solidwork端面式单移阀三维包装机械课程设计说明书

包装机械课程设计端面式单移阀结构设计学 生 姓 名指 导 教 师专 业学 院 摘 要 本次课程设计是对液体灌装生产线端面式单移阀的设计，以及液体的灌装方法在旋转灌装机上的布置与安排。该液体灌装阀的结构是阀体的上部有进液口，阀的下部有出液口，且出口与灌装头部位有着密封装置，通过挤压力与密封装置接触，在液体灌装阀导通是阀体的上部进液口与下部出液口会形成一个液体通道使得液体可以从此通道进入瓶体，阀可以通过调节螺母和压紧螺母调节弹簧的张力和阀体尺寸，用来调节灌装过程中一些小的光装误差，本设计在于灌装完成后能及时停止灌装，节约能源,应用广泛，效率高，且液体灌装阀结构简单。关键词：单移阀 灌装机械 端面式 I目 录摘 要I1 包装机械课程设计内容11.1 包装机械概述11.2 本设计的主要内容12 Solidworks简介42.1 Solidworks简介42.2 Solidworks建模过程43 端面式单移阀的设计73.1 端面式单移阀的原理73.2 端面式单移阀的基本结构73.3 端面式单移阀设计模型163.4 端面式单移阀工作过程174 课程设计总结18参 考 文 献191 包装机械课程设计内容1.1 包装机械概述 包装机械课程是高等院校包装工程专业及相近专业的核心课程。课程按照现代包装机械的体系和特点，依据新修订的包装机械国家标准，以包装机械的组成、工作原理以及典型包装执行机构的设计为重点，主要讲述常用典型包装机械的组成、工作原理、传动系统、控制系统和包装执行机构等，重点介绍包装材料与包装容器供送机构、包装物料计量和供送机构、典型包装机械执行机构，介绍包装机的总体设计以及包装机传动系统设计、支承件设计等基本方法。 包装机械课程设计是专业课教学的一个重要实践性环节，是机械零件课程设计的延伸，是包装机械设计的一次全面训练，目的是： 1、培养学生综合运用所学基础课和专业基础课的基本知识和理论，培养设计、计算、绘图、查阅技术资料、手册、标准的能力与技能； 2、满足生产的需要，选择和论证技术方案，设计某一机械装置或机构的工作能力； 3、巩固、深化和扩大学生所学的基础理论、基本知识，加强理论与实践的结合； 4、学习工程设计中技术方案的论证和选择的思想方法； 5、培养学生独立思维和思考的能力。1.2 本设计的主要内容1.2.1 设计内容 灌装机械是企业实现自动化生产必不可少的机械设备之一，灌装机械顾名思义是将产品（物料）装到特定的容器当中，所以灌装机是属于包装机械中的一个系列。 灌装机械技术发展发展迅速，呈现出技术水平高、功能多、大型化、高速化、结构简单化等特点。美国、德国、日本、意大利等国的灌装机械技术水平较高，我国的灌装机械经历仿制、引进、消化吸收、自主创新的开发过程，发展很快，不断缩小与国外先进技术水平的差距。在现代灌装厂中，灌装机和灌装阀已经成为了一个厂的命脉。一个高效率高精度的灌装阀可以为一个灌装厂带来强大的活力。 对于灌装机的主要主成部分灌装阀来说，缺少了灌装阀自动灌装生产线就无法运转工作，且一个灌装阀的好坏决定了这个灌装生产线上运作的效率,它需要根据灌装工艺的要求以最快的速度联通或者切断与储液箱的联系，保证灌装工作的顺利的进行，且由于不同的液体的物理化学性质并不是相同的，故而导致了灌装工艺的不同，因此所使用的阀体也并不相同，不同的灌装使用不同得阀体。诸如饮料，酒类，液体化妆品之类。为了能够更好地实现灌装生产线的自动化，提高瓶装生产线的效率，解决自动化灌装生产的各种问题，保证产品的质量，特进行本课题关于液体灌装生产线灌装阀的设计研究 故而在对灌装阀设计的过程中我们应该立足于当代现实情况，要能够满足自动化的生产且拥有一定的效率，同时在设计产品的过程中要全面的了解灌装的原理以及各过程的详细步骤，对于各部件的功能需要详细的了解，在保证产品的功能的基础之上尽量提高生产的效率，考虑灌装阀在灌装整体中的作用，对灌装机的全局整体机构和布置进行考虑，合理的对灌装阀进行布置以达到更高的生产效率。 根据阀门启闭形式的不同，灌装阀可分为单移阀、旋转阀、多移阀、气动膜阀等。端面式单移阀属于单移启闭阀，即只有一个可动部件，相对于不动部件做往复一次的直线运动。 本次课程设计内容：端面式单移阀1.2.2 设计要求 (1)完成端面式单移阀部件设计装配图、所有零件图、传动系统简图、灌装机的工作循环图、较复杂零件的三维建模图及 AutoCAD 设计图，能够较清楚地表达各部件的空间位置及有关结构。 (2) 根据设计任务书要求，在全面掌握端面式单移阀的结构、性能、工作原理、传动系统及其它执行机构的组成、运动规律的基础上，掌握扭结手的结构、组成。