2267 包裝真空機結構設計,包裝,真空機,結構設計 本科學生畢業(yè)設計包裝真空機結構設計系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機械設計制造及自動化 08-1 班學生姓名： 指導教師： 職 稱： 二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe infusing liquid system of the product line of acid vegetable automatic packing LineCandidate：Li YingSpecialty： Mechanical DesignManufacture & AutomationClass： 08-1Supervisor：Lecturer. Ma WuxueHeilongjiang Institute of Technology2012-06·Harbin摘 要近半個多世紀以來，隨著生產與流通日益社會化、現(xiàn)代化，產品包裝正以嶄新的面貌崛起，受到人們普遍重視。本設計主要目的是實現(xiàn)酸菜加工的自動化。其間介紹了灌裝機的概念、種類。主要是針對酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)進行的設計主要通過對機械設計的學習、了解和掌握，來確定酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)的各個組成零件并最后組裝。通過計算和結構優(yōu)化設計，決定采用氣泵為動力源，以氣缸的往復運動及兩個單向閥的反向安裝來實現(xiàn)酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)的吸液和注液，從而實現(xiàn)由比較簡單的結構完成要求的目的。設計后的酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)具有結構簡單、緊湊、制造和維修容易、操作簡單，成本低。廣泛用于中小型食品生產企業(yè)。關鍵詞：氣泵；氣缸；單向閥；電池換向閥；行程開關；貯液缸；自動控制ABSTRACTWith the socialization and modernization of the production and circulation since more than half a century，products packing is flourishing with a completely new feature and attached importance widely.The main purpose of this design is to realize the automatization of acid vegetable processing. It introduces the conception and category of the filling machine. The design aims at the infusing liquid system of the product line of acid vegetable automatic packing. We confirm every part of the system and install it according to the study of machinical design. We decide to use the air pump as the power fountain and realize sucking liquid and infusing liquid by the reciprocating of air urn and the reversed setting of two mon-return valves after calculating.Consequently,we achieve the purpose with a more simple configuration.The infusing liquid system of the product line of acid vegetable automatic packing have simple configuration,. It is tighten and easy to produce, mend and handle .Also it cost low .It is widely used in small and middle food manufactories.Key word: air pump；air urn；mon-return valve；eleceromagnetism cross valve；limit switch；stores the fluid cylinder；auto control目 錄摘 要 ...............................................................IAbstract................................................................II第 1 章 緒 論 .........................................................11.1 課題背景 .........................................................11.2 課題目的與意義 ...................................................11.3 我國食品和包裝機械的發(fā)展現(xiàn)狀 .....................................31.3.1 食品和包裝機械工 業(yè)初具 規(guī)模 .................................31.3.2 基本形成了為食品加工業(yè)提供成套裝備的能力 ...................31.3.3 在部分領域形成了大型關鍵單機生產制造能力 ...................31.3.4 我國食品和包裝機械工業(yè)與發(fā)達國家還有較大差距 ...............31.4　 食品和包裝機械近期發(fā)展重點領域和方向 ............................4第 2 章 灌裝機 .........................................................62.1 灌裝機概述 .......................................................62.2 國內飲料灌裝機械的發(fā)展概況 .......................................62.3 液體灌裝設備的分類 ...............................................72.4 本章小結 .........................................................8第 3 章 注液系統(tǒng)的總體方案 ...........................................93.1 注液系統(tǒng)的工藝方案 ...............................................93.2 注液總體原理示意圖 ...............................................93.2 動力源的選擇 .....................................................93.4 注液系統(tǒng)的傳動方案 ..............................................103.5 本章小結. .......................................................10第 4 章 系統(tǒng)各部分組件的計算及選用 .................................114.1 貯液缸的選用 ....................................................114.2 單向閥的選用 ....................................................114.3 雙作用雙活塞桿氣缸計算及選用 ....................................124.4 耗氣量計算 ......................................................154.5 活塞桿直徑校核 ..................................................164.6 氣缸的運行速度 ..................................................174.7 換向閥的選用 ....................................................184.8 行程開關的選用 ..................................................194.9 管道的選擇 ......................................................194.10 方向控制裝置 ...................................................204.11 氣動控制部分 ...................................................204.12 本章小結 .......................................................21第 5 章 框架結構的設計 ...............................................225.1 固定板的設計 ....................................................225.2 外框架的設計 ....................................................225.3 儲液箱的設計 ....................................................225.4 本章小結 ........................................................23結 論 .................................................................24參考文獻 ..............................................................25致 謝 .................................................................26附 錄 A...............................................................27附 錄 B...............................................................351第 1 章 緒 論1.1 課題背景隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國食品工業(yè)得到快速發(fā)展，已經成為我國國民經濟的支柱產業(yè)。