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饮料灌装生产流水线的设计,饮料,灌装,生产,流水线,设计
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饮料灌装生产流水线的设计,姓名： 专业班级： 指导教师：,毕业答辩,主要设计,1 啤酒灌装流水线的工厂布局 2 输瓶系统的自动控制 3灌装压盖机的传动系统的设计,灌装流水线工艺流程,各单机的型号选择,啤酒灌装工厂的布局,输瓶系统控制原理,输瓶系统的自动控制,电气连接图,灌装压盖机传动系统设计,已只其生产能力为2万瓶/时，确定18个压盖头，星型拔轮为6个齿数。由公式可得出灌装盘的转速和半径， 最终经过计算得压盖盘与星型拔轮以及导杆的转速比为1：3：6,灌装压盖机的传动设计,欢迎评委老师批评指正 谢谢各位老师！,毕 业 设 计（论 文）题目：饮料灌装生产流水线的设计（英文）：Mechanical Design Of Beverage Filling Production Line Design院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 饮料灌装生产线的设计摘要啤酒饮料灌装生产线的自动化程度在国外发达国家的发展水平已经较高，而在我国尚处于启动阶段。本设计系统地设计了一条生产能力为2万瓶/小时的啤酒灌装生产线，为了提高生产效率，保证灌装生产线畅通灌装生产，根据生产要求和生产能力选择单机型号以及对灌装工厂布局的设计，然后对输瓶系统和输箱系统设计，同时设计一段输瓶系统的电气控制，选用三菱PLC对输瓶链电动机进行调速控制，主要是对输瓶速度的自动调节。最后选择了对灌装压盖机传动系统的设计，根据其生产能力，为保证瓶装平稳进行灌装，选择适合的传动比，设计合理、可靠的传动系统，其中包括带轮、蜗轮传动以及，齿轮传动。关键词：啤酒生产线；灌装压盖机；PLC；机械设计Mechanical Design Of Beverage Filling Production Line DesignABSTRACTBeer beverage filling production line automation in foreign developed country development level is higher, and in our country is still at the starting stage.This design system to design a production capacity of 20000 bottles / h beer filling production line, in order to improve production efficiency, ensure the filling production line smooth filling production, according to production requirements and production capacity selection of single models and for filling plant layout design, and then on the bottle conveying system and a transmission box system design, while design a bottle conveying system of electrical control, selects the Mitsubishi PLC on bottle conveying chain motor speed control, mainly on the bottle conveying speed automatic adjustment. Finally I chose to filling and capping machine drive system design, according to its production capacity, in order to ensure the smooth filling bottled, choose a suitable transmission ratio, reasonable design, reliable transmission system, which comprises a belt wheel, worm gear drive, gear