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四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第一章 緒 論
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的完善和發(fā)展，商品流通的深度和廣度進(jìn)一步擴(kuò)大，包裝工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用和地位越來越高。根據(jù)各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，包裝工業(yè)的產(chǎn)值通常占國民生產(chǎn)總值的1.5%-2.2%。經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，包裝工業(yè)所占的比重就越大。灌裝機(jī)就是包裝機(jī)械的一種。建國以后，我國陸續(xù)建立了一些灌裝設(shè)備生產(chǎn)廠，但主要是一些小型設(shè)備，技術(shù)落后。八十年代初，國家開始積極引進(jìn)國外先進(jìn)灌裝技術(shù)，當(dāng)時(shí)灌裝技術(shù)主要掌握在少數(shù)國有企業(yè)手中。隨著改革開放的推進(jìn)，一些原來從事機(jī)床、農(nóng)機(jī)制造的企業(yè)也轉(zhuǎn)到灌裝設(shè)備的開發(fā)制造上，從業(yè)廠商逐漸增多。
我國的灌裝設(shè)備主要是應(yīng)用在酒業(yè)、飲料的灌裝上，從灌裝原理上大體可分為負(fù)壓灌裝機(jī)、常壓灌裝機(jī)、等壓灌裝機(jī)、定量灌裝機(jī) 、料位灌裝機(jī)等幾種類型。但是目前各個(gè)設(shè)備生產(chǎn)廠家的灌裝機(jī)在灌裝能力、效率、適宜瓶型范圍及自動(dòng)化程度等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同程度地制約著產(chǎn)品包裝質(zhì)量和生產(chǎn)率。
目前，灌裝機(jī)呈現(xiàn)出新的發(fā)展動(dòng)向，主要為：（1）多功能。同一臺(tái)設(shè)備，可進(jìn)行茶飲料、咖啡飲料、豆乳飲料和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝；均可進(jìn)行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝。（2）高速度、高產(chǎn)量。碳酸飲料灌裝機(jī)的灌裝速度最高達(dá)2000灌/分，非碳酸飲料灌裝速度最高達(dá)1500灌/分。（3）技術(shù)含量高、可靠性高、計(jì)量精確。
啤酒作為一種口味獨(dú)特的風(fēng)味飲料，深受廣大老百姓的喜歡，近年來由于受釀酒原材料漲價(jià)的影響，啤酒的釀造成本隨之增高，而啤酒的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，啤酒生產(chǎn)廠家為了爭(zhēng)奪啤酒的市場(chǎng)份額，一方面對(duì)啤酒的銷售價(jià)格不敢輕易提價(jià)，一方面內(nèi)部加強(qiáng)管理努力消化原材料漲價(jià)帶來的負(fù)面影響。啤酒灌裝機(jī)是啤酒包裝生產(chǎn)線的核心設(shè)備，啤酒灌裝過程中出現(xiàn)的冒酒、灌不滿、液位偏高或偏低、增氧量和瓶頸空氣超出標(biāo)準(zhǔn)等現(xiàn)象，都會(huì)直接導(dǎo)致酒損的增加，從而增加了啤酒的包裝成本，因此，灌裝機(jī)灌裝效果和機(jī)械本身的性能的好壞直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以，希望通過對(duì)灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)，能更好的發(fā)揮出灌裝機(jī)的使用性能，提高生產(chǎn)率和機(jī)械自身的性能，使之能運(yùn)行更加穩(wěn)定、計(jì)量更加準(zhǔn)確、使用更加方便、盡可能的減小噪音等等。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 確定功能與應(yīng)用范圍
用途：灌裝瓶裝啤酒。
規(guī)格：灌裝瓶容量為640Lm，空瓶為670Lm。
灌裝方式：常壓式灌裝。
常壓式灌裝，是在大氣壓下直接靠被灌液料的自重流入包裝容器內(nèi)的灌裝方式。常壓式灌裝的工藝過程為：
A. 進(jìn)液排氣，即液料進(jìn)入容器，同時(shí)容器內(nèi)的空氣被排出。
B. 停止進(jìn)液，即容器內(nèi)的液料達(dá)到定量要求時(shí)，進(jìn)液自動(dòng)停止。
C. 排除余液，即排除管道中的殘余液料。
設(shè)計(jì)要求：對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在生產(chǎn)率、可靠性、使用壽命和噪聲等方面都應(yīng)有明顯改進(jìn)。
2.2 工藝分析
2.2.1 確定機(jī)械類型
2.2.1.1 工位
啤酒生產(chǎn)批量大，灌裝機(jī)工作動(dòng)作多，故選用多工位灌裝機(jī)。
2.2.1.2 運(yùn)動(dòng)形式
灌裝機(jī)分為直線型和旋轉(zhuǎn)型2種，而啤酒灌裝機(jī)都是采用旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)進(jìn)行
灌裝，且是連續(xù)型灌裝工作方式，故采用旋轉(zhuǎn)型連續(xù)灌裝機(jī)。
2.2.2 確定灌裝程序，工位數(shù)
2.2.2.1 灌裝程序
啤酒空瓶由進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)傳送至升降瓶機(jī)構(gòu)上，升降瓶機(jī)構(gòu)控制瓶子升降，升瓶灌裝完成后，降瓶由撥瓶機(jī)構(gòu)傳送出去。
