ZYG-40型自吸灌装机-灌装筒部分设计【灌装机的结构设计】【毕业论文+CAD图纸全套】

I 摘要 目前国内市场上售的灌肠机主要是 采用机械式的设备，机械式灌肠机采用螺杆泵或齿轮泵直接接触料馅，再 将肉馅挤压至料口，灌入肠衣内。上述的两种结构所加工的肠类食品尽管效率较高，但加工质量不稳定，很容易破坏灌肠内部的物料结构，而且结构复杂、成本也比较高，环保性能差。 本机的生产能力可达到 1000Kg/h,灌装容量可达到 40。对中小企业来说是比较理想的香肠加工设备。该机采用液压作为动力，取代了传统的机械式挤压的方式。即沿用了传统的挤压工艺又很好的利用真空包装的特性，不但保障了食品的安全性，同时也更环保。 本文论述了灌装机的结构、工作原理、并且对灌装筒、主油缸、夹紧机构等一些结构进行了分析、设计和 计算，应用了材料力学的一些知识对主要零部件的机构进行了强度校核 。 关键词：挤压；液压； 灌装 t of is or in to in of of is it is to of is a 0 So is as to of of to of to of of of to of of 录 绪论 . 1 1 机器组成、工作原理及性能参数 . 2 机器的组成 . 2 灌装机图 . 2 灌装机结构示意图 . 3 灌装机传动路线图 . 3 工作原理 . 4 主要性能参数 . 4 2 灌装筒总成 . 5 灌装筒的结构 . 5 灌装筒 . 5 盖板 . 7 推料活塞 . 7 夹紧装置 . 8 主油缸 . 8 缸筒 . 9 套肠管 . 11 活塞 . 11 活塞杆 . 12 送料筒 . 12 活塞杆的导向套、密封和防尘 . 13 3 设计计算 . 14 灌装筒 . 14 灌装筒的直径 料活塞的行程 . 14 灌装筒容积 . 14 灌装筒的强度 . 15 主油缸负载 . 17 负载组成 . 17 肉馅的挤压力 . 18 肉馅的质量 . 18 总质量 . 19 主油缸 . 20 系统工作压力 . 20 油缸的输出力 . 21 油缸直径 、行程 S、活塞杆直径 d . 21 油缸壁厚 . 22 油缸的速度及速度比 . 22 缸作用时间 . 23 液压缸的输出功率 . 24 油缸最大储油量 . 24 液压油的要求 . 24 主油缸的强度计算 . 25 筒和缸盖焊缝强度 . 25 筒的抗拉强度 . 26 活塞杆的抗压强度 . 29 活塞杆与活塞肩部的挤压应力 . 30 活塞杆稳定性计算 . 31 夹紧机构 . 32 大压板的弯曲强度 . 32 螺杆 . 36 结论 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 附录 A . 45 附录 B . 50 1 绪论 香肠是一种利用非常古老的食物生产和肉食保存技术的食物，将动物的肉绞碎成条状，再灌入肠衣制成的长 圆柱体管状食品。中国的香肠有着悠久的历史，在以前香肠是每年过年 制作的食品，过年吃自制的香肠已经成为了南方很多地区的习俗，一直保留到了今天。而现在香肠成为了日常生活中的不可或缺的营养品，一年中的任何时候都可以吃到香肠了，但是在偏远的农村大多采用手工灌制的，手工灌制的效率不言而喻是很低的，随着现代人的生活节奏的加快，方便快捷成为了人们所向往的，所以批量化生产将会越来越受到人们欢迎。因此设计结构简单，价格合理，实用性强的灌装机深受市场的需求。 目前国内市场上售的灌肠机主要是采用机械式或气压式的设备，机械式灌肠机采用螺杆泵或齿轮泵直接接触料馅，在将肉馅挤压至料口，灌入肠衣内。 上述的两种结构所加工的肠类食品尽管效率较高，但加工质量不稳定，很容易破坏灌肠内部的物料结构，使得味美可口的程度大大的降低了，而且结构复杂、成本也比较高，环保性能差。 目前国际的灌装机正在向高效、节能绿色环保发展，而在技术方面则向自动化、智能化、数字化发展 1。 中国新兴的民营肉类加工企业相比较而言都不是太大，很多都属于中小规模， 大型的灌装设备需要几十万到几百万不等，使广大中小创业者望而却步，因此设计生产一种结构简单，价格合理，实用性强的产品是市场的需求，也深受广大中小企业的欢迎。 我的课题是设计灌装筒部分， 包括推料活塞、主油缸、盖板、夹紧机构、套肠管、送料筒。 