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旋转型灌装机设计doc

2021-09-11 21:41

  PAGE 30 基于DCT的JPEG基本系统的MATLAB实现 摘 要 在科学技术日益发展的今天,灌装行业越来越受到人们的关注。灌装行业的发展直接影响到液体灌装的精度,精准的灌装量不仅体现了灌装机械的发展水平,也是对消费者权益的一种保护。 本次设计的灌装机主要适应用矿泉水、果汁以及纯净水等无气液体的灌装,它具有操作简单、成本低廉及可批量生产等特点,可适用于一些中小企业的灌装生产。它的主要机构有一下几个:供料装置、供瓶装置、托瓶机构、瓶高调节装置以及灌装阀,此外,它的正常运转还需要靠传动系统的带动。它基本的设计方案是:灌装整体布局是呈立式、旋转型,由洗瓶器出来的瓶子通过传送带传送给供瓶装置,由它分瓶、送瓶给托瓶机构;灌装机的液箱内安装有灌装阀,阀头的喇叭口对准了每一个待灌瓶,液箱内的液体由供料装置供给,液体经供料装置供到液箱中,再通过灌装阀流入每一个空瓶内;待瓶灌满后,再由供瓶装置的星形拨轮拨到传送带然后传送出,运送到下一个工序。 本文从灌装机的基本理论、基本工作原理、基本工作结构以及传动部分的设计上作了阐述,并利用UG软件绘制三维图,从而更直观的反应整体效果。 关键词:灌装机;灌装阀;星形拨轮;传动装置; Abstract Today, with the development of science and technology , the filling industry has been paid more and more attention. The development of filling industry directly affects the accuracy of liquid filling ,the filling precision not only reflects the development level of the filling machine, but also is a kind of protection of the rights and interests of consumers. The design of the filling machine is mainly adapted to use for mineral water, fruit juice and water without liquid filling of gas.It has the advantages of simple operation, low cost and mass production characteristics .The filling production can be applied to some small and medium- sized enterprises of filling production. It has some main institutions,such as feeding device, the bottle supply device, bottle table institutions, the bottle of high regulator device and the filling valve. In addition, its function also needs to be driven by the drive system.The following is its basic design scheme . Its overall mechanism is vertical and rotary. The bottle which comes from washing device conveys through the conveyor belt transmission to the bottle supply device.The device can let the bottle be separated,and then send these bottles to bottle table institutions;The liquid filling valve is installed in the cabinet, and its valve head is admitted to each bottling. The liquid in the liquid box is supplied by feeding device,and then it is delivered through the filling valve to each empty bottle. After the bottle is filled, the installation of the star dial wheel deliver -ed them to the conveyor belt and then sent to the next working procedure. This article describes the basic theory, working principle, structure and transmission part of the filling machine. The use of UG software renders 3D visual effects by drawing its 3D graph. Key words:filling machine; filling valve; star