2002 年食品工業(yè)總產值達到 10554 億元，占全國工業(yè)總產值 10%左右，食品工業(yè)的利稅總額占全國工業(yè)部門利稅總額的 20%左右。居全國各產業(yè)部門之首。食品和包裝機械行業(yè)作為食品工業(yè)提供裝備的工業(yè)，形成于 20 世紀七十年代末與八十年代初，經過八十年代的快速發(fā)展，九十年代的高速增長，目前已進入結構調整、產品質量升級、提高創(chuàng)新能力的關鍵時期。2002 年食品和包裝機械全行業(yè)總產值近 400 億元，已成為機械工業(yè)系統(tǒng)十四大行業(yè)之一，初步滿足了我國食品工業(yè)的需要。包裝機械化的重意義現(xiàn)代包裝的基本含義是：對不同批量的產品，選用某種有保護性、裝飾性的包裝材料或包裝容器，并借助適當?shù)募夹g手段實施包裝作業(yè)，以達到規(guī)定的數(shù)量和質量，同時設法改善外部結構，降低包裝成本，從而在流通直至消費的整個過程中使之容易儲存搬運，防止產品破損變質，不污染環(huán)境，便于識別應用和回收廢料，有吸引力，廣開銷路，不斷促進擴大再生產。本文研究的是自動包裝機生產線的注液系統(tǒng)。大量事實表明，實現(xiàn)包裝的機械化和自動化，尤其是實現(xiàn)具有高度靈活性(或稱柔性)的自動包裝線，不僅體現(xiàn)了現(xiàn)代生產的發(fā)展方向，同時也可以獲得巨大的經濟效益。1.2 課題目的與意義無論在國內或國外，包裝工作已涉及到各行各業(yè)，面廣量大，對人民生活、國際貿易和國防建設都帶來深刻的影響，甚至在現(xiàn)實生活中出現(xiàn)了過去準以想象的新情況：未經包裝出售的商品變得越來越少了，而且包裝上的失敗往往會使很好的產品得不到成功的銷售。因而不妨這樣說，在將來，如果沒有現(xiàn)代化的包裝就沒有商品的生產和銷售；可是如果沒有先進的工業(yè)與科學技術的綜合發(fā)展，也不可能出現(xiàn)高水平的現(xiàn)代化包裝。迄今，一些科學技術發(fā)達的國家，在食品、醫(yī)藥、輕工、化工、紡織、電子、儀2表和兵器等工業(yè)部門，已經程度不同地形成了由原料處理、中間加工和產品包裝三大基本環(huán)節(jié)所組成的包裝連續(xù)化和自動化的生產過程，有的還將包裝材料加工、包裝容器成型及包裝成品儲存系統(tǒng)都聯(lián)系起來組成高效率的流水作業(yè)線。再者，為使包裝成品更好地進入流通領域，大都配有專用的自動化倉庫，并采用托盤集裝箱運輸。 （如圖 1.1 所示的現(xiàn)代化酒廠自動包裝線的工藝流程簡圖就是一個頗有代表役的例子。 ）圖 1.1 現(xiàn)代化酒廠自動包裝線的工藝流程簡圖(1)能增加花色品種，改善產品質量，加強市場競爭能力?，F(xiàn)代包裝機械所能完成的工作已遠遠超出了簡單地模仿人的動作，甚至可以說在很多場合用巧妙的機械方法包裝出來的成品，不論在式樣、質地或精度等方面，大都是手工操作無法勝任和媲美的。隨著商品的多樣化，這一點越來越引起了人們的重視。另外，用機械手代替人手，就足以最大限度地避免操作人員同產品直接接觸時可能產生的感染，從而保證食品、藥物的清潔衛(wèi)生和金屬制品的防銹防蝕。(2)能改善勞動條件，避免污染危害環(huán)境。對有劇毒、刺激性的、低溫、潮濕性的、爆炸、放射性的，以及必須放置在暗室3中的物品，實現(xiàn)了包裝的機械化和自動化便可大大改善操作條件，避免污染危害環(huán)境。至于對需要進行長期、頻繁、重復的以及其他笨重的包裝工作，如能實現(xiàn)機械化和自動化，則能大大減輕體力勞動強度，增進工人健康和提高生產效率。(3)能節(jié)約原材料，減少浪費，降低成本。有些粉末、被體物料在手工包裝過程中容易發(fā)生逸散、氣泡、飛濺現(xiàn)象，若改為機械包裝則會大大減少損失。(4)能提高生產效率，加速產品的不斷更新。機械包裝的生產能力往往比手工包裝提高幾倍、十幾倍甚至幾十倍，無疑這格會更好地適應市場的實際需要，合理安排勞動力，為社會多創(chuàng)造助富。由此可見，實現(xiàn)包裝機械化和建立現(xiàn)代包裝工業(yè)，乃是關系到國家長遠規(guī)劃的一件大事，也是搞好社會主義四個現(xiàn)代化的一項重要內容。1.3 我國食品和包裝機械的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 食品和包裝機械工業(yè)初具規(guī)模目前我國食品和包裝機械生產企業(yè)達 6000 余家，其數(shù)量在世界各國中居第一位，產品品種 3000 多種。2002 年全行業(yè)總產值 395.36 億元。其中年產值 500 萬元以上生產企業(yè) 1133 家，2002 年產品銷售收入 345.16 億元，其余 4000 多家為小型企業(yè)，其中近一半為兼營企業(yè)。2002 年食品加工和包裝機械出口交貨值 2.61 億美元，其中包裝機械出口交貨值 1.38 億美元，開始走向世界。1.3.2 基本形成了為食品加工業(yè)提供成套裝備的能力食品工業(yè)的發(fā)展，促進了食品加工和包裝機械工業(yè)的發(fā)展。食品和包裝機械的發(fā)展又為食品工業(yè)的發(fā)展提供了重要的裝備保障。初步形成了以大學工藝基礎研究、院所技術創(chuàng)新和工程轉化應用技術開發(fā)、企業(yè)產品生產制造的分工協(xié)作產業(yè)發(fā)展體系，在一批產品加工領域形成了企業(yè)為主體的關鍵單機生產制造能力和以院所為主體的工程成套裝備能力。