（机械工程专业论文）桶装水自动灌装机的设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着时代的发展和进步，人们对生活水平的要求越来越高，桶装水的出现就是 为了满足人们对纯净饮用水的需要。纯净水对人体有着诸多的益处，加之纯净水现代、 时尚、方便、卫生的饮用特点，使得纯净水正日渐改变着人们的传统饮水观念，饮 用纯净水已成为人们健康饮水的标准。尤其是桶装纯净水，更是由办公区开始广泛 进入家庭。桶装水的质量与人民日常生活密切相关，也就为桶装水灌装机提出了更 高要求。桶装水自动灌装机由消毒、清洗、灌装、理盖、压盖、传动、推桶等部分 组成。多功能、大型化、技术含量高、结构简单化将是未来发展的趋势。 目前，桶装纯净水的合格率不高，其主要原因是生产企业未按标准规定组织生 产和质量检验，质量管理不到位，灌装设备简陋，不能定期对设备、包装物进行清 洗和消毒，洗桶不净、封盖不严、灭菌不彻底，操作人员违规作业等造成的。 本研究研制开发桶装水自动灌装机，集供盖、杀菌、灌装、压盖、输送为一体， 全封闭生产，效率高，安全卫生。可用于小型纯净水厂、净水屋等桶装水灌装生产。 用压缩空气作为动力源，取代了电，需要的电控元件，均采用3 6 v 以下的低电压， 避免了由于漏电造成的人员伤亡事故，排除了安全隐患。 桶装水自动灌装机由洗桶、灌装、封口三部分组成。优化的直线形结构布置， 四工位杀菌喷冲，气缸压盖、推桶，结构紧凑，操作简单，少维修，经济实惠。控 制部分采用p l c 可编程控制，配合高精度的气动控制元件，动作可靠，全自动循环。 经过一系列的改进之后，整机的自动化程度有所提高，适应了市场不断发展的 需要。 关键词自动灌装机；桶装水；气动控制：清洗消毒；压盖；可编程控制器 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so ft h et i m e s ，t h ed e m a n do fp e o p l eo nt h el i f e s t a n d a r di sh i g h e ra n dh i g h e r , a n dt h ee m e r g e n c eo fb a r r e l e dw a t e ri st om e e tt h en e e d so f t h ep e o p l eo np u r ed r i n k i n gw a t e r p u r ew a t e rh a sal o to fb e n e f i t so n t h eh u m a nb o d y i n a d d i t i o n ，p u r ew a t e rh a ss u c hf e a t u r e sa sm o d e m ，f a s h i o n ，c o n v e n i e n ta n dh e a l t h ，w h i c h m a k e sp u r ew a t e rc h a n g i n gp e o p l e st r a d i t i o n a lc o n c e p to fd r i n k i n gd a yb yd a y , a n d d r i n k i n gp u r ew a t e rh a sb e c o m et h es t a n d a r do fh e a l t hd r i n k i n g a sar e s u l t ，b a r r e l e dp u r e w a t e rh a sb e e nb e i n gu s e dw i d l yf r o mt h eo f f i c ei n t ot h eh o m e t h eq u a l i t yo fb a r r e l e d w a t e ri sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ep e o p l e sd a i l yl i f e ，s oh i g h e rr e q u i r e m e n ti sp u tf o r w a r d e d t ot h eb a r r e l e dw a t e rf i l l i n gm a c h i n e t h ea u t o m a t i cf i l l i n gm a c h i n ef o rb a r r e l e dw a t e ri s c o m p o s e db yd i s i n f e c t i o n ，c l e a n i n g ，f i l l i n g ，c h o o s ec o v e lg l a n d ，d r i v ea n dp u s h i n gb a r r l e e c t m u t i f u n c t i o n ，l a r g e - s c a l e ，h i g ht e c h n i c a lc o n t e n t ，s i m p l es t r u c t u r e 淅ub et h et r e n do f t h ed e v e l o p m e n ti n t h ef u t u r e 。 