星型拔瓶轮设计及计算

3 星型拔瓶轮设计及计算3.1 星形拨瓶轮方案的确定3.1.1 星形拨瓶轮原理此机构是将灌装机的限位机构送来的瓶子，准确地送入灌机中的升降机构或灌满的瓶子从升降机构取下送入传送带的机构。将定量的液体物料(简称液料)充填入包装容器内的机器称为灌装机械。因为所要灌入的液体具有流动性，所以所用的容器一般为刚性容器，如聚脂瓶、玻璃瓶(或罐)、金属罐、复合纸盒等。如图 3.1 所示，输送链带、分件供送螺杆、星形拨轮和弧形导板相结合用于容器的输入；同时拨轮也用于容器的输出。图 3.1 供送螺杆与行星拨轮组合简图1分件供送螺杆 2弧形导板 3行星拨轮 4圆柱形容器3.1.2 星形拨瓶轮结构星形拨轮的结构虽然简单，齿槽形状确实千变万化。图 3.2 所示的四种形状都能满足将灌装容器送入灌装机中的升降机构要求，但是性能、结构、经济以及稳定性的要求不同，要确定那种方案必须根据设计的要求而定。瓶子从输送带送过来将堆挤到一起，因此就应该设计相应的可以起到瓶的限位机构的作用。在这次课题中运用了分件供送螺杆装置，这就要求在设计拨轮槽时采用一定弧度可以起到限时、限位的作用。(a)和(b)适合供送单个圆柱形容器， （c）适合供送单个长方形容器， （d）适合供送多个多种体形的容器。从制造角度看，本设计根据容器外形和输送方式，宜采用（b）方案。图 3.2 典型星形拨轮简图拨轮的尺寸要求以能很平稳的输送瓶子。如图 3.3 所示，通过类比实验，Rc与灌装机主体中的拨瓶螺杆有关。 若拨轮的外接圆与灌装机主体中拨瓶螺杆的外接圆相交，则 Rc尺寸大于瓶子半径。拨轮通常用不锈钢或酚醛树脂板制作，成双平放紧固在主轴端部，其高度和间距可根据被供送瓶罐的主题部位及其中心位置加以适当调整。图 3.3 拨轮截面图3.2 拨瓶轮主要结构参数设计计算3. 2. 1 拨瓶轮齿槽数（齿数）确定设要设计星形拨轮齿数为 Zb，灌装机的生产能力为 Q，拨轮主轴转速为 ，n依据单位时间内供瓶数应等于出瓶数（不考虑灌装过程中出现爆瓶现象） 。则（3.1）60bQn式中，Zb 齿数；Q 生产能力，瓶/时；转速， /min。nrad拨瓶轮齿数由 确定。/60bZQn已知灌装机得生产能力 Q 瓶/时，初步确定拨瓶轮主轴转速与80:灌装机大转盘主轴转速的比例为 i5.大转盘主轴转速根据计算得出n13 /min.则可以确定拨瓶轮主轴转速 n15 /min.拨瓶轮齿数 Zb:rad rad/6080/615.79bZn:选取拨轮齿数 Zb8。3. 2. 2 拨瓶轮节圆半径的确定设拨轮节圆半径为 Rb, Cb 为行星拨轮的节距，因为容器以等间距定时供送，则（3.2） 2bbZ（3.3）/对于旋转灌装机来讲，C b 应等于灌装阀的节距。在确定灌装机整体尺寸时确定的灌装阀节距尺寸Cb126 mm， Rb160mm 。用 Cb 带入验算：（3.4）/2bbRCZ16810.5m用 Rb 带入验算：（3.5）/bb22.6根据检验，对 Cb, Rb 进行优化设计，最后确定 Cb126mm，R b160mm。3. 2. 3 拨瓶轮其它尺寸的确定在本课题中灌装容器是啤酒瓶，因此拨瓶轮的材料在选择上应选用对酒瓶不会造成有磨损，击碎的现象。故选用尼龙 1010 材料。其结构如图 3.4 所示图 3.4 拨瓶轮装配结构图1拨轮 2拨轮盘 3拨轮轴 4传动齿轮图 3.5 拨瓶轮结构示意图拨轮中的尺寸 h 和 Rc 均由容器瓶的高度和直径来确定。它与灌装机中拨轮盘花齿尺寸有关，拨轮的尺寸以能很平稳地 输送瓶子为原则，可用类比或实验来决定。设计时尺寸 Rc 地决定方法；因为 Rc 与灌装机主体中地拨瓶轮花盘有关，若拨轮外接圆与灌装机主体中拨瓶花盘地外接圆相切时 Rc 等于瓶子半径；若与灌装机主体中拨瓶花盘地外接圆相交，则尺寸 Rc 大于瓶子的半径。而且拨轮在往灌装机大转盘拨瓶子的时候，为了能使瓶子均匀稳定地输送到大转盘而不被拨回来，尺寸 Rc 也应大于瓶子的半径，这可以由实验结果得知。由已知给定的参数瓶子半径 R40mm，则可确定尺寸 RcR+(23)mm ，即Rc42mm 。如图 3.5 所示，h 的高度是由瓶高来确定的，瓶子确定的高度是 280mm，拨瓶轮的厚度可以根据设计时按设计者给定的值。拨瓶轮给的厚度是 10mm，容器瓶从输送带过来瓶底离下拨瓶板的距离确定为 25mm，设该课题给定的容器瓶瓶颈为 105mm，直径为 70mm 的瓶身高出上拨瓶板为 25mm，保证瓶子的重心在两齿的中心附近。h 280202525105 85mm3. 3 包装容器与拨瓶轮的相对运动图 3.6 容器瓶与拨瓶轮相对运动分析拨轮的结构比较简单，设计时主要考虑齿槽形状。在包装容器的供送过程中，容器在末端堆挤在一起，要使不同形状的包装容器顺利导入拨轮齿槽，即齿槽不与拨轮发生碰撞，必须合理确定齿槽形状。