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1 前言 5
1.1啤酒壓蓋機(jī)簡(jiǎn)介 5
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 5
1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.2.2發(fā)展趨勢(shì) 6
1.2.3存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施 6
1.3 選題意義 6
2壓蓋機(jī)頭設(shè)計(jì) 7
2.1壓蓋機(jī)頭總體設(shè)計(jì) 7
2.2壓蓋模設(shè)計(jì) 8
2.2.1啤酒瓶口尺寸及分析 8
2.2.2壓蓋模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.3導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì) 10
2.4沖頭設(shè)計(jì) 10
2.4.1沖頭行程設(shè)計(jì) 10
2.4.2沖頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
2.4.3沖頭強(qiáng)度校核 11
2.5芯軸設(shè)計(jì) 12
2.5.1壓蓋受力分析 12
2.5.2芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.5.3芯軸強(qiáng)度校核 13
2.6螺套設(shè)計(jì) 14
2.6.1小螺套設(shè)計(jì) 14
2.6.2中間螺套設(shè)計(jì) 15
2.5.3大螺套設(shè)計(jì) 16
2.7彈簧選用 17
2.7.1大彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算及選用 17
2.6.2小彈簧選用 18
2.7機(jī)頭殼體設(shè)計(jì) 18
3主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
3.1傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 20
3.2主軸設(shè)計(jì) 20
3.2凸輪設(shè)計(jì) 21
3.3支撐軸與滾輪軸承設(shè)計(jì) 23
3.3.1支撐軸設(shè)計(jì) 23
3.3.2滾輪軸承設(shè)計(jì) 24
3.3軸承及相關(guān)軸套設(shè)計(jì) 24
3.3.1軸承選用及校核 24
3.3.2軸套設(shè)計(jì) 25
3.4轉(zhuǎn)鼓及軸套設(shè)計(jì) 26
3.4.1轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì) 26
3.4.2大小軸套設(shè)計(jì) 26
3.5電動(dòng)機(jī)選擇 28
3.6減速器選用 28
4供蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
4.1供蓋系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 29
4.2電動(dòng)機(jī)選用 29
4.3主軸設(shè)計(jì) 30
4.4攪拌裝置設(shè)計(jì) 30
4.5減速器選用 31
5結(jié) 論 32
參 考 文 獻(xiàn) 33
摘 要
在啤酒的生產(chǎn)線中,壓蓋是關(guān)鍵的生產(chǎn)工序。壓蓋的質(zhì)量好壞影響著啤酒的最終生產(chǎn)質(zhì)量，決定著產(chǎn)品的成品率。特別是隨著生產(chǎn)的自動(dòng)化發(fā)展，自動(dòng)的啤酒壓蓋機(jī)已經(jīng)在生產(chǎn)中普遍應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是才壓蓋和傳動(dòng)方面，其中傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接決定及其工作的質(zhì)量。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，首先依托啤酒自動(dòng)生產(chǎn)線中的總體布局以及工藝路線，對(duì)壓蓋機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)其工作原理進(jìn)行分析，對(duì)壓蓋機(jī)本身的的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)重點(diǎn)零部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，對(duì)星型波輪、齒輪、凸輪等進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析，設(shè)計(jì)出總體的方法和結(jié)果。同時(shí)對(duì)壓蓋機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)選用。
關(guān)鍵詞：壓蓋，傳動(dòng)系統(tǒng)，凸輪，齒輪
ABSTRACT
In the production line of beer, gland is the key production processes. Gland beer quality affects the final production quality, determines the yield of product. Especially with the development of production automation, automatic beer capping machine has been widely used in the production.
This design only is the focus of the gland and transmission quality directly decides the transmission system design and the quality of the work. This graduate design, first of all depends on the beer in the overall layout of the automatic production line and process route, capping machine for the systematic design, then according to its working principle is analyzed, the structure of the capping machine itself to design, to analysis and design of key parts on star pulsator, gear, CAM, such as design, calculation, analysis, design method and results of overall. At the same time of capping machine drive system to carry on the design.