即進(jìn)瓶——升瓶——灌裝——降瓶——出瓶。
2.2.2.2 工位數(shù)
由于啤酒灌裝是大批量生產(chǎn)，所以要求工位數(shù)多，在結(jié)構(gòu)合理且提高生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上采用多的工位，故選用24工位。
2.2.3 對(duì)執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)要求
2.2.3.1 啤酒瓶升降機(jī)構(gòu)
對(duì)于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)，通常是借助分件供送螺桿將瓶子按所要求的狀態(tài)、間距、速度逐個(gè)而連續(xù)地供送到灌裝機(jī)的托瓶臺(tái)上。并由托瓶機(jī)構(gòu)將其升起使瓶口與灌裝頭緊密接觸而進(jìn)行灌裝。待灌裝過程完成后下降復(fù)位。
托瓶機(jī)構(gòu)固定在導(dǎo)向板上。
托瓶機(jī)構(gòu)主要有機(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。
對(duì)于旋轉(zhuǎn)型啤酒灌裝機(jī)來說，應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，便與維護(hù)，所以宜選擇機(jī)械式托瓶機(jī)構(gòu)。
2.2.3.2 灌裝閥
灌裝閥是對(duì)啤酒進(jìn)行灌裝的關(guān)鍵裝置，所以對(duì)其結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計(jì)。
灌裝閥應(yīng)固定在儲(chǔ)液箱下部，其安裝軸線應(yīng)該與啤酒瓶升降機(jī)構(gòu)的軸線一
致，以便于啤酒瓶在升起過后能正確的對(duì)準(zhǔn)灌裝口進(jìn)行灌裝工作。
常壓式灌裝機(jī)的灌裝閥也采用常壓灌裝閥，因灌裝操作環(huán)境為常壓狀態(tài)，灌裝過程簡(jiǎn)單，通常采用彈簧閥門式灌裝閥。
2.2.3.3 主軸
主軸是灌裝機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)軸。電機(jī)通過減速裝置把動(dòng)力傳送到主軸上，主軸帶動(dòng)儲(chǔ)液箱和導(dǎo)向板同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2.3.4 儲(chǔ)液箱
儲(chǔ)液箱位于主軸頂端，箱體下面在圓周方向配置灌裝閥，箱體隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)灌裝閥一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.2.3.5 導(dǎo)向板
導(dǎo)向板的作用是固定托瓶機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向板和儲(chǔ)液箱一樣固定在主軸上，隨主軸一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.3 擬訂主要技術(shù)參數(shù)
2.3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)
結(jié)構(gòu)參數(shù)反映灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和灌裝物件的尺寸范圍。如灌裝機(jī)列數(shù)，包裝工位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)頭數(shù)，主傳送機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)直徑或直線移距，工作臺(tái)面的寬度與高度，物件的輸入高度，成品的輸出高度等等。
2.3.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)
運(yùn)動(dòng)參數(shù)反映灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度，如主軸轉(zhuǎn)速、物件供送速度、計(jì)量與充填速度等。
2.3.3 動(dòng)力參數(shù)
動(dòng)力參數(shù)反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作載荷和灌裝機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能量消耗，如成型、封口等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作載荷，動(dòng)力機(jī)的額定功率、額定扭矩和調(diào)速范圍，氣液壓傳動(dòng)的工作壓力和流量，以及為完成清洗、殺菌、熱封等工序所需的水、汽、電和其他能源的消耗量，等等。
2.3.4 工藝參數(shù)
工藝參數(shù)反映完成灌裝工序所用的工藝方法及其特性，如完成包裝工序的有關(guān)溫度、時(shí)間、壓力、拉力、速度、真空度、計(jì)量精度等參數(shù)。
通過分析對(duì)比同一類型灌裝機(jī)的不同設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，無疑可以判斷各個(gè)設(shè)備的性能優(yōu)劣。而且用戶在籌建生產(chǎn)車間或工廠之際，借此可根據(jù)各自的生產(chǎn)條件、規(guī)模與物料消耗情況，妥善配備各種設(shè)備并核算經(jīng)營成本。