为此，要分析被供送包装容器与拨轮之间的相对运动。可以用简化画法表示拨瓶轮与容器瓶的相对运动。实用中，多将星形拨轮与分件供送螺杆组合在一起，对此应指出一些特殊的设计要求。设拨轮的节圆直径 （半径为 ）,齿槽数为 ,主轴转速 , 则bDbRbZbn= = =320 （3.6）bCZ1268m= =15 （3.7）n0/inrad对旋转型灌装机， 等于灌装阀的节距至于能否取整数，则与整个川东部据有关。在此前提下，决定 不仅要考虑拨轮的外轮廓尺寸和齿槽的结构形式，b也要便于等分提高制造精度。实践表明，为合理设计星形拨轮齿槽的结构形式，必须深入研究它同被供送瓶罐的相对运动关系。如图 3.6 所示，通过拨轮主轴 O 取一静坐标系 ，oxy在通过该点及任一齿槽中心 C 取一动坐标系 。初始时二系的横纵坐标轴对oxy应重合，其次由 C 一点引节圆切线分别截取两个线段，令 = = 。已ac3mS:bC论证 。3mSb设星形拨轮以等角速度 做逆时针方向转动，经时间 t 转过角度 = ,bbt相应的齿槽中心 移至 ,而瓶罐中心以初速度 等加速度 移至 ,令 = , bvax由于其末速度 = = ，因此3mvbRa= - （3.8）vb60an= + （3.9）xa12t式中 ，在此过程中瓶罐相对拨轮的运动轨迹即为 - - 。若以瓶罐60tn ac中心绝对运动轨迹上的 点极坐标（ ）表示它的动坐标系中的位置。以图,r示几何关系写出（3.10）2()mbrDSx（3.11）3arcbtgR此即瓶罐与拨轮的相对运动方程，借以上两式画出瓶罐的相对运动轨迹及其外轮廓线，是以确定拨轮齿槽的形状尺寸，同时做出是否需切齿修整的判断。但是，要想从根本上解决两者互不干涉的问题，应进一步运用解析法加以剖析。设齿槽半径（即瓶罐主题部位半径） 所对应的拨轮中心角为 ，瓶罐相对运动轨迹终点 的切线与该点拨轮矢径的夹角为 ，那么保证啮入不干涉的基c b本条件应是（3.12）arcsin2bbR由于（3.13）dttgr借（3.10）和（3.14）3arcmbSxtgR应用罗比塔法则导出（3.15）2bt代入式（3.10）,得（3.16）(arcsin)bbtg（3.17）012336mCS将（3.15）带入（3.14）（3.18）2()arcsinbmmbRiitg总之，当 为定值时，通过调整 可达到瓶罐啮入拨轮齿槽01,bSR3,（其外轮廓形状尺寸与瓶罐啮合部分完全一致）不产生任何干涉的目的。在这方面，与分件供送螺杆的转速变化毫无关系 10。3. 4 拨瓶轮主轴的设计计算3. 4. 1 轴材料的确定根据其受力情况和传动精度等要求进行。轴的失效形式一般有断裂、磨损、超过允许的变形及磨损等。因此轴的设计应满足下列条件：a.足够的强度；b.足够的刚度；c.不产生危险的振动；d.结构和选材合理。拨瓶轮主轴在大转盘传动齿轮带动下转动，速度根据灌装机生产效率不同而变，并且装有滑动轴承，所以可选用合金钢和碳钢。45 调质钢。由于碳钢比合金钢廉价，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耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳刚制造轴。其中最常用的为 45 钢。3. 4. 2 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形，和全部结构尺寸。轴的结构设计主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构性时又要随着具体情况的不同而异，所以，轴没有标准的结构形式。设计中，必须针对不同情况进行具体分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。3.7 轴结构示意图轴尺寸的确定：根据灌装机整机的要求以及拨瓶轮结构的要求最终确定主轴各尺寸如图 3.7 所示。轴上零件的固定方法为了保证零件在轴上有固定的位置，必须将零件在径向、轴向和周向予以固定。a.轴上零件的径向固定：一般靠零件内孔与轴径的配合性质来保证，配合表面为圆柱形。b.轴上零件的轴向固定：用轴肩固定，其特点是结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力。c.轴上零件的周向固定：键槽起到齿轮的周向固定和拨瓶板的定位作用。d.确定轴上的圆角和倒角尺寸 1。3. 5 传动齿轮的设计3. 5. 1 选择齿轮的材料由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较强的抗磨损，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。