Key words: Screwing，Transmission ， Cam ，gear wheel
1 前言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)啤酒行業(yè)也得到了不斷的發(fā)展，同時(shí)對(duì)啤酒生產(chǎn)線也提出了更高的要求。啤酒壓蓋作為啤酒生產(chǎn)線上的重要環(huán)節(jié)，也隨之不斷提高和完善。通過(guò)對(duì)啤酒及相關(guān)行業(yè)的了解，把握國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，以便設(shè)計(jì)出更完善的設(shè)備，達(dá)到更高的使用要求。
1.1啤酒壓蓋機(jī)簡(jiǎn)介
啤酒壓蓋機(jī)是對(duì)灌裝完畢的啤酒瓶進(jìn)行封口的設(shè)備。壓蓋機(jī)使啤酒在瓶中得以密封保存，并便于流通、銷售和飲用。
啤酒壓蓋機(jī)的工作原理是啤酒瓶經(jīng)輸瓶系統(tǒng)輸送后進(jìn)入星形撥輪，同時(shí)進(jìn)入到壓蓋機(jī)頭下面，在主軸及星形撥輪帶動(dòng)下同壓蓋機(jī)頭一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)從供蓋系統(tǒng)中落下的瓶蓋剛好到達(dá)壓蓋機(jī)頭，壓蓋機(jī)頭在凸輪機(jī)構(gòu)的控制及大彈簧的作用下向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行壓蓋。瓶蓋壓緊后，壓蓋機(jī)頭在凸輪機(jī)構(gòu)的控制及小彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)，釋放啤酒瓶，星形撥輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將啤酒瓶輸出。
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國(guó)啤酒灌裝設(shè)備大都是在引進(jìn)優(yōu)良設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。新中國(guó)成立以后，我國(guó)陸續(xù)建立起了一些灌裝壓蓋設(shè)備生產(chǎn)廠。但由于落后的技術(shù)能力，在這個(gè)時(shí)期主要是生產(chǎn)一些小型設(shè)備。
六十年代末，通過(guò)有關(guān)專家和學(xué)者的考察，從國(guó)外帶回來(lái)的灌裝生產(chǎn)線技術(shù)在國(guó)內(nèi)試驗(yàn)成功。
到八十年代初，國(guó)家又積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)灌裝生產(chǎn)線300多條，其中啤酒灌裝線達(dá)500多條。引進(jìn)生產(chǎn)線主要設(shè)備有輸箱機(jī)、卸箱機(jī)、洗瓶機(jī)、輸瓶機(jī)、灌裝機(jī)、旋蓋機(jī)、壓蓋機(jī)、貼標(biāo)機(jī)和裝箱機(jī)等[1]。
目前我國(guó)啤酒的生產(chǎn)狀況是[2]：
1.啤酒產(chǎn)量穩(wěn)定增長(zhǎng)；
2.啤酒企業(yè)向規(guī)?；?、集團(tuán)化發(fā)展。
我國(guó)灌裝機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)是不斷提高單機(jī)的自動(dòng)化程度，改善整條包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制水平、生產(chǎn)能力，可以大大改善啤酒灌裝生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量，提高其國(guó)內(nèi)、國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)能力。
總而言之，自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)灌裝與壓蓋設(shè)備行業(yè)得到了高速發(fā)展，行業(yè)水平不斷提高，產(chǎn)品性能大幅度增長(zhǎng)，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差異，總體技術(shù)水平較落后。
國(guó)外的灌裝與壓蓋設(shè)備正向著高速發(fā)展。美國(guó)早在1890年就制造出了玻璃瓶灌裝機(jī)。在1912年又發(fā)明了皇冠蓋壓蓋機(jī)，接著制造出了集灌裝和壓蓋于一體的灌裝壓蓋機(jī)組。德國(guó)也在20世紀(jì)初制造出了手動(dòng)灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)[3] [4]。
世界灌裝壓蓋機(jī)正向著高精度、高速度、多應(yīng)用的方向發(fā)展，現(xiàn)在部分灌裝生產(chǎn)線已經(jīng)可以工作在玻璃瓶與聚酯瓶、碳酸飲料與非碳酸飲料、熱灌裝與冷灌裝等的不同環(huán)境和不同要求下，并能保證良好的灌裝質(zhì)量和較高的灌裝速度。
1.2.2發(fā)展趨勢(shì)
目前，國(guó)內(nèi)外啤酒灌裝壓蓋機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是[5]：
（1）高新技術(shù)化；
（2）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化；
（3）零部件生產(chǎn)專業(yè)化；
（4）設(shè)計(jì)“綠化”；
（5）市場(chǎng)日趨壟斷化。
總之，近20年來(lái)，我國(guó)啤酒灌裝行業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，生產(chǎn)高效率化、資源高利用化、產(chǎn)品節(jié)能化、新技術(shù)實(shí)用化和科研成果商業(yè)化，以成為世界各國(guó)啤酒灌裝行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，這也是我國(guó)啤酒灌裝行業(yè)的發(fā)展方向。
