啤酒灌装机的设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-I摘要现如今啤酒及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。啤酒灌装是啤酒生产的最后工序，其装备水平直接影响到啤酒的成品质量、成本、销售效果和企业的经济效益。论文重点围绕啤酒的运送和灌装进行了机构的设计与零件校核。本文首先对所给技术参数包括生产能力、流量、体积等技术参数进行了整理和计算。考虑到加工过程的高效性和可行性，对整体灌装系统进行了初步的机械结构设计，包括运输机构和灌装机构。然后，针对各个零件的配合关系、强度要求以及寿命要求，对各个机构的零件进行结构以及尺寸的设计，并进行了校核，各个零件均符合要求。最后，对啤酒灌装机系统的安装要求和维护措施进行了简要的阐述，保证系统运行的可靠与稳定性，满足生产任务的要求。关键词：啤酒灌装机；机构设计；尺寸；校核；安装；维护哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-IIAbstractNowadays,beerandothercarbonateddrinkshaveoccupiedanimportantpositioninthepeopleslife,whichledtothedevelopmentoffillingmachine.Beerfillingisthelastprocessinbeerproduction,andthelevelofequipmentaffectsproductquality,cost,beersalesandeconomicbenefitoftheenterprisedirectly.Thisarticledesignsamechanismfocusingonthebeerdeliveryandfilling.Firstly,thetechnicalparametersincludingtheproductioncapacity,flowrate,volumeandothertechnicalparametersareorganizedandcalculated.Themechanicalstructureofthewholefillingsystemisdesignedconsideringthefeasibilityandefficiencyofthemachiningprocess,includingthetransportmechanismandthefillingmechanism.Then,thestructureandsizeofeachbodypartsaredesignedandcheckedforthecooperationofeachpartandmeetingstrengthrequirementsandliferequirements,allpartsfitthebill.Finally,theinstallationandmaintenancemeasuresofthebeerfillingmachinesystemarebrieflydescribedinordertoensurethereliabilityandstabilityofsystemoperation,tomeettheproductionrequirements.Key-words:beerfillingmachine;design;size;check;installation;maintenance哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-III目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1课题来源及研究的目的和意义.11.2国内外在该方向现状及分析.11.3主要研究内容.21.4技术要求.3第2章机构整体设计.42.1设计思想.42.2灌装机构设计.42.2.1灌装阀设计.42.2.2导轨滑块机构设计.52.2.3辅助零件设计.72.3运输机构设计.92.3.1减速机构设计.92.3.2传送机构设计.102.4本章小结.11第3章零件设计及校核.133.1主轴设计及校核.133.1.1主轴尺寸设计计算.133.1.2主轴材料设计.143.1.3主轴校核.143.2电动机的选择.153.3减速机构带传动设计.173.3.1高速级传送带设计计算.173.3.2低速级传送带设计计算.203.4圆柱齿轮的设计及校核.223.4.1圆柱齿轮的设计计算.223.4.2圆柱齿轮校核计算.253.5滚动轴承的选择及校核.293.5.1主轴滚动轴承的选择.303.5.2主轴滚动轴承寿命计