鑒于灌裝機(jī)所完成的灌裝工序、灌裝物件、所用工藝方法、機(jī)器類型等種類繁多，各種灌裝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的具體內(nèi)容也互有差異，因此，擬定主要技木參數(shù)時(shí)，務(wù)必遵循基本準(zhǔn)則按具體條件加以具體分析來解決。
眾所周知，傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)及其尺寸等參數(shù)在很大程度上是根據(jù)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的。所以，若動(dòng)力參數(shù)選擇過大就會(huì)使動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)件的結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)增大，若過小又會(huì)使它們經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)而難以維持正常工作，甚至損壞。
確定灌裝機(jī)功率的方法有：
A：類比法
通過調(diào)查研究、統(tǒng)計(jì)和分析比較同類型灌裝機(jī)所需功率的狀況，從而確定灌裝機(jī)功率。
B：實(shí)測(cè)法
選擇同類型灌裝機(jī)或試制樣機(jī)，測(cè)其動(dòng)力機(jī)的輸入功率，再依它的效率和轉(zhuǎn)速計(jì)算輸出功率和扭矩。考慮到被測(cè)的與所設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)有某些差異，應(yīng)將實(shí)測(cè)結(jié)果加以適當(dāng)修正，作為確定灌裝機(jī)功率的依據(jù)。
C：計(jì)算法
動(dòng)力機(jī)的輸出功率也可用下式粗略計(jì)算：
P=++………… （i=1，2，.......） （2-1）
也就是灌裝機(jī)所需功率等于個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需功率之和。
在總體方案設(shè)計(jì)階段，有關(guān)的動(dòng)力參數(shù)主要根據(jù)前兩種方法粗略求算，待到零部件設(shè)計(jì)完成后尚須做進(jìn)一步的校核。采用計(jì)算法確定動(dòng)力參數(shù)日前還不普遍，這主要是由于包裝機(jī)的工作載荷大都難以精確汁算，加之對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率和慣性力的計(jì)算相當(dāng)麻煩，以致把計(jì)算法僅作為確定動(dòng)力參數(shù)的一種輔助手段。
41
第三章 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
擬訂本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)是用來完成灌裝空瓶容量為670mL的啤酒灌裝，要求灌裝量為640mL。由此條件，經(jīng)查閱相關(guān)旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的資料，可得出以下參考數(shù)據(jù)：
灌裝閥頭數(shù)： 24頭
灌裝閥節(jié)距： 150mm
灌裝區(qū)間角： =
灌裝區(qū)占有率： 0.54
生產(chǎn)率： 7200Pcs/h
貯液箱半徑： r==600 mm
參考類似型號(hào)灌裝機(jī)工藝參數(shù)，現(xiàn)在先擬訂灌裝時(shí)間為9s，于是由灌裝時(shí)間的計(jì)算公式：
=* （3-1）
n----主軸轉(zhuǎn)速，r/min
----灌裝區(qū)間角
得：
n==3.57 r/min （3-2）
擬訂貯液箱在裝有液料的時(shí)候的最大重量為500kg，半徑r為600 mm，則角速度為：
= （3-3）
=0.1n=0.1*3.57=0.357 rad/s
貯液箱上作用力F對(duì)主軸的力矩為：
=F*Z （3-4）
=m*g*r
=500*9.8*1
=4900 N*m
再由功率：
P= * （3-5）
得：
P= *
=4900*0.357
=1.6 Kw
由于旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)主體是同其他機(jī)構(gòu)連在一起構(gòu)成灌裝機(jī)組，包括進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)、出瓶機(jī)構(gòu)、升降瓶機(jī)構(gòu)和壓蓋機(jī)，用同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，這樣才能保證工作同步，所以經(jīng)考察同類型機(jī)組，現(xiàn)擬訂：
進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)功率P1為1.2kw；
出瓶機(jī)構(gòu)功率P2為0.6kw；
升降瓶機(jī)構(gòu)功率P3為0.5kw；
壓蓋機(jī)功率為1.5kw。
由此根據(jù)式（1-1）可估算出灌裝機(jī)組總功率P：
P=++…………
=1.6+1.2+0.6+0.5+1.5
=5.4kw
所以，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：
Y132S-4型
額定功率----5.5kw
額定轉(zhuǎn)速----1440r/min
額定轉(zhuǎn)矩----2.2
重 量----68kg
3.2 灌裝機(jī)輸送管路計(jì)算
輸送管路是連接貯液箱和啤酒瓶口之間的管道，開始灌裝時(shí)，液料從輸送管路口直接靠自重灌入瓶?jī)?nèi)。輸液管路一般均用圓管，設(shè)計(jì)時(shí)，首先要合理選擇它的內(nèi)徑和壁厚。
3.2.1 圓管內(nèi)徑
設(shè)輸液管的內(nèi)徑為(m)，截面積為()，液料在管內(nèi)的流速為(m/s)，體積流量為(/s)。由于：