thumbwheel; transmission device PAGE 31 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u HYPERLINK \l _Toc92 摘 要 PAGEREF _Toc92 III HYPERLINK \l _Toc32261 Abstract PAGEREF _Toc32261 IV HYPERLINK \l _Toc30666 目 录 PAGEREF _Toc30666 V HYPERLINK \l _Toc23534 1 绪论 PAGEREF _Toc23534 1 HYPERLINK \l _Toc32279 1.1本课题的设计内容和意义 PAGEREF _Toc32279 1 HYPERLINK \l _Toc8975 1.2本课题的国内外发展概况 PAGEREF _Toc8975 1 HYPERLINK \l _Toc27707 1.3本课题应达到的要求 PAGEREF _Toc27707 2 HYPERLINK \l _Toc6443 2 液体灌装机主体机构的方案设计 PAGEREF _Toc6443 3 HYPERLINK \l _Toc9971 2.1 灌装机的概述 PAGEREF _Toc9971 3 HYPERLINK \l _Toc30211 2.1.1 液体灌装机的分类 PAGEREF _Toc30211 3 HYPERLINK \l _Toc15627 2.1.2 液体灌装机的选择原则 PAGEREF _Toc15627 5 HYPERLINK \l _Toc13056 2.1.3 灌装的基本方法 PAGEREF _Toc13056 5 HYPERLINK \l _Toc30952 2.2 灌装机的总体方案 PAGEREF _Toc30952 6 HYPERLINK \l _Toc21770 2.3 灌装机的供料装置 PAGEREF _Toc21770 7 HYPERLINK \l _Toc1926 2.4 灌装机的供瓶装置 PAGEREF _Toc1926 8 HYPERLINK \l _Toc27159 2.4.1 螺旋限位装置 PAGEREF _Toc27159 8 HYPERLINK \l _Toc10312 2.4.2 星形拨瓶轮装置 PAGEREF _Toc10312 8 HYPERLINK \l _Toc58 2.5 灌装机的托瓶机构 PAGEREF _Toc58 9 HYPERLINK \l _Toc13377 2.6 灌装机的灌装阀 PAGEREF _Toc13377 10 HYPERLINK \l _Toc19011 2.6.1灌装阀的定量方法 PAGEREF _Toc19011 10 HYPERLINK \l _Toc234 2.6.2 灌装阀的灌装原理 PAGEREF _Toc234 12 HYPERLINK \l _Toc1571 2.6.3 灌装阀的密封 PAGEREF _Toc1571 13 HYPERLINK \l _Toc348 3 灌装机传动部分的设计计算 PAGEREF _Toc348 14 HYPERLINK \l _Toc7094 3.1 电动机的选择 PAGEREF _Toc7094 14 HYPERLINK \l _Toc25224 3.2 减速器的选择 PAGEREF _Toc25224 15 HYPERLINK \l _Toc24228 3.3 带传动的设计 PAGEREF _Toc24228 15 HYPERLINK \l _Toc517 3.4 中心轴的设计 PAGEREF _Toc517 18 HYPERLINK \l _Toc29812 3.4.1 中心轴的材料 PAGEREF _Toc29812 18 HYPERLINK \l _Toc23654 3.4.2 中心轴的安装 PAGEREF _Toc23654 19 HYPERLINK \l _Toc10244 3.4.3 中心轴的结构尺寸 PAGEREF _Toc10244 20 HYPERLINK \l _Toc14141 3.4.4 中心轴的计算 PAGEREF _Toc14141 21 HYPERLINK \l _Toc32263 3.4.5 轴上键的选择 PAGEREF _Toc32263 23 HYPERLINK \l _Toc11316 3.5 中心轴齿轮的设计 PAGEREF _Toc11316 24 HYPERLINK \l _Toc14909 3.5.1 齿轮的材料 PAGEREF _Toc14909 24 HYPERLINK \l _Toc9695 3.5.2 齿轮的计算 PAGEREF _Toc9695 25 HYPERLINK \l _Toc17268 3.6 锥齿轮的设计计算 PAGEREF _Toc17268 30 HYPERLINK \l _Toc9270 3.7 本章小结 PAGEREF _Toc9270 35 HYPERLINK \l _Toc1179 4 灌装机的设备调试与维护 PAGEREF _Toc1179 36 HYPERLINK \l _Toc3550 4.1设备调试 PAGEREF _Toc3550 36 HYPERLINK \l _Toc7023 4.2设备维护 PAGEREF _Toc7023 36 HYPERLINK \l _Toc15522 5 结论与展望 PAGEREF _Toc15522 38 HYPERLINK \l _Toc27014 5.1结论 PAGEREF _Toc27014 38 HYPERLINK \l _Toc9934 5.2不足之处及未来展望 PAGEREF _Toc9934 38 HYPERLINK \l _Toc715 致 谢 PAGEREF _Toc715 39 HYPERLINK \l _Toc21578 参考文献 PAGEREF _Toc21578 40 无锡太湖学院学士学位论文 新式灌装机的设计与工程分析 1 绪论 1.1 本课题的设计内容和意义 食品包装是生产生活中必不可少的一个环节,其中液体饮料的灌装占据了很大一块市场。