a tp r e s e n t ，t h eq u a l i f i e dr a t eo ft h ep u r ew a t e ri sn o th i g h ，t h em a i nr e a s o n sl i ei nt h e f o l l o w i n gf a c t st h a tt h ep r o d u c t i o ne n t e r p r i s ef a i l st oo r g a n i z ep r o d u c t i o na n dc a r r yo n i n s p e c t i o na c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d ，q u a l i t ym a n a g e m e n td o e sn o tr e a c ht h ed e s i g n a t e d p o s i t i o n ，f i l l i n ge q u i p m e n ti sh u m b l e ，t h ee q u i p m e n ta n dp a c k a g e sc a n tb ec l e a n e da n d d i s i n f e c t e dr e g u l a r l y , w a s h i n gb a r r e l sa r en o tc l e a n e dc o m p l e t e l y , g l a n di sl a x ，s t e r i l i z a t i o n i sn o tc o m p l e t e ，o p e r a t o r sa r ei nv i o l a t i o nn o r m a lo p e r a t i o na n ds oo n t h i ss t u d yd e v e l o p e dt h ea u t o m a t i c f i l l i n g m a c h i n ef o rb a r r e l e dw a t e r , w h i c h i n t e g r a t e ss u p p l y i n gc o v e r s ，s t e r i l i z i n g ，f i l l i n g ，g l a n d i n gb u s h e s a n dc o n v e y i n g t h e p r o d u c t i o ni sf u l l ye n c l o s e d ，o fh i g he f f i c i e n c y , s a f ea n dh e a l t h t h em a c h i n ec a nb eu s e d f o rs m a l lp u r ew a t e rf a c t o r y , w a t e rp u r i f i c a t i o nh o u s ea n ds oo nf o rb a r r e l e dw a t e rf i l l i n g p r o d u c t i o n c o m p r e s s e da i ri su s e da sap o w e rs o u r c et or e p l a c e dt h ee l e c t r i c i t y , a n da l l t h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t su s et h el o wv o l t a g eb e l l o w3 6vw h i c ha v o i d st h ep e r s o n n e l c a s u a l t i e sc a u s e db yl e a k a g e ，a n dr u l e so u tt h es e c u r i t yr i s k t h ea u t o m a t i cf i l l i n gm a c h i n ef o rb a r r e l e dw a t e ri n c l u d e st h r e ep a r t sw h i c ha r e w a s h i n gb a r r e l f i l l i n ga n ds e a l i n g t h eo p t i m i z a t i o no f t h el i n e a rs t r u c t u r ea r r a n g e m e n t ，4 l a b o u rs t e r i l i z a t i o nr u s h e ds p r a y i n g ，a i rc y l i n d e rg l a n d i n gb u s h e sa n dp u s h i n gb a r r e l s m a k et h em a c h i n eh a ss u c hf e a t u r e s a sc o m p a c ts t r u c t u r e ，s i m p l