1.2.3存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施
雖然目前我國(guó)國(guó)內(nèi)制造的啤酒壓蓋機(jī)性能已經(jīng)達(dá)到較高水平，但經(jīng)查閱大量資料后發(fā)現(xiàn)，其凸輪設(shè)計(jì)大都還是沿用普通凸輪安裝在灌裝頭上部來(lái)控制壓蓋機(jī)頭運(yùn)動(dòng)，其速度波動(dòng)大、加速度突變大、壓力角小等都不滿足壓蓋機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備采用圓柱凸輪，可以大大改善了上述問(wèn)題。
另外，當(dāng)前國(guó)內(nèi)很多啤酒壓蓋機(jī)沒(méi)有較合理的退瓶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致破瓶率較高。本次設(shè)計(jì)在壓蓋機(jī)頭內(nèi)部設(shè)計(jì)了退瓶彈簧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便可行。
1.3 選題意義
通過(guò)分析啤酒壓蓋機(jī)目前存在的一些問(wèn)題，本著以人為本、安全可靠、簡(jiǎn)便易實(shí)現(xiàn)的原則，綜合了現(xiàn)有技術(shù)水平,運(yùn)用合理的改進(jìn)方法, 進(jìn)行本次啤酒壓蓋機(jī)設(shè)計(jì)。力求所設(shè)計(jì)的啤酒壓蓋機(jī)在滿足使用要求的前提下，在更多方面得到改善，使其能夠在啤酒生產(chǎn)線上發(fā)揮重要作用，并達(dá)到降低成本、提高效率、為企業(yè)帶來(lái)的良好的經(jīng)濟(jì)效益的目的。
2壓蓋機(jī)頭設(shè)計(jì)
2.1壓蓋機(jī)頭總體設(shè)計(jì)
壓蓋機(jī)頭是啤酒壓蓋機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖2.1所示。壓蓋機(jī)頭的主要組成部分有機(jī)頭殼體、芯軸、壓蓋模、導(dǎo)向環(huán)、沖頭、軸套、彈簧及緊固件。
壓蓋機(jī)頭的工作原理是機(jī)頭殼體2由安裝在主軸上的凸輪、滾輪軸承及支撐軸（未表示出）的控制下做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因大螺套4與機(jī)頭殼體2是螺紋連接，故大螺套4隨機(jī)頭殼體2一起上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)頭殼體2剛向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，啤酒瓶經(jīng)過(guò)輸送系統(tǒng)剛好送達(dá)導(dǎo)向環(huán)7下面，瓶蓋經(jīng)過(guò)下蓋槽也剛好送達(dá)導(dǎo)向環(huán)7與壓蓋模6之間的瓶蓋槽內(nèi)。大螺套4與中間螺套3間隙配合，當(dāng)大螺套4與機(jī)頭殼體2向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，大彈簧13被壓縮，中間螺套3在重力及大彈簧13的作用下向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)大螺套4與機(jī)頭殼體2向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，大螺套4上端緊靠中間螺套3的軸肩，使中間螺套3也隨之向上運(yùn)動(dòng)。中間螺套3與芯軸12、小螺套9均由螺紋連接，與壓蓋模6和導(dǎo)向環(huán)7通過(guò)軸肩、槽溝等定位連接，故芯軸12、小螺套9、壓蓋模6和導(dǎo)向環(huán)7都隨中間螺套3運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。小螺套9與沖頭10間隙配合，當(dāng)中間螺套3帶動(dòng)芯軸12和小螺套9向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，芯軸12在大彈簧13的作用下頂住沖頭10，并使沖頭10向下沖壓。導(dǎo)向環(huán)7向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，校正瓶口使啤酒瓶定位，并使瓶蓋準(zhǔn)確接觸啤酒瓶口。瓶蓋在沖頭沖壓與壓蓋模作用下被壓實(shí)在瓶蓋上。隨后中間螺套3隨大螺套4和機(jī)頭殼體2向上運(yùn)動(dòng)，小彈簧11被壓縮。沖頭10并沒(méi)有及時(shí)隨中間螺套3向上運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，而是在小彈簧11的作用下，有一段緩沖時(shí)間。在這段緩沖時(shí)間，壓蓋模6和導(dǎo)向環(huán)7都隨中間螺套3而瞬時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，沖頭10相對(duì)于壓蓋模6和導(dǎo)向環(huán)7向下運(yùn)動(dòng)，迫使壓蓋完畢的啤酒瓶掉落，避免啤酒瓶卡在壓蓋模6和導(dǎo)向環(huán)7內(nèi)。最后小彈簧11被拉深，沖頭10在小彈簧11作用下隨中間螺套3向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，啤酒瓶隨輸送系統(tǒng)輸出，完成一個(gè)壓蓋過(guò)程。
大螺套4與機(jī)頭殼體2、中間螺套3與芯軸12、中間螺套3與小螺套9之間都采用螺紋連接，可以控制預(yù)壓縮量并調(diào)節(jié)壓蓋機(jī)頭的行程，以適應(yīng)不同瓶高度的壓蓋要求，保證瓶蓋緊緊壓實(shí)在啤酒瓶上。大小彈簧13、11不僅提供動(dòng)力，而且有緩沖的作用，防止沖頭10沖壓力過(guò)大造成啤酒瓶壓碎。
