机械毕业设计（论文）-机械式拧瓶机的设计及工程分析【全套图纸UG三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 机械式拧瓶机的设计及工程分析 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 机械式拧瓶 机的设计及工程分析 是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注 引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其 他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923116 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 机械式拧瓶机的设计及工程分析 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 拧瓶机是自动拧瓶生产线的主要设备之一，用于玻璃瓶或 PET 瓶的螺纹盖封口。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产 品的包装质量的要求也越来越高。由于螺纹盖具有封口快捷，开启方 便及开启瓶后又可重新封好等优点，使其在许多产品的包装中应用 越来越广泛，诸如饮料，酒类，调味料，化妆品及药品等瓶包装的封 口就大量采用螺纹盖封口。目前现有的国产同类机型的封盖机的产 量，速度和自动化程度都相对落后。为了适应现代包装机高速，高效 和高可靠性生产的需要，研制了一种回转式拧瓶机，该机采用多工位 回转式结构，机电气一体化，具有效率高，速度快，可靠性好和自动 化程度高等优点。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解数拧瓶机的工作原理，国内外的研究发展现状； 完成拧瓶机总体方案设计； II 完成零部件的选型计算、结构强度校核； 熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合 A0 不少于 2.5 张； 完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料 1 篇。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2012 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 拧瓶机是自动拧瓶生产线的主要设备之一，它是封口机的一种，广泛用于玻璃瓶或 PET瓶的螺纹盖封口。由于螺纹盖具有封口快捷、开启方便及开启后瓶又可重新旋上瓶盖 等优点，所以一些不含气的液料，诸如饮料、酒类、调味料等类似瓶包装的封口中大量 采用螺纹盖封口。 为了适应现代包装机高速、高效和高可靠性生产的需要，在广泛吸收国内外先进机 型的基础上，本课题设计了全自动拧瓶机。它靠异步电动机带动传送带实现瓶子的输入 和输出，中间在传送带上部巧妙地安置了转盘，给旋盖工作带来很大的便利，也大大提 高了效率，旋盖装置更是此次设计的关键部件，靠电机带动空心轴以及其以上的机构旋 转，同时上部的圆柱凸轮实现旋盖头的升降，旋盖头运用机械式的方法，夹头的另一头 联接弹簧，运用杠杆原理实现瓶盖的夹紧。当旋盖头夹紧瓶盖时，上方的电动机启动开 始旋盖。本课题的设计不但结构简单明了操作方便，而且实现了从进瓶到出瓶的全部自 动化，具有速度可调、定位准确、旋盖可靠、运行平稳、无噪音和不伤瓶盖等优点，克 服了传统机构的缺点,总体上达到了我们预期设计的目标。 关键词：关键词：拧瓶机；旋盖头；机械式；杠杆 IV Abstract Capping machine is one of the main equipment of the automatic filling production line, which is a kind of sealing machine, and widely used in glass or PET bottles sealed with screw cap. Screw cap with sealing the fast, is easy to open and can be re-opened after the bottle screw cap on the bottle, etc. so some non-gas liquid material, such as beverages, wine, seasonings and the like in a large number of the sealed bottles with screw cover seal. In order to adapt to the production needs of the modern high-speed packaging machine, high efficiency and high reliability, extensively absorbing on the basis of the advanced models, the project designs the automatic screwing machine.It is belt driven by induction motors to achieve input and output of the bottle, the upper middle of the conveyor belt turntable cleverly placed, the cap has caused great convenience, but