eo p e r a t i o na n dl e s s m a i n t e n a n c e ，e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l c o n t r o lp a r ta d o p bp l ca n dh i g hp r e c i s i o n p n e u m a t i cc o n t r o lc o n t r o l ，a n di ti sr e l i a b l e ，a n df u l l ya u t o m a t i c i i 摘要 a f t e ras e r i e so fi m p r o v e m e n t ，t h ea u t o m a t i o nd e g r e eo ft h ew h o l em a c h i n eh a sb e e n r a i s e d ，w h i c ha d a p t st ot h en e e do ft h em a r k e tc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s a u t o m a t i cf i l l i n gm a c h i n e ；b a r r e l e dw a t e r ；p n e u m a t i cc o n t r o l ；c l e a n i n ga n d d i s i n f e c t i n g ；g l a n d i n gb u s h e s ；p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1选题背景 水是人类生命的源泉，是构成人体的重要组成部分，根据科学测定，成年人体 重的三分之二是水分，而儿童体内的水分更高达8 0 。在人体内，水是一切物质交 换的媒介，是人体的各种体液及消化液的重要组成成分；也是将新陈代谢过程中产 生的有毒物质排出体外的主要载体。同时，水也是人体所需七大营养素之首，人体 没有水，则养料不能吸收，废物不能排除，血液不能流动，体温无法恒定，体内各 种生理活动都无法正常进行【l 】。人可以1 7 天不吃饭，但4 8 小时不饮水将导致死亡。 因此，水是生命的第一要素，饮用水的水质状况则与人体健康密切相关。在社会经 济加速发展和城市化程度不断提高的同时，全国水环境污染形势不容乐观，由于工 业废水和生活污水向水体排放量的不断增加，以及农田径流、大气沉降等非点源污 染，致使世界范围的水源污染日益严重。2 0 0 6 年我国城市污水的排放量已达3 3 0 亿 立方米1 2 j ，其中绝大部分污水未经有效处理而排入江河湖海。全国9 0 以上城市水域 受到不同程度的污染，近5 0 的重点城镇的集中饮用水源不符合取水标准，污染问 题已引起全社会的重视【3 】。并且，随着改革开放的不断深入，国际间交往的日益增多 和人们生活水平的提高，社会上对改善和提高生活饮用水水质的呼声也越来越高。 为- j j n 应社会的需求，供水企业积极改进净水工艺，提高供水质量，与此同时， 市场上名目繁多的饮用水也应运而生，如矿泉水、离子水、蒸馏水、太空水、饮用 纯净水等。由于人们的生活节奏加快，不仅考虑饮水的安全和营养，也考虑到方便 和经济性，小瓶矿泉水、纯净水由于成本高，价格比较昂贵，并不是一种理想的长 期供水方案。因此，5 加仑桶装纯净水的出现，恰好弥补了这样的空白，现已在全国 大部分城市的机关、学校、团体和家庭等场所非常普及。 1 2 国内外现状及发展趋势 所谓灌装机就是将液体产品装入包装容器的机械。人类自从采用容器盛液体以 后，就产生了灌装方法。十九世纪末之前，大多数灌装是手工灌装。用带嘴和柄的水 罐或长柄勺或把容器浸于液体中灌装。虹吸装置和机器是从十九世纪中期开始流行， 一系列液体灌装机作为商业产品出现在二十世纪1 4 j 。 大约在18 8 0 年美国h o r i x 、k i e f e r 和u s b t t l e r s 等三家公司开始制造容器灌装的 机械装置。第一台商业用灌装机是k i e f e r 公司制造；h o r i x 公司于1 9 0 2 年首次制造 了重力灌装机，用于灌装番茄酱，这家公司至今仍生产灌装机。二十年代初期这几 家公司着手生产回转式灌装机，其中u s b a l e r s 公司制造的是纯真空灌装机，二十 1 河北科技大学硕士学位论文 世纪以来，灌装机械工业发展迅速，当时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀 等待瓶子灌装完毕所需的时间【5 6 】。 我国灌装机械制造业起步较晚，2 0 世纪6 0 年代前，基本上是空白，灌装生产绝 大部分处于手工操作，非常落后【7 1 。7 0 年代初，上海、北京、青岛、烟台等地引进 三十多条灌装线，其中有西德s e i t z 、意大利s i m o n a z i 、美国m e r e r 、罗马尼亚等公 司的产品，在一些饮料生产企业提高技术装备的同时，也促进了我国灌装机械的发 展【8 】。