分件螺杆和星形拨盘机构的研究与设计

包装容器供送装置一分件螺杆和星形拨盘机构的研究与设计1.分件螺杆和星形拨盘机构的结构组成分件供送螺杆机构可将规则与不规则的成批物件按给定工艺要求分批或逐个地供送到包装工位。并完成增距、减距、分流、合流、升降、起伏、转向或翻身等工艺要求。如图3-1所示，它由锥齿轮传动的变螺距螺杆、固定侧向导板、链式水平输送带(未画出)和星形拨瓶轮(即拨轮)等组成，分件供送螺杆在结构上是一种空间高剧机构，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，前端应设计成截锥台形（斜角约为3040 ) ，有助于将玻璃瓶顺畅地导人螺杆的工作区段，而另一端应具有与玻璃瓶同半径的圆弧过渡角，以便和星形拨轮同步衔接，为了使刚进入螺杆工作区段的玻璃瓶运动平稳，第一段最好采用等螺距，使它暂不产生加速度，鉴于星形拨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的中心距，因此，最后一段螺旋线一定要变螺距，并以等加速规律逐渐增大其间距。对于高速(一般在250-550r/min 或更高些)分件供送螺杆来说，还必须增添过渡段，即加速度按某种规律(如简谐、多项式等)变化的螺旋线，以保证整个螺杆的单头螺旋线在各个衔接点均有对应相等的螺旋角、速度和加速度，从而消除冲击现象。2. 分件螺杆的设计分件螺杆是真空封罐生产线供送装置中的重要组成部分，分件螺杆一般采用变距塑料螺杆。瓶子在预卷封完成后，经过传送带连续输送到分件螺杆装置，分件螺杆完成相邻两瓶之间的间距、速度和加速度的调节，保证瓶子有序、平稳的进入星形拨盘。分件螺杆性能的好坏，直接影响着瓶子封装的效率和稳定性。分件螺杆在真空封罐生产线应用的优点在于：（）能够较好的达到封罐生产线的生产要求，并且生产线的总体控制与实现比较容易；（）能够有效地减轻对瓶子的冲击，保证瓶子包装的美观，利用控制变距螺杆的运动，便于瓶子有序的进入到后续工序，使得后续工艺能够顺利的完成；（）生产线中的各道工序，从进瓶、下盖、预紧封和抽真空，能够达到相互协调一致，共同维持生产线的稳定运行。2.1分件螺杆的工作原理分析如图为分件螺杆机构的工作原理图，由传送带输送来的瓶子，经分件螺杆输送至星形拨盘，螺杆每转一圈，瓶子向前进一个工位，星形拨盘转过一个节距，输送一个瓶子进入抽真空装置。分件螺杆要实现分件供送功能，就必须设计合理的螺杆螺旋线，保证完成预期的运动规律。由图分析可知，瓶子的运动规律的选择决定了分件螺杆旋线的构造形状以及瓶子沿螺杆传送的速度类型。根据螺杆运送物料的运动规律，变距螺杆螺旋线的设计主要有如下几种形式：等加速度螺旋线瓶子由同步带输送至分件螺杆，瓶子作等加速运动，加速度由零增大到一个常数，在瓶子运动到星形拨盘时加速度由一个常数变为零，瓶子在螺杆的入口和出口处加速度都是有突变的，这样就会产生刚性冲击，造成瓶子和螺杆的损坏。一般不釆用这种类型的螺杆。三段组合式螺旋线在分件过程中，为了使瓶子平稳地从传送带进入分件螺杆，减缓冲击，螺杆螺旋线一般采用多段组合的形式。三段组合式螺旋线由等速（匀速）螺旋线、变加速螺旋线、等加速螺旋线组成。勾速段是为了让螺杆的轴向速度和经过同步带传送来的瓶子速度相同，让瓶子顺利的进入螺杆。一般星形拨盘的节距要大于瓶子的直径，因此，等加速螺旋线的节距应该是递增的，为了使瓶子平稳的进入星形拨盘，要求等加速螺旋线最后一段的螺距要和星形拨盘的螺距相等。为了实现勾速段和加速段平稳过渡，还要添加一个过渡螺旋线（变加速螺旋线），过渡螺旋线一般采用正弦线，以此来保证三段螺旋线交接处都有相同的速度、加速度和螺旋角，使瓶子平稳过渡，消除刚性冲击。四段组合式螺旋线 对于速度要求高的分罐件螺杆，四段式在保证分件稳定性方面有很大的优势，但是由于分段线太多，就要求螺杆有足够的长度。四段式螺旋线一般采用等速螺旋线、正弦变速螺旋线、正切螺旋线和代数多项式螺旋线等多种螺旋线的组合。其中，一段正弦变速螺旋线、一段正切螺旋线和一段代数多项式螺旋线的特点是：罐体不易后倾，能与后续输送设备平稳衔接，适用于隨体较重、供送速度较高的场合。 本论文所设计的分件螺杆，其分件速度为336rmin，属于高速，对于速度要求高的分罐件螺杆，四段式在保证分件稳定性方面有很大的优势，采用四段组合式螺旋线螺杆（图）比较合适。 图三段组合式螺旋线螺杆三段组合式螺旋线的公式推导本课题釆用三段组合式螺旋线螺杆，现对其螺旋线公式进行推导。