算.30哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-IV第4章灌装机系统的安装与维护.314.1系统安装.314.2系统维护.314.3安全要求.324.4设计评估与展望.32致谢.34参考文献.35附录.37哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-1第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义现如今啤酒及其他碳酸饮料在人们的生活中已占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。啤酒灌装是啤酒生产的最后工序，其装备水平直接影响到啤酒的成品质量、成本、销售效果和企业的经济效益1-3。世界发达国家尤其像美国、德国这样一些啤酒生产大国，气设备制造厂家无不致力于改进和发展新一代的啤酒灌装设备。虽然我国现代啤酒机械制造业起步较迟，但从80年代开始，通过引进日本和德国技术软件，组织消化吸收，已经能生产出接近国际水平的啤酒灌装机生产线，但是仍存在更深层次发展的问题4。所以研究包装机械方面的课题对他们个人和社会都有积极意义，是对学生综合能力的培养和锻炼，尤其是总体设计更是如此。一方面巩固、增长专业知识，培养综合运用知识的能力和动手能力，为以后的工作积累经验，另一方面也可以在课题上有所发现、改进、创新，提出一些建设性的意见。通过灌装机的设计，掌握生产线与专用机构的设计方法，对三维设计软件与二维工程图表达、尺寸与精度设计、工艺、成本等进行综合性的掌握，对提高学生的机械设计能力具有综合锻炼意义。1.2国内外在该方向现状及分析国外灌装与封口设备向高速、多用、高精度方向发展，目前部分灌装生产线已可以在玻璃瓶与塑料瓶容器（聚酯瓶）、碳酸饮料与非碳酸饮料、热灌装与冷灌装等不同要求和环境下使用5-8。目前碳酸饮料灌装机灌装速度最高已达2000罐/分，德国H&K公司灌装机的灌装阀多达165头、SEN公144头、Krones公司178头，灌装机直径至50.5ml以下。全线的自控水平和全线效率高。在线检测装置和计量装置配套完备，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产品不断涌现9。扩大生产规模以获取更大的经济效益已是当今啤酒生产行业的发展趋势。80年代以来，我国啤酒生产厂家逐步配备能力大于2000瓶/Hd、年产3万吨以哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-2上的灌装生产线，啤酒生产企业向大型化展，应该配备相应的大型灌装生产线，目前，国产最大生产能力的灌装线为年产5.6万吨的36000瓶/时线，约相当于2条20000瓶/时线的产量，1条3万6线与2条2万线相比，厂房面积和装机容量约可减少四分之一，当班操作人可减少近1/4。所以，生产规模较大，有条件的啤酒生产企业，都逐步把3万6线作为更新改造或新建扩建的首选设备10-11。当前，不少啤酒厂都把发展规模定位在年产2030万吨的水平上，如果选用36000瓶/时灌装线，就可以达到生产线数为35条这一比较合理的配置格局。但是，生产规模更大，比如年产3050万吨的企业，若仍然配备30000瓶/时灌装线，则显得又不适应。目前，国外已推出生产能力超过60000瓶/时的全单机生产线，年产量可达10万吨以上，最大生产能力的单机如192头的80000瓶/时玻璃瓶灌装机、16头的120000罐/时易拉罐灌装机、72000瓶/时的标机；高达市场8100瓶/时的洗瓶机和杀菌机以及产量箱/时连续式装卸箱机等亦己投放12。如果需要，可以采取双灌装和双标机的布置型式，便可配置成120000瓶/时的生产线。所以我国目前包装机械行业的发展空间比较大，对这行业还应加大科研创新的投资13。1.3主要研究内容1.整个灌装过程分析。初步设定啤酒灌装步骤分为啤酒瓶输送啤酒灌装啤酒输出，由此初步将机构设计分为两部分运输机构与灌装机构。2.选择合理的灌装方式，设计灌装阀，并根据灌装阀的工作原理设计分析啤酒瓶的运动轨迹。3.根据啤酒灌装机要求的生产能力及灌装的啤酒瓶的体积与高度，结合啤酒瓶的运动轨迹，设计灌装机构。4.选择适合的电机进行机构控制，并根据电机转速设计减速机构，与灌装机构进行合理连接，保证酒瓶的运送效率和灌装效率达到啤酒灌装机的生产能力要求。5.对机构中主要零件和部分辅助零件进行校核，保证强度和寿命要求。6.对已设计的啤酒灌装工艺中的所有机构进行表示，制出所有构件哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-3CAD二维图，以及整个灌装机的SOLIDWORKS三维立体图。