圖2.1壓蓋機(jī)頭總體設(shè)計(jì)圖
1-緊釘螺釘 2-機(jī)頭殼體 3-中間螺套 4-大螺套 5-緊釘螺釘 6-壓蓋模 7-導(dǎo)向環(huán)
8-沉頭螺栓 9-小螺套 10-沖頭 11-小彈簧 12-芯軸 13-大彈簧 14-氈圈槽
2.2壓蓋模設(shè)計(jì)
2.2.1啤酒瓶口尺寸及分析
啤酒瓶口尺寸如圖2.2所示。該尺寸符合GB 10809—1989 玻璃容器 冠形瓶口尺寸標(biāo)準(zhǔn)。
圖2.2 啤酒瓶口剖視圖
2.2.2壓蓋模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
壓蓋模是壓蓋機(jī)頭的關(guān)鍵部件，也是易損部件，設(shè)計(jì)尺寸時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)皇冠蓋計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)皇冠蓋的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2.3及表2.1所示[6]。
圖2.3 標(biāo)準(zhǔn)皇冠瓶蓋結(jié)構(gòu)
表2.1 標(biāo)準(zhǔn)皇冠瓶蓋尺寸
名稱
單位
基本尺寸
極限偏差
高度H
mm
6.75
0.15
外徑D
mm
32.1
0.1
內(nèi)徑d
mm
26.82
0.02
蓋角半徑r
mm
1.7
0.2
蓋頂外徑R
mm
140～200
—
厚度s
mm
0.23～0.28
—
齒數(shù)z
個(gè)
21
—
壓蓋模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2.4所示，其圓柱孔直徑與瓶口上端最寬處直徑相等，都是26.8mm。錐孔的錐度計(jì)算公式為：
（2.1）
式中：表示錐度；
D表示瓶蓋外徑；
d表示瓶蓋內(nèi)徑；
H表示瓶蓋高度。
將表2.1基本尺寸的數(shù)值代入公式（2.1）后，得：
= arccos=
=arccos=
壓蓋模錐孔的錐度與皇冠蓋身的錐度基本一致，代入錐孔計(jì)算公式(2.1)后，得：
=arccos
一般，壓蓋模錐孔的表面應(yīng)有較強(qiáng)的硬度和較高的耐磨性,故所選材料為20CrMnTi，滲碳淬火后硬度達(dá)56～62HRC。錐孔壁粗糙度不低于1.6，以免劃傷瓶蓋表明。
圖2.4 壓蓋模結(jié)構(gòu)圖
2.3導(dǎo)向環(huán)設(shè)計(jì)
在壓蓋過(guò)程中，導(dǎo)向環(huán)的作用是校正啤酒瓶口位置以使瓶口準(zhǔn)確套上瓶蓋。導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，其上端緊靠壓蓋模，且與壓蓋模之間形成41mm×34mm×8mm的槽溝，此空間尺寸略大于瓶蓋尺寸，以便于瓶蓋輸送。導(dǎo)向環(huán)上端設(shè)計(jì)一高為5mm的肩，然后在導(dǎo)向環(huán)肩內(nèi)側(cè)8mm處設(shè)計(jì)三個(gè)螺孔方便其定位。導(dǎo)向環(huán)的校正作用主要依靠其中間的圓柱孔，取直徑為Φ29mm，所選材料為45鋼，圓柱孔壁粗糙度不低于3.2，以保證啤酒瓶升降順利。
圖2.5 導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)圖
2.4沖頭設(shè)計(jì)
2.4.1沖頭行程設(shè)計(jì)
沖頭的工作行程公式為：
（2.2）
式中：表示動(dòng)力彈簧工作行程；
表示沖頭自由下降高度。
設(shè)計(jì)時(shí)取H=76mm。
2.4.2沖頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
沖頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2.6所示。沖頭右端穿過(guò)壓蓋模上端圓柱孔，其直徑比圓柱孔直徑略小，取Φ25mm，其右端桿長(zhǎng)即為工作行程長(zhǎng)度（76mm）。為了準(zhǔn)確定位，沖頭左端設(shè)計(jì)一錐頂為120的圓錐槽。沖頭所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達(dá)56～62HRC。
圖2.6 沖頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.4.3沖頭強(qiáng)度校核
沖頭強(qiáng)度計(jì)算公式為[7]:
（2.3）
式中：表示應(yīng)力；
F表示壓力；
A表示軸截面積，A=；
表示屈服強(qiáng)度，對(duì)于材料為20Cr，=540MPa。
將=300N，D=Φ25mm代入公式（2.3）,得：
（MPa）
，故所選材料合適。
2.5芯軸設(shè)計(jì)
2.5.1壓蓋受力分析
圖2.7 壓蓋受力簡(jiǎn)圖
圖2.7所示即壓蓋受力簡(jiǎn)圖。在壓蓋過(guò)程中每個(gè)波褶所受的力為P，將其沿軸向和徑向分解為P和P。壓蓋機(jī)頭作用于蓋的軸向力為T。蓋子周邊與瓶口勾連時(shí)會(huì)產(chǎn)生正壓力，將其沿軸向和徑向分解為和。在壓蓋過(guò)程中，密封墊片受力的作用壓縮，會(huì)產(chǎn)生抗壓力。此外，瓶蓋還會(huì)受到瓶?jī)?nèi)二氧化碳等氣體的壓力。
氣體的壓力的計(jì)算公式為：
=πdP （2.4）
式中：d表示啤酒瓶瓶口的內(nèi)徑；
P表示啤酒瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)，其最大壓強(qiáng)為1.2MPa。
將d=Φ18mm，P=1MPa代入公式（2.4），得：
=πdP=3.14×18×1=1017.36（N）
瓶蓋在軸向方向受力平衡的方程式為：
zP+T=+ + （2.5）
壓蓋力的計(jì)算公式為：
（2.6）
式中：表示系數(shù)，一般取0.1～0.3；
s表示瓶蓋材料的厚度，一般為0.23～0.28mm；
表示瓶蓋材料的強(qiáng)度極限，一般取300～400MPa；