drive.Key words：Beer Production Line; Filling And CappingMachine;PLC; Machine Design目 录1概论11.1啤酒包装业的发展状况11.1.1国内啤酒灌装的发展情况：11.1.2国外啤酒灌装的发展情况11.1.3啤酒灌装的发展趋势：21.2课题研究背景和意义21.2.1课题的背景21.2.2课题的意义31.3研究内容与章节安排32 啤酒灌装线的布局及单机的选择42.1啤酒包装车间的组成42.2单机生产能力的选配52.3单机型号的选择62.5输送系统的设计62.5.1储瓶能力72.5.2输送速度72.5.3输瓶带的设计82.5.3输箱系统的设计102.4生产线平面的布置设计112.5本章小结133 啤酒输送瓶的自动控制143.1啤酒输瓶系统的连接与布置143.2卸箱机至洗瓶机的自动控制153.2.1 PIC与变频器的描述153.2.2传送带自动调速设计要求163.2.3传送带自动调速设计方案173.2.4传送带自动调速系统流程图183.2.5总图设计以及输入输出信息193.2.6编程软件的介绍223.2.7传送带自动调速系统程序设计233.8 本章小结284 灌装压盖机的传动系统设计294.1 灌装压盖机的传动原理以及设计分析294.2 传动系统的设计方案304.2.1 灌装区的转盘304.2.2 星型拔轮304.2.3 送瓶螺杆324.2.4 带传动的设计364.2.5 涡轮蜗杆的设计384.2.5 齿轮的设计394.2.6 轴转速的计算414.3 本章小结425 总结与展望42参考文献44致谢45附录A46饮料灌装生产线的设计1概论1.1啤酒包装业的发展状况1.1.1国内啤酒灌装的发展情况我国啤酒包装设备的生产厂家在60年代初到70年代末只有几家，其生产能力处于一种引进国外技术并加以仿制的阶段。如70年代，广州轻工机械设计研究所消化吸收西德、日本、美国、意大利等国的进口设备，开发出一条8000瓶/小时的洗瓶、灌装、压盖、贴标生产线1。进入20世纪80年代后，我国先后引进生产能力为2万-4万瓶/h的生产技术，当时的生产厂家才十几家，仍然和国外的生产能力有很大的差距。到90年代起，中国的啤酒、饮料灌装设备制造水平、规模进入了一个崭新阶段，此时的啤酒加工设备厂家已达600多个，然而这些企业只要还是靠引进国外的生产线技术并在国内加以仿制。引进国外的技术需要很大的资金，而且还存着很多弊端。如设备元件不是标准件，万一发生故障，就需要到国外去购买而浪费金钱和时间。在啤酒生产旺季，损失时不可估量的，所以先进的啤酒灌装设备越来越受我国生产厂家的重视。1.1.2国外啤酒灌装的发展情况国外啤酒灌装设备较为完善，机电一体化、管理与自动控制一体是当前啤酒灌装发展的一大趋势2。德国的包装机械在计量、制造、技术性能方面均属于世界一流。该国生产的啤酒、饮料灌装成套设备生产速度快、自动化程度高、可靠性好。只要体现在：工艺流程的自动化、生产效率高，满足交货短期和降低工艺流程成本的要求；设备具有更高的柔性化和灵活性。主要体现生产的灵活性、构造的灵活性和供货的灵活性，以适应产品更新替代的需要；利用计算机和仿真技术提供的成套设备，故障率低，可以进行远程诊断服务；对环境污染少，主要是包括噪音、粉尘和废弃物的污染。意大利生产的包装机械中，40%是食品包装机械，如糖果包装机、茶叶包装机、灌装机等。产品的特点是外观考究、性能优良、价格便宜。意大利包装行业最大优势就在于可以按照用户的要求进行设计和生产，并保证很好地完成设计、生产、试验，实现监督、检验组装、调整和用户需求分析等。日本的食品包装机械，虽然以中小单机为主，但设备体积小、精度高、易于安装、操作方便、自动化程度高。1.1.3啤酒灌装的发展趋势：现在的啤酒生产大多都是用单机操作，生产能力较低。我国灌装机械将呈一下发展趋势： （1） 面向大型化发展 为适应社会化大生产的发展的要求，取得规模的经济效益，灌装设备向大型化，高速化发展。（2） 设备结构处于简单合理 目前，国内外灌装机械制造商致力于设备机构的简化、合理化，减少零部件数量，增加通用件的数量，降低设备成本，使操作、维修更加方便，特别体现在机械传动方面。（3） 设备想多功能化发展 目前，国内外灌装机均具备多功能化，能适应多种瓶型，多种液体，产品的使用面广，具有一定的市场竞争能力。（4） 实现机电液气一体化 PLC可编程控制器普遍应用于灌装机的控制系统中，大型设备采用计算机智能化控制，具有故障自我诊断、信号报警等功能3。1.2课题研究背景和意义1.2.1课题的背景2001年至2007年这七年中，中国啤酒一直呈现大幅度的增长率。