滑動(dòng)的。壓縮空氣從環(huán)管8進(jìn)入，經(jīng)柱塞5內(nèi)腔、密封墊4和空心螺釘3內(nèi)的中心孔進(jìn)入套筒2的上部空間，使套筒2和托瓶臺(tái)1以柱塞5為導(dǎo)柱上升；灌裝結(jié)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(dǎo)軌6的下降廓線形與滾動(dòng)軸承7控制托瓶臺(tái)與套筒的下降[8]。柱塞內(nèi)空氣被排到環(huán)管中，然后通過環(huán)管進(jìn)入其他待上升的托瓶氣缸內(nèi) [7] 。
1—托瓶臺(tái)；2—套筒；3—螺釘；4—密封墊；5—柱塞；
6—凸輪導(dǎo)軌；7—滾動(dòng)軸承；8—方墊塊；9—環(huán)管；10—卡塊
圖4.2 機(jī)械與氣動(dòng)組合式托瓶機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
4.2.1 托瓶臺(tái)的設(shè)計(jì)
托瓶臺(tái)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(tái)尺寸根據(jù)啤酒瓶底部尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知啤酒瓶底部直徑為75mm，則托瓶臺(tái)頂部直徑可設(shè)計(jì)為90mm，厚度取10mm。由圖可知托瓶臺(tái)與氣缸連接在一起配合動(dòng)作，從而托瓶臺(tái)下部外徑為65mm，內(nèi)徑為55mm，長度為12mm。采用過盈連接將托瓶臺(tái)與套筒的連接在一起，這樣既可以保證托瓶機(jī)構(gòu)的密封性，也可以防止托瓶臺(tái)在工作過程中發(fā)生晃動(dòng)，從而使灌裝過程能夠穩(wěn)定進(jìn)行，并且也保證了灌裝的精度。
托瓶臺(tái)工作需要足夠的強(qiáng)度，能夠承載動(dòng)態(tài)的工作壓力，并應(yīng)具有抵抗長時(shí)間工作變形的能力，參考先關(guān)資料以及對比各種材料性能，選定托瓶臺(tái)材料為45號(hào)鋼。
4.2.2套筒設(shè)計(jì)
（1）套筒設(shè)計(jì)