L表示壓蓋模錐孔大端的周長(zhǎng)。
壓蓋模錐孔大端的周長(zhǎng)L的計(jì)算公式為：
L=π （2.7）
將壓蓋模錐孔大端直徑=Φ32mm代入公式(2.7)后，得：
L=π=32π=100.53（mm）
將=0.2，s=0.26mm，=350MPa，L=100.53mm代入(2.6)后，得：
=0.2×0.26×350×100.53=1829.65（N）
2.5.2芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2.8所示。本著方便控制彈簧壓縮量及固定中間軸套，芯軸中間設(shè)計(jì)公稱直徑為Φ16mm，長(zhǎng)為185mm的螺紋。為了在芯軸與中間軸套的螺紋連接時(shí)增大摩擦，最右端采用滾花的加工方式。芯軸材料選用Q235鋼，經(jīng)滲碳處理。
圖2.8 芯軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.5.3芯軸強(qiáng)度校核
芯軸在工作過(guò)程中只傳遞彎矩而不傳遞扭矩，且為壓桿，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的壓桿穩(wěn)定性計(jì)算。
壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式為：
（2.8）
式中：表示壓應(yīng)力；
F表示壓力；
A表示軸截面積，A=；
表示屈服強(qiáng)度，對(duì)于Q235鋼=235MPa。
將=300N，D=Φ16mm代入公式（2.8）,得：
，故所選材料合適。
芯軸有導(dǎo)向裝置，它的受力情況近似于一端固定，一端鉸支的壓桿，其最大長(zhǎng)度應(yīng)滿足公式：
（2.9）
式中：E表示彈性模量，對(duì)于Q235鋼E=200GPa。
將E=200GPa，D=Φ16mm，F(xiàn)=300N代入公式（2.9），得：
（mm）
軸總長(zhǎng)度，故材料尺寸合格。
2.6螺套設(shè)計(jì)
2.6.1小螺套設(shè)計(jì)
小螺套與沖頭間隙配合，故其直徑的基本尺寸與沖頭小端直徑相等，為Φ25mm。設(shè)計(jì)小螺套大端直徑與壓蓋模外徑相等，為Φ50mm。根據(jù)普通螺紋基本尺寸公稱直徑序列選擇小螺套小端公稱直徑(大徑)為Φ36mm，小徑為Φ32.752mm。小螺套長(zhǎng)度應(yīng)滿足公式：
H-l-l （2.10）
式中：H表示沖頭工作行程長(zhǎng)度；
l表示壓蓋模厚度；
l表示壓蓋模與導(dǎo)向環(huán)之間形成空間高度。
將H=77mm，l=10mm， l=8mm代入公式（2.10），得
77-10-8=59(mm)
取=55mm。
所設(shè)計(jì)小螺套如圖2.9所示。小螺套所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達(dá)56～62HRC。
圖2.9 小螺套剖視圖
2.6.2中間螺套設(shè)計(jì)
中間螺套結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采取分段設(shè)計(jì)。
第1段螺套（如圖2.10所示）與心軸螺紋連接，故其內(nèi)螺紋基本大徑為Φ16mm，外徑為Φ25mm。
第2段螺套（如圖2.10所示）外部主要用作固定支撐彈簧，并保證彈簧的中心線不傾斜，取直徑為Φ33mm和Φ60mm。
第3段螺套（如圖2.10所示）內(nèi)部左端與第二段螺套內(nèi)部同時(shí)用作固定小彈簧，取直徑為Φ28mm，螺套左端外徑取為Φ54mm。螺套內(nèi)部右端與小螺套采用螺紋連接，故其內(nèi)螺紋基本大徑為Φ36mm，中間螺套與小螺套經(jīng)螺紋連接后，為保證壓蓋的準(zhǔn)確，選用4個(gè)緊釘螺釘M3×5。
第4段螺套（如圖2.10所示）左端內(nèi)部與壓蓋模間歇配合，故直徑為Φ50mm；右端內(nèi)部與導(dǎo)向環(huán)間隙配合，故直徑為Φ74mm。 為方便固定導(dǎo)向環(huán)，其內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)深5mm的半圓形槽如圖2.11所示。
中間螺套所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達(dá)56～62HRC。
圖2.10 中間軸套剖視圖
圖2.11 第4段螺套三維立體圖
2.5.3大螺套設(shè)計(jì)
大螺套結(jié)構(gòu)圖與小螺套類似，如圖2.12所示。其與中間螺套第三段間隙配合，取內(nèi)徑為Φ54mm。總高度小于80mm，取75mm。根據(jù)普通螺紋基本尺寸公稱直徑序列選擇大螺套的螺紋公稱直徑(大徑)為Φ72mm，小徑為Φ67.670mm，螺紋長(zhǎng)度為60mm。大螺套材料所選材料為45鋼,經(jīng)退火處理。
圖2.12 大螺套剖視圖
2.7彈簧選用
2.7.1大彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算及選用
主軸提供壓蓋機(jī)頭運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，大彈簧提供壓蓋時(shí)所需的壓力。所以，壓蓋時(shí)的工作壓力為[8]：
[τ] （2.11）
式中：表示彈簧材料直徑；
K表示彈簧剛度系數(shù)，一般取1.1～1.5；
表示彈簧中徑；
[τ] 表示彈簧材料的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力。
設(shè)計(jì)選用大彈簧時(shí)應(yīng)先計(jì)算壓蓋時(shí)彈簧所受的工作負(fù)荷。
根據(jù)工作極限負(fù)荷大于P，彈簧中徑介于Φ30mm～Φ60mm之間，初步選則彈簧 8×50×520 GB/T2089-1994。
將=Φ8mm，K=1.3，=Φ50，[τ]=685MPa代入公式（2.11），得大彈簧的工作極限壓力為：
[τ] ==2117.81（N）
1829.65N，，故所選彈簧滿足使用要求。
大彈簧選用材料為優(yōu)質(zhì)彈簧鋼60Si2Mn，經(jīng)冷作硬化處理。