1.4技术要求生产能力：3000-4000（瓶小时，500ml瓶）适用瓶高：450-500（mm）适用瓶径：80-100（mm）输瓶带高度：850（mm）自动化程度：半自动哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-4第2章机构整体设计2.1设计思想整体啤酒灌装机的设计，应具有实用性强、自动化程度高、成本低等特点。初步设计整个灌装设备由灌装机构及运输机构两部分组成，其中灌装机构由灌装阀、主轴、导轨滑块、旋转卡盘等主要零部件组成；运输机构分为三部分传送机构、减速机构以及支撑机构，主要由传送带、减速轮系、电机等零部件组成。2.2灌装机构设计灌装机构的核心是灌装阀的设计与导轨滑块的设计。其余辅助零件包括主轴、托盘、旋转卡盘、主轴支承轴承、主轴支承轴承、轴承端盖、支撑座等。2.2.1灌装阀设计由于啤酒灌装过程中会产生二氧化碳泡沫影响灌装，所以设计一个常压灌装阀，利用啤酒自重进行灌装，以确保质量6。灌装阀具体结构如图2-1所示。图2-1灌装机构啤酒灌装阀设计灌装前，阀体最下端注液头、气孔均被滑动套筒封闭，灌装时托盘推动哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-5啤酒上升，啤酒瓶嘴压着阀体下端的橡胶圈向上运动，通过阀体内部套筒使弹簧压缩，滑动套筒也跟着向上滑动，此时注液孔、气孔同时启，开始注液。啤酒灌装到一定高度时，啤酒对注液孔液封，停止灌装。最后托盘带着酒瓶下降，瓶嘴脱离阀体，结束灌装。2.2.2导轨滑块机构设计2.2.2.1导轨设计根据液压确定流速有公式：(2-1)2pvS其中流速，单位v3/ms流量系数，与阀门或管子的形状有关，本文中取0.6面积，S250S通过阀门前后的压力差，单位pPa液体密度，啤酒密度设为310/kgm初步选取储液箱高度为500mm，灌装时选取平均液面高度400mm，灌装阀高度为100mm，故喷头到液面平均高度为500mm。阀门前后压力差为39.854.pghMa则啤酒经过灌装阀后的流速为6210.519/0vmls每瓶啤酒容积约2500ml，故每瓶啤酒灌装所需时间为.39ts初步设想啤酒瓶跟随滑块在导轨上运动，导轨俯视为圆形导轨，输送带与输出带之间相距90，则灌装时间为周期的0.75倍。导轨有上升和下降，时间约为4s，故啤酒瓶绕过导轨需要30s，整个周期为40s。34生产能力要求为30004000瓶/时，即0.831.1瓶/s，不妨设为生产1瓶所需时间为1s。则一周需要灌装阀的数量为40。若用四十个电机控制四十个灌装阀的上下移动，定会使整个装置变得繁琐无比，且成本巨大。故依据机械原理所学，滑块在正弦曲线轨道上运动，速度以及加速度均不发生突哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-6变，冲击比柔性冲击还小，所以将轨道上升和下降部分设计成俯视图为圆周运动，正视图为正选上升、下降的空间曲线路径。导轨截面形状尺寸直接影响着导轨支架和导轨滑块的形状尺寸，在综合考虑后，最终导轨、导轨支架、导轨滑块的形状尺寸如图2-2所示。图2-2灌装机构导轨设计此导轨的空间设计函数为：2()10cos(.57)(0,).157in.,.2s()20()1.540,07()1.5.sin()(,)071.520,07.xttyttzttt导轨3D草图如图2-3所示：图2-3灌装机构导轨3D草图导轨的上升、下降轨迹设计成主视为正弦轨迹，俯视为圆弧轨迹的空间哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-7曲线以保证冲击减小到最小，因为沿其运动可以确保速度和加速度均不会发生突变。其上升、下降高度由灌装阀以及瓶嘴的尺寸决定，圆周半径由灌装阀的圆周回转半径确定。导轨将四十个托盘的上下运动设计成整体的、不需要人为控制的机构，四十个托盘的运动通过导轨变得更加精确。导轨横截面尺寸如图2-4所示：图2-4灌装机构导轨横截面示意图2.2.2.2滑块设计根据导轨形状，设计其配合滑块如图2-5所示：图2-5灌装机构滑块设计2.2.3辅助零件设计2.3运输机构设计运输机构由传送机构、减速机构以及支撑机构三部分组成。由于灌装流量原因，灌装阀绕导轨行进一圈时间为，由此计算得主轴转速为26.3Ts哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-810.38/2.5/min26nrsr其中传送机构为平带传动，初定带轮直径为300mm，通过与主轴转速的配合计算，保证平带上啤酒瓶速度与托盘线速度相同，可得带轮转速为。5/minr为保证啤酒瓶运送与罐装的配合精度，设计为一个电机进行控制，考虑到电机转速一般较大，故需要设计减速机构对电机进行减速。