= (3-6)
= (3-7)
故得：
= (3-8)
可見，欲求必先求及。為此，又設(shè)：
W----管內(nèi)質(zhì)量流量（kg/s）
----液料密度（kg/），取0.996* kg/
----每瓶灌裝液料質(zhì)量（kg/Pc），取=0.5kg/Pc
----灌裝機(jī)最大生產(chǎn)能力（Pcs/h）,已知=7200 Pcs/h
----液料在管內(nèi)的流速，取0.7 m/s
遂寫出：
==（/s） （3-9）
=
=1.004* /s
將和帶入式（3-8）中，得：
=
=
=25 mm
在流量保持定值的條件下，雖然提高流速會(huì)使管徑和設(shè)備投資費(fèi)用都相應(yīng)減少，但往往要增加輸送液料所需的動(dòng)力和操作費(fèi)用。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選取流速。
計(jì)算出圓管內(nèi)徑后，必須參照現(xiàn)有的圓管規(guī)格圓整至標(biāo)準(zhǔn)值。
3.2.2 圓管壁厚
圓管的壁厚一般根據(jù)它的耐壓和耐腐蝕等條件，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選取。
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
利用流體力學(xué)能量守恒定律，可計(jì)算出各類灌裝閥的灌裝時(shí)間，從理論上找出影響液料灌裝速度時(shí)間的因素，以便設(shè)計(jì)出較合理的灌裝機(jī)構(gòu)．從而提高灌裝機(jī)生產(chǎn)率。
在前面已經(jīng)介紹過灌裝機(jī)有常壓式、等壓式、真空式、機(jī)械壓力式四種。對(duì)啤酒類液體進(jìn)行灌裝時(shí)，閥門被打開后，也是靠自重流入容器的。因此，旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的灌裝方式可分為常壓式和等壓式，但是一般都采用常壓式灌裝，因?yàn)槌菏焦嘌b機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，灌裝方便且生產(chǎn)速度快，非常適合啤酒類大批量生產(chǎn)所要求的生產(chǎn)率，是啤酒灌裝機(jī)的首選灌裝方式。
本次設(shè)計(jì)擬采用定量杯式定量方式，首先將料液灌入定量杯定量后再灌入包裝容器中。若不考慮滴液等損失，則每次灌裝的液料容積應(yīng)與定量杯的相應(yīng)容積相等。要改變每次的灌裝量，只需改變調(diào)節(jié)管在定量杯中的高度或更換定量杯。這種定量方式，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定量速度快，避免了瓶子本身的制造誤差帶來的影響，故定量精度高。
如圖3-1所示，圖中定量杯的內(nèi)腔直徑為D，定量杯的計(jì)量高度為H，定量杯底部液孔直徑為d。定量杯上液面及裝液容器均受大氣壓作用。
因?yàn)閷?duì)啤酒瓶的灌裝容量為640mL，所以定量杯的容量也應(yīng)為640mL。假設(shè)定量杯液面與進(jìn)液管口的距離H=100 mm，則定量杯直徑D=90 mm。
定量杯中的液料流入容器的過程其液位不斷下降，直到定量杯中的液料流完，定量杯流出液料的過程由于為非穩(wěn)定性流動(dòng)，其流出液料體積在各個(gè)相等瞬時(shí)的間隔是不等的。隨著定量杯液料的不斷流出其液位不斷下降，液料流出速度相應(yīng)地隨之減小。設(shè)在時(shí)間內(nèi)從定量杯底孔d流出的液體體積為：
=u*F*
=**F*
=*** (3-10)
相同的時(shí)間內(nèi),定量杯中液料減少的體積為：
=* (3-11)
顯然有 =
即有 ***=* （3-12）
式中 ----經(jīng)dt時(shí)間，定量杯內(nèi)液料的液面水平高度(m)
----經(jīng)dt時(shí)間，定量杯內(nèi)液料的液面高度改變量
上式整理后有：
=*（S） （3-13）
在定量杯內(nèi)液料流入容器的過程中，液面將由H到0；其所經(jīng)的時(shí)間由0到t，定量杯內(nèi)的液料才全部流完。即：
=**
=*
=*
=** (3-14)
式中 ----灌裝閥流液管的流量系數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，取0.5
g----重力加速度，9.81 m/s
D----定量杯直徑
d----進(jìn)液管直徑
H----定量杯液面與進(jìn)液管口的距離
由此可算出灌裝時(shí)間為：
=
=8.6 （s）
取整數(shù)9s，與前面假設(shè)的灌裝時(shí)間相符。
圖3-1 定量杯定量圖
3.4 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的工藝計(jì)算
3.4.1 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率分析
旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的生產(chǎn)率：
=60 （3-15）
式中： ----生產(chǎn)率（Pcs/h）
----旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速（r/min）
----灌裝工位數(shù)
上式說明灌裝機(jī)的生產(chǎn)率與旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速、灌裝工位數(shù)有關(guān)。如果以增加灌裝工位數(shù)來提高生產(chǎn)率，那么灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)直徑也要相應(yīng)地增大。