2.6.2小彈簧選用
小彈簧不提供壓蓋時(shí)所需的壓力，僅僅是用來(lái)保證能將壓蓋完畢的瓶蓋從壓蓋模中推出。根據(jù)其位置知小彈簧中徑介于Φ18mm～Φ28mm之間，選用為彈簧1.8×22×294 GB/T2089-1994。小彈簧選用材料為普通彈簧鋼70，經(jīng)淬火處理。
2.7機(jī)頭殼體設(shè)計(jì)
機(jī)頭殼體右端與大螺套螺紋連接，故其取內(nèi)徑為Φ72mm，其螺紋長(zhǎng)度與大螺套相等，取60mm。其左端加工一直徑為Φ36mm的孔，孔下端留有裝氈圈地槽溝。機(jī)頭殼體剖視圖如圖2.13所示。材料選擇為45鋼，經(jīng)表面淬火處理。
圖2.13 機(jī)頭殼體剖視
32
3主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖3.1所示。
主傳動(dòng)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：主軸13在電動(dòng)機(jī)16、聯(lián)軸器15、18、減速器17的作用下低速旋轉(zhuǎn)。開(kāi)孔軸套21與轉(zhuǎn)鼓9通過(guò)螺釘22連接，轉(zhuǎn)鼓9與主軸13通過(guò)鍵12連接，故當(dāng)主軸13旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)鼓9和開(kāi)孔軸套21隨主軸13一起旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓9和開(kāi)孔軸套21精度要求較高，故選用推力球軸承20、大軸套10、小軸套11，以減輕轉(zhuǎn)鼓9和開(kāi)孔軸套21的載荷，減小其磨損。凸輪8與主軸13間隙配合，其并不隨主軸13運(yùn)動(dòng)。凸輪上開(kāi)有溝槽，溝槽內(nèi)滾輪軸承6與支撐軸7過(guò)盈配合，支撐軸與壓蓋機(jī)頭連接。壓蓋機(jī)頭在轉(zhuǎn)鼓9控制下隨主軸13和轉(zhuǎn)鼓9一起運(yùn)動(dòng)，迫使?jié)L輪軸承6與支撐軸7也隨主軸13一起運(yùn)動(dòng)。滾輪軸承6運(yùn)動(dòng)，而凸輪8不運(yùn)動(dòng)，兩者形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且滾輪軸承6在凸輪8的溝槽內(nèi)同時(shí)隨溝槽的弧線運(yùn)動(dòng)，即形成了壓蓋機(jī)頭的上下運(yùn)動(dòng)。連接板3、螺套5、螺栓桿28、螺桿29及螺母、墊圈用于固定主軸13。
圖3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖
1-墊圈 2-螺母 3-連接板4-螺母5-螺套6-滾輪軸承 7-支撐軸 8-凸輪 9-轉(zhuǎn)鼓 10-大軸套 11-小軸套 12-鍵 13-主軸 14-工作臺(tái) 15-聯(lián)軸器 16-電動(dòng)機(jī) 17-減速器 18-聯(lián)軸器 19-軸承 20-軸承 21-開(kāi)孔軸套 22-螺釘 23-鍵 24-軸套 25-軸承 26-墊圈 27-螺母 28-螺栓桿 29-螺桿 30-螺母
3.2主軸設(shè)計(jì)
所設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速為n=15r/min。
圖3.2主軸結(jié)構(gòu)圖
3.2凸輪設(shè)計(jì)
壓蓋機(jī)頭完成一個(gè)工作循環(huán)的動(dòng)作是由凸輪來(lái)控制的。目前國(guó)內(nèi)壓蓋機(jī)多采用普通凸輪安裝在灌裝頭上部來(lái)控制壓蓋機(jī)頭運(yùn)動(dòng)，其速度波動(dòng)大、加速度突變大、壓力角小等都不滿足壓蓋機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[9]。為了實(shí)現(xiàn)壓蓋機(jī)平穩(wěn)工作，本次設(shè)計(jì)采用圓柱凸輪如圖3.3所示，凸輪導(dǎo)槽曲線變化規(guī)律一般選擇正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖3.4所示。這種規(guī)律啟動(dòng)較慢，速度變化大，無(wú)加速度突變、振動(dòng)，壓力角大，適合控制壓蓋機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)[10]。凸輪沿外側(cè)邊緣展開(kāi)曲線如圖3.5所示。
圖3.3 圓柱凸輪三維圖
正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律做整周期的正弦規(guī)律變化其加速度公式為[11]：
a=Csin (3.1)
其速度公式為：
v==-Ccos +C (3.2)
其位移公式為：
s==-Csin +C+ C (3.3)
其躍動(dòng)公式為：
y=cos (3.4)
給定條件為：
，ω=0.4π時(shí)，s=0，v=0；
=π，ω=0.4π時(shí)，s=h=72mm。
將給定條件代入公式(3.1)、 (3.2) 、(3.3)，得：
C=0
C==28.8
C==72.35
將C=0，C=28.8，C=72.35代入公式(3.1)、 (3.2) 、(3.3)、(3.4)，得運(yùn)動(dòng)方程公式為：
s=72
v=
a=
y=
圖3.4 正弦加速曲線
1-位移曲線 2-速度曲線 3-加速度曲線 h-凸輪推程
圖3.5 凸輪曲線展開(kāi)圖
凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.6所示。凸輪耐磨性、抗剪切能力要求較高，故選用50Mn,經(jīng)正火處理。
圖3.6 凸輪剖視圖
在實(shí)際加工該壓蓋機(jī)凸輪時(shí)，端面形狀是用三周立式加工中心加工出來(lái)的，而只要用一般的鍵槽刀具，在一般的四周聯(lián)動(dòng)機(jī)床上就可以加工出任意槽寬的凸輪來(lái)[12]。
3.3支撐軸與滾輪軸承設(shè)計(jì)