随后，广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多厂家在消化 吸收国外技术的基础上，仿制开发了各种中、小型灌装设备，初步改善了灌装生产 的落后面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大。8 0 年代，我国采用 技术贸易方式，引进日本三菱公司1 8 0 0 0 瓶时含气饮料罐装线制造技术，推出了国 产化生产线，技术进步成为当时国内灌装生产线的主流和代表；矿泉水和饮料罐装 设备，目前已全部国产化，基本满足了国内市场的需求。南京轻工业集团推出的系 列聚酯瓶饮料生产线，尤其是三位一体的冲瓶机、灌装机、拧盖机，吸收了美国、 德国和法国等国的分离式变频传动、灌装阀技术和拧盖技术，适用于多种瓶型生产。 整机p l c 程序控制，应用了触摸屏技术，达到2 0 世纪9 0 年代国际领先水平【9 1 。目 前，我国现有灌装机械生产厂家将近2 0 0 家，包括配套的厂家和科研院所7 0 0 多家， 已经成为我国食品包装机械的一支骨干力量。 与国外先进技术相比，我国灌装机械尚有许多差距。国产设备大多数是在引进 设备消化吸收的基础上开发的，受引进起点的限制和消化吸收深度不够的影响，致 使基础配套设备质量跟不上，缺少高质量的专用备件。目前国产设备仅能满足中型 饮料厂的需求，且在控制技术、可靠性和在线检测方面尚有较大差距。尤其在大型 设备方面，国产设备还满足不了国内生产厂的需要。 近年来，世界四大包装机械行业中的强国美、日、德、意加大技术开发力度， 使智能化、高效化、资源高利用化的高新产品不断涌现。提高自动化程度是包装机 械发展的重要趋势。品种和产量均居世界之首的美国十分重视包装机械与计算机技 术紧密结合，实现机电一体化控制，将自动化操作程序、数据采集系统、自动检验 系统更多用于包装机械中。日本则善长于微电子技术，用以控制包装机械，有效地 促进了无人操作和自动化程度的提高。在计量、制造和技术性能等方面居于世界领 先地位的德国也高度重视提高自动化程度，几年前，德国包装机械系统设计时，自 动化技术在整个系统操作及运行中还只占3 0 ，现在已占到5 0 1 1 0 , 1 1 。在饮料罐装 机械设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国制造水平较高，其设备呈现出新 的发展趋势。 1 ) 功能多同一台罐装设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料 等多种饮料的热罐装，均可进行玻璃瓶和聚酯瓶的灌装。 第1 章绪论 2 ) 大型化灌装机械向大型化发展。为适应食品饮料工业的发展，以获取规模 经济利益，灌装机械向高速度、高生产能力发展。 3 ) 技术含量高全线的自动控制水平高和全线效率高，在线检测装置和计量装 置配套完整，能自动检测各项参数、计量精确。集机、电、气、光、磁为一体的高 新技术不断涌现。 4 ) 结构简单化灌装机械结构趋于简单合理。灌装机械制造商都在致力于产品 结构的简单化，零部件数量在减少，设备可靠性在提高，成本降低，操作维修更加 方便。 1 3 市场前景和课题立项的重要意义 纯净水最早出现在2 0 世纪6 0 年代的美国，是宇航员太空飞行时专用饮用水， 故又称“太空水”。这种水不含任何杂质，水质标准，无毒、无菌、甘甜可口，可直 接生饮。2 0 世纪7 0 年代初美国制造纯净水的工厂已达5 0 0 多家，纯净水多装在桶和 饮料桶中销售。1 9 9 1 年美国桶装纯净水销量达4 2 5 亿加仑，比1 9 8 7 年增长7 0 ， 销售额达2 0 亿美元之多【1 2 1 。其它国家从2 0 世纪8 0 年代开始饮用纯净水，9 0 年代中 期，在欧美、日本、东南亚一些国家和地区的纯净水普及率已达8 0 以上1 1 3 , 1 4 】。 我国开发利用饮用天然矿泉水最早始于本世纪初。1 9 7 7 年以前，我国唯一的瓶 装矿泉水是青岛崂山牌天然矿泉水。8 0 年代中期，特别从1 9 8 7 年，我国国家矿泉水 标准的颁布实施以来，全国瓶装矿泉水的开发和生产得到了迅速发展。9 0 年代中期， 发展速度有所减缓，1 9 9 4 年生产厂家已发展到1 0 0 多家，销售接近3 0 万吨：到1 9 9 7 年，我国饮用天然矿泉水生产厂家已达1 1 0 0 多家，是世界上生产矿泉水厂家最多的 国家【l5 1 。在这些生产厂家中，大中型企业，即生产能力和实际生产水平及市场占有 率在万吨以上的，仅占企业数的1 0 左右，中小型企业占总企业数的8 0 以上，在 一千多家企业中，外商独资和合资的企业占1 5 ，国营企业占1 5 ，集企业占2 5 ，个 体和营企业占1 5 。1 9 9 8 年以后桶装纯净水更是大幅度的增加，以每年3 5 0 的惊人 速度递增【l 圳。调查显示，城市居民中已有近3 0 的人经常饮用纯净水，另有5 0 的 人对纯净水持接受态度，1 4 的人抱无所谓态度，而持排斥态度的人仅占6 【1 7 】【1 8 】。 人民生活水平的普遍提高，越来越多的人们开始注重饮水健康。而作为城镇居 民的主要饮水自来水却存在着水源污染和管网污染等问题。尽管各地水厂的技 术多数是可以保证自来水基本符合卫生标准，但由于水源污染的日益严重和城市供 水管道的老化、高层水箱的二次污染的难以解决仍严重影响着饮用水质。据统计我 国有7 5 亿人饮用不符合标准的水，这些水中大肠菌群超标，含铁量超标，硬度高， 耗氧量高，氧化物和氟都高【i9 1 。