（）在等速螺旋线段，瓶子沿着螺杆匀速前行，加速度为零。螺杆的螺距由罐的横截面上的直径决定，等速段螺杆螺距可表示为：P1=D+（3.1）式中：P1一一等速段螺杆螺距，；一一相邻两个罐之间的间隙，一般取值；D瓶子外径，等速段的运动表达式为： （3.2）式中： n 螺杆转速，； a1等速段螺杆分件加速度，； v1等速段螺杆分件速度，； S1一一等速段件行程，（）在变加速螺旋线段，瓶子沿着螺杆轴向作变加速运动，螺杆分件的加速度按照正弦函数变化规律由零增加到a，则加速度表达式为 （3.3） 分件速度及瓶子的行程表达式为： (3.4) (3.5)式中：a2一一变加速段螺杆分件加速度，；a2max一一变加速段螺杆分件最大加速度，；v一一变加速段分件速度，； S2一一变加速段件的行程，mm；t2一一变加速段瓶子移动行程为S2所需要的时间，s；t2max一一变加速段瓶子移动最大行程S2max所需要的时间，s；C0、C1、C2一一待定参数（）在等加速螺旋线段，瓶子沿着螺杆轴向作匀加速运动，加速度恒定为a3，且a3a2max，则对应的分件速度及瓶子的行程表达式为： (3.6) (3.7)式中：a3一一等加速段螺杆分件加速度，；v等加速段分件速度，；S3一一等加速段瓶子的行程，；t3一一等加速段瓶子移动行程为S3所需要的时间，s；c3、c4一一待定参数根据三段组合式螺旋线螺杆的描述，分析图（），可以得到分件速度随位移的变化曲线图（）以及分件加速度随位移的变化曲线图（）。分析图（3-4）和图（3-5）可知：当t2=0时，S2=0，v2=v1；当t2=t2max，则可得到待定参数；将c0、c1、c2的值带入（3.3）、（3.4）和（3.5）可得： (3.8) (3.9) (3.10)当t3=0时，S3=0，v3=v2max，v2max为变加速段t2max时的分件速度，则可得到待定参数：c3=v2max、c4=0。将c3、c4的值代入公式（3.6）、（3.7）中可得： (3.11) (3.12)当t=t3max，v3=v3max，代入公式（3.11）可得：V3max=v2max+a2maxt3max （3.13）式中：t3max一一等加速段瓶子移动最大行程S3max所需要的时间，s；V3max一一变加速段螺杆分件最大速度，mm/s；当t2=t2max时，v2=v2max，代入公式（3.9）可得： （3.14）将公式（3.14）、（3.2）带入（3.15）可得： （3.15）将公式（3.14）带入（3.11）带入（3.12）可得： （3.16） （3.17）综上所述，三段组合式螺杆螺旋线的运动方程式可表示为：等速段螺杆螺旋线公式为： （3.18）变加速段螺杆螺旋线公式为： (3.19） （3.20） （3.21）等加速段螺杆螺旋线公式为： （3.23） （3.23） （3.24）3.2.3分件螺杆的参数设计螺杆的设计参数主要包括螺杆的总长度、螺杆的圈数、螺杆的直径以及螺杆的转速等方面，这些参数主要由瓶子的尺寸、瓶子的速度和安装尺寸决定的。表-螺杆的设计参数表 参数 单位螺杆总长度l mm螺杆等速度段圈数i1 螺杆变加速段圈数i2 螺杆等加速段圈数i3 螺杆直径D螺 mm螺杆转速 r/min螺杆的内径D螺内 mm螺杆等速度段长度S1 mm螺杆等速度段长度S2 mm螺杆变加速段长度S3 mm螺杆初始螺距p mm（）螺杆的内径D螺内和直径D螺 瓶子瓶身为圆柱形物体，直径为，螺杆的内径D螺内和螺杆直径D螺 应满足 （3.25）瓶子外径60，螺杆在分件过程中受力不大，出于加工成本方面的考虑，取D螺1.25D，D螺内0.4D，经公式（）校核，满足设计要求。（）螺杆的圈数i 为了使瓶子在等速段能平缓的进入螺杆，在变加速段拉开间距，在变加速段末端能与星形拨盘顺利完成交接，根据工艺要求，确定螺杆在等速度段、变加速段和等加速段的圈数分别为i1、i22、i32。（）螺杆的转速 本论文设计的分件螺杆的分件速度为40r/min，则螺杆的转速为40r/min。