我的设计思路是先根据题中所给的参数计算液压站的 动力参数，然后 选定系统的工作压力；再根据结构原理选择液压缸的类型和各部分结构形式，然后结合题目中的设计参数确定主油缸的结构尺寸；接着确定推料活塞的尺寸，然后在根据主油缸上端尺寸设计盖板尺寸、夹紧机构和送料筒。 本篇文章论述了灌装机的结构、工作原理 。其中主要对灌装筒、主 油缸进行了结构设计以及强度校核，对其主要零件压板、油缸、夹紧螺杆 等强度进行了校核。 2 1 机器组成、工作原理及性能参数 机器的组成 灌装机图 自吸液 压灌装机由灌装筒、主油缸、液压站、送料桶、机架、电器等部分组成 ，如图 示。 图 3 灌装机结构示意图 图 装机结构示意图 图 装机传动路线图 4 1. 挤压灌装 通过电器控制开关使液压系统工作，液压站的液压油通过主油缸的下端 的 油口进入，从而推动活塞向上运动，然后继续推动灌装筒内的推料活塞向上挤压肉馅，当系统的压力达到工作压力时，打开套肠管的出口处的 球阀，肉馅就会被挤压进入事先 准备 好的肠衣里。通过开关球阀来完成整个的灌装工艺过程，便可以灌制一定的香肠，从而完成挤压灌装工艺。 2. 自吸填料 当肉馅被挤出进入肠衣后，关闭球阀，改变液压站内换向阀，令高压油可以进入到主油缸的上腔 ，推动活塞向下运动，从而带动推料活塞向下运动，这样灌装筒上腔会 因为处于密封状态而产生真空，肉馅就可以在大气压力的作用下吸入筒内，从而完成自吸填料工序。 参数 1000kg/h 4019、 22、 24 速 960r/ 4力 16L/5 2 灌装筒总成 灌装筒总成由机体、主油缸、推料活塞、夹紧机构、盖板等组成，结构如图 示 。 图 装筒总成 装筒 如图 示，灌装机内部尺寸为 400 360,根据要求的生产量（ 40）所决定。 灌装筒顶部有两个舌形耳用来安装立轴。灌装筒的 中部和下部设有法兰，中部法兰用来固定在机架上，底部的法兰用来于主油缸连接，为了防止肉馅被挤压进入连接体缝隙中漏出，灌装筒上端面采用了 O 型密封结构 2。 6 由于灌装筒用来盛放肉馅或者浓度适宜的液体介质。本文主要论述盛放肉馅，此材料具有弱酸性质，长时间使用会对容器产生腐蚀性，所以材料选用 酸型不锈钢。 由 于本机是采用挤压式灌装，是利用真空原理，所以容器需要做到完全密封，所以在筒盖上会使用 O 型密封圈这一零件来实现。 O 型密封圈是具有圆形截面的环行 橡胶密封圈 ， 主要用于机械不见在静态条件下防止液体和 气体介质 的泄露 。 在某些情况下 ， O 型密封圈还能用做轴向往复运动和低速旋转运动的动态密封元件 可分别选择不同的材料与之相适应 。 O 型密封圈通常选用时要尽量选用大截面的 在相同间隙的情况下 ， O 型密封圈被挤入间隙的体积应当小于其被挤入的最大允许值。 对不同种类固定密封或 动密封 应用场合， O 型密封圈为设计者提供了一种既有效又经济的密封元件。 O 型 密封 圈 是一种双向作用密封元件。安装时径向或轴向方面的初始压缩，赋予 O 型 密封 圈自身的初 始密封能力。由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总的密封力 ， 它随系统压力的提高而提高。 O 型 密 封 圈在静密封场合，显示了突出的作用。 图 装筒 7 盖板前端设有 2 个出料口，然后与出肉管连通，为了减少阻力，把 出料腔设计为圆弧曲面，从里向外逐渐变大，盖板的材料采用 于装置是用来装酸性 肉馅 ，所以选择的材料是在腐蚀介质中具有抗腐蚀性的钢。而 1于马氏体型的不锈钢，常用来制作能抗弱腐蚀性介质，能承受冲击符合的零件。 推料活塞采用 的材料为 锈钢，为了避免肉馅从灌装筒和活塞之间漏出来，在配合表面用了 O 型密封结构。 因为 O 型密封圈是易损件，所以会导致更换次数很频繁，就导致推料活塞要被经常拆卸。由于 这个特性，所以在结构设计上活塞的中间放了两个半圆环和一个大压板 。 在需要更换 O 型密封圈时，可以先将活塞 向上 运行，拆掉压板上的螺钉，把大压板和垫片去除，拆掉半圆环上的内六角螺钉，开启液压站，使主油缸活塞继续上升，将两个半圆环顶出活塞外，这样就可以利用螺栓拧入推料活塞螺栓孔内将其提出。 