常用的齿轮材料有钢，铸铁和非金属材料等。在本课题里齿轮为轻载，低或中速、精度较高下工作，齿轮选用钢做材料。为使齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为 250350HBS。3. 5. 2 主要尺寸的确定设计灌装机时为了防止瓶托在升降时与齿轮产生干涉，拨轮板直径与大转盘不发生碰撞，齿轮的分度圆尺寸在确定时与拨轮板的直径相等。如图 3.7 所示分度圆直径 d1312mm。齿数 z：根据 d1m z ，模数 m 已确定 m2，则 zd/m3122156齿数也可以根据传动比来确定，大转盘主轴上的大齿轮分度圆直径d21200，大齿轮的齿数 z2600，传动比 i5，同样可以确定齿数 z1120。全齿高： afh式中：ha齿顶高 hf 齿根高 facm正常齿标准 ， 1h0.25求得 h4.5mm。圆整 h4mm。齿宽 b：由齿轮的强度计算公式可知，轮齿愈宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数硬取得适当。因为灌装机在工作时载荷很小，传动速度不是很大。所以可以选越小的齿宽系数 2。图 3.7 传动齿轮图4 螺旋限位器设计及计算进出瓶系统按照灌装的工作要求是准确地将待灌瓶送入自动机，以保证灌装机正常的有秩序地工作。洗刷干净的待灌瓶由传送带送来后，为了防止挤坏、堵塞和准确的送入自动机，因此必须设法使瓶子单个的保持适当的间距以适应的速度送进。目前，瓶子的定时给进多采用拨盘式或螺旋输送器等限位机构。4. 1 螺旋限位器方案确定4. 1. 1 花盘式限位机构如图 4.1 示，其工作过程如下：当推瓶板 7 向前运动时，将待灌瓶推向灌装工作位置。这时虽然推瓶板拨动了上拨盘 6，由于固定于下拨盘的销子 8 处在上拨盘的滑道中，故销子 8 不动，杠杆 4 也不动，当推瓶板返回时，又拨动上拨盘，此时销子处于上拨盘滑到的尽头处，因此销子再上拨盘带动下运动，下拨盘因此顺时针转动。下拨盘 9 的拨杆拨动杠杆 4，使其左端离开棘轮 2。于是，待灌瓶在传送带的推动下逐个进入限位花盘 1 齿间并且带动它传动。当限位花盘拨过 5 个瓶时，棘轮被杠杆卡住，不在继续送瓶，这样进行重复动作，即可每次 5 瓶进行送瓶灌装工作。图 4.1 花盘式限位机构1限位花盘 2棘轮 3待灌瓶 4杠杆 5弹簧 6上拨盘 7推瓶板 8销子 9下拨盘 10轴 11底座4. 1. 2 螺旋限位机构在包装工业领域内，现以广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置，可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物件以确定的速度、方向和间距分批或逐个地送到给定的工位。本设计主要用来分件单列供送正圆柱形的典型组合装置，此分件供送装置是整个灌装设备的“咽喉” ，其结构特性的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局和自动化水平。图 4.2 三段式分件供送螺杆如图 4.2 所示，圆柱螺杆的前端多呈截锥台形（斜角约为 3040） ，而后端则有同瓶主体半径相适宜的过渡角，以利改善导入效果，缓和输入输出两端的抖振和磨损，延长使用寿命。同时为了使待灌瓶逐个依次顺利导入螺旋槽内，增速达到预定间距借助拨轮有节奏地引导到包装工位，因此将螺杆应用于高速分件定时供送，其螺旋线最标准的组合模式包括：a.输入等速段，有助于稳定的导入。b.变加速段，加速度由零增至某最大值，以消除冲击。c.等加速段，与输送带拖动待灌瓶的摩擦作用力相适应，采用等加速运动规律使之增大间距，可保证在整个供送过程中与螺旋槽有着可靠的接触点而不易晃动和倾倒。d.输出等速段，以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态。DDD图 4.3 螺旋线展开示意图综上，本设计采用三段式组合螺杆作为限位机构。机构如图 4.4 所示图 4.4 螺旋限位机构组合装置图1波形减速板 2分件供送螺杆 3双层弧形导板4输送板链 5双层星形拨轮 6平动感应导板4. 2 螺旋限位器主要结构参数设计计算4. 2. 1 限位器总体计算由 得 60Qnjj6084:2.53:/minrad342n/mirad拨轮节圆周长 ，则1lRm105268blC已知螺杆的转速（其值与供送能力相当） ，行星拨轮的齿数/inr及节距 ，则8bZ6bC拨轮的转速 205/i8nradZ拨轮节圆的直径 1320bD当物件被等速的输送带拖动前进时，如果让整个变螺距螺杆对它仅起一定的阻挡作用，并在末端与星形拨轮取得速度的同步，显然应保证输送带的运动速度 ，螺杆的最大供送速度 和拨轮的节圆线速度 均相等：cv3mvbv31265./mbCns4. 