它在人们的生活中占据的地位的提高,也带动了灌装机械的发展。灌装机作为液体包装的主要设备,它的研究水平近年来也随着科技的发展,也有了很大的提高。 近半个多世纪以来,随着人们生产与流通日益社会化、现代化,灌装行业正以崭新的面貌为人们所重视。在国内外,灌装产业已涉及各行各业,对人们生活、国家经济以及国防建设都有深刻的影响,甚至在现实生活中出现了过去难以想象的新场景,灌装机的出现使液体的灌装过程更加方便、快捷,更加自动化。 我国饮料、乳品、啤酒市场得到长期发展的同时也带动了包装机械业的飞速发展。自从上世纪80年代开始,中国每年都要进口大量的饮料、乳品和啤酒包装机械,至今引进的势头仍然是有增无减。这些机械大多是高速自动化生产线,可靠性强,产量高,部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进,使中国部分饮料、乳品和啤酒企业的包装水平得以与发达国家同步发展。目前,品包装机械的产值在300亿元人民币左右,而每年进口的食品包装机械约10亿美元。其中饮料、乳品和啤酒包装机械占有相当大的比重[1]。 灌装是食品生产中重要的环节,而矿泉水及其他无气液体饮料在人们的生活中占据了重要的地位,从而也带动了灌装机械的发展。本设计是针对矿泉水、果汁等无气饮料的灌装设备的设计,它的主体部分包括6大部分:供料装置、灌装阀、托瓶机构、供瓶装置、瓶高调节装置以及进出瓶装置,其中进出瓶装置又包括进瓶螺旋限位装置、进瓶拨轮装置以及出瓶拨轮装置。除主体部分外,还有传动部分,本设计主要对进出瓶装置以及传动部分的计算及校核,使之能够符合工作要求,满足生产需要。 大量事实表明,实现灌装行业的机械化和自动化,尤其是实现高度灵活的自动包装线,不仅体现了现代生产的发展方向,同时也可以获得巨大的经济利益。 (a)能增加品种花色,提高产品质量,增强市场的竞争能力; (b)能改善劳动条件,降低环境污染,改善生活质量; (c)能节约材料,降低成本,增加材料的利用率; (d)能提高生产效率,加速产品的不断更新换代。 1.2 本课题的国内外发展概况 灌装方法的产生源自于人类开始采用容器盛装液体以后。19世纪末到20世纪初之前,人们通常使用水罐或水杓的方法进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装。大约在1980年,美国的Horix、Kiefer和U.S.BottLers等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。第一台商业型灌装机是由美国一家名为Kiefer公司制造的,Horix公司也在1920年首次制造了一款重力灌装机,被用于灌装番茄酱,时至今日这家公司仍生产灌装机。20年代初这几家公司着手生产回转式灌装机,其中U.S公司制造纯线世纪以来,灌装机械工业迅速发展,那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀,等待瓶子灌完所需的时间。今天,回转式自动灌装机的生产能力己达每分钟2000瓶。 我国在解放前夕几乎没有灌装机械,灌装生产绝大部分处于手工操作阶段,非常落后。之后的70年代初,上海、北京、广州、青岛、烟台等地引进三十多条灌装线,其中有西德Seitz厂、意大利Simonazi公司、美国Merer公司、日本三菱公司,另外还有许多罗马尼亚灌装线。随后,我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线,初步改善了灌装生产的落后面貌,但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大[1]。为此,我国应根据自己的国情,吸收国外的先进技术,设计和生产出具有先进水平的灌装机,其发展趋势向高效化、自动化、节能化发展,,力图采用新技术、新材料,如计算机辅助设计、微机控制等,开创一代新型灌装机。 当今灌装机械制造水平的发展水平体现在灌装阀核心技术的发展水平上:从旧时重力灌装到如今先进的抽真空等压灌装、从以前平面阀密封结构到现在锥形阀密封结构。这些变化都体现了世界技术的进步与发展。我国灌装机械制造产业,经历了仿制、引进别国技术、消化吸收、自主创新、开发的过程,技术进步及创新开发的速度变快了,而且在不断缩小与国外先进技术之间的差距。 现代灌装技术的目标是追求自动化、高效、精确。精确的灌装量,灌装过程的高速、可靠,尽量小的液损,以及整条生产线的最优化控制,都由于电子技术的实际应用而成为可能。电子灌装阀灌装技术迅速发展是大势所趋。目前国外灌装机使用的电子阀有三种形式:探针式(液位传感器)电子阀、配置电磁流量计的电子阀、配置定量筒的电子阀。我国一些灌装设备制造厂也在开始研制适合中国国情的电子阀灌装机,但电子阀灌装机在我国的推广使用受到国产包装容器几何形状精度不高和电子器件水平的制约。 1.3 本课题应达到的要求 随着灌装机械竞争加剧,未来灌装行业将根据产业自动化趋势,朝着自主研发技术、高速包装机等方向进行,在技术发展上正朝着以下方向发展: (1)机械功能多元化。工商业产品已趋向精致化及多元化,在大环境变化下,多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机各种方能适应市场需求。 (2)结构设计标准化、模组化。充分利用原有机型模组化设计,可在短时间内转换新机型。 (3)控制智能化。