從式中還可以看到，提高旋轉(zhuǎn)工作合轉(zhuǎn)速，也可以提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)率，但是受到兩個(gè)因素的限制，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速增大到一定程度時(shí)，瓶托上玻璃瓶的離心力達(dá)到足以克服啤酒瓶與瓶托之間的摩擦力，啤酒瓶便會(huì)被甩出瓶托；另一個(gè)因素是，液料的罐裝速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，在灌裝轉(zhuǎn)角不變的情況下其灌裝時(shí)間就會(huì)相應(yīng)地縮短，即是說瓶子在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)過一定角度的時(shí)間相應(yīng)減少，因而瓶子不能裝滿。影響液料灌裝速度的因素是液料的粘度，液缸液位高度，灌裝閥的結(jié)構(gòu)等。
由此可知這些因素直接限制了旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的提高。旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一用的時(shí)間：
= （3-16）
根據(jù)灌裝工藝過程，上式又可寫成：
=+++ （3-17）
式中 ----灌裝時(shí)間 （s）
----瓶托下降時(shí)間 （s）
---- 瓶托下降到最低點(diǎn)停留時(shí)間 （s）
----瓶托上升時(shí)間 （s）
灌裝時(shí)間，在自動(dòng)機(jī)械中稱為基本工藝時(shí)間，基本工藝時(shí)間一般都要經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，然后經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)才能確定。
根據(jù)以上分析，提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)率可從兩方面考慮：一是適當(dāng)增加灌裝工位數(shù)。二是設(shè)法提高灌裝閥的灌裝速度。
3.4.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的最小旋轉(zhuǎn)角確定
圖3-2 灌裝機(jī)工藝轉(zhuǎn)角平面示意圖
如圖3-2所示，該圖為本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)平面工藝布置示意圖，前面已經(jīng)介紹了灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間為：
=+++
式中、、、其各相應(yīng)灌裝轉(zhuǎn)角、、、即：
----灌裝轉(zhuǎn)角 （度）
----瓶托下降所占轉(zhuǎn)角 （度）
----瓶托下降到最低點(diǎn)所占轉(zhuǎn)角 （度）
----瓶托上升所占轉(zhuǎn)角 （度）
灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)包括灌液，瓶托帶動(dòng)瓶子下降，瓶托帶動(dòng)瓶子下降在最低點(diǎn)(為了瓶子進(jìn)出瓶托)，瓶托帶動(dòng)瓶子上升。即：
=* （s） (3-18)
=* （s） (3-19)
=* （s） (3-20)
=* （s） (3-21)
在前面已經(jīng)從理論上推導(dǎo)出了灌裝時(shí)間=9s，于是根據(jù)式(3-18)得：
=**
=9**3.57
= （3-22）
現(xiàn)在已根據(jù)理論灌裝時(shí)間求出了灌裝轉(zhuǎn)角，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，若已知灌裝方式和被灌容器的體積，就可以按在不同情況下的計(jì)算公式算出實(shí)際灌裝時(shí)間。由此可知，灌裝機(jī)轉(zhuǎn)過角的灌裝時(shí)間，必需等于或大于實(shí)際灌裝時(shí)間，才能保證被灌裝容器灌滿。根據(jù)這一原則有：
常壓式灌裝液缸液位不變情況下灌裝機(jī)最小灌裝轉(zhuǎn)角：
*
= （3-23）
式中： ——灌裝液料的容器的體積()
n——灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)
----灌裝閥流液管的流量系數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，取0.5
A——灌裝閥液管橫截面積()
g——重力加速度(9．81m／)
設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定灌裝轉(zhuǎn)角，確定后再根據(jù)具體結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其他輔助角、、。
現(xiàn)在擬訂：
=
=
則：
=---=
現(xiàn)在已知每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)角，就可以根據(jù)式（3-19）、（3-20）、（3-21）算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)過沒個(gè)區(qū)間轉(zhuǎn)角所需要的時(shí)
=*=1.65 （s）
=*=4.1 （s）
=*=2.25 （s）
由式（3-17）得，灌裝機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間為：
=+++
=9+1.65+4.1+2.25
=17 s
3.5 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