2. 2 螺杆等速段计算参阅图 4.4，对供送正圆柱形物件，令其主体部位的圆弧半径为 ，螺杆的内外半径各为 、 ，可取0rR（4.1）0r而对于供送异侧形状的物件，令其主体部位的长度（或长轴） 、宽度（或短轴）各为 ， ，可取12b（4.2）021rb进而求螺杆等速段的螺距 或 （4.3）01S1S式中 两相邻物件的平均间隙（一般为几毫米，主要与物件加工精度有关）本设计令 ，则8m05432D19S令 ，则 ，取0r024365Rrm4R设等速段螺旋线的最大圈数为 （通常取为 1） ，而其中间任意值 。对1i 10mi单头外螺旋线引起展开图形为一条斜直线，故相应的螺旋角（4.4）09.38StgD所以 01arc.348.tg周向展开长度： 1276iLmm轴向长度： 093HS11i螺杆输入速度： 52./60nvs式中 螺杆外直径（ ）D8DR若物件的输入速度 ，那么最好借助调试波形尼龙拌和刷板等缓冲装置使0rv其减速；反之当 时，就只能依靠输送带对无建起的摩擦拖动作用加速已接近螺杆的初始供送速度，居此获得供入段的输送长度（4.5）20rrvLfg式中 物件与输送带的滑动摩擦系数f重力加速度g另外，设螺杆物件与输送带的最大速差 01()(2693)158.2/mcbvCSnms故知拨轮节距和螺杆转速都不宜过大，以免加快板链工作表面的磨损，病防止对物件引起强烈的震动。4. 2. 3 螺杆变加速段（过渡段）计算数据前述，令此段螺杆的供送加速度 有零值一正弦函数变化规律提高到2a某一最大值 ，遂写出a（4.6）212sinmtC进而解出相应的供送速度及轴向位移（4.7）2 2cottvadt C（4.8）221 34simH式中 、 分别表示被供送物件移过行程 及其最大值 所需的时间，有边2tm Hm界条件得知：当 时， ；而当 时， ，顾可确定各20t220v2t2a待定系数：（4.9）1Ca（4.10）220mt（4.11）3将 、 、 代入式（4.8） ，并取 ，式中 、 分别表示1C23 6itn20t2im变加速段螺旋线的圈数的任意值和最大值（即 ，通常取 ） ，mi1:取 ， 。等加速段螺旋线的最大圈数为 （通常取 或更多）而其imi 35中坚任意值 ，取 ， 。经推导求出加速段螺旋线展开图形的30i3i3mi轴向长度：（4.12）2012220134()sinbmCSHSii699()5（4.13）201201 23mbmmiii()9周向长度： 2876LDi25m外螺旋线的螺旋角：（4.14）2012013()cosmbmiCSitgRi126930.341cos22arc0.3619.8tg（4.15）2012013.6mbmiCStgtRimt螺距 （4.16）201222013 24cossin4bmmmiSiSi 691935螺杆的供送速度 （4.17）2012203cosmbminCSivi6913.9/s（4.18）2mvi3./供送加速度（4.19）01223sinbmmnCSai269./以上表明，当其他条件一定时，过渡段的外螺旋线螺旋角螺距和供送速度均随螺旋圈数的增大而增大。若取 ，则 。这完全符合螺杆2i2002v前两段的位移、速度及加速度区县衔接要求。4. 2. 4 螺杆等加速段计算令螺杆等加速段的供送加速度 ，则相应的供送速度及轴向位移3a（4.20）34vdtC（4.21）235Ht式中 表示被供送物件移过行程 所需的时间。有边界条件得知：当 时，3t 30t，故可确定各待定系数： ， 。0H2mv 42mv0由于 ，经推导求出等加速段处螺旋线展开图形的轴向长度itn（4.22）01301 323bmSiSii 6995（4.23）2mmCii430周向长度： 3829LDi3m螺旋线的螺旋角：（4.24）3013223bmmiCStgDi690.8453arc0.452.tg（4.25）3013223260.48mbbmiCStgtDi3arc0.46.7mt螺距：（4.26）33010124mbiiS96（4.27）013bmmCSi921b螺杆的供送速度：（4.28）01230 323mnivi6.84/s（4.29） 5/mbCDtgs供送加速度：（4.30）2201 23 193.4/nSa mi这表明，等加速段的供送加速度与螺杆转过的平方成正比。若星形拨轮节距和等速段螺距均为确定值，而能适当增加后两段螺旋线的总周数，则有助于降低螺杆的供送加速度或提高转速（即生产能力） 。再有，当其他条件一定时，等加速段的外螺旋线螺旋角、螺距和供送速度同样都随着螺旋圈数的增大而增大。