图 8 夹紧装置 采用螺 栓 来对盖板进行夹紧，由大压板、夹紧螺套、立轴、提升法兰、夹紧螺杆、扳手杆等组成。 螺杆通过提升法兰连接在盖板上，螺套固定在大压板上，为 了使 大压板 承受轴向力，并且转动灵活，所以在压板和立轴配合的孔中，选用角接触球轴承。扳手旋转可以使压板升降，从而带动盖板的打开和关闭。 圆螺母多为细牙螺纹，常用于直径较大的连接， 这种螺母便于使用钩头扳手装拆，圆螺母一般配止动垫圈使用，经常与滚动轴承配套使用。小圆螺母由于外径和厚度较小，结构紧凑，适用于两件成组使用，可进行轴向微调。 铁 图 主油缸是液压系统的执行元件 ， 它可以将液压能转换成机械能，然后通过活塞杆作用到推料活塞，使其工作。 主油缸的结构如图所示。由缸筒、缸盖、导向套 、法兰盘、活塞杆、活塞等组成。 9 主油缸通过端面法兰与灌装筒法兰相互连接，并且固定。活塞杆与顶部球头相连接在与推料活塞内球型孔相配合。当活塞杆工作时液压油带动活塞杆上下往复运动，推动推料活塞工作。 在结构上分别采用了 O 形和 Y 形密封结构以及防尘结构来保 证油腔具有可靠的密封性。 活塞与缸体、活塞与活塞杆的配合表面 ,采用 “O”形密封； 导向套与缸体的配合表面 ,采用 “O” 形密封； 导向套与活塞杆采用 ,“O” 形、 “Y” 形密封及防尘结构。 活塞杆和活塞的连接方式有卡环型、轴套型、螺母型、锁紧螺母型 和焊接型等等。本文选择轴套型 ，偏于拆卸，结构简单。 图 （ 1）缸筒的结构 常用的缸筒结构有八类， 16 种结构。通常根据缸筒与端盖的连接型式选用，而连接形式又取决于而定工作压力用途和使用环境因素等。 10 查阅资料 得 八 种 结构分别为：法兰连接、外螺纹连接、内螺纹连接、外半环连接、内半环连接、拉杆连接、焊接、钢丝连接。 经过对各种方式有缺点的比对，最终选择了焊接这一种方式，原因为焊接方式结构简单尺寸小，并且此部位为的下端部位并不需要经常拆卸 。如果需要跟换零件可由上端打开更换。 图 （ 2）材料的选择 1 一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要有良好的焊接性能。根据液压缸的参数 、用途和毛坯的来源等可选用一下各种材料： 25， 35， 45 等； 25538； 。 2 对于工作温度低于 的液压缸缸筒，必须 35， 45 号钢，且要调制处理 3 与端盖焊接的缸筒，使用 35 号钢，机械预加工后调制。不与其他零件焊接的缸筒，使用调制处理的 45 号钢。 4 缸筒毛坯：普通采用退火的冷拔货热轧无缝钢管，国内市场上已有内孔经研磨或内孔精加工，秩序按所要求的长度切割无缝钢管，材料有 20,35， 45,27 5 较厚壁的毛坯仍用铸件或锻件，活用厚钢板卷成筒形，焊接后退火，焊缝需用X 光涉嫌或磁力探伤检查。 （ 3）对缸筒的要求 11 1 有足够的强度，能长期承受最高工资压力及短期动态试验压力而不产生永久变形。 2 有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不产生弯曲。 3 内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工资而磨损少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。 4 需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊接上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形。 总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、钢底、油口等零件构成密封的型腔，来容纳液压油，保证有足够的输出力和有效行程，同时还必须既有一定的强度，足以承受液压力、负载里和意外冲击力 3。 从材料的方便性来说选用所需长度的 45 号无缝钢管，即可达到要求。 管 如图 示，材料为 图 把肠衣套在套肠管上，灌装筒中挤压出的肉馅通过它装入肠衣内。可以做成不同规格的以满足不同的情况，这里做出了 19、 22、 24 这三种尺寸。 （ 1）活塞结构形式 12 根据密封形式来选用活塞结构形式，通常分为整体活塞和组和活塞两类。通体活塞在活塞圆周开槽，安置密封圈，结构简单，但是给活塞将带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合式活塞结构多样，主要受密封形式决定。组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。 （ 2）活塞和活塞杆的连接 活塞与活塞杆的连接有多型式，所有型式均需要有锁紧措施，以防止工作时由于往复运动而松开。同时在活塞与活塞杆之间设置静密封。 （ 3）活塞材料 无导向环活塞：用高强度铸铁 00 或球墨铸铁。 有导向环活塞：用优质碳素钢 20 号， 35 号及 45 号。 本文选择 45 号。 （ 1）结构 杆体一般情况下多采用实心杆；杆内端有卡环型，轴套型，螺母型，锁紧螺母型，焊接型；杆外端分为小球头，大球头，大小螺栓头，螺孔头。 本文选择大球头。 （ 2）活塞杆的材料和技术要求 一般选用中碳钢，调制处理，但是对只承受推 力的单作用活塞杆和活塞，不必进行调质处理。 活塞杆要在导向套中滑动，一般采用 H8/ H8/合。太紧了摩擦力大，太松了容易引起卡滞现象和单边磨损。 送料筒的容积要求大约为灌装筒的 ， 取其规格为 400 450，容积为 约能装入 60肉馅。送料筒的材料为 13 图 封和防尘 活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时吧榨汁、灰尘以及水分带到密封装置处，损坏密封装置。当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可以装设导向环，用做活塞杆的导向。 金属导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作，非金属导向套可以用塑料、聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯材料制作。端盖式直接导向型的材料用会灰铸铁、球墨铸铁等。 导向套外 圆 与端盖内 孔 的配合多为 H8/孔与活塞杆 的配合多为 H9/ 14 3 设计计算 1、推料活塞的行程 了满足 40的要求，参照下表油缸系列直径，选择灌装筒的直径为 00，见机械设计手册 . 成大先主编 北京 :化学工业教育出版社 ,2004( 20则推料活塞的行程 取 式中 : v机体的体积 ； m肉馅的质量 ； 用户要求 40 ； 肉馅的比重 料活塞的面积 。 已知 推料活塞的行程 =45L 每一筒肉馅的质量 = 15 =40以满足 40筒的要求 上式中： 料活塞直径 ； 00 料活塞的行程 ； 60 灌装筒的壁厚 t 为 13径为 400为 t ，所以可以按照材料力学中薄壁 圆筒容器进行计算 4。 灌装筒在内压的作用下纵向界面和横向界面都会产生拉应力，从壁筒内取出单元体，那么这一单元体就会受到两个方向的拉伸。 图 装筒的应力分析 16 （ 1） 圆筒横向截面上产生的拉应力 ： 筒 筒 式中 : F油缸的输出力 ； A油缸横截面的面积 ； D油缸内径 D=400 筒 灌装筒的工作压力 ； 筒 = t灌装筒的壁厚 t=13。 （ 2） 圆筒纵向界面上会产生拉应力 式中 : 纵截面的拉力 ； 筒 灌装筒的工作压力 ； 筒 = t灌装筒的壁厚 t=13； D油缸内径 D=400。 所以可得 ： 17 从这 两个结果就可以看出纵向界面上的应力 是横向界面上应力 的两倍。 根据畸变能密度理论（第四强度理论） ， （ ） 由于 作用的横截面和 作用的纵向界面都没有剪切力， 和 皆为主应力，灌装筒内壁上的内压力 p 和外壁上的大气压力都远小于 和 ，则可以近似为零，则缸筒侧壁上任意一点的应力状态属于两向应力状态 。所以 ， ， ，主应力的上述综合值为相当应力，记作 式中： 许用应力 ； 400 ； n安全系数 n= 满足要求 载 负载由工作负载 ，惯性负载 ，摩擦负载 三部分组成 ： 近 似 公式： （ 总 ） 18 式中 : 惯性负载 N； 摩擦负载 N； 工作负载 N； 总 ； m肉馅的质量 总 推料活塞、主油缸活塞、活塞杆的质量总和 ； g重力加速度 。 