（）螺杆初始螺距p 等速度段螺旋线的圈数i1，则螺杆的初始螺距也就是等速度段螺杆的长度，由公式（3.1）可知，螺杆的初始螺距为： （3.26） (3.27)（5） 螺杆的总长度l 瓶子分别在等速度段、变加速段、等加速段螺杆运动时间最大值为t1max、t2max、t3max，则有：将S1=D+10，n=40r/min，t2max=3s，t3max=3s代入公式（3.15)可得： （3.28）当t2=t2max=2.4s，由公式（3.21）可得螺杆变加速段长度： （3.29）当t3=t3max=2.4s时，由公式（3.24）可得螺杆等加速段的长度: （3.30）螺杆的总长度l为： （3.31）表3-2 螺杆主要参数优化值参数 取值螺杆等速度段圈数i1 i1=1螺杆变加速段圈数i2 i2=2螺杆等加速段圈数i3 i3=2螺杆直径D螺 D螺 =1.25D=75螺杆转速 40螺杆的内径D螺内 D螺内 =0.4D=24螺杆初始螺距p p=D+10=70螺杆等速度段长度S1 S1 =D+10=70螺杆变加速度段长度S2 螺杆等加速段长度S3 螺杆的总长度l 由以上分析计算可知，当瓶子的尺寸和螺杆等加速段的末端的速度确定后，便可以得到螺杆的各项优化参数。星形拨盘机构的设计星形拨盘机构的主要参数包括星形拨盘参数和导板参数，如图3-7所示，星形拨盘参数包括的转速nb、槽数m、直径Db、节距pb、凹槽凹圆半径Rb1，、凹槽凸圆半径Rb2以及两星形拨盘之间的距离Lb等;导板参数包括导板内圆弧半径Rd,导板最小间距Ld。图3-7星形拨盘机构参数分析 由于瓶子的直径较大，星形拨盘的槽数m越多，则星形拨盘的直径Db越大，综合考虑机构的紧凑性和拨瓶速度，设计拨盘的槽数为4个。瓶子经螺杆分件后直接进入到星形拨盘，要求星形拨盘的螺距与分件螺杆末端的螺距(等加速段的螺距)相等，星形拨盘的节距;瓶子刚脱离螺杆时的速度和星形拨盘外圆的线速度相等，星形拨盘的线速度，这样才能保证分件螺杆和星形拨盘之间实现顺利交接。设计生产量为40瓶/min，星形拨盘的槽数为4个，得出星形拨盘的转速nb为10r/min，那么星形拨盘的节距和外圆线速度就由星形拨盘的直径Db决定。 由公式(3.30 )可得等加速段螺杆的长度，等加速段螺杆的圈数i3=2，则可得到等加速段螺杆的螺距p3为 （3.32）星形拨盘的节距pb与等加速段螺杆的螺距相等，则有: (3.33)结合公式(3.31)、(3.32)可得: (3.34)星形拨盘的外圆线速度，将转速单位r/min换算成r/s，则有，代入公式(3-33)，解出星形拨盘的直径Db (3.35)瓶子的直径D=60mm，则星形拨盘的直径，星形拨盘的节距pb=100mm。 分析图3-7可知，两个星形拨盘之间的距离Lb=2Rd+Ld，Ld一般取20mm40mm，设定Ld=25mm。为了使瓶子在星形拨盘凹槽内沿着导板圆弧线平稳的过渡到抽真空装置，罐横截面必须超过一半卡在凹槽内，即凹槽凹圆半径，凹槽凹圆弧的角度大于90，导板圆弧线半径。为了使星形拨盘的凹槽凹圆和凹槽凸圆过渡平滑，凹槽凸圆弧线应与凹槽凹圆弧线交接处相切，且凹槽凸圆半径应大于凹槽凹圆半径，综合分析，最后确定星形拨盘机构的设计参数，如表3-3所示。表3-3星形拨盘机构的设计参数参数 取值转速nb(r/min)Nb=10r/min槽数mm=4直径Db(mm)节距pb(mm)凹槽凹圆半径Rb1(mm)凹槽凸圆半径Rb2(mm)导板内圆弧半径Rd(mm)两星形拨盘之间的距离Lb 2、 课题研究内容（一）设计内容该乳制品玻璃瓶容器的三维模型如图2所示。本次课题组主要研究壮牛牛奶灌装机，涉及供料装置、供瓶装置、瓶子升降托举装置、灌装阀及封盖、贴标签装置的设计。主要为了实现牛奶灌装的自动化，以减轻工人的劳动强度、提高产品质量，以及保障产品的卫生与外观。本次设计中我主要负责完成托瓶升降机构，灌装瓶高度调节机构部分的设计。（2） 设计要求1. 托瓶升降机构要求运行平稳、迅速、准确，安全可靠，结构简单，托瓶升降实现自动化。2.灌装瓶高度调节机构要求能方便的调节贮液缸与转盘的相对位置，贮液缸位置调节过程要运转平稳，调节完图2牛奶瓶三维图毕要能实现有效固定，并且要求结构合理、实用。3. 封口机要求瓶子输送、瓶子升降、锁瓶机构、送盖及压盖实现自动化。4. 供料装置要求供料保质保量，符合卫生标准。5. 灌装阀部分要求灌装迅速、平稳、生产效率高；灌装定量准确；灌装自动化；灌装完毕，瓶身干净，符合食品卫生要求。6. 灌装机供瓶装置要求供瓶装置自动化；保证灌装机正常而有序的工作；保证供瓶机构瓶的连续供给和定时供给；供瓶装置运行平稳、准确、安全可靠。（2） 工作情况及生产纲领本灌装机的设计要能满足一般乳制品生产公司的鲜牛奶日常灌装生产需求，以下是工作情况及生产纲领： 表1工作情况及生产纲领罐装直径Dp（mm）罐装瓶高度Hp（mm）生产能力Q（瓶/小时）每天工作时间（小时）（视季节与订单情况而变）60100260100001400016、24第3节 灌装机概述一、基本概念灌装机就是将液体产品按预定量灌注到包装容器内的机器。