若取 ，则 ， ， ，这30i32m32v3a完全符合螺杆后两段的位移、速度及加速度曲线的衔接要求。最后指出，螺杆等速段最大轴向长度 仅与螺距 及圈数 有关，而过渡段1mH01S1i和等加速段的最大轴向长度 、 都与拨轮节距 、螺距 及圈数 、23bC02mi有关。3mi至此，可求高速分件供送螺杆组合螺旋线展开图形轴向及周向全长：123mHH:95083LL7694. 3 螺杆螺旋线展开图从制造角度看，变螺距螺杆的外螺旋线便是手控机械加工的对刀基准线，而内螺旋线可作为焊接法或模铸法确定螺旋槽最凹点的基准线。实用中，应将变螺距螺旋线的展开图形分解为等速位移和变速位移两部分，如图 4.5 所示，采用比较紧凑的机械结构来准确控制工作台和刀架的纵向进给量，保证切削刀具同等速回转螺杆的相对运动轨迹是条预先确定的螺旋线。近些年来借助数控机床以范成法加工各种类型的变螺距螺杆日益增多，无疑是今后的发展方向 67。图 4.5 螺杆的位移、速度、加速度变化曲线示意图5 进瓶栏板结构进瓶栏板和螺旋限位器成对使用，也可单独使用，如图 5.1 所示，栏板 1可同轴转动，摆杆也可同轴一起转动，栏板后面有弹簧支撑 2，当空瓶子进本机发生倒瓶、碎瓶时，即径向发生位移，栏板向后摆动，轴扭转，摆杆摆动一个角度，同时碰到行程开关 4，发出停车指令 13。图 5.1 进瓶栏板结构示意图1栏板 2压缩弹簧 3拉杆支承 4行程开关 5行程开关架6 设备调试与维护本机用以完成啤酒的灌装压盖过程，基于等压灌装原理，并采用新式酒阀和环形酒缸、瓶托弹簧结构凸轮升降，基座可随瓶高自由起落。进瓶后，如有倒瓶，吊瓶超载均有机电连锁保护，有电器箱控制。6. 1 整机要求水泥地面平整，无需埋设地角栓，机器周围须有沟槽排水。6. 2 拨轮机构拨轮机构包括进出瓶三个拨轮，运转是把瓶子拨到装酒阀下的托瓶盘上，然后对中酒阀装酒，后又下降瓶子被拨轮拨出，同时又进入压盖部进行压盖，压完后又被拨轮拨出到输送链道上。拨瓶轮的调整主要是符合同步运转要求，进瓶拨轮把瓶子拨进要和瓶托、下酒阀同步。因为出瓶拨轮又是压盖部的进瓶拨轮，而拨出的瓶子，再拨进压盖机的转盘上时须和压盖头同步，否则不能运行。6. 3 螺旋限位机构离合器是防止螺旋榜处破瓶卡死过载设置的，过载时离合器和齿轮脱开，螺旋棒不转动，同时离合器向下移动，并压迫电器行程开关，指使机器停车。此机构主要是同步调整，瓶子从螺旋棒输出的位置应是拨瓶轮进瓶的位置。机器出厂时已调好，生产中如因种种原因发生不同不是可重新调整。可打开门板把离合器脱开，手转动螺旋棒到正确位置，再把离合器推进。6. 4 进瓶栏板机构进瓶栏板和螺旋限位器成对使用，也可单独使用。栏板可同轴转动，摆杆也可同轴一起转动，栏板后面有弹簧支承，当空瓶子进入本机发生倒瓶、碎瓶时，即径向发生位移，栏板向后摆动，轴扭转，摆杆摆动一个角度，同时碰到行程开关，发出停车指令。6. 4. 1 径向调整根据瓶子的直径不同，可松开栏板后面长槽孔上的螺栓，调好瓶子与栏板、螺旋限位器之间的距离到何时位置，并拧紧螺栓。6. 4. 2 摆杆角度的调整松开摆杆上的螺栓，把摆杆的触头调到即将碰到行程开关，但机器仍能开动，稍微再进即停车，此时位置是否正确，实际中反复调即可达到。7 总 结本次对 408 型自动灌装机压盖联合机的设计已经基本接近尾声，这次的设计的主要内容是对螺旋限位器主要结构参数设计计算，进瓶栏板结构设计和星型拔瓶轮的设计。一篇优秀的论文不是写出来的，而是修改出来的，这需要的是耐心，还要用心。在 课题的设计过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了初次的设计。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习是最好的学习途径，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成网站制作之后体会到的。各方面工作都做好之后就剩论文答辩了，在未进行之前，我自己感觉论文答辩可能很难，心里难免有些许担心。真正经历之后才发现，任何在你认为难得事情都是因为你没有很好把握或者是准备工作没有做好。在整个 408 型自动灌装压盖联合机的论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。此次设计论文的完成既为大学三年划上了一个完美的句号，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。致 谢时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!同时三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。 