2.4本章小结本章根据功能的要求，考虑到成本、可行性、自动化程度等多方面因素，对于啤酒灌装机进行了初步的机械机构设计，给出了系统的设计总图2-13。图2-13啤酒灌装机构整体装配图啤酒灌装机系统的工作过程如图2-14所示。图2-14啤酒灌装机工作流程图哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-9由一个电机通过减速机构同时控制主轴和传送机构中带轮的转速，由此保证啤酒生产线上的运送啤酒空瓶效率和啤酒灌装的效率相一致。啤酒瓶由工人放置在传送带上后，又传送机构运送到托盘上，进入灌装程序。此时，旋转卡盘为托盘提供动力，保证托盘在导轨上一定的转速，导轨与滑块此时起到导向作用。通过滑块在导轨上的运动，托盘会推动啤酒瓶在竖直方向上运动，进而挤压灌装阀进行啤酒灌装。当啤酒瓶在导轨上运行一定距离后，啤酒灌装结束，啤酒瓶与托盘脱离，再次进入传送机构，由传送带送出灌装机系统。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-10第3章零件设计及校核3.1主轴设计及校核3.1.1主轴尺寸设计计算主轴是灌装机构中重要零件，在灌装过程中主要起传动与支撑作用。电机通过减速机构控制主轴旋转，主轴通过旋转卡盘可推动托盘绕主轴进行运动，进而使啤酒瓶绕主轴转动。同时，主轴支撑的灌装箱及与其固连的灌装阀也与主轴一起旋转。灌装阀和啤酒瓶与主轴自转角速度一直，保证了灌装的高效率和可靠性。根据灌装流量的计算，旋转卡盘设计直径为2m时，啤酒瓶从上升到下降的时间为2.63s，啤酒恰好灌装完成。旋转卡盘与主轴进行键连接（将此键设为1号键），外壳通过轴承对主轴进行支撑。为保证轴和装在轴上的零件有准确的工作位置，轴上的零件应便于装拆和调整，且轴应具有良好的制造公益性。设计轴的结构尺寸如图3-1所示。图3-1主轴结构尺寸示意图3.1.2主轴材料设计轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最常用的是45钢。在低于200哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-11摄氏度的工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，主要的依据是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度14。综上所述，考虑到主轴无尘、无腐蚀性、的工作环境，但对强度要求较高，材料选为45钢，进行调质处理。3.1.3主轴校核3.2电动机的选择生产中一般采用三相交流异步电动机，其常用电动机的标准见机械设计零件手册（修订版）。在经常起动、制动及反转的场合，要求电动机的转动惯量小且过载能力大，选用鼠笼或绕线式三相起步电动机。电动机结构有开启式、防护式、封闭式和防暴式。根据防护要求选择16。电动机的功率选得是否合适，对其工作和经济性都有影响；如采用额定功率小于工作机要求的功率，就不能保证工作机的正常工作，甚至日电动机长期过载而过早损坏；如果电动机的额度功率大于所要求的功率，则电动机价格高，容量也未得到充分利用，以致造成成本高，而且浪费。通常对在变载荷作用下，稳定、长期连续运行的机械，要求所选用的电动机的额定功率稍大于工作机功率17。还应查处电动机类型和额定功率、相应的转速和安装尺寸。在一般情况下不必校验电动机的发热和起动力矩。3.2.1低速级传送带设计计算3.3圆柱齿轮的设计及校核3.3.1主轴滚动轴承的选择考虑到上述因素，主轴轴承选为81230推力圆柱滚子轴承，内径为150mm与轴配合，宽度为50mm。3.3.2主轴滚动轴承寿命计算哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-12第4章灌装机系统的安装与维护4.1系统安装灌装机，不要求建造基础，只需安装在平整的车间地面上，打好水平基准，保证进瓶带、出瓶带两部分必须处于同一水平基准上25。系统运行之前检查各传动联接件是否运行自如，不得有卡紧干涉现象。进液管保证竖直位置以便于排空及空气的排出。确保各支脚的承载负荷均匀。与主机配套的设备，如电控箱、气液控制箱等一般另外安装。4.2系统维护日常维护保养要各个运动，配合进行润滑；检查设备各零件位置，若有位置偏差进行即时调整；检查气源压力，如有变化进行调整；开机试运行查看设备运行状态；设备在灌装之前和完毕后，进行卫生处理及润滑，保证设备的卫生标准，对相关模具进行拆洗，存放26。设备每3个月维护保养需要打开主机箱，清洁箱内油污及其它杂物；逐一检查各紧固部件的紧固情况，如发现松动则立即进行紧固处理；对灌装机构及各滑动机构加注润滑油进行润滑27；检查电机传送带的磨损情况，更换破损传送带，调整传动带张紧机构，使之大小适度；对灌装阀进行滤芯排放检查，如有必要予以更换；调整各部件间隙并加以紧固。