灌裝不含氣液體的灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)都是各自獨(dú)立分開，各自單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但含氣液體灌裝都是將灌裝機(jī)和壓蓋機(jī)設(shè)計(jì)成聯(lián)合機(jī)組常稱灌裝機(jī)組，目的是為了灌液后，盡快封蓋，以減少液料的增氧量。
旋轉(zhuǎn)式灌壓機(jī)組其傳動(dòng)系統(tǒng)可分為外傳動(dòng)鏈和內(nèi)傳動(dòng)鏈。
外傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯脕砺?lián)接電機(jī)和灌壓機(jī)組的傳動(dòng)主軸，其功用是：
A．把一定的功率從動(dòng)力源傳遞給灌壓機(jī)組的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
B．保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定轉(zhuǎn)速和一定調(diào)速范圍。
C．能夠方便地對(duì)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、停止、發(fā)生故障或過載時(shí)自動(dòng)停機(jī)。
外傳動(dòng)鏈可用傳動(dòng)比不準(zhǔn)確的傳動(dòng)副和摩擦副，例如皮帶傳動(dòng)，摩擦無級(jí)變速器等；但一般不采用機(jī)械無級(jí)調(diào)速，而是采用電氣無級(jí)調(diào)速，因?yàn)殡姎鉄o級(jí)調(diào)速器操作方便，同時(shí)由于電子技術(shù)的普及和提高，維護(hù)方便，操作可靠。
內(nèi)傳動(dòng)鏈為了保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，其主要功能是：
A．進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和功率的傳遞。
B．保證灌壓機(jī)組各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格速比和按動(dòng)作順序協(xié)調(diào)動(dòng)作。
內(nèi)傳動(dòng)鏈為了保證各機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，因此必須保證傳動(dòng)精度。實(shí)際上內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈不能用傳動(dòng)比不準(zhǔn)確的摩擦副、傳動(dòng)副作為傳動(dòng)元件，必須由定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)或間歇機(jī)構(gòu)組成。
3.5.1 傳動(dòng)比
旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)的傳動(dòng)比計(jì)算，經(jīng)考察同類型灌裝機(jī)普遍采用的傳動(dòng)方式，了解其傳動(dòng)特點(diǎn)，然后在本次設(shè)計(jì)中擬采用最常用的傳動(dòng)方式，如圖3-3。
圖為本次設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)傳動(dòng)示意圖，圖中帶、蝸桿蝸輪為外傳動(dòng)鏈，為內(nèi)傳動(dòng)鏈，設(shè)計(jì)類似這樣的傳動(dòng)鏈時(shí)，首先計(jì)算灌裝機(jī)的灌裝時(shí)間，并確定灌裝工藝轉(zhuǎn)角，根據(jù)灌裝時(shí)間和灌裝工藝轉(zhuǎn)角可算出灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速，即圖中液缸的轉(zhuǎn)速，按液缸轉(zhuǎn)速和選定電機(jī)轉(zhuǎn)速確定內(nèi)傳動(dòng)鏈和外傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比。
為了保證同步，裝在主軸3上的出瓶撥輪的工位數(shù)(槽數(shù))與裝在主鈾4上的液缸的工位數(shù)之比必須等于齒輪的齒數(shù)與齒輪的齒數(shù)之比，即：
= （3-24）
已知貯液缸的工位數(shù)為24，若初設(shè)出瓶撥輪的工位數(shù)為8，則：
==3 （3-25）
因此與的齒數(shù)比也必須等于3。更確切地說為了保證傳動(dòng)精度，灌裝閥尾管中心線即瓶子垂直中心線到液缸的回轉(zhuǎn)軸線的距離與出瓶撥輪的回轉(zhuǎn)軸線的距離之比也必須但等于3。和也是齒輪和齒輪的節(jié)圓半徑。
同理：
（3-26）
（3-27）
（3-28）
而與之間的關(guān)系：若進(jìn)瓶撥輪工位數(shù)為8，則進(jìn)瓶撥輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，不等距進(jìn)瓶螺旋必須轉(zhuǎn)8轉(zhuǎn)，即：
（3-29）
以上內(nèi)傳動(dòng)鏈的分析和計(jì)算僅僅是為了機(jī)組同步和協(xié)調(diào)，還必須考慮功率的傳遞，即傳動(dòng)元件的強(qiáng)度，對(duì)齒輪來說就是模數(shù)的大小。因此計(jì)算時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)反復(fù)，但最終必須保證同步和功率的傳遞。
圖3-3 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)傳動(dòng)示意圖
A1—出瓶星輪 A2—壓蓋機(jī) A3—撥瓶星輪
A4—灌裝機(jī) A5—進(jìn)瓶星輪 A6—進(jìn)瓶螺旋裝置
3.5.2 旋轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