本课题在选题及研究过程中得到谢丽华讲师的悉心指导。谢讲师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。谢讲师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对谢讲师的感激之情是无法用言语表达的。感谢各位老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。参考文献1璞良贵 机械设计（第七版） 北京：高等教育出版社 ,J,2004 2吴宗泽 机械设计 北京：高等教育出版社,J,2001 3钟毅芳等 机械设计（第二版） 武汉：华中科技大学出版社 ,J,2001 4谭庆昌 机械设计 长春：吉林工业出版社,J,2001 5黄华梁等 机械设计基础（第三版）高等教育出版社 ,J,2001 6余俊 机械设计（第二版） 北京：高等教育出版社 ,J,1986 7徐灏 疲劳强度设计 北京：机械工业出版社,J,1985 8徐灏 机械设计手册（第一版）北京：机械工业出版社,J,1992 9机械设计手册编委会 机械设计手册（第二版）北京：机械工业出版社 ,J2004 10蔡春源 机械零件设计手册（第二版）北京：冶金工业出版社,J,1994 11齿轮手册编委会齿轮手册（第二版） 北京：机械工业出版社， J,2004 12罗伯特 机械设计中的机械零件(英文版.第三版) 北京：机械工业出版社，J,2004 13约瑟夫 E.希格力机械工程设计(英文版.第六版) 北京：机械工业出版社，J,2002 14M.F.斯伯茨 机械零件设计 (英文版.第七版) 北京：机械工业出版社， J,2003 15Hildebrand K J. Integration of optical and mechanical design based on professional CAD software. Lens Design, Illumination, and Optomechanical ModelingJ. SPIE , 1997,3130:121-127.图 3.2 典型星形拨轮简图拨轮的尺寸要求以能很平稳的输送瓶子。如图 3.3 所示，通过类比实验，Rc与灌装机主体中的拨瓶螺杆有关。 若拨轮的外接圆与灌装机主体中拨瓶螺杆的外接圆相交，则 Rc尺寸大于瓶子半径。拨轮通常用不锈钢或酚醛树脂板制作，成双平放紧固在主轴端部，其高度和间距可根据被供送瓶罐的主题部位及其中心位置加以适当调整。图 3.3 拨轮截面图3.2 拨瓶轮主要结构参数设计计算3. 2. 1 拨瓶轮齿槽数（齿数）确定设要设计星形拨轮齿数为 Zb，灌装机的生产能力为 Q，拨轮主轴转速为 ，n依据单位时间内供瓶数应等于出瓶数（不考虑灌装过程中出现爆瓶现象） 。则（3.1）60bQn式中，Zb 齿数；Q 生产能力，瓶/时；转速， /min。nrad拨瓶轮齿数由 确定。/60bZn已知灌装机得生产能力 Q 瓶/时，初步确定拨瓶轮主轴转速与80:灌装机大转盘主轴转速的比例为 i5.大转盘主轴转速根据计算得出n13 /min.则可以确定拨瓶轮主轴转速 n15 /min.拨瓶轮齿数 Zb:rad rad/6080/615.79bZQn:选取拨轮齿数 Zb8。3. 2. 2 拨瓶轮节圆半径的确定设拨轮节圆半径为 Rb, Cb 为行星拨轮的节距，因为容器以等间距定时供送，则（3.2） 2bbRCZ（3.3）/对于旋转灌装机来讲，C b 应等于灌装阀的节距。在确定灌装机整体尺寸时确定的灌装阀节距尺寸Cb126 mm， Rb160mm 。用 Cb 带入验算：（3.4）/2bbRCZ16810.5m用 Rb 带入验算：（3.5）/bb22.6根据检验，对 Cb, Rb 进行优化设计，最后确定 Cb126mm，R b160mm。3. 2. 3 拨瓶轮其它尺寸的确定在本课题中灌装容器是啤酒瓶，因此拨瓶轮的材料在选择上应选用对酒瓶不会造成有磨损，击碎的现象。故选用尼龙 1010 材料。其结构如图 3.4 所示图 3.4 拨瓶轮装配结构图1拨轮 2拨轮盘 3拨轮轴 4传动齿轮图 3.5 拨瓶轮结构示意图拨轮中的尺寸 h 和 Rc 均由容器瓶的高度和直径来确定。它与灌装机中拨轮盘花齿尺寸有关，拨轮的尺寸以能很平稳地 输送瓶子为原则，可用类比或实验来决定。设计时尺寸 Rc 地决定方法；因为 Rc 与灌装机主体中地拨瓶轮花盘有关，若拨轮外接圆与灌装机主体中拨瓶花盘地外接圆相切时 Rc 等于瓶子半径；若与灌装机主体中拨瓶花盘地外接圆相交，则尺寸 Rc 大于瓶子的半径。而且拨轮在往灌装机大转盘拨瓶子的时候，为了能使瓶子均匀稳定地输送到大转盘而不被拨回来，尺寸 Rc 也应大于瓶子的半径，这可以由实验结果得知。