1.3.3 在部分領域形成了大型關鍵單機生產制造能力近 10 年有幾百項較高技術水平加工設備相繼問世并投入生產，達到國外 20 世紀80 年代末 90 年代初水平，個別機型達到世界先進水平。微波技術、速凍技術、真空技術、膨化技術、超微粉碎技術、微膠囊技術、二氧化碳超臨界萃取技術等高新技術已逐步應用到食品加工裝備中。1.3.4 我國食品和包裝機械工業(yè)與發(fā)達國家還有較大差距我國食品與包裝機械工業(yè)起步晚、基礎差，目前達到或接近世界先進水平的加工裝備僅占全部的 5%～10%；整個行業(yè)落后 20～25 年。每年還需要進口大量的食品和4包裝機械，以滿足我國食品工業(yè)之需要。技術創(chuàng)新和工程轉化能力十分薄弱我國絕大多數(shù)食品加工和包裝機械制造企業(yè)屬于中小企業(yè)，基本上不具備自主研發(fā)能力；由于科研投入不足，研究院所和高等院校的實驗條件不完善，造成我國市場上的產品主要還是仿制、測繪或稍加改造的國產化，產業(yè)主體技術依靠國外，有自主知識產權的產品少，與世界上食品和包裝機械工業(yè)強國相比相差甚遠，整體技術水平落后 20～25 年。在工程轉化和技術集成方面還沒有形成有效的產、學、研結合機制，在低水平上各自為戰(zhàn)、重復引進、重復研發(fā)的現(xiàn)象相當普遍；工藝研究、裝備開發(fā)、生產制造相互脫節(jié)，工程成套及工程轉化能力弱。產品結構與質量、性能有待改善我國食品和包裝機械行業(yè)目前存在的主要問題可歸結為五多五少，即：單機多，成套少；主機多，輔機少；技術含量低的產品多，高技術、高附加值、高生產率的產品少；初加工設備多，深加工設備少；通用機型多，特殊要求、特殊物料加工的機型少。產品性能與國外同類產品相比，生產能力低、能耗高。較好的產品小時生產能力僅是國外先進水平的 1/2，能耗成倍地高于國外先進產品水平，尤其是大型設備性能差距更大，致使國內大型生產線基本都從國外引進。產品質量方面，存在著工作穩(wěn)定性、可靠性差，造型落伍，外觀粗糙，基礎件和配套件壽命短等問題。只有少數(shù)產品制定了可靠性標準，無故障時間比國外先進水平的同類產品低得多，僅是它們的 1/2～1/3。企業(yè)規(guī)模小、布局不合理在企業(yè)規(guī)模方面，一是集中度不高，二是人均勞動生產率低。我國食品和包裝機械工業(yè)，從企業(yè)數(shù)量看還不少，有 6000 余家,比食品和包裝機械工業(yè)強國都多，其中有近 2000 多家不夠穩(wěn)定，每年有近 15%的企業(yè)轉產或倒閉，但又有 15%的企業(yè)加入這個行業(yè)。產值及銷售額超過億元的企業(yè)僅有十幾家，最好的企業(yè)產值和銷售額剛過10 億元，上市企業(yè)僅有一家；年銷售額過 3000 萬元的企業(yè)僅有 50 家，這 50 家企業(yè)的總銷售額僅有 80 億元，集中度僅達到 20.66%。多數(shù)企業(yè)年產值在幾百萬到一千萬之間，低于 100 萬的企業(yè)為數(shù)還不少。人均勞動生產率多數(shù)企業(yè)在 10 萬人民幣以下。布局上，我國食品和包裝機械工業(yè)生產企業(yè)主要集中在浙江、江蘇、上海、山東、廣東、遼寧、北京和河南等省市,上述 8 省市生產企業(yè)占全國食品和包裝機械工業(yè)總數(shù)的 64%，而西北地區(qū)的甘肅、寧夏、青海和 4 個省區(qū)生產企業(yè)只占總數(shù)的0.8%，分布極不均衡。51.4　食品和包裝機械近期發(fā)展重點領域和方向加快發(fā)展食品和包裝機械的技術創(chuàng)新速度，推動產品結構、企業(yè)結構和技術結構的調整。選擇食品工業(yè)中主要行業(yè)的技術裝備，如大豆加工設備、玉米加工設備、馬鈴薯加工設備、油料加工設備、乳品加工設備、肉類加工設備、果蔬保鮮與加工設備、飲料加工設備、方便食品和功能性食品加工設備、水產品深加工、食品包裝機械、 食品和包裝機械共性技術和設備等“重點突破” ，依靠技術創(chuàng)新，結合技術改造和關鍵技術引進與消化吸收，提高食品工業(yè)裝備的自動化水平，向多品種、成套化、大型化方向發(fā)展。6第 2 章 灌裝機2.1 灌裝機概述液體灌裝是包裝的重要組成部分，主要包括在食品領域中對啤酒、飲料、乳品、白酒、葡萄酒、植物油和調味品的包裝，還包括洗滌類日化、礦物油和農藥等化工類液體產品的包裝。液體灌裝機械有相當一大部分用于食品行業(yè)，尤其是飲料制造業(yè)。2.2 國內飲料灌裝機械的發(fā)展概況飲料港裝機械是伴隨飲料工業(yè)的產生而產生，并追隨飲料工業(yè)的發(fā)展而進步的。1809 年美國研制出玻璃瓶灌裝機；1902 年市場上出現(xiàn)酒裝番茄醬的壓力灌裝機；1912 年發(fā)明了皇冠蓋封口機；不久集灌裝和封口于一體的灌裝壓蓋機問世；在 20 世紀末，啤酒釀造業(yè)發(fā)達的德國制造出手動啤酒酒裝和壓蓋機。含氣飲料的酒裝工藝難度大，酒裝設備的發(fā)展大約經歷了三個階段。第一階段是1952-1957 年間，完成了含氣飲料灌裝機由差壓灌裝向等壓灌裝的過渡，采用的是機械閥。第二階段是 1957-1979 年，這期間首先是德國 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。彈簧閥在等壓狀態(tài)下，借助彈簧力將充液閥打開，破瓶后充液閥可自動關閉，這樣不僅使滔裝機酌控制機構簡化，而且延長了灌裝閥的有效工作時間，為灌裝機的高速化創(chuàng)造了條件。彈簧閥的出現(xiàn)是液體等壓灌裝發(fā)展史上的一個重要階段，至今等壓灌裝機仍普遍采用彈簧閥．只是功能更完善，結構更加合理。第三階段是以德國 SEN 公司發(fā)明的電動閥為標志，電動閥中氣閻和水閥的開啟和關閉由可編程控制器控制，對灌裝時間、灌裝速度進行嚴格和可靠地界定。