also greatly improve efficiency, capping device is the key to the design parts, rely on motor driven hollow shaft and the institutions rotation, while the upper part of the cylindrical cam lifting of capping head.the method of the capping heads is mechanical.The other end of the chuck coupling spring.It uses the lever principle implementation clamping bottle caps.When the the capping head clamping cap , the top of the motor start start capping.Not only the structure is simple, easy to operate, but also the design and implementation of the project from the bottle into the bottle to the full automation, with adjustable speed, accurate positioning, capping reliable, smooth running, no noise and not to hurt the caps, etc, to overcome the shortcomings of traditional institutions, the overall design to achieve the goal of our expectations. Keywords： Capping Machine;Capping head;Mechanical;leverage V 目目 录录 摘 要 .III AbstractIV 目 录.V 1.绪论 1 1.1 本课题的设计背景1 1.2 国内外发展1 1.3 本课题应达到的要求3 2. 拧瓶机的整体设计 4 2.1 设计任务分析4 2.1.1 设计参数 .4 2.1.2 工艺路线 .4 2.1.3 技术要求 .4 2.2 拧瓶机的工作原理4 2.3 总体方案确定4 2.3.1 方案一的介绍 4 2.3.2 方案二的介绍 5 2.3.3 方案三的介绍 5 2.3.4 方案四的介绍 6 2.4 方案比较.6 2.5 采用方案的详细设计.7 2.5.1 传送机构的设计 7 2.5.2 转盘的设计 .7 2.5.3 升降机构的设计 8 2.5.4 理盖器的设计 .8 2.5.5 旋盖头的设计 10 2.5.6 底座箱的设计 10 3. 传动系统的设计计算 13 3.1 电动机的选择.13 3.2 传动比的分配.14 3.3 减速器的设计选择15 3.4 带传动的设计15 3.5 锥齿轮的设计计算19 3.6 轴的设计及校核24 3.7 键的选择与校核.25 3.7.1 键的选择 25 3.7.2 键的校核 26 3.8 轴承选择与校核.28 VI 4.拧瓶机的安装及维护 31 4.1 安装.31 4.2 维护保养.31 5.拧瓶机的改进与展望 32 5.1 自动润滑的改造.32 5.2 展望.32 6.小结 33 致 谢 .34 参考文献 .35 机械式拧瓶机的设计及工程分析 1 1.绪论绪论 1.1 本课题的设计背景本课题的设计背景 随着食品，医药产业的发展，对产品的密封提出越来越高的要求，完善的密封不仅 可以延长食品，医药产品的保质期，而且可以避免食品中营养的流失。拧瓶机就是完成 包装容器封口的机器，属于包装机的一种，主要针对玻璃瓶或 PET 瓶的螺纹盖封口。这 种密封机对瓶和盖都有一定的要求，瓶盖一般要求为内螺纹，瓶口为外螺纹，通过旋盖 头的旋转将瓶盖固定在瓶头。这种封口方式由于封装和开启都很方便，所以被广泛应用 于不含气体的果汁，饮料，调味品，药品和化妆品。 1 但是我国的包装机械发展还处于初级阶段，对包装机械的设计和研发没有太多的经 验与理论基础，很多机器只是对外国现有机器的仿绘，没有自主研发的知识产权,机器一 旦出现问题，解决起来十分困难，而且要对机器进行改进也无从下手“目前总体来看,我 国的包装机械主要存在以下两方面的问题:其一，自动化程度低，很多国外的包装机从原 料进入到成品出来，基本全部自动化，而我国的包装机械自动化程度还很低，很多环节 需要人工辅助其二，效率低下，很多国外的包装机械的生产效率是国内机械生产效率的 几倍甚至是几十倍。 4 本课题就是顺应时事的需求，针对上述的这些问题而提出的，通过对拧瓶机旋盖头 运动的主驱动系统的深入研究，找出影响拧瓶机稳定工作的各个因素，通过忽略次要因 素，控制主要因素，对各个主要因素的参数进行优化，从而实现高自动化，高效率，高 精度，低废品率，低污染经济适用的拧瓶机。并通过分析找出各个参数之间的相互影响 关系，为以后拧瓶机的设计提供一定的理论依据和参考。 本课程的设计包括对拧瓶机的工作原理的分析，以及对已有拧瓶机方案的对比，得 出本课程的设计方案。具体对传送机构，转盘，旋盖头，升降机构，理盖器及底座箱体 的设计，进而对各个零件机构的设计及校核。 1.2 国内外发展国内外发展 从质量方面来说，我国拧瓶机与国外还存在很大差距，不论是内在质量还是外观设 计，都无法与国外产品相抗衡“内在质量差主要表现在材料粗糙，生产效率低，耗电量大， 工作不稳定，使用寿命短等。外观方而主要是外形不够美观，缺少人性化考虑。造成这 些问题主要有以下几方面的原因：我国制造业还比较落后，从材料制造,到加工生产，都 无法达到包装机械的设计要求，设计理念，设计方法，设计手段还不够完善。