由已知给定的参数瓶子半径 R40mm，则可确定尺寸 RcR+(23)mm ，即Rc42mm 。如图 3.5 所示，h 的高度是由瓶高来确定的，瓶子确定的高度是 280mm，拨瓶轮的厚度可以根据设计时按设计者给定的值。拨瓶轮给的厚度是 10mm，容器瓶从输送带过来瓶底离下拨瓶板的距离确定为 25mm，设该课题给定的容器瓶瓶颈为 105mm，直径为 70mm 的瓶身高出上拨瓶板为 25mm，保证瓶子的重心在两齿的中心附近。h 280202525105 85mm3. 3 包装容器与拨瓶轮的相对运动图 3.6 容器瓶与拨瓶轮相对运动分析拨轮的结构比较简单，设计时主要考虑齿槽形状。在包装容器的供送过程中，容器在末端堆挤在一起，要使不同形状的包装容器顺利导入拨轮齿槽，即齿槽不与拨轮发生碰撞，必须合理确定齿槽形状。为此，要分析被供送包装容器与拨轮之间的相对运动。可以用简化画法表示拨瓶轮与容器瓶的相对运动。实用中，多将星形拨轮与分件供送螺杆组合在一起，对此应指出一些特殊的设计要求。设拨轮的节圆直径 （半径为 ）,齿槽数为 ,主轴转速 , 则bDbRbZbn= = =320 （3.6）bCZ1268m= =15 （3.7）n0/inrad对旋转型灌装机， 等于灌装阀的节距至于能否取整数，则与整个川东部据有关。在此前提下，决定 不仅要考虑拨轮的外轮廓尺寸和齿槽的结构形式，b也要便于等分提高制造精度。实践表明，为合理设计星形拨轮齿槽的结构形式，必须深入研究它同被供送瓶罐的相对运动关系。如图 3.6 所示，通过拨轮主轴 O 取一静坐标系 ，oxy在通过该点及任一齿槽中心 C 取一动坐标系 。初始时二系的横纵坐标轴对oxy应重合，其次由 C 一点引节圆切线分别截取两个线段，令 = = 。已ac3mS:bC论证 。3mSb设星形拨轮以等角速度 做逆时针方向转动，经时间 t 转过角度 = ,bbt相应的齿槽中心 移至 ,而瓶罐中心以初速度 等加速度 移至 ,令 = , bvax由于其末速度 = = ，因此3mvbRa= - （3.8）vb60an= + （3.9）xa12t式中 ，在此过程中瓶罐相对拨轮的运动轨迹即为 - - 。若以瓶罐60tn ac中心绝对运动轨迹上的 点极坐标（ ）表示它的动坐标系中的位置。以图,r示几何关系写出（3.10）2()mbrDSx（3.11）3arcbtgR此即瓶罐与拨轮的相对运动方程，借以上两式画出瓶罐的相对运动轨迹及其外轮廓线，是以确定拨轮齿槽的形状尺寸，同时做出是否需切齿修整的判断。但是，要想从根本上解决两者互不干涉的问题，应进一步运用解析法加以剖析。设齿槽半径（即瓶罐主题部位半径） 所对应的拨轮中心角为 ，瓶罐相对运动轨迹终点 的切线与该点拨轮矢径的夹角为 ，那么保证啮入不干涉的基c b本条件应是（3.12）arcsin2bbR由于（3.13）dttgr借（3.10）和（3.14）3arcmbSxt应用罗比塔法则导出（3.15）2btgR代入式（3.10）,得（3.16）(arcsin)bbt（3.17）012336mCS将（3.15）带入（3.14）（3.18）01232()arcsinbmmbRCSiitg总之，当 为定值时，通过调整 可达到瓶罐啮入拨轮齿槽01,bSR3,（其外轮廓形状尺寸与瓶罐啮合部分完全一致）不产生任何干涉的目的。在这方面，与分件供送螺杆的转速变化毫无关系 10。3. 4 拨瓶轮主轴的设计计算3. 4. 1 轴材料的确定根据其受力情况和传动精度等要求进行。轴的失效形式一般有断裂、磨损、超过允许的变形及磨损等。因此轴的设计应满足下列条件：a.足够的强度；b.足够的刚度；c.不产生危险的振动；d.结构和选材合理。拨瓶轮主轴在大转盘传动齿轮带动下转动，速度根据灌装机生产效率不同而变，并且装有滑动轴承，所以可选用合金钢和碳钢。45 调质钢。由于碳钢比合金钢廉价，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耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳刚制造轴。其中最常用的为 45 钢。3. 4. 2 轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形，和全部结构尺寸。轴的结构设计主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构性时又要随着具体情况的不同而异，所以，轴没有标准的结构形式。设计中，必须针对不同情况进行具体分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。3.7 轴结构示意图轴尺寸的确定：根据灌装机整机的要求以及拨瓶轮结构的要求最终确定主轴各尺寸如图 3.7 所示。