根据及压力的计算公式可知： 式中 : 挤压力 N； 挤压压强 取 ； 推料活塞直径 =400。 馅的质量 由质量计算公式计算肉馅的质量得： 式中： 肉馅的比重 = 19 活塞行程 =360 灌装筒直径 。 总质量主要由推料活塞的质量、主油缸的力量、活塞杆的质量组成： （ 1） 推料活塞的质量 （ ） 式中 : =400； =70 = （ 2） 主油缸活塞的质量 （ ） 式中 : 主油缸活塞直径 =160 主油缸活塞厚度 20 =50m。 （ 3） 活塞杆的质量 式中 : d活塞杆直径 d=56 l活塞杆长度 l=550 总质量 ： 总 所以工作负载 P 可得： （ 总 ） （ ） （ ） 21 式中： P负载 N ； P=56642 N； A活塞作用面积 ； 塞直径 60 工作压力可定在 34据 p 值 可以将溢流阀的开启压力限定为 4 （ ） （负载） 式中 : p系统工作压力 取 p=4 A活塞作用面积 ； 液压缸的机械效率 ； = 满足要求 、行程 S、活塞杆直径 d 参照设计手测中液压缸 系列表， 见机械设计手册 . 成大先主编 北京 :化学工业教育出版社 ,2004( 20选择油缸直径 ， 活塞杆直径 d 按照下式估算： ( ) 取 （ ） 22 取 标准系列值 56塞行程 S 等于推料活塞行程 油缸壁厚可以按照下式估算： （ ） 选 式中： P 最大工作压力 P=4流阀 )； 缸径 =160 材料的许用应力 碳钢材料 = 100 式中： Q流量 L/ 23 Q=16L/ 活塞作用面积 。 活塞作用 面积： 油缸往复运动时候的速度比 ： 式中： 油缸直径 =160 S行程 S=360 Q泵流量 L/ Q=16L/ 24 d活塞杆直径 d=56 活塞下降的时间 可以根据下列公式算出： （ ） 液压缸的输出功率按照下列公式结算： 液 式中： F油缸输出力 N； F=76865N； 活塞上升速度 m/ v= 因为 电 液 。 满足要求 (1)适宜的粘度及良好的粘温性能，以确保在工作温度发生变化的条件下能准确、灵敏地传递动力，并能保证 液压元件 的正常润滑。 25 (2)具有良好的防锈性及抗氧化安定性，在高温高压条件下不易氧化变质，使用寿命长。 (3)具有良好的抗泡沫性，使油品在受机械不断搅拌的工作条件下，产生的泡沫易于消失八以使动力传递稳定，避免液压油的加速氧化。 (4)良好的抗乳化性，能与混入油中的水迅速分离，以免形成 乳化液 导致液压系统金属材质的锈蚀和降低使用效果。 缸盖 焊缝强度 缸筒和缸盖有法兰连接 、外半环连接、内半环连接、拉杆连接、焊接和钢丝连接等一些连接方法。 这里我选用的是焊接连接，优点是结构简单尺寸小 。 （ 1） 对焊缝进行强度计算 图 筒和缸盖焊接 26 根据焊缝应力的强度公式得： （ ） 式中： F油缸推力 N； F=76865N； 焊接效率 = 许用应力 ； N安全系数 n=； 焊缝材料的抗拉强度 ； 碳钢焊条 =490 油缸外径 ； =180。 满足要求 缸筒的壁厚 t=10径 D=160内压的作用下，缸体内的横向截面和纵向截面都会产生拉应力，取壁筒上的一单元体，则这个单元体会受到两个方向的拉伸。 27 （ a） （ b） 图 （ 1） 缸体横截面上的拉应力 计算可得： （ ） （ ）（ ）式中： 28 F油缸的输出力 ； F=76865N； A 油缸横截面面积 。 （ 2） 缸体纵 向 截面上的拉应力 ： 根据公式计算得： （ ） （ ） 式中： 纵截面的拉力 ； p工作压力 p=4 t缸筒的壁厚 t=10 D油缸内径 D=160 可以看出来纵向截面上应力 大于横向截面上的应力 ，所以缸筒最有可能在纵向截面上发生破坏。 根据 畸变能密度理论（第四强度理论）： （ ） 由于 作用的横截面和 作用的纵向界面都没有剪切力， 和 皆为主应力，灌装筒内壁上的内压力 p 和外壁上的大气压力都远小于 和 ，则可以近似为零，则缸筒侧壁上任意一点的应力状态属于两向应力状态。所以 ， ， ，主应力的上述综合值为相当应力，记作 （ ） 29 式中： 许用应力