在包装机 械的制造中还没有统一的标准，或者标准过低，无法完成包装机械的特殊要求。 17 从科技含量来说，我国的包装机械主要表现是低效率，高能耗，科技含量低，创新 产品少，最新的设计方法，检测技术，控制技术都没有应用进去。与发达国家相比，我 国的技术水平与国外至少相差 10 年左右。 由于以前我国对拧瓶机行业并不是十分重视,所以到目前为止，自主创新能力还很差， 大部分企业都是对国外机器进行测绘仿制，没有进行自主研，各大高校的研发课题也与 市场脱轨，不能转化为生产力。没有形成产，学，研相结合的研发道路。但随着包装产 业需求的增大，国家在这方面的投资力度也逐年增加,与发达国家相比，科研经费还是不 无锡太湖学院学士学位论文 2 足，我国目前投入的科研经费仅占产品收入的 3.5%。而发达国家的研发费用投入已占销 售收入的 8-9%左右“科研经费的缺乏使得科研手段十分落后，很多还停留在使用测绘，仿 制等方法。对于低效率，低档次的国外产品进行仿制，对于高技术含量包装机械只能花 巨额金钱从国外进口。 18 提高自动化程度是包装机械发展重要的趋势。产品和产量居世界之首的美国十分重 视白装机械与计算机紧密结合,实现机电一体化控制,将自动化操作序 、数据收集系统、 自动检验系统更多用于包装机械之中。日本则长于微电子技术，用以开那个值包装机械， 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占 30%，现在已占到 50%以上。不过总的来说,其未来 的发展趋势主要表现为以下几个方面： 1) 自动化程度不断提高 不论什么机器，自动化肯定是未来发展的趋势,拧瓶机也不例外。自动化水平是衡量 一台机器设计成功与否的一个标志。自动化水平的提高,不仅使工作人员从繁重的体力劳 动中解放出来，而且提高了劳动生产率。目前德国的包装机械中，自动化技术己被广泛 的应用，约占整个机械中的 36%。其它一些制造业大国也十分重视自动化水平的提高， 并不断的把最新的技术与自动化技术紧密结合，如智能控制技术，传感器技术“这些技术 的加入，不仅使自动化水平显著提高，而且提高了生产效率，增加了工作的稳定性和准 确性。 2) 高效率,高可靠性 高效率，高可靠性是机械设计人员追求的一个方向，但往往二者不可兼得，当效率 高的时候，机器的运动速度一般要求较高，这时机构间的冲击，碰撞会大幅增加，稳定 性下降，可靠性降低。低速时虽然工作稳定，可靠性高，但效率很低，所以找到二者的 均衡点至关重要。但随着新的设计方法和设计理念的提出，或许可以设计出效率高，工 作又稳定的机构。目前德国的罐装机生产能力可达 13000 瓶/时，茶叶包装机的速度达到 了 360 袋/分，这些机械不仅效率高，而且工作稳定，满足了目前食品行业的需求。但是 目前提高效率的手段主要是通过提高速度，但速度的提高不是没有限制的，一旦达到上 限，未来该怎么办，这是值得考虑的。 3) 好的柔性和灵活性 随着生活质量的提高，人们对物质多样性的需求越来愈大，这就要求包装机械具有 好的柔性和灵活性，能根据产品的要求作出改变。如新型的拧瓶机，只要通过更换旋盖 头，就可以对不同类型，不同结构的瓶盖进行封口。相信简单，模块化，便携式，更紧 凑，更灵活和更小巧将是未来包装机械的发展趋势。 4) 注重成套性和配套性 拧瓶机成套设备及相关设施是对拧瓶机功能的扩展，目前发达国家对这方面十分重 视，这可以显著提高产品的市场竞争力，例如日本的包装机械，专门为用户提供了一系 列的备选方案，针对具体的工作环境和工作要求，用户可以选择适合自己的配套设备。 并且可以通过计算机仿真技术对现实情况进行模拟，及时发现问题并提出合理的解决方 案。但这里同样要注意设备之间的匹配，如果有的效率高，有的效率低，最后的工作效 机械式拧瓶机的设计及工程分析 3 率是山配套设备中效率最低的设备决定的。 5) 使用新的设计理念和方法 随着计算机技术的发展，新的设计方法不断涌现，如计算机辅助设计，计算机辅助 制造，计算机仿真等，使用这些新的方法，可以改善传统设计过程中设计周期一长，成 本高的缺点。而且随着现代设计理论的发展，可以在设计前先做一定的理论分析，缩小 设计的范围，减少实验的次数。理论数学的发展也为机械设计提供了一定的理论基础， 如遗传算法，最优算法，可以快速的找到最优解，找到设计中的最佳尺寸。总之，新的 技术和方法有利于机械制造业的发展。 19 1.3本课题应达到的要求本课题应达到的要求 本课题基于我国目前拧瓶机的发展现状，首先根据设计的指标要求来确定系统的总 体方案，提出满足设计要求的方案，并运用 UG 软件进行模型的搭建，通过仿真分析，找 出其中的问题，以期达到最佳设计目标。 本课题要解决的问题是提高拧瓶机的旋盖的速率的较大的提高，其中包括理盖，送 盖，压盖，旋盖和拧好瓶的输出部分的结构设计以及拧瓶机的整体设计，实现结构的最 优。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2.2.拧瓶机的整体设计拧瓶机的整体设计 2.1 设计任务分析设计任务分析 设计一台回转式拧瓶机，用于将容器盖上瓶盖。 2.1.1 设计参数设计参数 生产能力：40005000 瓶/h； 瓶盖尺寸：直径 3040mm；高 1215mm； 瓶子尺寸：直径 60mm;高 150mm200mm； 2.1.2 工艺路线工艺路线 供送瓶和盖 旋盖 送出产品 2.1.3 技术要求技术要求 旋紧力要合适，过紧则瓶子用户不易开瓶，影响顾客使用，过松则会试瓶内的液 体漏出。 瓶口直径、瓶子高度在一定范围内可调，使拧瓶机具有一定的柔性，适合不同类 型的罐头。 拧瓶机旋盖动作要保证瓶盖本身的美观，防止对瓶盖造成刮伤。 拧瓶机的效率高，使用拧瓶机能满足工厂降低生产成本的目的。 具体到不同类型的拧瓶机，还有其它一些要求，比如低重量、高稳定性、低功耗 等等。 