有5 0 种疾病来源于不符合标准的饮用水，有2 0 种致 癌物与未经过处处理的水有关。调查表明，在中国城市居民饮用水能够达到直接生 饮的自来水不到2 2 0 2 1 j 。我们无法正确估计水的消费市场到底有多么庞大，发展潜 3 河北科技大学硕士学位论文 力有多么可观，只知它是人们生活中消费量最大、地球储量最大、成本最低的资源。 有一个数据足以让人们瞠目，那就是1 9 9 8 年全国共消耗饮用水1 0 0 亿桶 2 2 1 。毫无疑 问，饮用水有着无比巨大的消费市场。然而由于传统纯净水、矿泉水、蒸馏水等所 需生产设备的大型化、区域供应的独特性以及居高不下的产品价格等综合因素的影 响，使得许多城市的饮用水市场仍然处于卖方阶段，有着极大的市场空白点，很多 县级城市甚至还没有当地的饮用水生产厂。由此，我们可以看到桶( 桶) 装纯净水、 矿泉水、蒸馏水制造业蕴涵着无限的商机。 此外，纯净水对人体有着诸多的益处，加之纯净水现代、时尚、方便、卫生的 饮用特点，使得纯净水正日渐改变着人们的传统饮水观念，饮用纯净水已成为人们 健康饮水的标准。尤其是桶装纯净水，更是由办公区开始广泛进入家庭。纯净水市 场呈现殷切、旺盛的需求。随着人们的生活水平的进一步提高，以及国家政策的引 导，纯净水的市场普及率必将大幅上升。据统计，到2 0 0 9 年，中国城市居民纯净水 饮用的普及率已达到8 0 以上。在人们选择纯净水做为饮用水的时候，纯净水市场 商机也自然凸起【2 3 矧。 在某次监督抽查的桶装纯净水产品，桶装纯净水的合格率只有7 0 。微生物指 标是衡量污染程度的一个重要指标，造成微生物不合格的原因是生产企业未按标准 规定组织生产和质量检验，质量管理不到位，灌装设备简陋，不能定期对设备、包 装物进行清洗和消毒，洗桶不净、封盖不严、灭菌不彻底，操作人员违规作业等造 成的 2 5 , 2 6 】。 由此可见，从投资角度分析，桶装水灌装设备有着投资金额小、运营成本低、 利润空间大、可驾驭性强、能持续发展等符合市场规律、适合中小企业投资的特点， 是一个典型的投资少、见效快、回报高、风险小的投资项目。 1 4 研究内容及目标 在目前的市场调查中，发现全部的桶装纯净水的生产设备都是由电机作为动力 来拖动的，这里面就存在着使人触电的安全隐患。针对这一点，本研究研制开发桶 装水全自动罐装机，集杀菌、冲洗、灌装、供盖、压盖、输送为一体，用压缩空气 作为动力源，需要的电控元件，均采用3 6 v 以下的低电压，避免由于漏电造成的人 员伤亡事故，排除安全隐患。 该设备专用于5 加仑桶装纯净水生产。整个灌装过程由进桶一消毒一清洗一空干 一落桶一灌装一带盖一压盖一成品输出组成。整机动作单元全部由p l c 控制，控制 系统和操作系统设计在一个面板上，控制和操作方便。在精确定位的工位均由行程 开关精确定位，智能化设计，生产时，有桶冲洗，无桶不冲洗；有桶灌装，无桶不 灌装。该设备全部用不锈钢制造，整个生产过程均在封闭箱内完成，有效的防止纯 净水在灌装过程中引起的二次污染，属于无菌生产，符合卫生标准。该线最大的优 4 第1 章绪论 点在于整个设备的动力均由低电压和压缩空气提供，是对目前市场上已有的设备的 改进，极大的方便了人们的使用，是集机、电、气于一体的新型饮用水桶装设备。 当前各种瓶装、桶装饮用水已逐步进入千家万户，由此我们生产矿泉水及其它 饮用水的企业也迅速发展，给企业带来了很大的市场及设备配套厂家的迅速发展。 因此饮用水的卫生问题成了人们关注的重点。如现在普遍应用的全自动无菌灌装和 人们所提出的绿色灌装等。所以现在设计的灌装设备必须达到以下水平：在灌装工 艺路线中必须保证对回收饮用水桶消毒灭菌指标达到1 0 0 ；保证清洗、消毒、灌装、 封盖按程序自动进行，确保产品质量；设备中与饮用水直接接触的管道、元件、材 质必须符合食品卫生要求【2 7 , 2 8 】。我国的灌装机械行业在上世纪9 0 年代后期，由于工 业发展的需要而出现了高速发展，但由于起步迟、起点低、规模小，总体水平要比 发达国家落后2 0 年；国内目前需求量，尤其是技术含量高的成套装备依赖进口 2 9 , 3 0 】。 为此，我们必须分析国际灌装机械的发展趋势，找出差距，研究发展对策，发展我 国的灌装机械工业。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章总体方案设计 2 1 主要技术参数确定 桶装水自动灌装机专用于5 加仑桶装纯净水生产，主要用于中小型纯净水生产 企业，根据生产实际及要求，确定桶装水自动灌装机的主要技术参数，见表2 1 。 表2 1 设备主要技术参数表 2 2 总体方案设计 由于该设备是灌装纯净水，是人们的直接饮用水，关系到人们的身体健康，所 以必须满足卫生要求。因此，该设备必须采用封闭式加工，其所用的零、部件均采 用不锈钢材料，防止生锈。直接与纯净水接触的管路、设备均采用满足卫生要求的 不锈钢材料【3 。因为桶装饮用水的生产步骤和卫生要求都十分明确，所以采用国内 较为成熟且普遍采用的生产工艺流程【3 2 , 3 3 】。 桶装饮用水自动清洗灌装的生产工艺路线如下： 进桶一消毒一清洗一空干一落桶推桶一灌装一套盖一压盖一成品输出。 以上工艺路线全部工序自动完成，最大限度的减少人工劳动量以提高效率并减 少可能造成污染的几率。 