合理的确定尺寸、运动及动力等有关参数。 (3) 结构装配图要正确、完整的表达其工作原理、性能要求、零件间的装配关系、零件的主要结构形状及在装配、检验、安装时所需要的尺寸和技术要求。 (4) 正确的运用手册、标准，设计图样必须符合国家标准规定。说明书必须用工程术语，文字通顺简练，字迹工整。 (5) 各组成零件的视图符合图样标准；能够正确地表达出零件的结构形状；能够正确地标注尺寸及相应的公差；准确地给出零件在使用、制造、检验时应达到的一些技术要求。 32 Solidworks简介2.1 Solidworks简介 Solidworks是一个大型软件包，由多个功能模块组成，每一个功能模块都有自己独立的功能。设计人员可以根据需要来调用其中的某一个模块进行设计，不同的功能模块创建的文件有不同的文件扩展名。 Solidworks主要有草图绘制、零件设计、装配模块、工程图模块、钣金设计、模具设计、运动仿真等。 Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。 对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。 在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。2.2 Solidworks建模过程2.2.1 建模流程 通常可通过如下流程来设计模型： （1）创建草图：创建模型的草绘图形，此草绘图形可以是模型的一个截面或轨迹等。 （2）创建特征：添加“拉伸”、“旋转”、“扫描 ”等特征，利用创建的草绘图形来创建实体。 （3）装配部件：如果模型为装配体，那么还需要将各个零部件按某种规则进行装配。2.2.2 草图绘制 Solidworks中模型的创建都是从绘制二位草图开始的，草图指的是一个平面轮廓，用于定义特征的截面形状、尺寸和位置等。创建草图的基本流程： 创建新零件：新零件包含所创建模型的尺寸、外形和实体模型，创建时可以通过设定不同的单位来定义模型尺寸的单位标准。 进入草图：草图是二维图形的集合，主要用于体现和表达出模型的外形轮廓及尺寸，是创建三维实体模型的基础和根本。 绘制几何图形：通过草图工具创建各种几何体，包括直线、圆、矩形、样条曲线、构造线等，绘制出想要的形状轮廓。 添加几何关系：限制和约束草图几何的位置、尺寸以及同其他图元的位置关系，如添加水平和垂直关系、添加同轴关系。 草图状态：草图状态分为完全定义、欠定义和过定义3种。在SolidWorks中标准的草图状态应该是完全定义状态，其他两种状态根据实际的情况而定。 草图编辑：通过草图中的各种编辑工具对草图进行必要的修改和编辑，如倒圆角、直线分割、延伸、阵列、镜像，从而对草图进行细节上的完善和优化。2.2.3 Solidworks基础特征 在零件的特征中，首先需要绘制截面图形，然后再按照一定的方式生成三维模型，称为基础特征，主要包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征、放样特征和“筋”特征。 （1）拉伸基体就是拉出实体，而拉伸凸台则是在拉伸出的实体上实现凸台。当绘制草图后，退出草图模式。单击“拉伸凸台、基体”按钮，选择刚绘制的草绘图形的最外边的轮廓线，弹出“拉伸”属性管理器，在“方向”卷展栏的“深度”文本框中输入拉伸深度，出现拉伸实体的预览效果。选择“所选轮廓”卷展栏，然后在操作区中通过单击选择草绘图形内部的所有曲线，最后点击“确定”按钮可生成拉伸特性。 （2）旋转特征是将草绘截图绕旋转中心线旋转一定角度而生成的特征。首先绘制一条中心线，并在中心线的一侧绘制出轮廓草图，然后单击“旋转凸台/基体”，并选择轮廓草图，设置中心线为旋转轴，再设置截面绕中心线旋转的角度，由此可得到旋转特征。 （3）扫描特征是指草图轮廓沿一条路径移动获得的特征，在扫描过程中用户可设置一条或多条引导线，最终可生成实体或薄壁特征。 （4）放样特征是可以讲两个或两个以上的不同截面进行连接，是一种相对复杂的实体特征。 （5）“筋”特征是用来增加零件强度的结构，它是由开环草图轮廓生成的特殊类型的拉伸特征，可以在轮廓与现有的零件之间添加指定方向和厚度的材料。2.2.3 装配部件 “装配”是Solidworks中集成的一个重要的应用模块。通过装配，可以将各个零件组合在一起，以检验各零件设计是否合理、各零件之间的位置关系是否得当。同时也可以对整个结构执行爆炸操作，从而清晰地查看产品的内部结构和装配顺序。 