3.3.1支撐軸設(shè)計(jì)
支撐軸安裝在壓蓋機(jī)殼的孔內(nèi)，并通過(guò)緊釘螺釘定位，通過(guò)氈圈進(jìn)行密封；其另一端與滾輪軸承過(guò)盈連接。支撐軸設(shè)計(jì)如圖3.6所示。所選材料為45鋼，經(jīng)正火處理。
圖3.7支撐軸結(jié)構(gòu)圖
3.3.2滾輪軸承設(shè)計(jì)
該滾輪軸承用于低速高載荷狀態(tài)下，故選用NATV型滿針滾針滾輪軸承。支撐軸直徑為Φ30mm，故選用NATV30X。
3.3軸承及相關(guān)軸套設(shè)計(jì)
3.3.1軸承選用及校核
根據(jù)載荷大小及方向選擇軸承類型為推力球軸承，與其相配合的主軸的直徑為Φ70mm，故所選軸承代號(hào)為51214。
根據(jù)軸承所承受載荷來(lái)源，估算軸承承受最大動(dòng)載荷為。按每日24小時(shí)連續(xù)工作的機(jī)械，選擇軸承預(yù)期計(jì)算壽命為50000小時(shí)。所選推力球軸承應(yīng)具有的基本額定載荷計(jì)算公式為：
（3.5）
式中：P表示載荷，P=10N；
n表示轉(zhuǎn)速；
表示預(yù)期計(jì)算壽命, =500000h；
ε表示指數(shù)，對(duì)于球軸承ε=3。
將P=10N ，n=15r/min，=500000h，ε=3代入公式（3.5），得：
==35.6（KN）
，故所選軸承合格。
3.3.2軸套設(shè)計(jì)
推力球軸承的定位主要靠其上下端的軸套及主軸的軸肩。推力球軸承上端軸套如圖3.8所示，推力球軸承外徑為Φ105mm，且其與軸套間隙配合，故軸套下端內(nèi)徑為Φ105mm。軸套兩端Φ140mm處，設(shè)計(jì)六個(gè)與內(nèi)六角圓柱頭螺釘M12連接的沉孔和螺孔。
圖3.8 Φ70軸套剖視圖
推力球軸承下端軸套與主軸間隙配合，故取其內(nèi)徑為Φ70mm，外徑與推力球軸承外徑相等，為Φ105mm。
推力球軸承外圈設(shè)計(jì)一內(nèi)徑為Φ105mm，外徑為Φ114mm的軸套，且該軸套與推力球軸承下端軸套間隙配合。
3.4轉(zhuǎn)鼓及軸套設(shè)計(jì)
3.4.1轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)
圖3.9 轉(zhuǎn)鼓剖視圖
3.4.2大小軸套設(shè)計(jì)
兩軸套之間間隙配合，且小軸套與主軸（直徑為Φ70mm）間隙配合，大軸套與轉(zhuǎn)鼓間隙配合，故小軸套設(shè)計(jì)為內(nèi)徑Φ70mm，外徑Φ85mm；大軸套設(shè)計(jì)為內(nèi)徑Φ85mm，外徑Φ110mm。大小軸套剖視圖如圖3.10和圖3.11所示。
圖3.10小軸套剖視圖
圖3.11 大軸套剖視圖
3.5電動(dòng)機(jī)選擇
本設(shè)計(jì)利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)的選擇是本設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。本設(shè)計(jì)選用Y系列三相異步電機(jī)，Y系列三相異步電機(jī)具有互換性好、防塵、全封閉自扇冷卻等特點(diǎn)，B級(jí)絕緣，工作環(huán)境溫度不超過(guò)+40度，適用于無(wú)特殊要求的機(jī)械上。由于啤酒壓蓋機(jī)的功率不是很大，主要是使壓蓋機(jī)頭旋轉(zhuǎn)、壓蓋和摩擦等消耗功。估算本設(shè)備的大概功率為3～5 KW左右,且要求轉(zhuǎn)速不是很高,電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器傳遞到壓蓋機(jī)。所以選擇的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y180L-8。
主要參數(shù)為：額定功率——11KW
同步轉(zhuǎn)速——750 r/min
額定電壓——380V
頻率——50Hz
3.6減速器選用
減速器是原動(dòng)機(jī)和主軸之間的獨(dú)立的傳動(dòng)裝置，可以降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作的需要。減速器的選用首先要選其類型。減速器的種類很多，也有很多不同的分類方式，選擇減速器時(shí)首先根據(jù)其承載能力及機(jī)械強(qiáng)度選擇類型。初步選用ZSY型。在選用減速器時(shí)需要考慮工況、熱功率影響和安全系數(shù)等。電機(jī)同步轉(zhuǎn)速是750 r/min，工作機(jī)的轉(zhuǎn)速為15 r/min，傳動(dòng)比要求為50。所以所選減速器為ZSY160[13]。
減速器參數(shù)為：公稱傳動(dòng)比—50
輸入公稱轉(zhuǎn)速—750 r/min
輸出公稱轉(zhuǎn)速—15 r/min
公稱輸入功率—8 KW
4供蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1供蓋系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本次供蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分有主軸和攪拌裝置。供蓋系統(tǒng)的工作原理是：瓶蓋放入下蓋料斗內(nèi)，攪拌裝置焊接在軸套上，并通過(guò)緊定螺釘固定在主軸上。主軸在電動(dòng)機(jī)及減速器作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌裝置隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并攪拌料斗內(nèi)的瓶蓋。當(dāng)被攪拌的瓶蓋達(dá)到下蓋槽口后，由下蓋槽下滑至壓蓋機(jī)頭槽溝內(nèi)，經(jīng)壓蓋機(jī)頭壓實(shí)在瓶口上，完成壓蓋的整個(gè)動(dòng)作。
4.2電動(dòng)機(jī)選用
供蓋系統(tǒng)利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)的選擇也是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