2.2 拧瓶机的工作原理拧瓶机的工作原理 拧瓶机主要由进出瓶机构，理盖系统，送盖机构，拧瓶机构，传动系统，机身支架等 部分组成。机械式全自动拧瓶机采用机械式旋盖头进行旋盖。传送带通过两侧的栏杆夹 紧瓶子并带动瓶在流水线上运动。旋盖头安装在圆盘上方，通过圆柱凸轮实现升降，并 随瓶身一起转动。当旋盖头接触到盖子时，电动机开始运作，随着旋盖头的下降将瓶盖 拧紧。旋盖头又会随着圆柱凸轮上升脱离瓶盖，最后将拧好的瓶子经过拨杆送出圆盘， 到达输出的传送带上。 2.3 总体方案确定总体方案确定 经过对拧瓶机相关文献和专利的阅读和详细分析，运用已经掌握的知识对本课题初 步形成了几种大致的设计方案如下： 2.3.1 方案一的介绍方案一的介绍 如图 2.1 所示，该方案利用步进电机带动传送带将待旋盖瓶传送至上盖装置下方自动 上盖并抚平，然后将上好盖的瓶子停止在拧瓶机正下方，传感装置将信号传至拧瓶机构， 通过上部的气缸实现旋盖头的整体下移，通过下部的杠杆机构实现瓶子的夹紧，选盖头 旋转将瓶盖旋紧在瓶上。旋盖完成后旋盖头升起，传送带继续前进一定距离，开始重复 机械式拧瓶机的设计及工程分析 5 旋盖过程。本方案结构较为简单，易懂，但是从整体来分析，旋盖的效率不是太高，而 且对传送带的各种要求比较高，需要特别订制，成本会提高。 2 图 2.1 方案一拧瓶机的结构的正视图 2.3.2 方案二的介绍方案二的介绍 如图 2.2 所示，该方案的全自动拧瓶机由上盖装置，传送带，底座箱，拧瓶机构， 旋瓶圆盘，控制机箱等组成。传送带是靠三项异步电动机带动一直匀速的前进，中间的 由步进电机驱动的旋瓶圆盘间歇转动，转动时，从上料侧将瓶子取走通过振动上盖装置 上盖；停止时，一直旋转的旋盖头靠下部气缸的作用整个支撑杆向下运动完成旋盖并抬 起，与此同时，前面旋盖完成的瓶子会随着传动带输出。从而，顺利的完成了全自动旋 盖的整个过程。 6 图 2.2 方案二拧瓶机结构图 2.3.3 方案三的介绍方案三的介绍 如图 2.3，该方案将盛满液体的瓶子固定在输送链上，再传送到转盘上，理盖器将盖 通过圆柱凸轮放到瓶口，再传送到带轮上，用旋盖头将盖拧紧。 25 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 6 方案三总体结构布置图 2.3.4 方案四的介绍方案四的介绍 如图 2.4，瓶子通过传送带经过轨道的限制约束，到达前面的挡板定位，瓶与瓶盖接 触，瓶盖就会盖在瓶上，在经过拨杆拨入转盘中，旋盖头经过圆柱凸轮的升降与瓶盖接 触将盖卡紧旋盖头进行定位，此时旋盖头的电动机开始工作将盖拧紧，由于旋盖头内有 弹簧，当旋盖头上升时可以有效的与瓶体脱离，减少对瓶盖的伤害，当拧好的瓶转到出 口时，在经过拨杆拨到输出的轨道上，通过传送带传送出去。本方案可以有效的节省空 间，而且显著的提高了生产效率，一改先前的单线拧盖。 2.4 方案比较方案比较 方案一结构简单，生产成本低，但是传送带的停走精度难以控制，所以整个旋盖的 精度低而且生产效率低，而且整个装置的 自动化程度不是很高，较为适合小批量生产； 方案二结构设计简单且精密合理，旋盖精度，效率相对高一些，但是还是单线生产；方 案三的考虑到了将盖通过圆盘旋转的方式将盖放在瓶上，但是拧瓶时仍然还是单线，效 率不是很高；方案四有效的解决以上的一般问题，虽然将盖放在瓶上也是单线，但是效 率比之前高的多，而且选用双道都在同侧，节省了很多空间，运用圆盘十二瓶的机构显 著的提高了生产效率。所以本方案选择了方案四的结构设计。 机械式拧瓶机的设计及工程分析 7 图 2.4 方案四拧瓶机的前视图 2.5 采用方案的详细设计采用方案的详细设计 2.5.1 传送机构的设计传送机构的设计 图 2.6 传送带轨道 如图 2.6，传送机构的轨道是喇叭口的，开口是较大些方便瓶子的进入，但是到左边 轨道的宽度就和瓶身直径相同，便于定位。 2.5.2 转盘的设计转盘的设计 如图 2.7，地面转盘的是根据瓶子的半径设计的，为了提高生产率选择有 12 个卡口， 可以同时进行 12 个瓶的旋盖，可以节省很多的时间。圆环轨道的宽度刚好是瓶身的直径， 可以很有效的起到定位的效果，方便旋盖。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.7 转盘 2.5.3 升降机构的设计升降机构的设计 图 2.8 圆柱凸轮机构 如图 2.8，升降机构选择圆柱凸轮机构，当圆柱凸轮转动时，滚子也会沿着里面滚 槽向上或向下滚动，实现旋盖头的升降。 26 2.5.4 理盖器的设计理盖器的设计 通用瓶盖理盖器的结构 瓶盖理盖器主要由料斗、螺旋形供盖滑道、出盖口、支承板弹簧、减振橡胶弹簧、 衔铁、电磁铁、气隙调节结构和基座等部件构成，如图 2.9 所示。理盖器的工作原理是： 在电磁铁与支承板弹簧的交替作用下，料斗作“往复扭转上下微幅振动”的运动；在 机械式拧瓶机的设计及工程分析 9 这种复合式运动过程中，瓶盖将沿螺旋形供盖滑道从料斗底部向上移动，同时进行自动 排队、 1料斗 2螺旋形滑道 3支承板弹簧4气隙调节结构 5减振橡胶弹簧 6出盖口 7衔铁 8电磁铁 9基座 图 2.9 理盖器的结构示意图 定向。所以，只有盖口向上的瓶盖才能到达料斗上部的出盖口，然后进入输盖槽，再沿 输盖槽翻转180，变成盖口向下的状态，最后由送盖机构将瓶盖按生产要求的节拍依次 送入封口机的机头中，完成酒瓶的封口工作。 27 螺旋形供盖滑道 圆筒状料斗的底面呈扁圆锥形，内壁设有螺旋形供盖滑道。当料斗作复合式运动时， 瓶盖会沿扁圆锥形底面滑移到料斗底面与侧壁的交接处；在摩擦力、惯性力和离心力等 作用下，瓶盖又沿螺旋形供盖滑道由底部向上运动。在料斗中杂乱堆集的瓶盖运动到螺 旋形供盖滑道上之后，只有盖口向上和盖口向下两种状态，而其它状态（如“侧立”状 态）的盖瓶会在料斗作上下微振时滚落回料斗底部，即瓶盖完成了第一次定向。 在螺旋形供盖滑道上开有“E”形缺口（如图2.10 所示） 。