我國飲料遞裝機械制造業(yè)起步晚，20 世紀 60 年代前基本上是空白，當時國內啤酒廠和汽水廠都是使用美國和日本 20 世紀 30—40 年代的設備，工藝落后，機械陳舊，嚴重影響了我國啤酒和飲料工業(yè)的發(fā)展，1967 年我國才開始研究和生產灌裝機械。進入 20 世紀 70 年代．我國先后引進了一些國外灌裝生產線，在裝備一些飲料生產企業(yè)的同時．也促進了我國包裝機械行業(yè)進入了一個新的發(fā)展時期。機械、輕工、軍工等領域的一些企業(yè)開始在仿制和消化吸收國外技術的基礎上，開發(fā)了各種中小型的灌裝機械，提供給國內一大批飲料廠，促進了我國飲料業(yè)的發(fā)展。進入 20 世紀 80 年代，我國采用技術貿易結合的方式，引進德國 SEN 公司 20000 瓶／h 的啤酒灌裝線和日本三菱公司 18000 瓶／h 的含氣飲料灌裝線的制造技術，到 1991 年又引進了德國 KHS7公司 36000 瓶／h 的啤酒灌裝線及生產技術。這樣，我國不僅能夠生產中小型的灌裝機，而且開始生產大型灌裝機，技術水平上了一個臺階，將我國液體灌裝設備制造業(yè)的整體水平提高到一個新的水平。2.3 液體灌裝設備的分類表 2.1 液體灌裝設備分類表分類方法 灌裝機機型 主要特點等壓式灌裝機 用于啤酒，碳酸飲料及其他含氣飲料的包裝，也可以灌裝不含氣飲料負壓式灌裝機 用于不含氣飲料，酒類灌裝灌裝閥很少有滴漏現(xiàn)象常壓式灌裝機 容積定量，重力灌裝。用于酒類，乳品，調味品及礦物油，藥品，保健品等化工類產品灌裝，液損很小壓力式灌裝機 用于不含氣飲料的液面灌裝，灌裝速度較快，無液損容積式壓力灌裝機背壓式灌裝，定量準確并可調節(jié)，用于植物油，洗滌類日用化工產品等低粘稠液體灌裝按灌裝閥灌裝原理分類 稱重式定量灌裝機用于飲料原漿，酒類，藥品和植物油等要求定量準確液體的灌裝，稱量方法有電子稱和機械稱兩種直線式灌裝機 間歇式步進輸送，適用于特殊形狀包裝容器，大容積的液體包裝，生產效率較低按灌裝閥排列形式分類 回轉式灌裝機 由直線式灌裝機發(fā)展而成的普通形式，高速連續(xù)工作，生產效率較高玻璃瓶灌裝機 包裝含氣或不含氣液體的等壓，負壓，常壓壓力灌裝機聚酯瓶灌裝機 包裝含氣或不含氣飲料，乳品，植物油，調味品，洗滌類日用化學品等液體的等壓，負壓，常壓壓力灌裝機金屬二片易拉罐灌裝機包裝啤酒，碳酸飲料等含氣液體的等壓灌裝按包裝容器分類 金屬三片易拉罐灌裝機包裝果汁，素菜汁，植物蛋白飲料等不含氣液體的常壓灌裝機8復合紙包裝灌裝機無菌包裝，灌裝乳品，果汁，素菜汁等不含氣飲料皇冠蓋壓封灌裝機包裝含氣或不含氣飲料冠形瓶，玻璃瓶封口塑料蓋壓封灌裝機包裝不含氣飲料，瓶蓋為撕開式塑料防盜蓋塑料蓋擰封灌裝機包裝含氣或不含氣飲料，塑料防盜蓋為抓蓋擰封鋁質扭斷蓋壓紋封口灌裝機玻璃瓶或塑料瓶螺旋口的鋁制蓋壓紋封口，用于含氣或不含氣飲料灌裝易拉罐二重卷邊封口灌裝機包裝啤酒，含氣飲料或果汁，植物蛋白飲料的易拉罐等壓，常壓灌裝三（四）旋蓋旋封灌裝機廣口玻璃瓶封口，用于包裝果汁，果醬類產品錫箔熱封灌裝機 容積式灌裝，乳制品塑料包裝的封口軟木塞壓封灌裝機干葡萄酒軟木塞封口，負壓或常壓灌裝壓塞-塑料蓋擰封灌裝機洗滌類日化產品包裝，復合封口方式按包裝容器的封口形式分類錫箔熱封-塑料蓋擰封灌裝機乳制品類飲料包裝，復合封口方式2.4 本章小結灌裝機是針對液體包裝的，主要在食品領域中，所以灌裝機在包裝機械中占重要地位。我國的罐裝機械制造業(yè)起步晚，隨著我國科技的進步，并吸收國外先進的技術，我國的灌裝機有了整體的水平提高。液體的罐裝設備可以根據(jù)不同的工作原理、排列形式、容器、封口形式分為各種罐裝設備。認真了解、分析液體包裝生產設備的工作原理、方法，為進一步設計酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)提供模型。9第 3 章 注液系統(tǒng)的總體方案3.1 注液系統(tǒng)的工藝方案注液系統(tǒng)的工藝方案該系統(tǒng)的工藝方案為：吸液—貯液—注液—注液完返回—吸液，其具體分析如下：首先該系統(tǒng)的工作方式為往復式的，即在吸液和注液之間使用行程開關來控制執(zhí)行機構的行程。完成吸液和注液過程，所需的液體通過進給系統(tǒng)將液體輸入儲液箱，儲液箱的液位控制器自動控制液面的高度。但需要工作的時候液體在自重和大氣壓強的作用下進入注液系統(tǒng)的管道，經動力源作用將其注入食品包裝袋里，這樣往復運動。注液和吸液這兩個動作分別進行，不能互相干擾，即吸液只能從儲液箱中吸取，注液只能往包裝袋中注液，通過安裝兩個相反的單向閥來實現(xiàn)。3.2 注液總體原理示意圖圖 4.1 注液原理圖3.3 動力源的選擇目前，市場上常見的動力源主要有：電動機、汽油機、柴油機、液壓馬達、氣輪機和氣動馬達。因為液壓馬達的結構復雜，汽油機的各項成本較高等因素，在農用機械的應用領域之中，較多使用電動機和柴油機作為動力源?？紤]到本設計要加工的物料基本上歸屬于食品行業(yè)的生產原料，為了減少污染的來源，所以選用電動或者氣動10作為動力源。初步計劃選用低壓氣泵（0.4MPa）為動力源。3.4 注液系統(tǒng)的傳動方案傳動方案：該系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)為：電機帶動氣泵將氣壓能傳遞給減壓閥，調到0.4Mpa 壓力進入管道，在經電磁換向閥進入氣缸的左腔，推動活塞桿向右運動，液體在大氣壓強和自重的作用下經單向閥流入貯液缸中，貯液缸為液壓缸。由于安裝單向閥 1，不能倒吸液體。但吸液動作完成后，活塞桿壓下行程開關 a1，電磁換向閥換向，氣泵的氣壓作用與氣缸的右腔，與上一動作相同工作實現(xiàn)注液過程。