用于灌装的液体产品按其黏度可分为流体和半流体。流体：在自身重力作用下可以按一定速度流过圆管的任何液体，一般黏度范围规定为1100cP（1cP=10-3Pas）-=半流体：在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体，其黏度为1001000cP。 对于低黏度液体，根据液体中是否含有二氧化碳气体可分为含气和不含气的两类，对是否含有酒精成分又可分为软饮料（不含酒精）和硬饮料（含酒精） 。包装容器按其强度可分为刚性和柔性包装容器。刚性包装容器是可以承受 15lb 的向下正压力而不变形用金属玻璃、陶瓷或塑料制成的、加盖后不漏液体的容器，主要有玻璃瓶、金属罐和塑料瓶等。柔性包装容器主要包括多层塑料复合瓶和复合袋，以及用纸、铝箔或塑料等多层复合材料制成的盒。2、 灌装机的分类 （一）按灌装方法分类1. 常压灌装机：在常压下将液体充填到包装容器内的机器。2. 负压灌装机： 先对包装容器抽气形成负压， 然后将液体充填到包装容器内的机器。3. 等压灌装机：先向包装容器内充气，使其内部气体压力和贮液缸内的气体压力相等，然后将液体充填到包装容器内的机器。4. 压力法灌装机：利用外部的机械压力将液体产品充填到包装容器内的机器。（二）按包装容器的主要运动形式分类1. 旋转型灌装机： 包装容器进入灌装工位后， 由灌装机回转盘带动绕立轴旋转运动，转动进一周完成连续灌装，然后由回转盘送入压盖机进行压盖。2. 直线型灌装机：包装容器沿着平直的直线运动，并在停歇时进行成排灌装。（3） 按自动化程度分类1. 手工灌装：灌装过程全部采用人工操作控制，多为无气类液体的灌装。2. 半自动化灌装：在液体灌装中，上料、卸瓶均以手工操作，但灌装过程为自动。3.自动化灌装：该类型可分为单机自动化和联合自动化（可以包括连续进行洗瓶、灌装、压盖、贴标和装箱等工序）。2、 灌装机主要结构灌装机的结构因灌装方法的不同而不一样，但其主要结构一般包括：供料装置、 供瓶机构、托瓶升降机构和灌装阀等。对于旋转型灌装机，主要由供料系统、供瓶系统、灌装阀、大转盘、传动系统、机体和自动控制等部分组成。第3节 课题研究现状及国内外发展趋式 我国包装机械起步比较晚， 发展比较缓慢， 存在着不少的问题。 企业规模的差距大，多为小型企业，在投资和开发新产品方面往往一哄而起，出现低水平机械重复的无序竞争。技术含量不高，在某些类型的包装生产线上长期被外国几家大企业垄断。国外的包装机械现在已经运用了多种先进技术，如远距离遥控监控技术、步进电机技术、自动柔性补偿技术、激光切割技术和信息处理技术等。且国外企业生产的包装机械精度高、 自动化程度高。国外包装机械产品有着很大的竞争优势。目前，世界各国对包装机械的发展十分重视，集机、电、气、光、声、磁为一体的高新技术产品不断涌现。在国外， 生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装机械发展的趋势。随着中国经济的快速发展，包装机械在中国的市场前景空前壮大。据中国机械工业联合会预计，从 2011 年到 2015 年，食品与包装机械业总产值有望突破 6000 亿元，每年平均增速约维持在 16%的水平。目前，食品包装机械竞争日趋激烈，未来应配合产业自动化趋势，促进包装设备总体水平提高，尤其针对中小型企业，发展多功能、高效率、低消耗的食品包装设备，具有非常重要的意义。对于我国的包装机械生产企业，并不是求大求全，而应该依靠靠技术进步来提升行业的发展。灌装方案确定1、 灌装机的类型确定（1） 包装容器输送形式确定 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，按包装容器的输送形式可分为旋转型灌装机和直线型灌装机两大类。旋转型灌装机一般采用连续式灌装形式，即包装容器在运行中自动完成灌注动作，因而其工作效率可设计得很高。直线型灌装机普遍为间歇动作式机型，包装容器运行至灌注部位时有一个停歇动作，等待灌注，其效率相对旋转型灌装机来说要低，但灌注平稳，不易溢出，包装质量较易保证，而且相对于选装机型而言，其结构较简单。在自动化食品包装生产线上，灌装与封盖通常作一体机型设计，这样可以使包装工序紧凑，节省空间。