供蓋系統(tǒng)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率公式為：
（5.1）
式中：表示減速器的傳動(dòng)效率；
表示聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率。
將=0.90，=0.95代入公式（5.1），得：
=0.9×0.95×0.95=0.81
單個(gè)瓶蓋質(zhì)量為m=1.3g。設(shè)計(jì)供蓋槽體積約為V=4×10mm，一個(gè)瓶蓋體積計(jì)算公式約為：
v= (5.2)
式中：D表示瓶蓋外徑；
H表示瓶蓋高度。
將D=Φ32mm，H=6.75mm代入公式(5.2),得：
v===5.4×10(mm)
供蓋槽中盛放瓶蓋的重量（最大量）為：
M=mg (5.3)
將m=1.3g，V=4×10mm，v=5.4×10mm，g=9.8N/Kg代入公式(5.3)，得：
M=mg=1.3×9.8×4×10/5.4×10=9.5（N）
攪拌瓶蓋所需工作功率公式為：
= (5.4)
將M=9.5N，V=0.2m/s代入公式(5.4)，得：
==9.5×0.2=1.9（KW）
所需電動(dòng)機(jī)功率公式為：
(5.5)
將=1.9KW、=0.81代入公式(5.7)，得：
1.9/0.81=2.35（KW）
本設(shè)計(jì)選用Y系列三相異步電機(jī)，經(jīng)計(jì)算知啤酒壓蓋機(jī)供蓋系統(tǒng)的功率為，所以選擇的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y200L-8。
主要參數(shù)為：額定功率——15KW
同步轉(zhuǎn)速——750 r/min
額定電壓——380V
頻率——50Hz
額定轉(zhuǎn)矩——2.0Nm
4.3主軸設(shè)計(jì)
主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5.1所示。
圖5.1 主軸結(jié)構(gòu)圖
4.4攪拌裝置設(shè)計(jì)
不同槳葉的攪拌器在攪拌時(shí)產(chǎn)生不同的流動(dòng)狀態(tài)，基本流向?yàn)檠財(cái)嚢杵鞯臉~環(huán)向流、徑向流、和軸向流[14]。本供蓋系統(tǒng)基本流向?yàn)檠財(cái)嚢杵鞯臉~軸向流，故采用推進(jìn)式攪拌器，所選槳葉數(shù)為3個(gè)，并采用臥式容器攪拌的安裝形式[15]。
攪拌槽全容積的確定，主要依據(jù)公稱容積及瓶蓋的裝填系數(shù)來(lái)進(jìn)行。
攪拌槽全容積公式為：
V=Vη （5.6）
式中：V表示攪拌槽的全容積；
V表示攪拌槽的公稱容積；
η表示裝填系數(shù)，一般取0.6～0.85。
一般，攪拌槽多為開(kāi)槽式，這樣攪拌裝置的安裝與檢修及槽內(nèi)其他作業(yè)都比較方便，所以選用開(kāi)槽式攪拌槽。
計(jì)算攪拌槽的外形，首先要考慮三方面因素：
1.對(duì)攪拌功率的影響；
2.攪拌過(guò)程的特性要求；
3.占地面積與空間的要求。
攪拌功率計(jì)算公式為：
P= (5.7)
式中:n表示轉(zhuǎn)速；
表示槳徑；
ρ表示密度；
μ表示集合度。
4.5減速器選用
減速器是電動(dòng)機(jī)與主軸之間的傳動(dòng)裝置。該電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)是：同步轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定功率為15KW，額定電壓為380V，頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)矩為2.0Nm。
選用的減速器滿足主軸的轉(zhuǎn)速為7.5 r/min，傳動(dòng)比要求為100。所以所選減速器為ZSY180。
減速器參數(shù)為：公稱傳動(dòng)比——100
輸入公稱轉(zhuǎn)速——750 r/min
輸出公稱轉(zhuǎn)速——15 r/min
公稱輸入功率——4KW
5結(jié) 論
本次設(shè)計(jì)題目為啤酒壓蓋機(jī)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成了任務(wù)書(shū)上的工作要求。啤酒壓蓋機(jī)是對(duì)灌裝完成的啤酒瓶進(jìn)行封口的設(shè)備，屬于啤酒灌裝機(jī)械的一部分。以啤酒壓蓋機(jī)為核心，首先查閱了大量相關(guān)資料，通過(guò)篩選、分析、整理，初步掌握啤酒壓蓋機(jī)的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀、工作原理和主要結(jié)構(gòu)，并確定設(shè)計(jì)方案；然后根據(jù)啤酒瓶的尺寸和材料性能，通過(guò)計(jì)算確定設(shè)計(jì)零件的尺寸，并進(jìn)行了零部件的選用；最后繪制啤酒壓蓋機(jī)的裝配圖和零件圖，進(jìn)行主要零件的強(qiáng)度校核。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)壓蓋模、壓蓋機(jī)頭、凸輪等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)通過(guò)圖紙和論文完整的表達(dá)自己進(jìn)行啤酒壓蓋機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的構(gòu)思整理過(guò)程、設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程和設(shè)計(jì)最終結(jié)果。
本次設(shè)計(jì)的啤酒壓蓋機(jī)滿足壓蓋過(guò)程沖擊小、工作過(guò)程安全可靠、壓蓋后密封效果好、啤酒瓶受損小、工作效率和自動(dòng)化程度較高等條件。
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