目前包装机械厂家普遍使用PLC动力负载控制器,虽然PLC弹性很大,但仍未具有电脑(含软件)所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能化、调整操作简单等条件,基于电脑的智能型仪器将成为食品包装控制器的新趋势。 (4)结构运动高精度化。结构设计及结构运动控制等事关包装机械性能的优劣,可通过马达、编码器及数字控制(NC)、动力负载控制(PLC)等高精密控制器来完成,并适度地做产品延伸,朝高科技产业的包装设备来研发[2]。 由于本课题是机械专业的毕业课题,而我国目前包装机械行业的发展空间比较的大,研究包装机械方面的课题对我们个人发展以社会进步都有积极意义,它能培养和锻炼学生综合能力。一方面巩固、增长我们的专业知识,提高我们综合运用知识的能力,为以后的生产工作积累宝贵的经验;另一方面也使我们能在自己的课题上有所发现,有所改进,从而进行创新,提出一些具有建设指导性的意见。 2 液体灌装机主体机构的方案设计 2.1 灌装机的概述 灌装机广泛应用于食品工业中的矿泉水、啤酒和果汁饮料等产品的装填灌注,即将送来的空包装容器注满液体后,再分个运送出去。液体灌装机是液体包装生产线的核心设备.液体灌装过程中出现的冒泡、灌不满、液位偏高或偏低、增氧量和瓶颈空气超出标准等现象,都会直接导致液损的增加,从而增加了液体的包装成本。因此,灌装机灌装效果的好坏直接影响到企业的经济效益。下面我们先了解一下液体灌装机的基本要求和工作原理.然后再对影响灌装效果的一些主要因素做分析。 不含气液体灌装机的基本要求: 产品在正常工作时,灌装头(阀)在非灌装位置不应有滴漏现象。 各管路应畅通,且不应有渗漏现象。 产品应达到额定生产能力,在正常工作时,瓶损率应不大于0.05%。 产品在正常工作时,灌装容量应不少于公称容量,灌装液位差应不大于?±6mm。 灌装合格率应不小于98 %[3]。 液体灌装机是围绕灌装的工艺流程展开的,其工作原理是:从洗瓶机出来的洁净空瓶子由输瓶带送入灌装机的进瓶螺旋,由进瓶螺旋将挨个儿的瓶子以一定间距分开输送,再经进瓶拨瓶轮送至回转台上,使之在回转台上饶回转台中心轴回转。与此同时,液箱内的灌装阀的量杯上端和液箱出液口处阀高调节结构连接,它能随着导轨边旋转边上下运动,当瓶子进入回转台后,灌装阀的量杯沿导轨向下运动,从而使灌装阀的喇叭口紧压瓶口,使量杯中心导管接通,液体沿着导管流入瓶中。当瓶子旋转到一定位置时,量杯此时沿着导轨上升,上升到一定高度使得阀上的喇叭口与瓶口分离,导管被封死,液体不再下流,瓶子里的水也刚好灌至所需高度,然后再经由出瓶口处的拨瓶轮拨传送出去,流入下一步工序,这样便完成了整个灌装过程。 2.1.1 液体灌装机的分类 液体灌装机按灌装瓶的主要运动形式分类可分为以下: (1)旋转型灌装机 图2.1 旋转型灌装机的俯视图 旋转型灌装机如图2.1,空瓶经洗瓶机洗净后由输送带输入灌装机的瓶输送部分,待灌瓶由输送部分或人工送入灌装机进瓶机构,瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装,转动近一周时瓶子己灌满,然后由转盘送入压盖机进行压盖,然后再由输送带输送成品。其中,瓶子在灌装过程中升降如图2.2。 图2.2 灌装机灌装过程展开示意图 这种灌装机在食品、饮料行业应用最广泛,如汽水、果汁、啤酒、牛奶等的灌装,此机主要由供料装置、供瓶系装置、灌装阀、托瓶机构、瓶高调节装置、传动系统、机体、自控等部分所组成,其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键[4]。这类灌装机相比于直线型灌装方式而言,在灌装速度精度上都有所提高,效率大大提高了。 (2)直线,待灌装的空瓶从上一步操作(一般是洗瓶机)沿直线由传送带传送,进行成排灌装,凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次,到送至灌液管的下方时,阀门打开进行灌装,间歇进行操作。灌完的瓶子再由传送地运至下一步流程,最后包装成品后完成。 1-推瓶板 2-限位拨盘 3、11、13-传送带 4-传送盘 5-瓶子 6-上盖机构 7-料斗 8-拧紧机构 9-商标盒 10-浆糊盒 12-推料板 14-储液箱 15-灌装管 图2.3 直线灌装机工作流程图 这种灌装机相对旋转型灌装机而言,它结构较为简单,制造方便,但体型比较大,而且做得是间歇运动,生产能力的提高有所限制,因此一般只用于无汽液料类的灌装,有很大的局限性,难以用作批量大规模生产。 (3)自动化灌装机 该类型可分为:单机自动机和联合自动机(可以包括连续进行洗瓶、灌装、压盖、贴标、装箱等工序)。自动灌装以采用机械传动控制为主的最普遍[4]。 此外,,还有自动化程度、机械结构及灌装方法等多种方法分类的,具体的详细内容见表2-1: 表2-1 灌装机的分类方法 序号 分类型式 型式、技术特性、灌装方法 1 按自动化程度分 手工灌装机 半自动灌装机 单元自动灌装机 液体包装联合自动机 2 按机械结构分 单排式 多排式 旋转式 旋转式 3 按灌装方法分 真空灌装 变液位的压力下灌装 在液位高度不变的压力灌装 在压力下灌装 4 按关闭装置分 旋塞式 阀门式 滑阀式 气阀式 5 按定量装置分 定量杯定量 液位高度定量 定量泵定量 安瓶定量 2.1.2 液体灌装机的选择原则 灌装机的选择:合理选择灌装机是保证产品质量,提高经济效益的重要途径。一般来说,应密切联系生产实际,尽量选择质量好、效率高、结构简单、使用维修方便、体积小、重量轻的灌装机。灌装机知识在选择灌装机时,应遵循以下原则。? 为生产工艺服务的原则。首先应根据灌装物料的性质(粘度、起泡性、挥发性、含气性等)选择适宜的灌装机,以满足生产工艺要求。