为了提高生产率，满足最高速度14000瓶/小时的灌装生产要求，本次课题的灌装机设计为旋转型灌装机，同时，也为了使包装工序紧凑和节省空间，灌装与贴标、封盖作一体型设计。（2） 牛奶灌装形式确定旋转型灌装机的主要部件是灌装机构，亦称灌装阀或灌装头，不同的物料，灌装形式有所不同，因此对应的灌装机构的设计也有多种多样。按灌装形式划分，可把灌装机分为常压灌装、等压、真空灌装、加压灌装等机型。它们的根本区别在于供料装置及灌装机构的设计各有特点，从而使灌装的形式各异。常压式灌装机是在常压下将液体充填到包装容器内的机器，灌装低粘度不含气体的液体产品，如白酒、醋、酱油、牛奶、药水等。本设计的灌装机主要用于灌装壮牛牛奶，因此采用的是常压式装形式。（3） 灌装头数的确定 旋转型灌装机一般设计有多个灌装头，以提高生产率。灌装头数少至6头，多至60头以上随着灌装头数的增加，灌装能力也不断提高，一些机型已超过30000瓶/小时的生产率。虽然同类型的灌装机的灌装头数有多有少，但其工作原理基本上是一样的。 为了尽量提高生产率，满足牛奶的灌装生产需求，节省生产成本，本次设计的壮牛牛奶灌装机的灌装头数为24头。2、 灌装机原理及灌装工艺流程（1） 灌装原理 常压式灌装是一种最简单最直接的灌装形式，也是应用最广泛的装填灌装方式之一，本设计采用此类灌装形式，其灌装原理是贮液缸和计量、控制装置处于高位，包装容器（牛奶瓶子）置于低位，在大气的压力下，液体（牛奶）在自身的重力作用下，从贮液缸流经导液管，通过灌装阀后进入包装容器（牛奶瓶子），完成灌装过程。（2） 灌装工艺过程 牛奶灌装的工艺过程如下图所示。等待灌装的空瓶子由链板式输送带5连续的送入机器，经过变螺距的分瓶螺杆7时，瓶子被定距拉开并送入进瓶拨轮8，进瓶拨轮8将瓶子一个个依次拨入灌装机托瓶升降机构的托瓶台1上，瓶口对准灌装阀（本图未画出，在装配图中以双点划线表示），并随回转盘2作回转运动。在转动过程中，瓶子进入升瓶区并被托瓶升降机构逐渐抬起，使瓶口顶压灌装阀口。在开阀区，灌装阀的阀口打开，从此进行牛奶的灌装。在灌装区，牛奶进行连续灌装。等待灌装即将完成时，瓶子进入闭阀区，灌装阀开始关闭，灌装过程结束。随即，瓶子进入降瓶区，并和托瓶升降机构一起下降，然后由出瓶拨轮拨出到输送带上，接着送入贴标压盖机构，封盖完毕后，瓶子由输送带送出机外，等待装箱搬运等后续处理。1. 托瓶台2.回转盘3.出瓶拨轮4.侧护板5.输送带 6.牛奶瓶7.进瓶螺杆8.进瓶拨轮9.护板10.机架板 2. 图3 壮牛牛奶灌装过程图3、 灌装机主要技术参数的确定瓶壁厚度hp=5mm=，每瓶灌装容量：Vp=198ml，灌装区间角为：a4=187。（大于半圈范围）。数头，灌装头节圆周长：Lj=CtS=3600mm，=回转盘直径：Dp=1306mm，厚10mm，灌装头节圆直径：节圆半径：主轴（回转盘）旋转周期：由公式:灌装区所占时间：T4，要求（为工艺上所要求罐装时间）。由公式：开、关阀所占的时间一般为0.51s，以0.6s计，则开关阀区所占的角度为：。无瓶区所占角度为：。则升降瓶区所占角度为：。贮液缸材料为Su304不锈钢，国标：06Cr19Ni10。厚度密度：7.93g/cm3，厚度d贮液缸直径为：Dg=1600mm。贮液缸侧壁厚：贮液缸底部壁厚：dg=12mm。贮液缸内径：dg=1594mm。内部底面积：贮液缸贮液高度：hy=50mm（以不影响灌装速度计算）。贮液缸贮液容积校核：要求贮液缸贮液容积：因合格。贮液缸高度：Hg=200mm。贮液缸贮液质量：托平台直径：Dt=80mm。托平台托瓶上升高度：ht=60mm。第2章 主要部件设计第1节 托瓶升降机构设计1、 方案论证 在一般旋转型灌装机中，由拨瓶轮送来的瓶子必须根据灌装工作过程的需要，先将瓶子升到规定的位置，然后再进行灌装。灌装完后瓶了下降到规定的位置，以便拨瓶轮将其送到传送链带土送走，这一动作过程由瓶的升降机构来完成。 托瓶的升降机构的要求:运行平稳、迅速、准确、安全可靠、结构简单。常用的有机械式、气动式、气动与机械组合式等三种形式。（1） 机械式 图4为机械式升降瓶机构原理图，瓶托的上滑筒3和下滑筒6通过拉杆5与弹簧2组成一个弹性简。在下滑筒的支承销上装有轴承7，使瓶托台可沿着凸轮导轨的曲线升降。由于上、下滑筒间可产生相对运动，这不仅保证了瓶口灌装时的密封，同时又保证了有一定高度误差的瓶子仍可正常灌装。