選用這樣的方案比機械式的傳動方案結構簡單、緊湊，性能優(yōu)越，能到達工作的要求。3.4 本章小結.注液工作原理(1)當汽缸的活塞向右運動時，上邊的單向閥關閉，下邊的單向閥開啟，從而實現(xiàn)汽缸的吸液過程。(2)當汽缸的活塞向左運動時，上邊的單向閥開啟，下邊的單向閥關閉，從而實現(xiàn)汽缸的注液過程。預計結果設計后的白菜包裝生產線具有結構簡單、緊湊、制造容易，成本低。廣泛用于中小型食品生產企業(yè)。11第 4 章 系統(tǒng)各部分組件的計算及選用4.1 貯液缸的選用由于系統(tǒng)要求每次注液量在 20ml-30ml 之間，所以貯液缸的容積應大于 30ml。即( 4.1)ml20lD????????(4.2)l8l2根據(jù)上式確定貯液缸的體積和尺寸。采用不銹鋼筒，端蓋與缸筒之間鉚接緊固，軸向尺寸小，外型美觀，無給油潤滑，使用壽命長等特點。剛好符合抗酸性，體積小的設計要求。具體參數(shù)如下：表 4.1 貯液缸各項參數(shù)4.2 單 向閥的選用由于氣動系統(tǒng)的工作壓力較低，約為 0.4 Mpa ，所以選用由廣東肇慶方大氣動有限公司生產的 KA-L6 單向閥，其具體參數(shù)如下表：內徑（mm） 40動作型式 復動型固定型式 　 LB 型使用壓力范圍 Kgf/cm2 0.05～1.0保證耐壓力 Kgf/cm2 13.5使用溫度范圍 ℃ -25 至 80（不解凍條件下）使用速度范圍 mm/s 50～700緩沖型式 緩沖墊片12表 4.2 KA-L6 單向閥參數(shù)4.3 雙作用雙活塞桿氣缸計算及選用下面來重點研究雙作用雙活塞桿氣缸。從氣源出來的壓縮空氣經減壓閥減壓后，壓力穩(wěn)定在 0.4MPa 。然后，壓縮空氣經過電磁換向閥后和一個雙作用活塞式汽缸相連。如上圖所示。當 A 氣缸左腔進氣時，活塞桿右伸出，帶動貯液缸活塞向右運動，即為吸液過程。當運動 25mm 后，A 氣缸右端活塞桿上觸點壓下行程開關 ，此時，1a左腔氣體經電磁換向閥與大氣相通，排氣。當 A 氣缸右腔進氣時，活塞桿向左運動，即為注液過程。同樣運動 25mm 后。A 氣缸右端活塞桿上觸點壓下行程開關 此時，0右腔氣體經電磁換向閥與大氣相通，排氣。由于所需推力小，屬于高速輕載情況，且氣缸安裝空間有限，所以決定選用鋁合金，不銹鋼迷你汽缸。因為汽缸動作時間短，活塞運動速度大，所以活塞桿的直徑較粗，現(xiàn)選為 d=18 mm，活塞直徑選為 D=20 mm ，活塞行程根據(jù)要求定為 L=25 mm。則活塞腔面積為 S1,活塞桿面積為 S2 。從減壓閥出來的進氣壓強為 P1 。由以下公式可計算汽缸的輸出力（4.3）大 氣阻摩理推 FF??式中： —氣缸的理論輸出力，理FN（4.4）1FSp??理—大氣阻力，大 氣公稱通徑（mm） 6工作壓力范圍/MPa 0.05-0.8環(huán)境/介質溫度（ ）0C5-50有效截面積 2m?10開啟壓力/MPa 0.03關閉壓力/MPa 0.015換向時間/s ?0.03泄露量/ 31minc??1013（4.5）12FSP??大 氣—氣缸活塞桿的輸出推力，推 N—重力加速度 10 /gm2s—活塞直徑, D— 活塞桿直徑，d—活塞桿面積， 2S2m24/1dS??—活塞有桿端面積， 33?—缸筒與密封件表面的摩擦阻力，視加工情況而定， 摩F N論摩 F??—摩擦阻力因子，工程上常取為 0.2?—氣缸的進氣壓強，1PPa—大氣壓強，2部分運算結果如下(4.6)78.4N1SP??理F（4.7）52.0?理摩 ?（4.8）2104.34.513.S2P????大 氣F（4.9）2.0d/m?7513S??（4.10）Pa64.?02P現(xiàn)來計算左腔進氣的情況，此時右腔排氣，接大氣，壓強為大氣壓力。此階段為吸液過程，并可分為以下五個階段。第一階段：在汽缸剛啟動時，由于氣體有壓縮性，且氣體經過管路和各種閥體到達汽缸的進氣腔后，還需要有一定的時間富集，才能克服各種阻力推動活塞向右伸出。14此時，氣缸的右腔與大氣相連，氣缸左腔的壓力處于持續(xù)上升階段。同時，由于貯液缸活塞未移動，所以 , 還未達到最大值。0F?拉推 理公式為：（4.11）拉推 0FF???大 氣靜 阻摩理推第二階段：經過一定的時間富集后，氣缸達到臨界狀態(tài)，氣缸活塞雖未移動，但有運動的趨勢。此時，氣缸右腔與大氣相連，無桿腔的壓力仍處于持續(xù)上升階段。(4.12)0F?拉推 0FF???大 氣靜 阻摩理推代入數(shù)據(jù)為(4.13)374.15?理 56.1N?理第三階段：氣缸克服各種阻力作功，拉動貯液缸活塞向右運動。此時，氣缸右腔與大氣相連，排氣，左腔壓力達到最大值。公式為：(4.14)0FF????大 氣動 阻摩理推代入數(shù)據(jù)為：(4.15)N4.87F理 N7.32推第四階段：由于氣缸活塞向右伸出，左腔的體積持續(xù)增大，致使左腔的壓力下降，但活塞依舊向右運動。 及 下降。理F推公式為:(4.16)7.230?推 4.781.56?理第五階段：貯液缸活塞達到最大伸出量，A 氣缸活塞右端觸點壓下行程開關 ，1a吸液過程結束。此時， 為最大值，并一直保持住，直到電磁閥換向，氣缸4.8F?理進入注液階段。注液過程與吸液過程類似，此時電磁閥換向，右腔進氣，左腔排氣，接大氣，壓強為大氣壓，過程現(xiàn)簡述如下：第一階段：氣缸的左腔與大氣相連，右腔的壓力處于持續(xù)上升階段。貯液缸活塞未移動，所以 為零, 還未達到最大值。推F理15公式為：(4.17)0F?推 0FF???大 氣靜 阻摩理第二階段：氣缸達到臨界狀態(tài)，氣缸活塞雖未移動，但有運動的趨勢。此時，右腔的壓力仍處于持續(xù)上升階段。公式為：(4.18)0F?推 0FF???大 氣靜 阻摩理代入數(shù)據(jù)為：(4.19)0374.15?理 N9.51理第三階段：氣缸克服各種阻力作功，貯液缸活塞向左運動，氣缸的左腔與大氣相連并排氣，右腔的壓力達到最大值。