设备每年维护保养需要检查控制柜切断主电源对控制箱进行彻底清洁28；检查所有电缆线，如有损坏加以处理或更换；检查线路连接情况，如有松动或锈蚀加以处理；拆解减速机构，将箱体内的润滑油放出；清洗各传动齿轮，对磨损严重的齿轮予以更换；全部更换新的润滑油；检查传动带的磨损程度，如果严重磨损则予以更换29。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-134.3安全要求1.灌装机必须要安全接地，第一次使用时需先进行调试基本功能及参数。2.非专业技术人员，请勿进行胡乱检修工作。3.在给灌装机做卫生清洁时，请勿对电控柜部分进行直接冲洗。4.本机各安全系统及装置（如防护门、液缸）处于正常工作状态时才能启动操作本设备，且记这些装置不能取消或失灵。5.开机时操作人员要进行检查，看机械内有无异物，刚开启时要进行试机三次，进行观察有无不良。6.在机器正常工作时，严禁将手或其它物品放入灌装区域。7.在对机器进行保养及清洁时、须断开气源和电源。8.本机在维修故障时，须先进行调试修理，不许在不清楚故障时进行拆卸，否则造成无法正常安装及使用。9.严禁液缸内无任何材料时，继续工作。10.在停止加工产品时，要切断设备总电源与气源，否则存在触电危险。11.本机关闭时，需做好相应的设备清理工作，否则会产生细菌。304.4设计评估与展望本文设计的啤酒灌装机系统输送机构与灌装机构由一个电机控制运动，保证了两个组成部分很好的联系性，减小了由不同电机转速不稳或其它因素引起的源头误差，有较高的准确定。导轨的升降设计采用正弦曲线，运动过程中是收到的冲击是柔性的，使托盘及啤酒瓶运行可靠稳定，增加了灌装机构的可行性与实用性，在实际生产过程中，减小了滑块与导轨的碰撞和磨损，延长了机构的使用寿命。减速机构中轮系和蜗轮蜗杆的设计缩减了机构的占用空间，标准件的使用便于维修和更换，而且齿轮的承载能力大，保证了运送过程的安全可靠。本文的啤酒灌装机构设计也有一些不足有待改进。导轨形状特殊，制造过程有一些难度，因其为曲线结构，在与滑块的配合中必须加大滑块的配合哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-14孔径使其能够顺利地在导轨上升降，这样就降低了平面运行时的稳定性。初步设计的改进措施为设计为双导轨结构来解决此问题。哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-15致谢本课题是在导师黄博教授亲切关怀和悉心指导下完成的，导师以渊博的学识和严谨的治学态度，为学生开拓了研究视野，丰富了专业知识。先生谦逊无私的高尚品质、朴实真诚的做人原则和一丝不苟的敬业精神，对学生将永远的鞭策。在我毕业设计期间，黄博老师在学习、生活上都给予了我极大的关怀和鼓励。从论文选题、实验仿真到最后论文的撰写，黄博老师都做了悉心的指导，并提出了许多宝贵的建议。藉此完成之际，借此机会谨向尊敬的黄博老师致以最衷心的感谢!感谢论文中参考的参考文献的作者；对于提供论文中隐含的上述提及的支持者以及研究思想和设想的支持者表示感谢。特别感谢研究所实验室老师和师兄、师姐为我论文的完成提供了许多帮助。感谢我的同学和朋友的支持和帮助！在求学期间，我的亲属和朋友对我给予了无微不至的关怀，对此，我也表示深深的感谢！哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文）-16参考文献1周开勤.机械零件手册M.高等教育出版社，20002张伟安全自动回转式灌装机M轻工机械，2002，第二期：42-433刘基农高速全自动灌装机P中国专利：881056758，1989-09-064申志勇.影响啤酒灌装机灌装效果的因素分析.包装与食品机械2005(23).5王旭，王积森机械设计课程设计M机械工业出版社，20036成大先.机械设计手册单行本减（变）速器电机与电器M.化学工业出版社，2004.14李诗龙FX12型旋盖机的设计M包装机械，2000，第三期：24-267濮良贵,纪明刚.机械设计（第七版）M.高等教育出版社，20018刘基农运用价值分析设计高速全自动灌装机咨询服务，第一期：30-349PattemoreSealforastuffingboxwithlubricantdispensingSealingTechnology，October200510朱建兵全自动灌装机P中国专利：2009200366972，2010-1-1311史革盟.啤酒灌装机贮液缸液位控制及仿真设计.机电工程技术2007(36)12徐灏机械设计手册M北京：高等教育出版社，199113郭清富，刘春华，郭明哲等自动灌装机P中国专利：962239305，1998-03-1