滑座4用螺母固定在下转盘周边的圆孔中，并随转盘一起绕立轴旋转，这种机械式升降瓶机构实际上是由圆柱凸轮-直动从动杆机构完成的，不同的是圆柱凸轮不动，而直动从动杆绕圆柱凸轮的中心轴线旋转，因此，它们之间的相对运动是一致的。图5是升降凸轮的展开图，瓶托上升时，凸轮倾角最大，许用推荐值为：30。 这种升瓶机构的结构比较简单，但可靠性差，若灌装机运转过程中出现故瘴，瓶子沿着滑道上升，很容易将瓶子挤坏，对瓶子质量要求很高，特别是瓶颈不能弯曲，瓶子被推上瓶托时，要求位置准确，在工作中，缓冲弹簧也容易失效，需要经常更换。另外，在降瓶和无瓶区段有较大的弹簧力，这会增加凸轮磨损，并易折断滚子销轴。因此，这种结构适用于小型半自动化不含气体的液料灌装机中。图4机械式升降瓶机 1托瓶台；2弹簧；3上滑筒；4滑座；5拉杆；6轴承图5 圆柱凸轮图 6气动式瓶的升降机构1气缸；2活塞；3连杆；4托瓶台；5下部进气管；6阀门；7上部进气管；8排气阀门（2） 气动式图 6 为气动式瓶的升降机构，升降动力为压缩空气，其压力通常为2.54kgf/cm2。从图中可以看到当控制碰块使阀门6关闭、排气阀门8开启时，压缩空气将自下部进气管5进人到汽缸1中，活塞 2 受到下端压力气体的作用向上运动，托瓶台4及其所承托的瓶子上升，在此过程中灌装嘴插人瓶内，以便进行灌装。灌装完毕后，控制机构关闭排气阀门8，开启阀门6，压力气体自活塞2上端引入汽缸1中，由于活塞上、下气压相等，托瓶台4及已装物料的瓶子等在自重的作用下下降，当托瓶台降到与灌装机转盘水平面等高时，排卸装置将装料瓶自灌装机转盘上排卸出去封口。阀门6与排气阀门8通常用凸轮式碰块及转柄进行控制，在灌装机工作运转中，凸轮碰块作开、关的控制操纵。这种升降机构，克服了机械式升降点，因为它采用气体传动，有吸震能力， 当发生故障时，瓶子被卡住，压缩空气好比弹簧一样被压缩，这时瓶子不再上升，故不会挤坏。但活塞的运动速度受到空气压力的影响，若压缩空气压力下降，则瓶的上升速度减慢，以致不能保证瓶嘴与灌装阀的密封；若压缩空气压力增加，则瓶的上升速度快，导致瓶不易与进液管对中，又使瓶子下降时冲击力增加，如若灌装含气性气体，则容易使液料中的二氧化碳溢出。（3） 气动与机械组合式组合式托瓶升降机构如图7所示，托瓶台1经连接盘2安装在套筒9的顶部，连接盘与套筒固联，并以密封圈3密封套筒顶部，套筒下部压配端封套12，另外在套筒外固定装配有承托座11，在承托座的一侧安装芯轴19并装配轴承21。柱塞10的顶部套装封头8，由导气螺套4固联一体，和密封圈7组成一个活塞部件。柱塞安装在固定底板13上，固定底板由两根支撑杆15与回转台5紧固连接，形同悬挂状。另外，右侧支撑杆作为承托座11的导杆，确保套筒在作升降运动时不会转位。在工作时，回转台带动整个托瓶机构旋转，托瓶机构上的轴承21沿固定环形凸轮导轨16运行。压缩空气由柱塞底部的气流孔道导入，经柱塞中心气孔及导气螺套进入其上部空间，推动连接盘2，从而带动套筒9和托平台1向上运行，形成升瓶动作。在套筒向上运动的过程中，柱塞是固定不动的。虽然套筒9和托平台 1 上升是依靠气压传动的， 但其上升的高度及运动轨迹完全受制于固定在机台上的圆柱凸轮导轨16， 因为固定在套筒底部的轴承21在回转过程沿圆柱凸轮导轨底部运行，受气压作用，轴承收到一个向上的拉力而压紧凸轮导轨，其升降运动受凸轮导轨的限制。 升降动作维持到填料灌装完成为止。升瓶机构随着灌装机的旋转，进入降瓶区， 在降瓶时，依靠凸轮导轨的强制机械作用，使轴承21沿着其廓形运动，并带动套筒及托平台下降，而此时柱塞内的压缩空气被排放到环管中，再由环管流入正待上升的托瓶气缸内。因此，这种机构的压缩空气可在环管内循环使用，减少动力消耗。综合式托瓶升降机构利用气动托瓶，因此具有自缓冲功能，托升平稳，而且节约时间。同时，它又结合凸轮导轨的控制，使托瓶升降运动迅速、准确以及保证质量，这时其优点，因此这种机构应用很广泛。图 7托瓶升降机构原理图1. 托瓶台2.连接盘3.密封圈4.导气螺套5.回转台 6.滑座7. 密封圈 8. 封头 9. 套筒 10 . 柱塞11 . 承托座 12 .端封套13. 固定底板 14. 机架板 15. 支撑杆 16. 圆柱凸轮导轨 17. 固定块 18. 圆螺母 19. 芯轴 20. 挡圈 21.轴承22. 立柱 上诉三种升降瓶机构个各有其优缺点,根据三种方案的比较，决定使用的是气动与机械组合式的升降瓶机构。2、 详细设计（1） 托瓶升降机构原理及机构简图本设计采用的是气动与机械组合式的升降瓶机构，其原理及机构简图如图 8 所示：图8托瓶升降机构原理图1. 