例如对于芳香较浓的酒液,为避免挥发性芳香物质受到损失,一般应采用容杯式或常压灌装机;对于果汁类料液,为了减少与空气接触,保证产品质量,一般应采用真空加汁类灌装机。其次,应使灌装机的生产能力和前后工序的加工、包装机械的生产能力相匹配。? 生产率高和产品质量好的原则。生产率的高低直接反映生产线的生产能力。所以生产率越高,其产生的经济效益越好。为了提高产品质量,应选择设备精度高、自动化程度也高的灌装机。但是设备的售价也相应提高,增大了产品的单位成本。因此在选择灌装机时,应结合生产工艺要求,对相关的因素进行综合考虑。? ? 工艺范围宽的原则。灌装机的工艺范围是指其适应不同生产要求的能力。工艺范围越宽,越能提高设备的利用率,实现一机多用,即利用同一设备可以灌装多种物料和多种规格。因此为了适应酒水、饮料行业多品种、多规格的生产要求,应选择工艺范围尽可能宽的灌装机[5]。 2.1.3 灌装的基本方法 灌装就是将一定量的液体注入到空包装容器中的流程。这种液体主要是指具有低粘度的可流动性液体,如酒类、汽水、果汁等。它们可以依据自身重力以一定速度流入到包装容器中。此外,灌装机也可灌装一些粘稠不大的液体和一些粘度很高的物料,如果酱、油脂、牙膏及黄油等等。这些物料,只依靠重力是不能使其灌装到包装容器内的,因此需要施以一定大小色的压力,依靠压力将其挤压到包装容器中。由于液体种类的多样性,其性能不一,如粘度、起沫性、含气性、挥发性等,所以采用不同的灌装方法;其次液体包装容器的多样性,如玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等,所以,灌装机选择合理的灌装方法应该根据不同的包装容器、包装物料及不同的灌装工艺。由于液体物料性能不同,我们常采用以下几种方法进行灌装: 常压灌装 常压灌装,又叫重力灌装,即在常压状态下,利用液体本身的重力作用将使其自己流到灌装容器中,它整个工作系统是处于开放状态下,该灌装方法是最原始的灌装方法。至今仍被用在流动性很好的液体灌装中,这各方法比较适用于流动性好、不含气、不易挥发的液体中。如矿泉水、白酒、酱油、牛奶等。 压力灌装 压力灌装,是借助外界压力将液体物料压入包装容器中。外界压力有机械压力、气压、液压等。压力灌装主要适用于粘度较大,流动性较差的薪酬物料的灌装,可以提高灌装速度。压力法灌装与真空法正好相反,灌装密封系统处于高于大气压力的状态中,将正压力加于产品上。压力法对于不能抽真空的产品是很理想的,如酒精类饮料(酒精含量会随真空度增加减少),热饮料(90℃的果汁,抽真空可引起液料迅速蒸发),如果采用常压灌装液管道比较细,阻力大,效率低,为了提高灌装速度,可采用压力灌装等。压力法可在产品和排气两端保持高于大气压的压力,且产品端压力更高,这样的系统有利于控制某些饮料保持较高的二氧化碳含量。 等压灌装 等压灌装,即先向包装容器内充气,使容器内压力与贮液缸内压力相等,再将贮液 缸的液体物料灌入包装容器内。等压灌装又称压力重力灌装、气体压力灌装。这种灌装 方法只适用于含气饮料,如啤酒、汽水、香槟等。 负压灌装 负压灌装是先将包装容器抽气形成负压,再将液体物料灌入包装容器内。这种灌装方法不但能提高灌装速度,而且能减少包装容器内残存的空气,防止液体物料氧化变质,可延长产品的保存期。此外,还能限制毒性液体的逸散,并可以避免灌装有裂纹或缺口的容器,减少浪费,适用于不含气体,且怕接触空气而氧化变质的粘度稍大的液体物料,以及有毒的液体物料。如果汁、果酱、糖浆、油类、农药、药水等[1]。 此外还有虹吸法,虹吸法灌装应用虹吸原理使液体料经虹吸管由储液箱被吸入容器,直至两者液位相等为止。此法适合灌装低粘度不含气的液料,设备结构简单,但灌装速度低。该方法出现最早,人们最容易接受,原理也比较简单,但现在很少使用。 2.2 灌装机的总体方案 灌装机广泛应用于食品工业中的汽水、啤酒和果汁饮料等产品的装填灌注。其型号规格繁多,但大部分灌装机的主体结构主要由供料装置、灌装阀、托瓶机构、供瓶装置和瓶高调节装置五部分组成。 本次设计的灌装机主体结构如图2.4。液体经供料装置进入液箱,再进入灌装阀内,灌装阀经瓶高调节机构上下升降,从而将液体输入灌装瓶内;瓶子由供瓶机构输送进灌装机的托瓶机构上经行灌装。 图2.4 灌装机的主题结构图 2.3 灌装机的供料装置 灌装液料由贮液箱经泵(或直接由高位箱)及输液管将液体产品输入液箱中, 再由液箱经灌装阀输入待灌容器中,这就形成了整个灌装液料的供送系统。对于等压法、真空法有时还需对贮液箱充气或抽气。由此可见,不同的灌装方法就应有不同的供料系统,供料机构的设计对灌装速度和精度的影响起着至关重要的作用。 供料机构的正确选择,除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外,还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装果汁类等,可以采用常压法,亦可采用真空法,为了减少灌装时液料中的含氧气量,以便延长产品的保质期,采用较大的真空度的真空法更有利。另外,采用真空法其灌装阀的结构较简单,液漏损失小。 应当指出,对于某种液料的灌装不一定选择单一的方法,也可以综合选择几种方法,例如为了减少啤酒中的含氧量,避免保存期失光变质,一种方法是灌装前对瓶内抽取真空,然后再充入二氧化碳进行等压灌装,即采用真空--等压法,另一种方法是用二氧化碳充气等压,瓶内被替代的空气被引入单独设置的回气箱,并不排至贮液箱。灌装前阶段在等压下进行,灌装后阶段可加快回气速度,形成与贮液箱的压差,从而提高灌装速度,即采用等压--压力(差压)法。 本毕业设计是针对无气粘度小的液体的灌装,故只需采用在常压法灌装。液体由于自身重力作用,由灌装阀流入灌装瓶中完成供料操作。此外,采用此供料装置,本机的结构因而比较简单,也容易清洗贮液箱。 