Solidworks提供有个专用的装配环境，所谓“导入零部件”是指将设计好的零件模型导入到装配环境中。 点击文件下拉菜单中的新建按钮，选择装配体，单击确定，即建好一个新的装配体文件。在所打开的界面中，点击插入要进行装配的零件。零件导入后，对零件进行装配。点击插入零部件旁边的配合按钮，在弹出的左侧对话框中选择一次选择要配合的两个面，如果要实现两个孔对齐，可以选择两个孔的面，然后选择下面的同心按钮，两个孔的轴线便在一条直线上了；如果需要重合，则再选择两个需要重合的面，选择下面的重合按钮。243端面式单移阀的设计3.1 端面式单移阀的原理 灌装阀是液箱、气室（包括充气室、排气室、真空室）和灌装容器这三者之间的流体通路开关，而且根据灌装工艺要求，能进行相应的灌装。不同的灌装方法通常需要选用不同的灌装阀。显然，灌装阀是关系到灌装生产线能否精准高效运作的关键部件。图3.1 端面式单移阀结构简图1阀蝶 2橡胶垫圈 3垫片 4阀芯 5、6弹簧 7阀套 端面式单移阀利用阀件端面来启闭液体通路，其结构如图3.1所示。阀蝶1在灌装过程中固定不动，容器上升时，瓶口顶住橡胶垫圈2后再上升一段距离，使阀芯4和阀蝶脱开，液料流入容器内。灌装完后容器下降，弹簧5、6的力使阀芯复位，阀芯和阀碟锥面紧密结合，停止灌装。这种阀适用于广口玻璃瓶和马口铁罐等容器的灌装。3.2 端面式单移阀的基本结构3.2.1灌装阀弹簧的分析与设计 根据灌装的工艺的要求，其能够依次的对有关的通路进行切换，并且能够保证灌装阀不漏气不漏液。而灌装阀需要正常的工作，则离不开弹簧。其控制着灌装阀的开启以及闭合。在目前的工厂中常常采用的是弹簧阀，它拥有者灌装质量好、灌装压力较高，且当出现破瓶等故障的时候能够自行停止灌装，避免成本的浪费。所以对于此阀而言，弹簧的设计的好坏，弹性的是否合适都关系着官正过程能否树立的完成。本设计中的弹簧如图3.2所示。图3.2 弹簧 弹簧作为一个经常伸缩的部件，应该具有经久不变的弹性，从而保证工作的稳定性。因此在对灌装阀进行设计时应该使其的工作范围保持在其的弹性极限变化范围之内。在这个范围内进行工作的弹簧，当受到载荷F时，弹簧会发生相应的变形，当所受的里取消时弹簧应当恢复原状。 弹簧在没有受到外力作用的时候，其自由长度是 ,一般在安装一个弹簧的时候，我们通常会对其施加一个初预紧力，称其为这是最初的也是最小的载荷。在其的作用下弹簧被压缩到，此时其的变形量为。当弹簧受到最大的极限载荷时，在该力的作用之下弹簧被压缩至极限，对应的弹簧长度为，此时的压缩变形量为，产生的应力极限为。 等节距的圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线是一条直线，即其值为一个常数，可用公式 (常数)，压缩弹簧的最小工作载荷为，对于通常取=（0.10.5）。通常对有预应力的拉伸弹簧，为使具有预应力的拉伸弹簧开始变形时所需的初拉力。有预应力的拉应力的拉伸弹簧相当于有预变形x。因而在同样的F作用力下，有预紧力的拉伸弹簧产生的变形要比没有预应力时小。 弹簧在机构中的工作条件决定了其的最大的工作载荷，但是在设计中通常不使其达到其的极限载荷 ，通常使其保持在=0.8。图 3.3 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数表 3-1 65Mn 弹簧钢丝强度极限钢丝直径d/mm级别BCD5.0132015701470171015701810 (1)根据强度条件选取材料并确定其许用应力与变形 我们知道圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就图3.4所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。由图 3.4(图中弹簧的下部断去，末示出)可知，弹簧丝具有升角，故通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的截面 A-A 呈现椭圆形状，在该截面上作用着力F以及扭矩， 因而弹簧丝的法向截面B-B上作用的力有横向力Fcos、轴向力 Fsin、弯矩 M=Tsin及扭矩 T= Tcos。 由于弹簧的螺旋升角一般取为=59，故 sin0；cos1(图3.4)，则截面 B-B 上的应力(图 3.4)可以近似地取为： (3.1)式中 C=/d 称之为旋绕比(或者弹簧指数)。为了使弹簧本身稳定，不致过于颤动和过软，C值不能太大；但是为了避免弹簧丝在卷绕时受到强烈的弯曲，C值又不应太小。故而 C值的范围为416(表), 常用值为58。