牛奶瓶2.托瓶台3.气缸4.回转盘5.圆柱凸轮6.轴承7.立轴（2） 气缸部分设计1. 工作介质的选用及气压的确定 因为牛奶灌装机工作在常温下，要求托瓶升降动作快速、准确，而且从减少重量方面考虑，所以选择普通的是空气即可。气压传动的缺点是在工作中相对于液压传动会产生更大的噪音，降低工人的工作环境，但仍在可接受的范围内。 旋转型灌装机的托瓶升降机构的托瓶升起过程是靠气缸缸体内的气体压力驱使缸筒动作来完成，缸体内的气体压力大则升瓶动作迅速、灵敏，但同时也会使安装在缸筒上的轴承圆柱凸轮的压力增大，旋转型灌装机中该气体压力一般为P=2.54MPa，故本设计中的气体压力可定为3MPa。2. 缸筒设计（1） 缸筒的要求 有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒与托瓶台的连接部分要可靠，能保证气体的密封要求等。（2） 缸筒材料的选取及强度计算 部分材料的机械性能如下表： 表2缸筒材料的机械性能本次设计选取 45 号钢，从表中可以得到：缸筒材料的屈服强度为：；缸筒材料的抗拉强度。现在利用屈服强度来引申出缸筒材料的许用应力：（安全系数 n 取 8） 。（3) 缸筒直径的确定气缸的外形尺寸的确定要考虑其空间结构，从结构紧凑方面考虑，应在满足机械性能的前提下，尽量减少其尺寸，根据经验，可取气缸筒的内径为 20mm。(4) 缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可以使用此公式进行计算：。最高允许压力一般是额定压力的 1.5 倍，而额定压力 P=3MPa，所以：P max=3 1.5 =4.5MPa 。许用应力在选取材料的时候给出：。根据前面计算得 D=20mm，所以得壁厚： ，取壁厚为 2mm，故气缸的外径为24mm。(5) 校核及验算对于气缸压力及缸筒壁厚的可靠性，可从以下两方面进行验算：1 气缸的额定压力值Pn应低于一定的极限值，以保证其工作安全：Pn小于 4.8MPa，显然，选择的额定压力 P=3MPa，满足要求。2 为避免缸筒在工作时发生塑性变形， 气缸的额定压力Pn应与塑性变形压力值有一定的比例范围：P n (0.35 0.42)Ppl （MPa） （1） （2）根据（2）式得到Ppl= 65.56 Mpa， 再代入（1）式得：Pn22Mpa， 显然，额定压力P=3MPa，满足条件。3.活塞和活塞杆设计活塞分为整体式和组合式，整体式结构简单，制造方便，组合式制作和使用比较复杂，但在本灌装机中的托瓶升降机构中，需要从活塞杆开孔，以便通气至气缸内，故从结构、加工及安装方面考虑，不宜用整体式，所以在此选用组合式活塞。活塞杆的材料选择为 45 号钢，因为活塞杆只受压力，故不用调质处理，但活塞杆要满足耐磨的性能要求，故必须要进行必要的淬火处理，淬火深度为 0.5mm 左右。活塞和活塞杆结合处为过盈配合，精度要求较高，可精车。4.导向套设计导向套长度计算：H=L/20+D/2（L 为气缸总行程，即托瓶上升高度，L=60mm。 D 为内径）。故 H=13mm。5. 气缸的密封 本托瓶升降机构的气缸中，要求能防止气体的泄漏，故应有较好的密封装置，气缸 的密封要求有较高的可靠性。(1) 密封圈的种类选择 密封圈密封是气压传动中应用最广泛的一种密封形式，常用的密封圈有 O型、Y 型、 V 型及组合密封圈等。本设计的动、静密封均采用 O 型密封圈密封，O 型密封圈有以下 特点：1 结构尺寸小、装拆方便；2 适合多种密封形式：静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏；3 使用单件 O 型密封圈，有双向密封作用；4 动摩擦阻力小；5 价格低廉；6 工作压力范围：1.33310Pa 的真空到 400MPa 的高压；7 温度范围：-60C 到 200C。8 适合各种用途材料，尺寸和沟槽都已标准化，互换性强 。9 适合多种运动方式：旋转运动、轴向往复运动或组合运动（例如旋转往复组合 运动） 。10 适合多种不同的密封介质：油、水、气、化学介质或其它混合介质。11 通过选用合适的橡胶材料和适当的配方设计，实现对油、水、空气、煤气及各 种化学介质有效的密封作用。12 材料品种多，可以根据不同的流体进行选择。 正因 O 型密封圈有这些优点，故能满足本次设计的使用要求。 （2） 密封圈的材料、尺寸、硬度、型号的确定 在具体选取 O 形圈材料时，首先要考虑与工作介质的相容性。还须终合考虑其密封 处的压力、温度、连续工作时间、运行周期等工作条件。 O 形圈的材质选用主要由使 用时的工作条件决定，包括介质类型、工作温度、压力 、范围等。常用的材料类型有：1 橡胶类材料： 如丁腈橡胶 （NBR） 、 氟橡胶(FKM)、 硅橡胶(VMQ)、 乙丙橡胶 (EPDM)、 氯丁橡胶(CR)等。2 塑料类材料：如聚四氟乙烯(PTFE)等。3 金属类材料：应用于超高压状况。4 组（复）合材料：如硅橡胶或氟橡胶外包 PTFE、橡胶外喷涂 PTFE 等。 不同的密封件材料，其物理性能和化学性能都不一样，如下表： 表 3 O 形圈常用材料性能及应用一览表通过比较上表几种材料，选择密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR） ，其广泛应用于气压 密封场合。 O 型密封圈已做成标准化，根据中国标准 GB 3452.1，选择 O 型圈截面直径 W 为 2.65mm。 在选择 O 形圈内径时，应根据其密封形式来确定。密封形式按负载类型可分为静密 封和动密封；按密封用途可分为孔用密封、轴用密封和旋转轴密封；按其安装形式又可 分为径向安装和轴向安装。对于孔用密封，应使其内径等于或略小于沟槽的直径 d1， 如 下图所示。在本设计中，缸筒与托瓶台的连接处采用静密封，缸筒与活塞的接触部 分采用动密封，均属于孔用密封和轴向安装。根据 GB 3452-1-82 标准，确定 O 型圈 的 内径为d1 =14mm ，型号为 XB2-14。 O形圈材料硬度是评定密封性能最重要的指标。硬度决定了O形圈的压缩量和沟槽 最大允许挤出间隙。由于邵氏 A70 的丁晴密封都能满足大部分的使用条件，故本次设计 选择丁晴橡胶的材料硬度为邵氏 A70。(3) O 型圈安装沟槽的设计 O 形圈安装在沟槽内时，应允许它有一定的膨胀空间。通常，允许的膨胀率在静密 封中约为 15，在动密封中约为 8。对于不同类型的沟槽，其适用范围也不同。常用 的沟槽形式有三种：三角沟槽、矩形沟槽和梯形沟槽。三角沟槽常用于法兰和端盖上的 密封。其缺点是制造困难，且供 O 形圈膨胀的空间非常小。梯形沟槽仅用于 O 形圈截面 直径大于 2.5mm 的某些特殊场合。例如为保持 O 形圈的顶部安装,就可以考虑做成梯形 沟槽形式。矩形沟槽广泛用于各种场合，在不需要使用挡圈时，也可做成倾斜侧面小于 5 度。 本次设计中采用的是矩形沟槽。沟槽的尺寸推荐值可由表查得，分别为宽 b=3.8mm， 深 h=2.0mm，倒角半径 r=0.6mm。（4） 密封圈的最大挤出间隙的确定 最大允许挤出间隙gmax 和系统压力、O 形圈截面直径以及和材料的硬度有关。通常，工作压力越高，最大允许挤出间隙取值越小。如果间隙gmax 超过允许范围，就会导致 O 形圈被挤出损坏。如下图：对于硬度为邵氏 A70 的 O 型丁晴橡胶密封圈， 最大允许挤出间隙gmax 可由下表确定：表 4 最大允许挤出间隙gmax由于本次气缸气体额定压力为 3MPa，O 型圈截面直径为 2.65mm，故沟槽最大允许挤 出间隙为 0.09mm。因为压力不超过 5MPa 时，故不使用挡圈。对于缸筒与托瓶台的连接 处的静密封， 使用的配合公差为 H7/g6， 活塞与缸筒的接触部分的配合公差也采用 H7/g6。（5） 密封圈的压缩永久变形 O 型圈材料的压缩永久变形也是评定 O 形圈密封性能的另一指标，在压力作用下， 作为弹性元件的 O 形圈，产生弹性变形，随着压力增大，会出现永久的塑性变形。压缩 永久变形 d 可由下式确定：- 式中：b0 -原始厚度（截面直径 W） ，b1-压缩状态下的厚度，b2 -释放后的厚度。通常，为防止出现永久的塑性变形，O 形圈允许的最大压缩量在静密封中约为30，在动 密封中约为20。（6） O 型密封圈的预压缩 O 形圈安装在沟槽里，为保证其密封性能，应预留一个初始压缩量。对于不同的应用场合，相对于截面直径 W 的预压缩量也不同。 通常，在静密封中约为 1530，而在动密封中约为 925。具体可参照下 面两个图表进行选择。图 11 静密封预压缩允许范围由上两表确定的静密封预压缩量为 25%，动密封预压缩量为 15%。 （7） O 型密封圈的拉伸 将 O 形圈安装在沟槽内时，要受到拉伸。若拉伸的数值过大，将导致 O 形圈截面过 度减少