由于灌装利用的水桶是回收的旧桶，所以在灌装前必须进行消毒，消毒液消毒 以后，用灌装用的纯净水进行清洗，为了清洗干净，设置两个清洗工位和一个空干 工位。考虑到消毒和清洗时要把消毒液和清洗后废弃的纯净水倒出，传动送桶时， 将桶口向下输送，利用桶口定位，卡住桶。在灌装之前再把桶作1 8 0 度旋转，使桶 1 3 向上，这可以通过链传动实现，在链轮的周向端部能够实现桶的旋转。为了使桶 在输送过程中稳定，把链传动做成双排链，具有一定的间距，在轴向位置相同的链 f ； 第2 章总体方案设计 节上用链板联接，把固定桶口的夹具固定在链板上。这样的链板在链条上应该是均 匀分布的，才能实现各个位置的定位准确。通过链传动带动桶从一个工位到下一个 工位，而消毒和清洗的喷头是固定在机架上的，通过一定的压力将消毒液和纯净水 喷入水桶中p 引。 为了消毒和清洗干净，消毒和清洗用的消毒液和纯净水是喷入水桶的，需要一 定的压力，在市面上现有的灌装设备都是通过电机带动水泵喷冲的，为了彻底与电 隔离决定用气缸的活塞杆推动盛水容器的隔板，将消毒液和纯净水喷入桶中。 在水桶旋转过程中，要有大概比桶高高出一些的落差，所以传动过程应该分为 具有一定高度差的两个传动链，链传动链位于高位，在低位的传动不能用链传动， 因为到这一级传动是在灌装完水后到输送，链传动不能支持太大的重量，鉴于此低 位采用滚子传动，从高位向下落桶时，将桶落在滚予链上，再推桶可以省力，为了 节省动力源，可以在滚子传动时通过桶间的推力推动桶由一个工位到下一个工位， 这就要求灌装水嘴、扣盖机构和压盖机构的位置距离是与桶的直径有关的值。在滚 子链上的传动是直线传动，所以采用最为简单的气缸作为动力推桶。通过对推桶气 缸的行程的控制，能够对桶进行精确定位【3 5 , 3 6 】。 水桶在旋转18 0 度以后要落桶，落到低位传动链上时要进行自动落桶，这要通 过机械装置实现，涉及到桶口的装卡，桶口可以通过带有弹簧的卡口固定，到该落 桶的位置通过一个凸轮机构将弹簧顶开，松开桶口，使桶沿滑道滑下。为了减少桶 在下落时的冲击，将滑道设计成与竖直方向成3 0 度角，这样既可以保证落桶，又降 低了桶和滚子链冲击。 灌装系统通过对灌装管路上的换向阀的通断进行控制，来控制灌装的水量，在 灌装位置上放置行程开关来精确定位，并且做到有桶灌装、无桶不灌装，做到智能 化控制，在扣盖时通过自动理盖系统，对倒入料斗的杂乱无章的桶盖，进行排序， 再经过送盖滑道将桶盖送到扣盖机构上，在桶通过扣盖机构时，自动将桶盖带在桶 口上，再送到下一个工位进行压盖，通过对压盖气缸的行程的控制，能够使桶盖压 紧，但不损伤桶盖。 在设计中，整机采用直线型输送链结构，所有的传动部分均采用气源作为推动 力，基本的动力装置为气缸活塞机构，克服了潮湿环境跑漏电的危险，安全可靠， 设计中所有气缸、机械手和电磁阀装置均采用p l c 进行控制，实现桶的消毒冲洗、 灌装、理盖、封口及输送的全过程；在与动力装置相连接的部分采用棘轮齿轮复合 机构将活塞的直线运动转化为链轮的圆周运动；链轮负责带动链条主体结构的循环 移动，链条上固定有夹持装置负责夹持水桶并带动水桶移动和定位。 2 3 本章小结 本章主要介绍桶装水自动灌装机的主要技术参数和总体方案设计，整机采用直 7 河北科技大学硕士学位论文 线型输送链结构，结构紧凑，安装简单，操作方便；采用气源作为驱动动力，洁净 卫生，安全可靠；控制系统采用可编程控制器( p l c ) 成套方案，提高了系统自动化 程度，减小工人工作强度。为后面章节主要部装设计提供一个明确的指导思想。 第3 章主要部装结构设计 第3 章主要部装结构设计 3 1 主传动系统的设计 动力系统是整部机器的心脏，采用气源作为动力源。气动技术是以空气压缩机 为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递的工程技术，是实现各种控制生 产、自动控制的重要手段之一。 气动技术与其他的传动和控制方式相比，有以下主要特点【3 7 - 3 9 】： 1 ) 气动装置结构简单、轻便、安装维护容易。压力等级低，故使用安全。 2 ) 工作介质取之不尽、用之不竭，排气处理简单，不污染环境，成本低。 3 ) 输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为5 0 5 0 0 m m s ，比 液电气方式的动作速度快。 4 ) 可靠性高，使用寿命长。电气元件的有效动作次数约为数百万次，而s m c 的一般电磁阀的寿命大于3 0 0 0 万次，小型阀超过2 亿次。 5 ) 利用空气的可压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以 获得间歇运动的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。 在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。 6 ) 全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在 高温场合使用。 7 ) 由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。 8 ) 由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。