2005年中国啤酒突破3000万千升的大关，达到3189万千升，同比增长5.2%。2007年全国啤酒产销量3931.3万千升，比上年增长11.84%，啤酒人均消费量达28.9升，达到人均消费水平。近几年来，我国啤酒产业得到了迅速的发展，出现了年产80万吨的大型啤酒生产企业(燕京啤酒集团)。大型啤酒企业对啤酒灌装线的自动化程度和速度都提出了更高的要求。而经过为期几个月的调研，对我国啤酒饮料生产厂家深圳金威啤酒厂及啤酒饮料设备的生产厂家中航总公司西安远东公司远东食品机械厂，广东乐惠集团的情况进行了较深的了解。正如前面章节所述，我国的啤酒包装机械还存在自动化程度低、速度慢、破瓶率高、系统运行不稳定等缺陷。随着集散控制系统的日益完善，PLC在工业控制领域应用的日益广泛，使我们利用先进控制技术改进自动灌装1.2.2课题的意义啤酒包装是啤酒生产过程中重要的一环，随着啤酒工业的不断发展，啤酒包装越来越受到人们的重视。优质名牌啤酒的生产除了要有好的原料和先进的酿造工艺外，还必须具有技术先进的设备和引人注目的外包装。一条质量好、技术先进、设计合理的包装生产线，既可生产出优质的产品占领市场，又可节约成本、降低能耗，提高经济效益。 一条好的啤酒生产线，应该具有最小的投资费用、最低的劳动强度、最高的经济效益。生产线设计得合理与否，是能否达到这个目标的主要因素之一。合理的布局对啤酒企业的建设有十分重要的意义，布局的合理、占地节省、流程顺畅、管线短截、将会带来投资少、效果好。通过PLC可编程逻辑控制器对输瓶和输箱系统的自动控制，可以提高经济效益，可以实现大型灌装生产线的全自动化，提高生产效率。改善工作环境，通过自动控制自动调速，可以减少工作人员的工作量。对于灌装压盖机的合理传动系统，能够包装其工作工程中的可靠性，平稳性。其次结构紧凑、布局合理、维修简单、装拆方便，力求传动链设计简单，结构易于调整，便于加工。1.3研究内容与章节安排本次设计主要研究生产能力为2万瓶/h的啤酒灌装生产流水的包装生产工艺、各单机的型号的选择，以及在工厂中的布局。然后对啤酒输瓶系统的自动控制，对电机的进行自动调速，选用PLC以及变频器对卸箱机至洗瓶机的输瓶系统，一共四台电动机进行自己调速，能减少碰瓶，保证生产能力，起到很重要的作用。最后对灌装压盖机的传动系统进行设计，设计合理的传动比，做到结构紧凑、简单的效果。对于章节安排，第二章安排啤酒灌装线的布局及单机的选择；第三章安排啤酒输送瓶的自动控制；第四章安排灌装压盖机的传动系统设计。2 啤酒灌装线的布局及单机的选择啤酒包装是啤酒生产过程中重要的一环，随着啤酒工业的不断发展，啤酒包装来越受到人们的重视。优质名牌啤酒的生产除了要有好的原料和先进的酿造工艺外，还必须具有技术先进的设备和引人注目的外包装。一条质量好、技术先进、设计合理的包装生产线，既可生产出优质的产品占领市场，又可节约成本、降低能耗，提高经济效益。 一条好的啤酒生产线，应该具有最小的投资费用、最低的劳动强度、最高的经济效益。生产线设计得合理与否，是能否达到这个目标的主要因素之一目前，上世纪80年代、90年代投入运行的包装线因使用年限已久，部分单机或输送系统已陆续淘汰，特别是大的啤酒集团并购的分公司、分厂众多，包装设备也同时进行优化整合，有的需要更换单机，有的则需要更换输送系统并重新进行平面布置，这些都涉及到生产线的设计问题。无论是单机更换或是整线的搬迁都会要求融入更多的新技术、新思路，设计及布置是否合理对生产线的使用状况及效率的高低都会产生重要的影响。下面就从几个主要方面来谈谈啤酒包装生产线的设计。 2.1啤酒包装车间的组成 啤酒包装机械是啤酒工厂的重要设备，是啤酒酿造过程的最后工序，它的好坏对啤酒的质量和外观有直接的影响，甚至关系到产品在市场上的竞争 能力。5一个完整的包装车间应由下列设备(系统) 组成：码垛机、卸箱机、洗瓶机、验瓶装置、灌装压盖机、杀菌机、贴标机、装箱机等组成。其工艺流程图如图2-1:空瓶库卸垛机卸箱机洗瓶机验瓶装置灌装压盖机杀菌机成品库码垛机装箱机装箱机贴标机图2-1 啤酒灌装工艺流程图2.2单机生产能力的选配在生产过程中，啤酒包装生产线中的各台设备可能因种种因素而产生故障，造成临时停机影响全线的生产效率。因此，在购买设备时，对停机频次较 多的设备，其生产能力应选大些，以弥补停机造成的 时间损失。我们通常以灌装压盖机的生产能力应逐级递增10。为什么要以装瓶压盖机为基准呢?其主要意义在于：灌装压盖机前的各台设备保证提供足够的瓶子给灌装压盖机，使灌装压盖机以100的能力运转，并保证灌装压盖机后各台设备发生短时间的停机都不会影响杀菌机的运行。从这个意义来说，装瓶压盖机的生产能力即是包装生产线的公称生产能力，其它设备的生产能力必须与它相匹配，包装生产线才能获得最大的效率6。