2.4 灌装机的供瓶装置 在包装工业领域内,现已广泛应用的限位装置的类型就是螺旋限位装置以及星形拨瓶轮装置,它可按某种工艺要求将一定规则或不规则的容器、物件以确定的速度、方向和间距分批逐个地供送到给定的工位。特别是为了适应包装容器日新月异的变化和提高设备生产能力的实际需要,螺旋限位装置正朝着多样化、通用化和高速化方向发展,并不断扩大它在灌装、充填、封口、贴标、计量、检测以及自动包装线上的应用,如分流、合流、升降、起伏、转向和翻身等等[6]。 2.4.1 螺旋限位装置 如图2.5中,部件2为螺旋限位器。在自动灌装机中,根据灌装的工艺性要求,准确地将由传送带送来的瓶子送入回转台上,它是保证灌装机能够正常有序工作的关键。一般供瓶装置的关键就是瓶的连续输送和瓶的定时供给问题。 常用的连续输送装置有链带传送,一般采用不锈钢或尼龙坦克链带,为了减少链带与瓶底间的摩擦,有时需要在链带上涂些肥皂水,以起到良好的润滑作用。 由洗瓶机洗出来的空瓶子由输送带传送过来以后,为了防止它们之间相互挤压或者堵塞以及准确地送入灌装机的回转台上,必须设法使瓶子单个地保持适当的间距送进 ,而螺旋限位装置正是起到这种作用。如图2.5,空瓶经限位器后,由原来的紧密挨着到以一定的间距传送到下一个组件1上。 螺旋限位器在结构上是一种空间高副机构,它的结构形式受供送瓶的大小、形状等的制约。从外观形式看,前端应设计呈截锥台形,有助于将玻璃瓶顺畅地导入螺杆的工作区段, 而另一端应具有与玻璃瓶同半径的圆弧过渡角,以便和星形拔轮同步衔接,为了使刚进入螺杆工作区段的玻璃瓶运动平稳,最好采用等螺距,使它暂不产生加速度;鉴于星形拔轮的节距通常都大于两只玻璃瓶原来在链带上紧相接触时运动的中心距,显然,最后一段螺旋线一定要变螺距,为改善瓶的惯性运动,它应该制约玻璃瓶以等加速度规律逐渐增大其间距[6]。实践证明,对于中、小型自动灌装机(一般为250瓶/分以内),只需将螺杆设计呈等螺距段即可,虽然其加速度曲线不连续,有阶跃突变,但在加速度值不很大时,仍不致发生明显的柔性冲击。设计供送螺杆的关键在于,必须在满足被供送瓶的主体直径及有效高度、星形拔轮节距和生产能力等条件下,预选螺杆的内外径及长度,合理确定螺旋线的组合形式、 旋向及螺旋槽的基本参数。 2.4.2 星形拨瓶轮装置 如图2.5中的部件1星形拨瓶轮,此机构是将瓶的螺旋限位器送来的瓶子,准确地送入灌装机内瓶的回转台上或将已经灌满的瓶子从回转台上取下来送回传送带上。拔瓶轮一般采用酚醛层压板等材料,以免与玻璃瓶产生硬性碰撞,拔瓶轮一般具有一定的高度,这个高度是根据瓶子的高度来确定的,此外,拨瓶轮中轮片上圆槽的半径应根据输送瓶子的半径大小而定。为了保证拨轮与托瓶台的位置相对应,在轮片上应开有圆槽形孔,调好后再安装在转轴上。 1-星形拨瓶轮 2、5-挡板 3-螺旋限位器 4-瓶子 图2.5 供瓶装置示意图 此外,为了使瓶子稳定传送,在传送带旁边还需要安装护瓶挡板,即如图2.5中的部件2、5。在进出瓶拔轮外也需要安装挡板,护瓶杆离开传送中心线的距离要可调试,以适应不同规格的瓶子。另外,供瓶机构不仅要将瓶子分隔转弯,而且传递速度必须与洗瓶机的速度匹配,否则易出现倒瓶、缺瓶或阻塞现象,为了防止倒瓶时影响正常生产,某些灌装机在螺旋限位装置、拔轮的传动部分安装有离合器,一旦出现故障,可使其自动停转,有的还安装有微动开关,当离合器脱开的同时,压迫微动开关,使全机停转,有效得维持了灌装机生产的安全性。 2.5 灌装机的托瓶机构 对于旋转型灌装机,通常是借助分件供送螺杆装置将瓶子按所要求的状态、间距、速度逐个而连续地供送到灌装机的回转台上。并由托瓶机构将灌装阀的喇叭口下降与瓶口紧密接触而进行灌装。待灌装过程完成后上升复位。 托瓶机构可以分为机械式、气动式、机械与气动组合式等三种结构形式。 机械式托瓶机构是依靠弹簧力使托瓶台升降,无需密封。这种升降机构的结构简单,但是机械磨损大,压缩弹簧易失效,工作可靠性较差;同时对灌装瓶的质量要求高,它主要用于不含气液料的灌装机。 气动式托瓶机构以压缩空气作动力源,有良好的吸震缓冲能力,但活塞的运动速度受到气压变化的影响。若压力下降较小,不但使瓶子的上升速速度减慢,而且难于保持瓶口和灌装头的紧密接触。若压力上升较大,则瓶子的上升速度加快,以致不易与进液管对中,并使瓶子受到较强的冲击力。这种升降机构克服了机械式的缺点,当发生卡瓶时,压缩空气好比弹簧一样被压缩,使瓶子不再上升,故不会挤坏瓶子。但是,瓶子下降时的冲击力较大,要求气源压力稳定。该机构适用于灌装含气饮料的灌装机。 机械与气动组合式托瓶机构,工作稳定可靠,压缩空气在环管中循环使用,只需补充漏损量,应用广泛。但凸轮导轨也会增加额外的润滑、磨损和运转阻力。该机构的工作稳定性好,目前得到广泛的应用。 在本设计中,我们采用的是机械式的升降机构。如图2.6,其工作原理如下:灌装阀中的量杯桶由拉杆和滚轮连接,滚轮在升降导轨上,沿着导轨的上下而上下滑动,从而带动量杯桶上下运动。由上下滑动的量杯桶带动阀上喇叭口的上下移动,从而完成喇叭口和瓶口的密封与分离,这样不仅保证了灌装时瓶口的密封,同时对瓶子的高度误差亦有较好的适应能力。凸轮导轨安置在上方出液口,和上方出液口管道固定连接。因此,瓶子所在的回转台上不再需要导轨,灌装瓶自身也不需要上下运动,结构有明显改善。 图2.6 托瓶升降机构示意图 2.6 灌装机的灌装阀 2.6.1灌装阀的定量方法 准确的定量灌装不但关系着产品的成本,同时也关系着产品在消费者心中的信誉。目前,常用的液料定量法有控制液位定量法、定量杯定量法、定量泵定量法、电子液位定量法。因液料的性质不同,所选的定量方法和定量机构也不相同。 (1)控制液位定量法 这种方法采用控制灌装容器内液位的高度来达到预定的灌装量,其工作原理如图2.7,开始灌装时,瓶子上升顶开橡皮垫5,使滑套6和灌装头7之间出现间隙,液体流入瓶内,瓶内气体经排气管1排至贮液箱9中。