采用气液联动 方式可以克服这一缺陷。 9 ) 气缸在低速运动时，由于摩察力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性 不如液压缸。 1 0 ) 虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压 缸小。 综上所述，气动技术的以上特点均十分适合灌装机的工作状况的要求，对易燃、 易爆的液体灌装更能增强安全性。通过以上分析，选用气动元件作为灌装机的控制 传动，为产品简化结构、维护方便、降低成本、参与市场竞争奠定了坚实的基础。 主传动系统采用齿条齿轮棘轮复合机构，如图3 1 所示【4 0 】。运动由齿轮齿条 机构传给链条，而得到链条带动桶的间歇运动。气动器回缩，使齿条转动空套在轴 上的齿轮，在齿轮端面上装有一个由弹簧加压的分度爪，它和一个用键固定在水平 驱动轴上的棘轮相啮合，齿轮转动带动棘轮转动，使驱动轴转动一个需要的弧长。 驱动轴带动链轮，链轮与链条啮合带动桶作直线运动。当齿条退回到最后的位置时， 止回爪与棘轮上相应的切口相啮合。等气动器再次伸出时，弹簧加压的分度爪由棘 9 河北科技大学硕士学位论文 图3 l 主传动机构图 1 空套齿轮2 片簧3 分度爪4 棘轮5 齿条6 气缸7 止回爪 轮的切口中退出，而与其下一个切口啮合。在分度爪的这一运动过程中，弹簧加压 的止回爪使棘轮及驱动轴不动，此时清洗系统正在工作，在清洗完成后，发信号给 气动器，气动器回缩使链条上的平板产生直线运动，开始另一个工作循环。 3 2 机架的设计 机架是制成整体结构的部分，所以其应该具有一定的强度，考虑其重量较重， 查阅手册以及借鉴相关资料，其主要部分，如整体外围机架均采用方钢 ( g b t 6 7 2 8 1 9 8 6 ) 制成，即能支撑较大的负重，又保证结构稳定、不晃动。在固定 各工作部件，如消毒液和纯净水的喷水口、纯净水的灌装水口、压盖气缸均采用槽 钢( g b t 7 0 7 1 9 8 8 ) 固定。为了外表美观，在方钢的联接处均采用氩弧焊，在方钢 的直角联接处焊接上带有螺纹孔的直角三角形，用来安装外面的钢板 ( g b t 3 2 8 0 1 9 9 2 。整个机架均是利用不锈钢材料制成【4 2 棚】。 由于该设备的体积较大，为了安装方便，将其在长度方向上分为三部分，在高 度方向上分为两部分。 为了观察内部灌装过程方便，在链传动部分、落桶部分、灌装部分、压盖部分 的外侧每个钢板中间安装有机玻璃，以便观察和发现故障。在玻璃和钢板的联接处 采用橡胶密封。 由于要定时向料斗里加桶盖，所以料斗应至于设备的外面，又由于要利用盖的 重力让其在滑道中下滑，因此把料斗置于机架的上方。为了操作、控制方便，将电 气控制箱置于机架的左侧，与人的手臂基本持水平的位置，在其进桶位置安装上塑 料门帘。如图3 2 所示。 3 3 消毒和清洗系统的设计 由于灌装利用的水桶是回收的旧桶，所以在灌装前必须进行消毒，消毒液消毒 以后，用灌装用的纯净水进行清洗，为了清洗干净，设置了两个清洗工位和一个空 干工位。考虑到消毒和清洗时要把消毒液和清洗后废弃的纯净水倒出，传动送桶时， 1 0 第3 章主要部装结构设计 4 图3 2 机架整体结构图 1 控制箱2 料斗3 机架4 观察玻璃 将桶口向下输送，利用桶口定位，卡住桶。在灌装之前再把桶作1 8 0 度旋转，使桶 口向上，这可以通过链传动实现，在链轮的周向端部能够实现桶的旋转。为了使桶 在输送过程中稳定，把链传动做成双排链，具有一定的间距，在轴向位置相同的链 节上用链板联接，把固定桶口的夹具固定在链板上。这样的链板在链条上应该是均 匀分布的，才能实现各个位置的定位准确。通过链传动带动桶从一个工位到下一个 工位，而消毒和清洗的喷头是固定在机架上的，通过一定的压力将消毒液和纯净水 喷入水桶中。 为了消毒和清洗干净，消毒和清洗用的消毒液和纯净水是喷入水桶的，需要一 定的压力，在市面上现有的灌装设备都是通过电机带动水泵喷冲的，为了彻底与电 隔离决定用气缸的活塞杆推动盛水容器的隔板，将消毒液和纯净水喷入桶中。 3 3 1 消毒气缸的设计 消毒部分设计需要满足的要求是能够将消毒液喷入桶内，喷到水桶底部的高度 即可。对其量的要求不太严格，有一定的消毒液喷入即可。气缸和盛有消毒液的容 器材料选择均为不锈钢，防腐蚀。 为了简化装置，将气缸和盛水容器设计为一体，需要保证两个简体的同轴度， 用气杠杆带动盛消毒液容器的活塞，往复运动，推动有一定压力的消毒液来完成桶 的消毒，在气缸吸消毒液和排消毒液的管路上安装单向阀，来保证吸消毒液和排消 毒液j i n g o 完成。在吸消毒液时，排消毒液回路上的单向阀关闭；在排消毒液时，吸 1 】 河北科技大学硕士学位论文 消毒液回路上的单向阀关闭。气缸设计简图如图3 3 所示。 23 4 图3 - 3 消霉气缸图 1 进水口2 一端盖3 一压水活塞4 一排水口5 一盛水容器 6 一气缸7 一端盖8 一气缸活塞9 一活塞杆 消毒系统的管路均采用坛英寸的不锈钢管和接头。气缸所在位置距离水桶底的 ，厶 高度为1 m ，气路系统的压强为0 4 0 8 m p a ，在一次排消毒液过程中，压缩空气做功 为见式( 3 1 ) 。 = 尸跚 ( 3 1 ) 式中p _ 活塞压强，即系统的压强，取p = o 5 a ； 卜活塞截面积，取s = 4 0 2 y = 5 0 2 4 ( m m 2 ) ； 岛活塞行程，取h l = 4 0 m m 。 代入数据，计算得：形= 1 0 0 4 8 j 将盛消毒液桶体内的消毒液压升高l m ，需要做功见式( 3 2 ) 。 = s h l p g h 2 ( 3 2 ) 式中 p 消毒液的密度，p = 1 1 x 1 0 3 k g m 3 ； 卜重力加速度，g = 9 8 n s 玉 第3 章主要部装结构设计 仍消毒液升高行程，h 2 = l m 。 代入数据，计算得：矾= 2 1 7 j 喷入水桶内的消毒液的动能形见式( 3 3 ) 。 w = 彬一吸 ( 3 3 ) 计算得：w = 9 8 3 l j 又w = ：1 m v 2得喷液速度v 见式( 3 4 ) 。 2 - - _ _ _ _ - _ - 一 v ：堡( 3 - 4 ) vm 代入数据，计算得：v = 31 4 m s 此速度足可以将桶消毒干净。 3 3 2 清洗气缸的设计 清洗气缸的要求，除了将纯净水喷入水桶里，还有量的要求，清洗需要的纯净 水量至少为水桶体积的1 5 ，大概4 l 左右。而该设备设计了两个工位清洗，均由一 个清洗气缸提供，所以清洗气缸应该能够提供纯净水8 l 。清洗系统的管路均采用k 英寸的不锈钢管和接头。其材料选择也为不锈钢，清洗气缸的设计如下： 其盛水量为8 l ，又根据匀称、美观，确定清洗气缸的直径为：咖= 1 0 0 r a m ，其行 程为5 0 m m ，则其盛水体积y 见式( 3 5 ) 。 ： v ：兀9 2 h( 3 5 ) 计算得：v = 1 0 6 l 清洗气缸的位置距离水桶底部为1 1 m 。把1 0 6 l 水压升1 1 m 需要做功见式 ( 3 6 ) 。 = s h l , o g h 2 ( 3 - 6 ) 式中p 清洗水的密度，p = 1 1 x1 0 3 k g m 3 ； 卜重力加速度，o o = 9 8 n s 2 总清洗水升高行程，飓= 1 。l m 。 代入数据，计算得：巩= 1 1 4 2 7 j 在一次清洗过程中，压缩空气做功为见式( 3 7 ) 。 形= 只啷1 ( 3 - 7 ) 式中卜活塞压强，即系统的压强，取p = 0 5 m p a ； 卜活塞截面积，取s = 1 5 0 2 以= 7 0 6 5 0 ( m m 2 ) ； 局活塞行程，取- 1 = 1 5 0 m m 。 代入数据，计算得：彬= 5 2 8 9 7 5 j 喷入水桶内的水的动能形见式( 3 8 ) 。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 = 一 ( 3 8 ) 计算得：形= 5 1 8 4 4 8 j 又i t = 去聊v 2 得喷水速度，见式( 3 9 ) 。 z v ：1 堡 ( 3 - 9 ) vm 代入数据，计算得：v = 31 3 m s 该速度足可以将纯净水喷入水桶中，将水桶清洗干净。 3 4 落桶机构的设计 水桶在旋转1 8 0 度以后要落桶，落到低位传动链上时要进行自动落桶，这要通 过机械装置实现，涉及到桶口的装卡，桶口可以通过带有弹簧的卡口固定，到该落 桶的位置通过一个凸轮机构将弹簧顶开，松开桶口，使桶沿滑道滑下。为了减少桶 在下落时的冲击，将滑道设计成与竖直方向成3 0 度角，这样既可以保证落桶，又降 低了桶和滚子链的撞击声。 落桶机构是将水桶从链传动部分沿滑道滑到滚子链传动的部分，如果是采取竖 直落桶，会产生很大的冲击噪音，所以采取让水桶沿滑道下滑的办法减少噪音。 滑道采用两个4 5 # 钢的钢丝组成，其滑动摩擦系数g = 0 2 6 ，对滑道上的水桶受 力分析，见图3 4 。 g c o s 8 ? g 7 图3 4 水桶受力分析图 计算摩擦角口( 口为滑道与竖直方向的夹角) 的大小，见式( 3 1 0 ) 。 由式gxc o s 口：口gxs i n 臼得 矽= a r e t a 掣 ( 3 1 0 ) 代入数据，计算得：乡= 7 5 4 0 考虑到冲击小，又要考虑落桶速度，取0 = 3 0 0 1 4 第3 章主要部装结构设计 当8 = - 3 0 。时对其质心分析：由于水桶在x 方向为对称结构，所以其质心在中心线 上。对其y 方向的质心位置进行计算： 计算空桶的质量m ，见式( 3 。1 1 ) 。 m = s 印 ( 3 - 1 0 ) 式中卜水桶展开表面积，m i l l 2 ； 万水桶材料厚度，r a m ； p 为水桶材料的密度，k 洳3 。 计算得：m = 118 3 2 up 整个水桶相对于x 轴的静矩为： s 。= 2 7 0 x4 2 0 2 1 0 + 5 5 6 0 4 6 0 + i 1 ( 5 5 + 2 7 0 ) xl o xuxp = 2 6 0 1 9 3 7 5 up 所以质心位置：y = 喾鬻= 2 2 。 由于2 2 0 t a n 3 0 。= 1 2 7 2 2 4 ，故取z = 2 3 则分度圆直径：d = 2 3 3 m m 计算中心距a 见式( 4 - 2 ) 。 口：! ! ! q 二型( 4 2 ) 口= 一 l q zj 2 计算得：a = 1 5 3 9 m m 链条设计中心距推荐为a = ( 3 0 5 0 ) p ，经计算中心距与节距的比为： 虽= 罴_ 4 8 4 8 ，符合要求。 4 2