盖口向上的瓶盖可以顺利 地通过该缺口（如图2.11a） ；而盖口向下的瓶盖运动到该缺口处时，会翻落下去（如图 2.11b） ，然后再重新沿螺旋形供盖滑道向上运动。因此，只有盖口向上的瓶盖才能通过 “E”形缺口，继续沿螺旋形供盖滑道向上运动，直至出盖口，即完成了瓶盖的第二次定 向。 1料斗筒壁 2“E”形缺口 3螺旋形滑道 无锡太湖学院学士学位论文 10 图2.10 螺旋形供盖滑道上的“E”形缺口 1料斗筒壁 2螺旋形滑道 3瓶盖（正向） 4瓶盖（反向） 图2.11 两种状态的瓶盖通过“E”形缺口时的状况 2.5.5 旋盖头的设计旋盖头的设计 如图2.12所示，旋盖机构工作时，利用三爪卡头抓取瓶盖，三爪卡头中有两个是固定 的，内侧有橡胶增加摩擦力；还有一个是活动的，其另一侧联接弹簧，当抓取到瓶盖时 该爪张开弹簧受力产生相反的推力，利用杠杆原理同时瓶盖也会受到一定的压应力，并 通过顶压弹簧产生顶压力将瓶盖向下压，此时电机转动将瓶盖拧紧，随着升降结构上升， 旋盖头就会自动脱离瓶盖。 2.5.6 底座箱的设计底座箱的设计 如图2.13所示。根据需要，初步设计底箱的整体尺寸为1200*800*400，壁厚 30mm，整个箱体靠下面的四个支柱支撑。 机械式拧瓶机的设计及工程分析 11 图2.12 旋盖头正视图及剖视图 无锡太湖学院学士学位论文 12 图2.13 底座箱 机械式拧瓶机的设计及工程分析 13 3.3.传动系统的设计计算传动系统的设计计算 3.1 电动机的选择电动机的选择 三相交流异步电动机的简单、价格低廉、维护方便，可直接接于三相交流电网中， 因此在工业上应用最为广泛，所以选择三相异步电动机作为整个系统的动力源。 Y 系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式三相异步电动机，具有效率高、性能好， 噪音低、震动小等优点，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上， 如金属切削机床、风机、输送机、搅拌机、农业机械和食品机械等。在经常启动、制动 和反转的工厂场合，要求电动机的转动惯量小和过载能力小，应选用起重及冶金 YZR 和 YZ 系列电动机。所以选择 Y 系列的三相异步电动机。 电动机的功率选择是否合适，对电动机的工作和经济都有影响。当容量小于工作要 求时，电动机不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期过载而过早损坏；若容量 过大，则电动机的价格高，能力不能充分利用，而且因为经常不在满载下运行，其效率 和功率因数较低，造成浪费。 电动机容量主要由电动机运行时的发热条件决定的，而发热又与其工作情况有关。 对于长期连续运转、载荷不变或变化很小、常温下工作的机械，选择电动机时只要使电 动机的负载不超过其额定值，电动机便不会过热。也就是可按电动机的额定功率等于 m P 或大于所需电动机的功率的，在手册中选取相应的电动机型号。这类电动机的功率按 d P 下述步骤确定： 工作所需功率（kW） w P 或， （3-1）)1000/( wwww vFP)9550/( wwww nTP 式中为工作机的阻力，N； w F 为工作机的线速度，； w vsm/ 为工作机的阻力矩，； w TmN 为工作机轴的转速，； w nmin/r 为工作机的效率。带式输送机可取=0.96，链板式输送机可取=0.95。 w w w 电动机至工作机的总功率（串联时） （3-2） n 321 式中，为传动系统中各级传动机构、轴承以及联轴 器的效率。 1 2 3 n 所需电动机的功率（kW） d P 所需电动机的功率由工作机所需功率和传动装置的总功率按下式计算 = （3-3） d P/ w P 电动机额定功率 m P 按来选取电动机型号。电动机功率裕度的大小应视工作机构的负载变化状况而 m P d P 定。 额定功率相同的同类型电动机，有几种不同的同步转速。例如三相异步电动机有四 种常用的同步转速，即 3000、1500、1000和 750。同步转速低min/rmin/rmin/rmin/r 无锡太湖学院学士学位论文 14 的电动机磁极多，外轮廓尺寸大，价格高，但可使传动系统的传动比和结构尺寸减小， 从而降低了传动装置的制造成本。因此，确定电动机的转速时，应同时考虑电动机及传 动系统的尺寸，重量和价格，使整个设计既合理又较经济。 一般最常用、市场上供应最多的是同步转速为 1500和 1000的电动机，min/rmin/r 设计时应优先选用。如无特殊要求，则不选用同步转速为 3000和 750的电动min/rmin/r 机。 综合考虑整个系统所需要的功率，转速，结构尺寸等因素，再参考机械设计手册新 版的第 5 卷电动机的选择的相关资料，选择的电机型号为 Y90S-4 的电动机，该电动机的 额定功率为 1.1kW，满载时的转速为 1400，堵转转矩为 2.3，质量为 22kg。min/r 3.2 传动比的分配传动比的分配 电动机选定后，根据电动机的满载转速和工作机的转速即可确定传动系统的总 m n w n 传动比 ，即i （3-4） wm nni/ 传动系统的总传动比 是个串联机构传动传动比的连乘积，即i （3-5） n iiiii 321 式中， ，为传动系统中各级传动机构的传动比。 1 i 2 i 3 i n i 合理的分配转动比是传动系统设计中的一个重要问题，他将直接影响到传动系统的外轮 廓尺寸、重量、润滑级传动机构的中心距等很多方面，因此必须认真对待。 传动比分配的一般原则如下： 各级传动比可在各自推荐值的范围内选取。各类机械传动比推荐值和最大值见表 3-1。 表 3-1 各类机械传动的传动比 平带传动V 带传动链传动 圆柱齿轮 传动 锥齿轮传 动 蜗杆传动 单级推荐 值i24242535231040 单机最大 值 max i 5768580 分配传动比应注意使各传动件的尺寸协调、结构均匀及利于安装。