图 3.4 圆柱螺旋压缩弹簧受力及应力分析表 3-2 常用的旋绕比值 Cd/mm 为了方便计算，通常在上式中取 1+2C2C(因为当 C=416 时，2Cl，实质上就是略去了p)，由于升角和曲率对弹簧丝的影响，应力在弹簧丝截面的中分布将如图c 中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。通过实践课发现弹簧基本是由此点发生损坏。现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，用来考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响。则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为 (3.2)式中补偿系数 K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算： (3.3) 圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得: (3.4)式中：n弹簧的有效圈数； G弹簧材料切变模量，见前一节表。如以 代替P则最大轴向变形量为： 1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧： (3.5) 2) 对于有预应力的拉伸弹簧： (3.6) 拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力值在下图 3.5 的阴影区内选取。 初应力按下式计算： (3.7)使弹簧产生单位变形所需要的载荷kp称之为弹簧刚度，即： (3.8)图 3.5 弹簧初应力的选择范围 用来表现弹簧性能的主要参数之一就是弹簧刚度。它用于表示弹簧产生单位变形时所需的力，需要的力愈大，则刚度就愈大，则弹簧的弹力就愈大。但是由于影响到弹簧刚度的因素有很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值很大程度影响着kp值。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n等相关值有关。所以在进行调整弹簧的刚度时，应对这些因素进行综合的考虑。 (2) 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧设计 弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或者虽有一定的变化但变化平稳，且总的重复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷。在这些情况下，弹簧是按照静载强度来进行设计的。 在设计时，一般来讲是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构的要求等因素来决定弹簧丝的直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。具体设计方法和步骤如下: 1)根据工作情况及具体条件选择材料，并且查其机械性能数据。 2)选择旋绕比 C，通常可选取 C5-8（极限状态之下不小于4不大于16），并且算出补偿系数K值。 3)根据安装控件初设弹簧中径，根据C值估算弹簧丝直径d，并通过表查取弹簧丝的许用应力。 4)试计算弹簧丝直径d。 (3.9) 必须注意，钢丝的许用应力决定于其，而是随着钢丝的直径变化的,又因是按估取的d值查得的 H 计算得来的，所以此时试算所得的d值，必须与原来估取的d值相比较，如果两者相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径d，并按以求出；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估d值，再查其而计算，代入上式进行试算，直至满意后才能计算。计算出的，值也要按表进行圆整。 5)根据变形条件来求出弹簧的工作圈数 有预应力的拉伸弹簧:= (3.10) 压缩弹簧或者无预应力的弹簧：= (3.11) 6) 求出弹簧的一系列的尺寸 D、,并对安装要求等检查看其是否符合。如不符合，则应当改选相关的参数(例如C值)进行重新的设计。 7) 验算稳定性。对压缩弹簧来讲，如果其有着比较大的长度时，则受力后容易失去稳定性(如图3.6 a)，这在工作中是不允许存在的情况。