已知電動(dòng)機(jī)功率P=5.5kw，n=1440r/min，擬選用V帶傳送。
3.5.2.1 選定V帶型號(hào)和帶輪直徑
工作情況系數(shù) 取=1.2
計(jì)算功率
=*P=1.2*5.5 (3-30)
=6.6kw
選帶型號(hào) A型
小帶輪直徑 取D1=112mm
大帶輪直徑 D2=（1-） (3-31)
=（1-0.01）*
= 196mm
大帶輪轉(zhuǎn)速 =（1-） (3-32)
=851r/min
3.5.2.2 計(jì)算帶長
求 = (3-33)
=154mm
求 = (3-34)
=42mm
初取中心距a 2(D1+D2)a0.55(D1+D2)+h （3-35）
取a=600mm
帶長L L= （3-36）
=3.14*154+2*600+
=1687mm
基準(zhǔn)長度 取=1800mm
3.5.2.3 求中心距和包角
中心距a a= (3-37)
=
=656mm
小輪包角 = （3-38）
=
3.5.2.4 求帶根數(shù)
帶速V V= （3-39）
=
=14.8 m/s
傳動(dòng)比i i== =1.77 (3-40)
帶根數(shù)Z 單根V帶所能傳遞的功率取1.93kw
包角系數(shù)取0.969
長度系數(shù)取1.03
單根V帶i1時(shí)傳遞功率的增量取0.17kw
Z= （3-41）
=
=4 根
3.5.3 蝸桿蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》一書中得知，圓柱蝸桿頭數(shù)少，易于得到大的傳動(dòng)比，但導(dǎo)程角小，效率低，發(fā)熱多，故重載傳動(dòng)不宜采用單頭蝸桿；蝸桿頭數(shù)多，效率高，但頭數(shù)過多，導(dǎo)程角大，制造困難。
所以根據(jù)GB10087—88選取蝸桿：
模數(shù)m=8mm 分度圓直徑=80mm 頭數(shù)=2 直徑系數(shù)=10
蝸輪齒數(shù)根據(jù)齒數(shù)比和蝸桿頭數(shù)頭數(shù)決定：
= （3-42）
傳遞動(dòng)力的蝸桿蝸輪，為增加傳動(dòng)的平穩(wěn)性，蝸輪齒數(shù)宜取多些，應(yīng)不少于28齒，齒數(shù)愈多，蝸輪尺寸愈大，蝸桿軸愈長且剛度小，所以蝸輪齒數(shù)不宜多于100齒，一般取=32—80齒，有利于傳動(dòng)鏈趨于平穩(wěn)。
所以取=66
因?yàn)槭俏仐U主動(dòng)，所以齒數(shù)比=i=/=33
===24.7 r/min (3-43)
3.5.3.1 圓柱蝸桿蝸輪傳動(dòng)基本尺寸計(jì)算如下：
蝸桿軸向齒距 = （3-44）
=3.14*8
=25.12mm
蝸桿導(dǎo)程 = （3-45）
=3.14*8*2
=50.24mm
蝸桿分度圓直徑 =m (3-46)
=10*8
=80mm
蝸桿齒頂圓直徑 =+2 （3-47）
=80+2*8
=96mm
蝸桿齒根圓直徑 =- （3-48）
=80-2*（8+0.2*8）
=60.8mm
節(jié)圓直徑 = （3-49）
=8*（10+2*0.2）
=83.2mm
分度圓導(dǎo)程角 = (3-50)
=
=0.2
=
蝸桿齒寬 = （3-51）
=2*8*
=130mm
蝸輪分度圓直徑 = （3-52）
=8*66
=528mm
蝸輪齒根圓直徑 =- （3-53）
=528-2*（8-0.2*8+0.2*8）
=512mm
蝸輪喉圓直徑 = + （3-54）
=528+2*（8+0.2*8）
=547mm
蝸輪外徑 =+ （3-55）
=547+8
=555mm
蝸輪齒寬 = （3-56）
=2*8*（0.5+）
=60mm
中心距 a= （3-57）
=
=304mm 取315mm
3.5.3.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
許用接觸應(yīng)力 = （3-58）
=173 MPa
式中：轉(zhuǎn)速系數(shù) ==0.75
壽命系數(shù) ==1.13<1.6
接觸疲勞極限 =265MPa
接觸疲勞最低安全系數(shù) =1.3
最大接觸應(yīng)力 = （3-59）
=149<173 MPa
式中：彈性系數(shù) =
接觸系數(shù) =2.85
使用系數(shù) =1.1
蝸輪轉(zhuǎn)矩 =
=1155555 N*m
計(jì)算結(jié)果表明，齒面接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。
3.5.3.2 齒面彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
齒根彎曲疲勞極限 =115MPa
彎曲疲勞最小安全系數(shù) =1.4
許用彎曲疲勞應(yīng)力 = （3-60）
=80MPa
輪齒最大彎曲應(yīng)力 = （3-61）
=
=32<80 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，齒面彎曲疲勞強(qiáng)度較為合適，蝸桿蝸輪尺寸無需調(diào)整。
3.5.3.3 蝸桿軸撓度驗(yàn)算
軸慣性矩 = （3-62）
=
=2.01*
允許蝸桿撓度 =0.004m=0.032mm （3-63）
蝸桿軸撓度 = （3-64）
=0.027<0.032mm
計(jì)算結(jié)果表明，蝸桿軸撓度合格。
3.5.3.4 溫度計(jì)算
傳動(dòng)嚙合效率 = （3-65）
=0.901
攪油效率 =0.99
軸承效率
總效率 =** （3-66）
=0.883
散熱面積估算 （3-67）
=
=1.85
箱體工作溫度 （3-68）
=55℃
這里取w/(m*m*℃),中等通風(fēng)環(huán)境。
計(jì)算結(jié)果表明，溫度合格。
3.5.4 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
首先進(jìn)行對(duì)關(guān)鍵齒輪和的設(shè)計(jì)計(jì)算，前面已知i=4。
3.5.4.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