180s120s150s120s100s150s100s卸垛机卸箱机灌装压盖机杀菌机贴标机装箱机码垛机洗瓶机图2-2 各单机之间的缓冲时间2.3单机型号的选择以灌装压盖机为标准，保证灌装压盖机之前的各台设备能够提供足够的瓶子给灌装压盖机，使其以100%的能力生产，也保证灌装压盖机之后的各台设备因为短时间的停机时而不影响灌装压盖机的运行。也就是说，灌装压盖机的生产能力就是整条生产的公称生产能力，其它设备的生产能力与它匹配，整个啤酒包装线才能获得最佳的生产效率。整条啤酒灌装生产线的生产能力为2万瓶/h,则灌装压盖机的生产能力为2万瓶/h，其他生产线上的其他单机生产能力依次按5%至10%生产能力增长，然后根据其生产能力选出各种单机的型号，它们的生产生产能力以及型号，尺寸如表2-1表2-1 各单机的技术参数单机名称型号生产能力（B/h）尺寸（mm）卸箱机WSD-XXD26000292024804230洗箱机BX-1024000623018603500洗瓶机XP-30220001170052003100灌装压盖机VVF60-1220000-杀菌机SRW38S200001500027422340贴标机PZR1824000200015001260装箱机WSP-2X27000565628754320装箱机WSP-2X270005656287543202.5输送系统的设计据记载，国外瓶装生产线的效率大多都超过80，而我国国标规定的70。虽然造成这一 结果的因素很多，但输送系统设计得合理与否却是 其中的重要因素9。在现实生活中，输送系统就好象是高速公路：“车好，路好，车才能跑得快”。同样，一条好的包装生产线只有在好的输送系统配合下才能发挥出最大的效率。2.5.1储瓶能力各台设备之间输瓶带能力的设计除满足生产线所要求的输送能力外，还应具有一定的储瓶量，缓冲时间就是这一储瓶量在前一台机器停运时，后一台 机尚能运行的时间。实践经验表明，在设备性能良好的情况下缓冲时间一般为153分钟。由于各机组间的设备功能作用不同，重要程度亦不同。所以，缓冲时间时间亦不完全相同。9改生产能力为2万瓶/h中个机组间的缓冲时间如表2-2：表2-2 两台设备之间的缓冲时间设备名称卸箱至洗瓶洗瓶至灌装压盖装瓶压盖杀菌杀菌至贴标贴标至装箱最佳232.52.52一般1.50.21.20.210.21.20.21.50.2不适宜0.20.20.51.5dmin=200mm,大带轮基准直径为(4-36)按表9.3选取标准值dd2=500，则实际传动比为:(4-37)从动轮的实际转速：(4-38)传动轮的相对误差率为,在范围内4) 初步确定中心距为a0=500mm，由式： (4-39)由表9.4选取基准长度Ld=2240mm由式9.20得实际中心距a为：(4-40) 5) 校验小带包角1 (4-41) 6) 确定V带的根数z 由式（9.22）得:(4-42)根据dd1=250mm，n1=1480rpm查表9.10，用内插法得P0=6.88kwp=1.34kw，K=0.94，KL=0.91得：(4-43)整理得z=54.2.5 涡轮蜗杆的设计因为带轮的传动效率为0.96，所以蜗轮蜗杆的功率P=37kw0.96=35.52kw，设定蜗轮蜗杆的传动比i为10Error! Reference source not found.1. 根据设计要求，查表12.5，蜗杆选用45钢，调质处理220-240HBS。查表12.6，蜗轮选用锡青铜ZCUSN10P1,砂模铸造，H=180MPa, F=51MPa2. 按蜗轮齿面接触疲劳强度设计1) 确定蜗杆头数z1=4,则：z2=iz1=104=40(4-44)2) 初估效率 由12.3.2节推荐，初估效率为3) 计算蜗轮转矩(4-45)4) 确定载荷系数K查表12.8取工坐情况系数Kv=1，K=1.0（载荷平稳）。取动载荷系数Kv=1.05则：(4-46)5) 确定模数m和蜗杆分度圆直径d1蜗轮分度圆直径d2(4-47)查表12.1得，m=10,d1=90mm,则：(4-48)6) 计算蜗杆导程角，滑动速度vs，蜗轮切向速度v2因为 所以(4-49)(4-50)，初选Kv=1.05合适7) 计算总效率根据vs=3.8m/s，查表12.4得v=1047=1.780锡青铜蜗轮，蜗轮齿面硬度45HRC）(4-51)总效率=0.89,与=0.8有一定的偏差，需要复核m2d8) 复核m2d(4-52)原设计合用4.2.5 齿轮的设计此传动系统中，电动机通过带轮传动，带轮带动蜗轮蜗杆，蜗轮带动主轴传动，通过各级齿轮得出不同的转速带动灌装转盘，压盖转盘以及其他星型拔轮的转动，以达到灌装压盖机的生产能力，确保生产过程中稳定进行。