例如带传动的 传动比不宜过大，以免大带轮的半径大于箱体的中心高，使带轮与底座平面相碰，造成 安装方便。 传动零件之间不应造成互干涉。 使各级大齿轮直径相近，以便浸油深度大致相等，以利实现油池润滑。 使所设计的传动系统具有紧凑的外廓尺寸。 考虑加工的方面的方便，整个装备的结构尺寸，生产率等的问题，传动选择锥齿轮 机械式拧瓶机的设计及工程分析 15 的传动比为 1：1；低速轴的传动比为 1：1。 3.3 减速器的设计选择减速器的设计选择 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩， 以满足工作需要。减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和 行星减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮 减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、 分流式和同轴式减速器。减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆） 、轴、轴承、箱体及其附 件所组成。由于所选电动机的额度转速为 1400r/min，拧瓶机的生产能力为 4000-5000 瓶/ 小时，拧瓶机的拧瓶头头数为 12 头，所以拧瓶机每转生产 12 瓶，所以拧瓶机主轴的转 速为 333.3-416.7r/小时,选择 360小时，即 6。考虑到电动机的小带轮与减速器/rmin/r 上大带轮的传动比，则减速器上输入的转速为 700，锥齿轮的传动比为2:1imin/r 1：1；减速器与低速轴的传动比为 1：1；输出转速为 6。根据以上的条件，选择min/r CW 型减速器，减速器的型号为 CW125-25-IF,该型号的减速器的额定输入转速为 750r/min,额定输入功率为 1.74KW，额定输入转矩为 437。由于电动机的功率为N m: 1.1KW，所以选择该型号的减速器符合要求。 3.4 带传动的设计带传动的设计 带传动是一种挠性传动，所以具有以下优点：能缓和载荷冲击；运行平稳，无 噪音；制造和安装精度不像啮合传动那样要求严格，过载时将引起带在带轮上打滑， 因而可防止其他零件的损坏；可增加带长以适应中心距较大的工作条件。带传动也有 以下缺点：有弹性滑动和打滑，是效率降低和不能保持准确的传动比（同步带传动是 靠啮合传动的，所以可以保证传动的同步） ；传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上 的压力都比啮合传动大；带的寿命较短。 5 带传动设计内容一般包括确定带的型号、长度、根数、带轮基准直径、传动中心距、 结构尺寸等。一般的设计步骤为确定带的型号、确定带轮的基准直径、计算带长、中心 距、包角、确定带的根数、求轴上载荷、带轮的结构确定。带的型号可根据计算功率 和小带轮转速选取，计算功率。 C P 1 nPKP AC V 带传动的包角一般不小于 120，个别情况下可小到 70。传动比 通常不大于 1 i 7，个别情况下可到 10。带传动的中心距不宜过大，否则将由于载荷变化引起带的颤动。 中心距也不宜过小，否则中心距越小，则带的长度越短，在一定速度下，单位时间内带 的应力变化次数越多，会加速带的疲劳损坏；当传动比 较大时，短的中心距将导致包角i 过小。对于带传动来说，张紧力过小，摩擦力小，容易发生打滑；张紧力过大，则带 1 寿命低，轴和轴承受力大。 取带轮的传动比，小带轮转速，电动机的额定功率 P=1.1KW，一2i 1 1400 /minnr 天运转时间16h。 确定计算功率 ca 由机械设计（第八版） 表 8-7 查得工作情况系数 KA=1.2。 无锡太湖学院学士学位论文 16 1.2 1.11.32 caA pKWKW 选取 V 带带型 根据、由机械设计（第八版） 图 8-10 确定选用普通 V 带型 Z 型。 ca 1 n 确定带轮基准直径 由机械设计（第八版） 表 8-4 和表 8-8 取主动轮基准直径，按式mmdd71 1 ，从动轮基准直径， 21 21 d d dn i nd 2d d mmidd dd 142712 12 根据表 8-8，取mmdd150 2 按式验算带的速度 1 60 100060 1000 p d d n d n v =5.225 1 60 100060 1000 p d d n d n v sm/sm/ 所以带的速度合适。 确定普通 V 带的基准长度和传动中心距 根据 ，初步确定中心距 12012 0.7()2() dddd ddaddmma200 0 根据式计算带所需的基准长度 2 21 012 0 () 2() 24 dd ddd dd Ladd a = 2 21 012 0 () 2() 24 dd ddd dd Ladd a mm755 2004 )71150( )15071( 2 2002 2 由机械设计（第八版） 表 8-2 选带的基准长度mmLd710 按式计算实际中心距 a 0 2 dd LL aa = 0 2 dd LL aa mm180 2 755710 200 验算主动轮上的包角 1 a 90 155 180 3 .57 71-150-180 a 3 . 57 -180 211 ）（）（ dd dd 故主动轮上的包角合适. 计算带的根数 计算单根 V 带的额定功率。 r P 由和，查表 8-4a 得=0.294kW。mmdd71 1 min/1400 1 rn 0 P 根据，和 Z 型带，查表 8-4b 得。min/1400 1 rn 1 . 2ikWP03. 0 0 查表 8-5 得，查表 8-2 得，于是93 . 0 K99 . 0 L K 机械式拧瓶机的设计及工程分析 17 kW3 . 