公式為：(4.20)0FF-???大 氣動 阻摩理推代入數(shù)據(jù)為：(4.21)N8.15推 N5.73理第四階段：由于右腔的體積持續(xù)增大，致使右腔的壓力下降，但活塞依舊向左運動。 和 下降。理F推公式為：(4.22)5.73F1.59?理 8.15F0?推第五階段：A 氣缸活塞右端觸點壓下 ，注液過程結束，氣缸完成一個往復運動。a此時， 為最大值 73.5，并一直保持住，直到電磁閥換向，氣缸進入下一個循環(huán)。理F以上是氣缸的一個往復運動的全程分析，氣缸在規(guī)定時間內究竟需要多少個往復運動由實際生產要求決定，并由事先編好的程序控制。4.4 耗氣量計算下面要計算氣缸的耗氣量 Q,并設 n 為氣缸每分鐘往復的次數(shù)。由以下公式可計算氣缸的耗氣量。(4.23)??212412PdDLQ??????????????????16式中 ： Q/3— 汽 缸 每 分 鐘 的 耗 氣 量 minL汽 缸 行 程 n 汽 缸 每 分 鐘 的 往 復 次 數(shù) ， 由 實 際 生 產 情 況 決 定D—活 塞 直 徑 d 活 塞 桿 直 徑 m12P汽 缸 的 進 氣 壓 強 Pa— 大 氣 壓 強 代入數(shù)值計算得????????? ??????????????? ?????????min/341023. 5103.6402018.4.25.0.5.n nQ??(4.24)在實際生產中，由于不需要經常變換注液狀態(tài)，所以該氣缸往復的頻率很低， n 值不大，因而 Q 值也很小。4.5 活塞桿直徑校核當氣缸帶負載工作時，其活塞桿受壓縮載荷大，容易引起活塞桿彎曲，因此必須將活塞桿作受壓桿來處理，以決定活塞桿的直徑和長度?；钊麠U的材料為 Q235—A，屈服極限為 216—235Mpa，現(xiàn)取最小值 216Mpa。當活塞桿的長度 H 10d 時，按強度?條件計算，此時活塞桿直徑由載荷決定，而與長度無關，或者說活塞桿所受的應力應小于活塞桿材料的許用應力，即(4.25)??snPdF????24推故17(4.26)??m,P4Fd??推?式中 ：??sn1.52.5?4—安 全 系 數(shù) ， 在 一 般 機 械 制 造 中 取 ， 現(xiàn) 取 為s??普 通 碳 素 鋼 的 屈 服 極 限d 活 塞 桿 直 徑 mF推 —氣 缸 活 塞 桿 的 輸 出 推 力 N,這 里 取 最 大 值 23.7NH 活 塞 桿 長 度 ， 這 里 取 為 0.5代入數(shù)值計算(4.27)m,316.04.86237d??????d = 18mm ＞0.6mm ，所以滿足設計要求。如活塞桿的長度 H＞10d 時,應按縱向彎曲極限力計算,這時活塞桿直徑與長度需同時考慮,活塞桿直徑不僅和外載荷有關,而且和長度及安裝形式及材料的性能有關。4.6 氣缸的運行速度由于氣體的壓縮性，且氣體需要有一定的時間富集才能推動氣缸，所以這段時間設為 T1。此時氣缸壓力持續(xù)上升，活塞不運動。在 T1 點，氣缸處于臨界狀態(tài)。當活塞運動后一段時間后，氣缸壓力上升至最大值，這段時間設為 T2。過 T2 點后，由于進氣腔的容積變大，使得進氣腔的壓力降低，直至活塞達到最大行程，這段時間設為T3。所以，一個循環(huán)過程的總時間 。T 要求小于 0.1 秒，行程 L 為T123??32mm，a 為活塞缸的加速度。(4.28)??????dLat對上式積分可反推出所需時間 T。但由于在這三段時間內進氣腔的壓力一直處于變化中，至使活塞的加速度也處于變化中，如求時間和加速度的二重積分，則因積分曲線過于復雜，而難于計算。所以，現(xiàn)在根據(jù)經驗公式來估算時間 T。如推力取最大值 23.7N，則加速度為20.N/m1.73Ma?推F? (4.29)18(4.30)秒05.tTm2.21atL????這是理想情況下（即氣缸的推力在瞬間就達到最大值并一直保持到活塞運動停止，μ=1）算出的總時間。μ 為效率因子（μ 值的大小受管路的長度、汽缸的行程、活塞大端面積等因素影響） 。μ 值取為 0.5—0.75，代入式（3.14） 、 （3.15）得T=0.067～0.1≤0.1 秒，所以滿足設計要求。同理可得回程階段所需的總時間為：，但對回程時間不做要求。T0.15?:、 秒根據(jù)以上參數(shù)要求，具體參數(shù)如下表所示：表 4.3 氣缸參數(shù)4.7 換 向閥的選用因氣缸反映速度快，所以要求換向閥動作靈敏，所以決定選用廣東肇慶方大氣動有限公司生產的型號為 Q25DC-6 的二位五通電磁換向閥。具體參數(shù)如下表所示：表 4.4 Q25DC-6 型電磁換向閥參數(shù)內徑（mm） 40動作型式 復動型工作介質 空 氣固定型式 LB 型使用壓力范圍 Kgf/cm2 0.1～1.0保證耐壓力 Kgf/cm2 1.5使用溫度范圍 ℃ 0～70使用速度范圍 mm/s 50～700緩沖型式 緩沖墊片型號 Q25DC-6壓力范圍 MPa 0.15-0.80194.8 行程開關的選用本系統(tǒng)采用觸點下壓的形式實現(xiàn)對換向閥的控制，所以選用由沈陽二一三電器有限責任公司生產的 LXW6-11DG 型行程開關。具體參數(shù)如下表所示：表 4.5 LXW6-11DG 型行程開關參數(shù)4.9 管道的選擇包括管子和各種管接頭。它把氣動控制元件、氣動執(zhí)行元件以及輔助元件等連接成一個完整的氣動控制系統(tǒng)。在總氣管和支氣管等一些固定不動、不需要經常裝拆的地方，由于注射液體呈弱酸性，具有一定的腐蝕性，故選用鋁塑復合管，該管內外層均為特殊聚乙烯（PE）材料；中間鋁合金及膠接 PE 與鋁之間的膠合層組成。烯是一種無毒，無異味的塑料，具有良好的耐撞擊，耐腐蝕，抗天候性能。