一共使用了13个直齿圆柱齿轮，两个直齿圆锥齿轮。如图4-5：图4-5 灌装机传动系统的齿轮分布图4.5表示灌装机传动系统的齿轮分布，不同颜色表示齿轮所在的平面不同，如：Z1、Z2、Z3在同一个平面，Z11、Z12、Z13、Z14、Z15在同一个平面，Z9、Z10在同一个平面，Z4、Z5、Z6在同一个平面，Z7和Z8是一对直齿圆锥齿轮。图中1、2、311表示轴，从图中可看出齿轮Z9和Z11在轴1上，Z3和Z4在轴9上。通过计算得出各个齿轮的参数如表4-1：表4-1 各齿轮的参数 参数齿轮模数m齿数z分度圆直径d（mm）齿顶圆直径da（mm）齿根圆直径df（mm）齿顶高ha（mm）齿根高hf（mm）齿宽b（mm）Z1384252258244.533.7564Z23112336342328.533.7553Z33112336342328.533.7553Z43123368374360.533.7553Z5331929884.533.7560Z6331929885.433.7560Z933510511197.533.7570Z103140420426412.533.7561Z11384252258244.533.7564Z123112336342328.533.7553Z133112336342328.533.7553Z143112336342328.533.7553Z153112336342328.533.75534.2.6 轴转速的计算由前面计算可知，灌装区的转盘转速为n=18.5r/min，其转盘在轴2上；星型拔轮的转速，分别在轴3,4, 6,7上，其中轴5上的是压盖机的转盘，与星型拔轮一样的转速；供瓶导杆转速为；蜗轮在轴1上，其转速为。所以有：（4-53）所以各轴的转速如表4-2：表4-2 各轴的转速轴的序号12345678910导杆转速（r/min）74.018.555.655.655.655.655.655.6222222333.34.3 本章小结灌装压盖机在整个啤酒灌装生产流水线中，起着最重要的作用，常常被作为流水线的参照设备。所以对灌装压盖机的选择，有着很重要的意义。本章主要对生产能力为2万瓶/h灌装压盖机的传动系统进行设计，传动系统的设计好坏直接影响生产能力，以及其灌装压盖过程中的平稳性。根据灌装压盖机的结构，其传动包括带轮传动、蜗轮蜗杆传动以及各齿轮的传动，通过各传动比，实现输瓶螺杆、星型拔轮、灌装盘以及压盖盘能达到协调的生产速度。5 总结与展望啤酒灌装生产流水线的设计主要包括对各个单机的选择，输送系统的选择，个单机在工厂中的布置，根据生产能力和工厂面积要求，尽可能把单机布局得结构紧凑，布局简单，节省成本。本设计中，为了生产能力为2万/h的啤酒灌装生产流水线，以灌装压盖机的生产能力为公称生产能力，在其前后的单机生产能力以10%左右递增，根据个单机的生产能力，选择各单机的机型。此次设计，我采用U型布置。输瓶系统我采用平顶链，输箱系统采用滚筒输送。本次布局能实现啤酒灌装生产的顺利进行，结构紧凑，布局合理。为了保证输送系统能平稳，确保灌装顺利进行，各个驱动电机与变频器连接，受plc自动控制，当输送链阻塞时，电机能自动减速；当输送链不受压时，电机能以高速运转。本设计以卸箱机到洗瓶机之间的输送链电气自动控制为例子，选用三菱plc控制四台电动机自动调速，在四段输送链中都安放压力开关，根据压力开关的开与闭，控制电动机的速度。通过对电动机的自动调速，实现了保证生产能力的前提下，输瓶有序平稳地进行输送。最后，对灌装压盖的传动进行设计，其灌装机的生产能力为2玩瓶/h，传动系统较复杂，从电动机带动带轮的驱动，带轮带动蜗轮蜗杆，然后通过各个齿轮加速或者减速，带动灌装区转盘、压盖机转盘以及其他星形拔轮的转动，使其线速度一致，能够正常运动，保证其协调性、平稳性。未来对饮料灌装生产流水线的研究更多是在其更大的生产能力，更快的灌装速度，更环境的生产工厂。同时对输瓶系统或者输箱系统能实现完成自动化，能准确无误、平稳快速地控制整条流水线，实现智能化。而灌装压盖机则生产能力越大，结构更紧凑。参考文献1 中国轻工年鉴2007M.北京：中国轻工业出版社，2007:168.2 黄颖为.包装机械机构与设计M.化学工业出版社，2007:23:283285.3 屈能胜.中国食品包装机械发展综述J.中国食品，2004(9).4 杜景宁.330ml瓶装啤酒包装生产线的效率改进方案研究D .硕士学位论文.华南理工大学,2010:1.5 周文玲，刘安静.啤酒包装线的布局及单机的选配
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