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比b=/ 按下列情况选取：当两端固定时，取b5.3;当一端固定，另一端自由转动时，取b3.7；当两端自由转动时，取b2.6。图 3.6压缩弹簧失稳及对策以及不稳定系数线图 当b大于上述数值时，要进行稳定性验算，并应满足： (3.12)式中：稳定时的临界载荷； Cu不稳定系数，从图3.6中查得； 弹簧的最大工作载荷。 如 时，要重新选取参数，改变 b 值，提高 Fc 值，使其大于值，以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能改变参数时，则应加装导杆(如图3.6 b)或导套(如图3.6 c)。导杆(导套)与弹簧间的间隙c值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选取。表 3-3 导杆与弹簧间的间隙中径D/mm间隙c/mm0.61234567 8)疲劳强度和静应力强度的验算。 疲劳强度验算 下图所示为弹簧在变载荷作用下的应力变化状态。图中为弹簧的自由长度，和为安装载荷和预压变形量,和为工作时的最大载荷和最大变形量。当弹簧所受载荷在和之间不断循环变化时，则可得弹簧材料内部所产生的最大和最小循环切应力为： (3.13) (3.14)图 3.7 弹簧在变载荷作用下的应力变化状态 对应于上述变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，应力循环次数时，疲劳强度安全系数计算值 Sca 及强度条件可按下式计算： t(3.15)式中：弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数 N，由下表(弹簧材料脉动循环剪切疲劳极限表)中查取；弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧设计计算和材料机械性能数据精确性高时，取 =1.31.7；当精确性低时，取 =1.82.2。 表 3-4 弹簧材料脉动循环剪切疲劳极限变载荷作用次数N注：1）此表适用于高优质钢丝，不锈钢丝，铍青铜和硅青铜丝； 2）对喷丸处理的弹簧，表中数值可提高20； 3）对于硅青铜，不锈钢丝， 时的值可取 4）表中为弹簧材料的拉伸强度极限，MPa。 静应力强度计算静应力强度安全系数计算值Sca的计算公式及强度条件为： (3.16)式中为弹簧材料的剪切屈服极限,静强度的安全系数的选取与进行疲劳强度验算时相同。 振动计算承受变载荷的圆柱螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作(如内燃机汽缸阀门弹簧)。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏，需对弹簧进行振动验算，以保证其临界工作频率(即工作频率的许用值)远低于其基本自振频率。 (3.17)式中：kp-弹簧的刚度，N/mm；-弹簧的质量，kg；将 kp、 的关系式代入上式，并取 n 则 = (3.18)式中各符号意义同前，见表。 弹簧的基本自振频率fb应不低于其工作频率fw的1520倍， 以避免引起严重的振动,即fb(1520)fw 或 fwfb/(1520) Hz.但弹簧的工作频率一般是预先给定的，故当弹簧的基本自振频率不能满足上式时，应增大 kp 或减小，重新进行设计3.2.2端面式单移阀外观图图 3.8 端面式单移阀外观图3.2.3端面式单移阀尺寸材料设计 图3.9所示为阀蝶的结构尺寸，材料为食品用橡胶。 图3.10所示为调整垫片的结构尺寸，材料为胶木。 图3.9阀蝶 图3.10调整垫片 图3.11所示为橡胶垫圈的结构尺寸，材料为橡胶。图3.11 橡胶垫圈 图3.12所示为阀芯的结构尺寸，材料为不锈钢。图3.12 阀芯 图3.13所示为阀套的结构尺寸，材料为不锈钢。图3.13 阀套3.3 端面式单移阀设计模型表3-5 端面式单移阀零件模型汇总表零件名称阀碟底座阀顶阀件2零件模型图零件名称弹簧1弹簧2阀套阀件6零件模型图零件名称阀件4阀件1阀芯阀套 零件模型图3.4 端面式单移阀工作过程3.4.1 灌装量的调整 因为灌装机定量形式大多是用瓶来定量,若果对瓶子容量进行更改时,可以通过调节升降机构中活塞芯子的高低来实现,从而也就调整了灌装量。如果灌装定量形式是通过定量杯定量的,则通过将定量杯的容积进行改变。3.4.2灌装阀的调试与维护 检查