中間層縱焊鋁合金使管子不易彎曲不反彈，鋁塑復合管擁有金屬管堅固耐壓和塑料管抗酸耐腐的兩大公稱通徑 /mm 6有效截面積/ 2m?10工作介質 過濾的壓縮空氣使用溫度范圍 0C-5-50換向時間/s ?0.04工作電壓/ V DC：24型號 LXW6-11DG動作力/N 3.92±1.96復位力/N 0.49?動作行程 /mm 0.5±0.2誤差 /mm 0.3 ?額定電壓/V AC 380機械壽命/萬次 100電氣壽命/萬次 10020特點。 （公稱通徑為 6mm）4.10 方向控制裝置由兩個單向閥組成，主要控制吸液和注液。如圖 4-1 所示，當主動氣缸 A 向右運動時，從動貯液缸也隨之向右運動，左方單向閥關閉，上方單向閥開啟完成注液缸的吸液過程；當主動氣缸 A 向左運動時，從動注液缸也隨之向左運動，左方單向閥開啟，上方單向閥關閉，完成貯液缸的注液過程。4.11 氣動控制部分利用電磁力的作用來實現(xiàn)閥的切換以控制氣流的流動方向。采用二位五通電磁換向閥及 LXW6-11CL 型行程開關來完成氣缸的連續(xù)自動往復工作。如圖 4-2 所示，當按鈕 a 按下后，氣缸即不斷伸出和收縮回不停工作。當 a 按下后， 自保。在此狀態(tài)1J下，行程開關 被壓下， 處于自保使線圈 DTA 通電，A 缸前進伸出。當撞塊壓下02J即解除了 自保，使 A 缸縮回。如此往復不停直到停止按鈕 b 按下取消 自保方12J 1停止工作。圖 4.6 方向控制裝置示意圖a 0a bJ 1j 1a 1j 1j 2J 2j 2D A TAa 0 a 1DTA圖 4.7 控制原理及電路圖214.12 本章小結通過設計計算和校核，選用行程開關，電磁換向閥來控制整個系統(tǒng)的自動運行，以氣缸和貯液缸為傳動部件，根據(jù)設計要求確定其參數(shù)和尺寸。先通過工作要求初步選定活塞尺寸和活塞桿的尺寸，然后進行設計計算，并對其校核。第 5 章 框架結構的設計5.1 固定板的設計采用湯陽縣環(huán)球工程塑料有限公司生產的 UHMW-PE 超高分子量聚乙烯硬板。該板具有耐磨損、抗沖擊、耐低溫、自潤滑等優(yōu)異性能，可長期在 110 攝氏度至 269 攝氏度條件下工作，并且吸水率極低有特殊的不 ，對人體無害，是一種性能特別優(yōu)異的工程塑料材料。具體尺寸為 1400×800×20（mm）5.2 外框架的設計采用建筑用鋁合金板。該板強度高、質地輕、表面平整、抗疲勞、抗老化、抗冷熱性（溫差）能好、抗酸、易安裝等特點。結構示意圖如下：22圖 5.1 框架結構圖5.3 儲液箱的設計箱體材料采用鍍鋅鋼板。其具有抗酸、防銹、防蝕、使用年限長、材質輕、外表美觀等特點，是本次設計的理想材料。箱體規(guī)格為 800×400×50（mm） 。圖 5.2 箱體結構圖5.4 本章小結箱體和儲液箱要選用合金鋼板，特別是儲液箱要選用不銹鋼，材料要對人體沒有任何危害，不能發(fā)生任何污染情況，適應要使連接件能固定牢靠。箱體和內部結構是緊密相連的結構，設計后的酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)具有結構簡單、緊湊、制造容易、操作簡單，成本低。23結 論本次的研究題目為酸菜自動包裝生產線注液系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點為自動輸入液體、吸液、注液，完成一個動作循環(huán)后自動重復運動，可以用于很多包裝機的結構中，主要用于食品包裝機類。如飲料、啤酒、乳品、調味品等。這個系統(tǒng)具有速度快、無污染、方便快捷等特點。本次設計主要完成了對注液系統(tǒng)的布局、進給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)的設計計算，并對一些所需部件的運動的選用。該系統(tǒng)選用直立式布局，即進給系統(tǒng)在上、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)在下，通過氣壓缸和液壓缸取代機械式結構是本次設計的最大優(yōu)點，可以根據(jù)生產要求調節(jié)動作循環(huán)間的距離增加輸入液體量的體積，另一方面，本系統(tǒng)采用電器控制可以完全自動完成工作過程，無需人工過多參與，使得自動化程度更加明顯，但是同時，本系統(tǒng)的設計上還有缺陷：本系統(tǒng)的傳動采用氣壓和液壓，有24泄漏的現(xiàn)象，不精確。解決的方法是提高配合精度，加強密封程度，本系統(tǒng)的發(fā)展方向是朝著規(guī)?；?、自動化、高生產率方向發(fā)展，即輸入液體－吸液－注液生產一條線；采用電器控制減少手工操作產生的誤差，提高機構的零部件強度，從而提高生產率。從總體上來看，本系統(tǒng)的設計較為合理，安全可靠無污染對人體無味為危害，生產率較高，自動化程度較高，但是，這個系統(tǒng)的細節(jié)之處還有未處理好的，這就需要針對本系統(tǒng)進行修改，使其更完美。參考文獻[1] 徐萃平, 趙燦,何凡,等.現(xiàn)代機械設計方法與應用[M].北京：高等教育出版社,2004.1.[2] 鄒慧君. 機械系統(tǒng)設計原理[M].北京：科學出版社,2003.4.[3] 王洪欣. 機械設計工程學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2001.1.[4] 成大先. 機械設計手冊（單行本）機械傳動[M].北京：化學工業(yè)出版社,2004.1.[5] 趙淮.包裝機械選用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社出版,2001.4.[6] 許林成. 包裝機械原理與設計[J].包裝機技術, 2006，(02). 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