099. 093. 0)03. 0294. 0()( 00 Lr KKPPP 计算 V 带的根数 z。 7 . 3 3 . 0 1 . 1 z 所以取 4 根。 计算单根 V 带的初拉力的最小值 min0) (F 由表 8-3 的 Z 型带的单位长度质量，所以mkgq/06 . 0 NNqv zvK PK F ca 462 . 506. 0 2 . 5493. 0 1 . 1)93 . 0 5 . 2( 500 )5 . 2( 500)( 22 min0 应使带的实际初拉力。 min0) (FF 计算压轴力 P F 压轴力的最小值为 NFzFP1108 2 155 sin14342 2 sin)(2)( 1 min0min 带轮结构的设计 大小带轮选择实心式。如下图 3.1 和图 3.2 的零件图。 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 3.1 小带轮的零件图 机械式拧瓶机的设计及工程分析 19 图 3.2 大带轮的零件图 3.5 锥齿轮的设计计算锥齿轮的设计计算 齿轮传动的失效一般是指齿轮的失效。大体分为轮齿的折断和齿面的损伤两类。齿 面损伤又有齿面接触疲劳磨损（点蚀） 、胶合、磨粒磨损和塑性变形等。 轮齿折断 轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断。折断一般发生在 齿根部位。折断有两种：一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另 一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受力拉应力一 侧。 齿宽较小的直齿圆柱齿轮，齿根断裂一般是从齿根沿着横向扩展，发生全齿折断。 齿宽较大的直齿圆柱 齿轮常因载荷集中在齿的一端，斜齿圆柱齿轮和人字齿轮常因接触 线是倾斜的，载荷有时会作用在一端齿轮上，故裂纹往往是从齿根斜向齿顶的方向扩散， 发生齿轮局部折断。 齿面点蚀 点蚀又称接触疲劳磨损，是润滑良好的闭式传动常见的失效形式之一。所谓点蚀是 由于齿面接触应力是交变的、经多次反复后，在节线附近常靠近齿根部分的表面上，产 生的若干小片状剥落而形成麻点。润滑油是接触疲劳磨损的媒介，实践证明，润滑油粘 度越低，越易渗入裂纹，点蚀扩散越快。点蚀将影响传动的平稳性并产生震动和噪音， 甚至不能正常工作。 点蚀一般发生与靠近节线附近的齿根一侧，原因在于，在靠近节线附近啮合时，由 于相对滑动速度低，难以形成油膜润滑，摩擦力较大，特别对于直齿轮传动，在节线附 近只有一对齿啮合，轮齿受力最大，因此点蚀往往从节点处发生，然后向其他区域蔓延。 无锡太湖学院学士学位论文 20 齿面胶合 对于高速重载的齿轮传动来说，胶合是一种常见的失效。所谓胶合就是比较严重的 黏着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的 粘焊现象，粘焊处被撕脱后，齿面表面沿着滑动方向形成沟痕。对于低速重载的齿轮传 动，由于滑动速度低，传动过程不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能会出现胶合现 象，这时的瞬时温升不大，故也称为冷胶合现象。 齿面磨粒磨损 齿轮齿面磨粒磨损有两种情形，一是当表面粗糙的硬齿与较软的齿轮相啮合时，由 于相对滑动，软齿表面被划伤而产生齿面磨粒损伤。二是外界硬屑落入啮合轮齿间也将 产生磨粒磨损。磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折 断。 齿面塑形 齿面塑形变形是一种永久失效形式，伴随有材料的屈服现象。齿面较软的轮齿，重 载时可能在摩擦力的作用下产生齿面塑形变形，从而破坏正确的齿面啮合。由于在主动 轮面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近形成凹槽；从动轮则 相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊。这种损坏在低速重载、频繁启 动和过载传动中见到。 根据上述分析可见，所设计的齿轮传动，在规定的工况下必须具备足够的强度，以 抵抗可能发生的各种失效问题。因此，齿轮的计算准则由失效形式确定。 对于闭式传动的齿轮，主要失效形式是接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断和胶合。目 前，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。当有短时过载时，还应进行静强度 计算。 对于高速大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。 对于开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，磨损尚无完善 的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳强度计算，用适当加大模数的方法以考虑磨粒磨损 的影响。 对于有短时过载的齿轮传动，还应进行静强度计算。 电动机的功率为 1.1KW,带轮的效率为 0.97，CW 型减速器为涡轮蜗杆减速器，根据 机械零件手册（修订版） 查得该减速器的效率为 0.75，所以输入功率 P=0.8kW 为方便 计算和加工，先确定锥齿轮的传动比，大齿轮的速度为 12，小齿轮的速度2:1imin/r 为 6。min/r 计算步骤如下， 1.选精度等级、材料及齿数 根据要求选用直齿锥齿轮。 拧瓶机为一般工作机器，速度不高，故选用 8 级精度。 材料选择小齿轮的材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。 