轴上零件的固定方法为了保证零件在轴上有固定的位置，必须将零件在径向、轴向和周向予以固定。a.轴上零件的径向固定：一般靠零件内孔与轴径的配合性质来保证，配合表面为圆柱形。b.轴上零件的轴向固定：用轴肩固定，其特点是结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力。c.轴上零件的周向固定：键槽起到齿轮的周向固定和拨瓶板的定位作用。d.确定轴上的圆角和倒角尺寸 1。3. 5 传动齿轮的设计3. 5. 1 选择齿轮的材料由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较强的抗磨损，抗点蚀，抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。常用的齿轮材料有钢，铸铁和非金属材料等。在本课题里齿轮为轻载，低或中速、精度较高下工作，齿轮选用钢做材料。为使齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为 250350HBS。3. 5. 2 主要尺寸的确定设计灌装机时为了防止瓶托在升降时与齿轮产生干涉，拨轮板直径与大转盘不发生碰撞，齿轮的分度圆尺寸在确定时与拨轮板的直径相等。如图 3.7 所示分度圆直径 d1312mm。齿数 z：根据 d1m z ，模数 m 已确定 m2，则 zd/m3122156齿数也可以根据传动比来确定，大转盘主轴上的大齿轮分度圆直径d21200，大齿轮的齿数 z2600，传动比 i5，同样可以确定齿数 z1120。全齿高： afh式中：ha齿顶高 hf 齿根高 facm正常齿标准 ， 1ah0.25c求得 h4.5mm。圆整 h4mm。齿宽 b：由齿轮的强度计算公式可知，轮齿愈宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数硬取得适当。因为灌装机在工作时载荷很小，传动速度不是很大。所以可以选越小的齿宽系数 2。图 3.7 传动齿轮图4 螺旋限位器设计及计算进出瓶系统按照灌装的工作要求是准确地将待灌瓶送入自动机，以保证灌装机正常的有秩序地工作。洗刷干净的待灌瓶由传送带送来后，为了防止挤坏、堵塞和准确的送入自动机，因此必须设法使瓶子单个的保持适当的间距以适应的速度送进。目前，瓶子的定时给进多采用拨盘式或螺旋输送器等限位机构。4. 1 螺旋限位器方案确定4. 1. 1 花盘式限位机构如图 4.1 示，其工作过程如下：当推瓶板 7 向前运动时，将待灌瓶推向灌装工作位置。这时虽然推瓶板拨动了上拨盘 6，由于固定于下拨盘的销子 8 处在上拨盘的滑道中，故销子 8 不动，杠杆 4 也不动，当推瓶板返回时，又拨动上拨盘，此时销子处于上拨盘滑到的尽头处，因此销子再上拨盘带动下运动，下拨盘因此顺时针转动。下拨盘 9 的拨杆拨动杠杆 4，使其左端离开棘轮 2。于是，待灌瓶在传送带的推动下逐个进入限位花盘 1 齿间并且带动它传动。当限位花盘拨过 5 个瓶时，棘轮被杠杆卡住，不在继续送瓶，这样进行重复动作，即可每次 5 瓶进行送瓶灌装工作。图 4.1 花盘式限位机构1限位花盘 2棘轮 3待灌瓶 4杠杆 5弹簧 6上拨盘 7推瓶板 8销子 9下拨盘 10轴 11底座4. 1. 2 螺旋限位机构在包装工业领域内，现以广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置，可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物件以确定的速度、方向和间距分批或逐个地送到给定的工位。本设计主要用来分件单列供送正圆柱形的典型组合装置，此分件供送装置是整个灌装设备的“咽喉” ，其结构特性的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局和自动化水平。图 4.2 三段式分件供送螺杆如图 4.2 所示，圆柱螺杆的前端多呈截锥台形（斜角约为 3040） ，而后端则有同瓶主体半径相适宜的过渡角，以利改善导入效果，缓和输入输出两端的抖振和磨损，延长使用寿命。同时为了使待灌瓶逐个依次顺利导入螺旋槽内，增速达到预定间距借助拨轮有节奏地引导到包装工位，因此将螺杆应用于高速分件定时供送，其螺旋线最标准的组合模式包括：a.输入等速段，有助于稳定的导入。b.变加速段，加速度由零增至某最大值，以消除冲击。c.等加速段，与输送带拖动待灌瓶的摩擦作用力相适应，采用等加速运动规律使之增大间距，可保证在整个供送过程中与螺旋槽有着可靠的接触点而不易晃动和倾倒。d.输出等速段，以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态。