当瓶内液面达到排气管口时,气体不再排出,液料继续流入瓶内,瓶内气体被压缩,根据连通器的原理,瓶内液料沿排气管一直上升到与贮液箱9液面水平,则停止进液。当瓶子下降脱离橡皮垫5时,弹簧4使灌装头7与滑套6封闭,排气管内液料流入瓶内,完成一次灌装。只要调节排气管1伸入瓶内的高度,就可以改变灌装量。该机构结构简单,但是定量精度稍差,因定量精度直接受瓶子容积精度和瓶口密封度的影响。它适用于灌装含气饮料。 1-排气管 2-支架 3-紧固螺母 4-弹簧 5-橡皮垫 6-滑块 7-灌装头 8-调节螺母 9-储液箱 图2.7 控制液位定量法原理图 (2)定量杯定量法 这种方法是先将液料注入定量杯内,然后再将定量杯内的液料注入包装容器内。它的工作原理如图2.8。在待灌瓶进入灌装工位前,定量杯1浸入贮液箱14中,液料充满定量杯。随后,灌装瓶随着导轨上升,它的瓶嘴将灌装头8、进液管6和定量杯1一起抬起,使定量杯上口超出贮液箱14的液面。此时,进液管隔板11两边的上通孔12和下通孔10均与阀体中的中间槽13相通(之前处于在阀体内壁上,被封死的状态),使定量杯内的液料由管2流入瓶内,瓶内气体由透气孔9排出。当定量杯内液料下降至调节管2的上口端面时,整个灌装过程结束。只要调节定量调节管2在定量杯内的高度,或者更换定量杯,就可以改变灌装量。此法不透用于灌装含气液体,因为定量杯在贮液箱内上下运动,使气体产生气泡,从而影响灌装定量精度。 1-定量杯 2-定量调节管 3-阀体 4-紧固螺母 5-密封圈 6-进液管7-弹簧 8-灌装头 9-透气孔10-下孔11-隔板12-上孔13-中间槽14-贮液箱 图2.8 定量杯定量法原理图 (3)定量泵定量法 1-三向阀 2-液体充填流路 3-灌装管路 4-活塞杆 5-活塞 1-进液管2-灌装阀3-负载传感器 6-活塞缸 7-进液体流路 8-贮液料箱电子液位定量法 4-控制器 5-定值器6-显示、鉴定器 图2.9 定量泵定量法工作原理图 图2.10 电子液位定量法工作原理图 这种灌装方法是先将粘稠液料用机械压力注入活塞缸内定量,再注入到包装容器的,每次灌装量等于活塞缸内液料的容积。 定量泵定量法工作原理如图2.9。当瓶托台带瓶子上升,灌装管嘴 3 进入瓶内,同时活塞杆4下降,接通进液流路7,液料进入活塞缸6内完成液料的计量,如图(a)。然后三向阀回转换向,切断进液流路7,同时打开充填流路2,活塞杆4上行,将活塞缸内液料推入瓶内,进行灌装工作,如图(b)。当活塞上升到活塞缸最上面时灌装结束。在瓶托带动瓶子下降脱离灌装嘴3时,进行下一个工作循环,如图(c)。 (4)电子液位定量法 电子计量法是现代计量方法,如图2.10,在灌装阀2中有两个大小不同的液道,液体通过液道时,由负载传感器随时地边灌装液体边测量液体重量,当充填的液体接近规定的充填量时,灌装阀则可转换成小流量的回路,因而灌装量精度非常高。另外,在灌装液 体前,显示器清零,容器重量有测定偏差,则重新定值,对灌装量毫无影响。这种装置的灌装阀结构简单,不会因滑动部位的摩擦而产生粉尘,无液体和气体滞留,易清洗;当灌装量改变时,只要变更数据开关的给定值,即可瞬时实现,较易实现生产的集中管理。 2.6.2 灌装阀的灌装原理 灌装阀是灌装生产线上的核心部件,它是完成完成灌装工艺要求必要部件,其功能在于根据灌装工艺要求,以最快的速度沟通或切断贮液箱、气室和灌装容器之间流体流动的通道,保证灌装工艺过程的顺利进行。 其灌装原理如图2.11,入液口2由连接棒连接至上方导轨,滑套5固定在液箱上,故阀体2会在滑套5中上下滑动,当在如图示位置时,上通孔4和下通孔9处于不联通状态,此时就液体就无法下流;而当阀体向下运动,使喇叭口和瓶口呈密封状态,此时的上下通孔处在滑块内部的槽中,液体由上通孔流到槽内再通过下通孔,最后流入瓶内;当阀体再次向上移动时,上下通孔再次被封死,液体不能下流,此时,瓶子中的水也灌完成。于是,完成了整个灌装过程。 1-上连接棒 2-入液口 3-进液管 4-上通孔 5-阀体 6-垫圈 7-液箱 8-紧固螺母 9-下通孔 10-弹簧 11-喇叭口 12-透气孔 图2.11 灌装阀的结构示意图 2.6.3 灌装阀的密封 由于灌装阀是安装在流体通路上的开关,保证不向外漏气和漏液是十分重要的。因此在阀门开闭处的接触面,可动部分相对于不动部分的运动面,以及安装于贮液箱上的接合面和压紧于瓶口上的接触面等都有一个选择何种密封防漏的结构问题。 在液箱和灌装阀的结合面处的密封:阀体与液箱之间垫了一层弹性垫圈6,同时在液箱外的阀体部分装有一紧固螺母,通过紧固螺母提供压力,进行压紧阀门,起到良好的密封作用。这种密封形式容易保证防漏,只需改变压紧力就能改变密封力以及磨损后的重新密封,故使用寿命较长,安全可靠。 在灌装阀的进液管的密封:进液管3 中是不导通的结构,在非灌装位置,进液管的外壁上的两个通孔由于在灌装阀体的内壁内,受内壁的挤压形成适当的预压紧量,借助于进液管材料的反弹力压紧密封面而起密封作用的。这种密封形式运动磨损后容易产生泄漏,假若预紧力过大,又要增加运动过程中的摩擦阻力,相应的也就增加了磨损的速度,泄漏后只得更换密封材料。 2.7 本章小结 本章主要介绍了灌装机各主要机构的选取,初步了解了旋转型灌装机上各相关重要机构的基本功能和所能实现的运动,从中可以对灌装生产线做出相当的认知,并在其基础上能做出一些进步的创新和改进。 3 灌装机传动部分的设计计算 3.1 电动机的选择 在日常生产过程中,电动机一般都是采用三相交流异步电动机,其常用电动机的标准见《机械设计手册(新版)》的第5卷第35篇:电动机与位移测量技术。在有些情况下,如需经常起动、制动及反转的场合,要求电动机的转动惯量小和过载能力高,选用鼠笼或绕线式三相起步电动机。电动机结构有开启式、防护式、封闭式和防暴式。根据防护要求选择相应结构。 (1)功率的确定: 电动机的功率选得是否合适,对其工作和经济性都有影响;如采用额定功率小于工作要求的功率,就不能保证工作机的正常工作,甚至日电动机长期过载而过早损坏;如果电动机的额度功率大于所要求的功率,则电动机价格高,容量也未得到充分利用,以致造成成本高,而且浪费[7]。 通常对在变载荷作用下,稳定、长期连续运行的机械,要求所选用的电动机的额定功率稍大于工作机功率。还应查出电动机类型和额定功率、相应的转速和安装尺寸。在一般情况下不必校验电动机的发热和起动力矩。电动机工作时需要的功率按下式计算: (3.1) 式中——工作机所需的功率,KW ——从电动机到灌装机间各运动副的总机械效率(以下简称效率)。 工作机所需要工作功率 一般根据工作机的生产阻力和运动参数计算: 或 (3.2) 式中:F —— 工作机的生产阻力,N; v —— 工作机的速度,m/s; T ——工作机的阻力矩,N·mm; ——工作机的转速,r/min; ——工作机的效率。 总效率按下式计算: (3.3) 式中、、、… 分别为运动链中各运动副(如齿轮、轴承及联轴器等)的效率,其值可参考《机械设计手册(新)》中选取。 容量相同的同类型电动机,可以有不同的转速。如三相异步电动机常用的有四种同步转速,即3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。低转速电动机的极数多,外廓尺寸及重量都较大,但可使传动装置总传动以及尺寸较小;高转速电动机则相反。因此确定电动机转速时,应按具体情况进行分析和比较。 通常多选用同步转速为1500r/min和1000r/min的电动机,如无特殊需要,不选用同步转速低于750r/min的电动机。 传动装置的设计功率通常按实际所需要的电动机工作功率考虑,而转速则按电动机额定功率时的转速(满载转速,它不等于同步转速)计算。 通过计算可知,中心轴下面安装的推力球轴承在工作时,所受的摩擦力大约为40N,所以灌装机主轴的启动转矩不大,根据《机械设计手册(新)》上电动机选择时应综合考虑的问题和考虑到运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易,以及产品的价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素,选择电动机为Y2型系列电动机。 所选电动机的型号为Y2-90S-4型电机,它的额定转速为1400r/min,额定功率1.1KW。 3.2 减速器的选择 减速器是原动机与工作机之间的独立的闭式传动装置,用来降低转速和增大转矩,以满足工作需要。在某些场合也用来增速,称为增速器。 减速器的种类很多,按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们相互组合起来的减速器;按照传动的级数可分为单级和多级减速器;按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器以及圆锥-圆柱齿轮减速器;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器[8]。 由于所选电动机的额度转速为1400r/min,灌装机的生产能力Q为4000~5000瓶/小时,灌装机的灌装阀头数为12头,故实际生产时灌装机每转生产t=12瓶,所以灌装机主轴的转速 取整值420r/h,即7r/min。首先设锥齿轮主轴上大带轮与减速器上小带轮的传动比,电动机的小带轮与减速器上大带轮的传动比,则减速器上输入的转速为700r/min,输出的转速为35r/min,根据以上条件,选择CW型减速器,减速器的型号为CW63-20-IF JB/T7935-1999,该型号的减速器的额定输入转速为750r/min,额定输入功率为1.32KW,额定输入转矩为252。因为电动机的功率为1.1KW,所以选择该型号的减速器符合要求。 3.3 带传动的设计 带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮(主动带轮和从动带轮)和传动带轮。当主动带轮转动时,利用带轮和传动带轮间的摩擦或啮合作用,将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点,并且它工作时噪声小,能够实现较大距离间两周的传动,通过改变带长,能够满足不同中心距的要求,在近代机械中广泛应用[9]。 但是V带运转一定时间以后,会因为带的塑性变性和磨损而松弛。为了保证带传动正常工作,应定期检查带的松弛程度,才去相应的补救措施。常见的方法有:定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的张紧装置等。安装张紧轮时应注意,一般放在松边内侧,尽量靠近大带轮并且轮槽尺寸和带轮相同。 在本设计中:已知,该电动机的额定功率P=1.1kW,转速为1400r/min,电动机传动到减速器上的传动比i=2,估计一天运转时间10-16个小时,根据这些条件,设计计算出 适合的大小带轮。 1、确定计算功率 查询《机械设计》第八版表8-7查的工况系数1.1,故 2、选择V带的带型 根据,查得《机械设计》第八版图8-11选用Z型带。 3、确定带轮的基准直径并验算带速v 1)、初选小带轮的直径。由《机械设计》第八版表8-6和8-8,取小带轮的基准 直径 2)、验算带速。 因为5m/s

  30m/s,故带速适合。 3)、计算大带轮的基准直径 4、确定v带的中心距a和基准长度 1)、根据《机械设计》第八版,初定中心距 (3.4) 即 取。 2)、由式3.5计算带所需的基准长度 (3.5) 由《机械设计

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