选择大齿轮齿数为，初定，则。 2 40z 2u20 1 z 机械式拧瓶机的设计及工程分析 21 2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行计算，即 3 2 1 1 2 2.92 (1 0.5) tE t RRH K TZ d u 确定公式内的各计算数值 初选载荷系数=1.3； t K 计算小齿轮的转距 mmN n P T 5 5 1 1 5 1 1037 . 6 12 8 . 010 5 . 9510 5 . 95 由表 10-7 选取齿宽系数。5 . 0 d 由表 10-6 查得材料的弹性系数。 1/2 E Z189.8MP 由图 10-21d 按齿面硬度中查得小齿轮的接触疲劳强度极限；小齿 Hlim1 600MPa 轮的接触疲劳强度极限； Hlim2 550MPa 由式计算应力循环次数 1 60 h Nn jL 7 11 10776. 715300241126060 h jLnN 7 2 10888 . 3 N 由图 10-19 取解除疲劳寿命系数。 12 0.930.95 HNHN KK； 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,由式得 limN K S 1lim1 1 2lim2 2 0.93 600522.5 0.95 550558 HNH H HNH H H MPa S H MPa S 3.设计计算 试计算小齿轮分度圆直径，代入 中较小值 1t d H = 3 2 1 1 2 2.92 (1 0.5) tE t RRH K TZ d u mm7 .153) 5 . 522 8 ,189 ( 2)5 . 05 . 01 (5 . 0 1037 . 6 3 . 1 92 . 2 3 2 5 计算圆周速度 。v sm nd v t /1 . 0 100060 127 .153 100060 11 计算齿宽 b。 mmdb td 85.76 7 . 1535 . 0 1 无锡太湖学院学士学位论文 22 计算齿宽与齿高之比。 h b 模数 mm z d m t t 685 . 7 20 7 . 153 1 1 齿高 mmmh t 29.17685 . 7 25 . 2 25 . 2 44. 4 29.17 85.76 h b 计算载荷系数 根据,7 级精度,由图 10-8 查的动载系数=1.02smv/1 . 0 V K 直齿轮,假设100N/mm,由表 10-3 查的；bFK tA /2 . 1 FH KK 由表 10-2 查得使用系数；1.0 A K 由表 10-4 查得 7 级精度、小齿轮悬臂布置时，。1.354 H K 由，查图 10-13得；故载荷系数44 . 4 h b 1.354 H K 1.3 F K 1 1.02 1.2 1.3541.657 AV KK K K K 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，,由式得 3 11 / tt ddK K mm K K dd t t 6 .166 3 . 1 657 . 1 7 .153 3 3 11 计算模数 m。 33 . 8 20 6 . 166 1 1 z d m 4.按齿根弯曲强度计算 由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 （3- 3 1 222 1 4 (1 0.5)1 FaSa F RR Y YKT m zu : 6） 确定公式内的各计算值： 由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；查得大齿轮的弯曲疲劳强 1 500 FE MPa 度极限； 2 380 FE MPa 由图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数 12 0.91,0.93 FNFN KK 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,由式得 limN K S 机械式拧瓶机的设计及工程分析 23 11 1 22 2 0.93 380 252.43 1.4 0.91 500 325 1.4 FNFE F FNFE F K MPa S K MPa S 计算载荷系数 K 1.0 1.0 1.0 1.0 2.252.25 AVFF KK K KK 计算当量齿数 1 1 1 2 2 2 20 22.423 cos2/5 40 89.490 cos1/5 v v z z z z 查得齿形系数 由表 10-5 查得。 12 1.781.575 FaFa YY， 查取应力校正系数由表 10-5 查得计算大、小齿轮的加以比 12 2.202.69 SaSa YY， FaSa F Y Y 较： 11 1 22 2 2.20 1.78 0.0155 252.43 2.69 1.575 0.0130 325 FSa F FSa F Y S Y S 小齿轮的数值大。 5.设计计算 对比计算结果,由齿面接触强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，m 由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定 的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关,可取由弯曲强度算得的模数 ，圆整为，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数33 . 8 m5 . 8mmmd 6 . 166 1 20 5 . 8 6 . 166 1 1 m d z 大齿轮齿数 402