初步計(jì)算：
轉(zhuǎn)矩 = （3-69）
=
=402388 N*m
齒寬系數(shù) =0.4
接觸疲勞強(qiáng)度極限 =750MPa
=600 MPa
初步計(jì)算許用接觸應(yīng)力 =0.96=675MPa
=0.96=540MPa
值 取=85
初步計(jì)算直徑 = （3-70）
=85*
=360mm 取400mm
初步計(jì)算齒寬 =*=144mm （3-71）
校核計(jì)算：
圓周速度 = （3-72）
=
=0.3 m/s
精度等級(jí) 選8級(jí)精度
齒數(shù)和模數(shù) 初取=80
=i*=240
==5 取=4
則==100
= i*=300
使用系數(shù) =1.5
動(dòng)載系數(shù) =1.2
齒間載荷分配系數(shù)
先求： = （3-73）
=2012
= (3-74)
=21 N/mm<100 N/mm
= (3-75)
=1.88-3.2*
=1.82
== (3-76)
=0.87
由此得 == （3-77）
=1.32
齒向載荷分布系數(shù) =1.38
載荷系數(shù) = （3-78）
=1.5*1.2*1.32*1.38
=3.28
彈性系數(shù) =189.8
接點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.5
接觸最小安全系數(shù) =1.05
總工作時(shí)間 =12000 h
應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 估計(jì)，則指數(shù)m=8.78
== （3-79）
=
=/i
=
原估算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。
接觸壽命系數(shù) =1.18
=1.25
許用接觸應(yīng)力 == （3-80）
=771 MPa
== （3-81）
=714 MPa
驗(yàn)算 = （3-82）
=189.8*2.5*0.87*
=635 MPa<714 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需在作調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗(yàn)算。
確定傳動(dòng)主要尺寸：
分度圓直徑 ==4*100 （3-83）
=400 mm
=4*300 （3-84）
=1200 mm
中心距 = （3-85）
=800 mm
齒寬 =160 mm
=120 mm
3.5.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
重合度系數(shù) ==0.25+ （3-86）
=0.66
齒間載荷分配系數(shù) = （3-87）
=1.5
齒間載荷分布系數(shù) （3-88）
取=1.38
載荷系數(shù) = （3-89）
=1.5*1.2*1.5*1.38
=3.7
齒形系數(shù) =2.46
=2.19
應(yīng)力修正系數(shù) =1.65
=1.8
彎曲疲勞極限 =600 MPa
=450 MPa
彎曲最小安全系數(shù) =1.25
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 估算，則指數(shù)m=49.91
= （3-90）
=
=/i=1.85*
原估算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。
彎曲壽命系數(shù) =0.95
=0.97
尺寸系數(shù) =1.0
許用彎曲應(yīng)力 == （3-91）
=456 MPa
= （3-92）
=349 MPa
驗(yàn)算 = （3-93）
=
=360 MPa<456 MPa
==360* (3-94)
=320 MPa<349 MPa
計(jì)算結(jié)果表明，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需在作調(diào)整。
傳動(dòng)無嚴(yán)重過載，故不作靜強(qiáng)度校核。
現(xiàn)在對(duì)其他次要齒輪傳動(dòng)進(jìn)行尺寸確定。
由于是非關(guān)鍵傳動(dòng)部份，且也非本次設(shè)計(jì)題目范圍，所以只進(jìn)行尺寸初選，不需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。
前面已設(shè)灌裝機(jī)的工位為24，進(jìn)出瓶星輪的工位為8，現(xiàn)在設(shè)壓蓋機(jī)的工位為4，則根據(jù)式（3-26）有：
==2
已知 =100
則 =50
分度圓直徑 =m*=4*50=200 mm
齒寬 ==0.4*200=80 mm
因?yàn)? A1和A2的工位數(shù)相等，故
A3和A5的工位數(shù)相等，故=
3.6 旋轉(zhuǎn)主軸的選擇
灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸主要傳遞轉(zhuǎn)距，且轉(zhuǎn)距較小，所以對(duì)軸的剛度和強(qiáng)度要求不高。雖然空心軸比實(shí)心軸更節(jié)約材料，比較經(jīng)濟(jì)，但是當(dāng)外直徑相同時(shí)，空心軸的內(nèi)直徑若取為=0.625，則它的強(qiáng)度比實(shí)心軸削弱18%，且空心軸的制造比較費(fèi)時(shí)，所以這里選擇實(shí)心軸，材料選取45鋼。
3.6.1 軸的強(qiáng)度計(jì)算
按許用切應(yīng)力計(jì)算：
受轉(zhuǎn)矩（N*mm）的實(shí)心圓軸，其切應(yīng)力
= MPa （3-95）
寫成設(shè)計(jì)公式，軸的最小直徑
=C* mm （3-96）
上面兩式中 ----軸的抗扭截面系數(shù)，
----軸傳遞的功率，KW
----軸的轉(zhuǎn)速，r/min