等压灌装机的传动系统设计

传动系统等压灌装机的传动系统图如图所示：调速电动机1经过无极变速器2、蜗轮蜗杆减速器3带动出瓶星轮转动，通过齿轮5、6、10带动主轴转动，从而带动储液箱9转动；齿轮5、6、10、12带动进瓶星轮11转动，链轮14和锥齿轮15、16带动分件供送螺杆装置转动，实现整机正常运转，传动路线如下所示：图2灌装机传动系统图1电机 2-带式无极变速器 3-蜗轮蜗杆减速器 4-轴 5、6、10、12-齿轮 7-出瓶星轮 8-主轴 9-储液箱 11-进瓶星轮 13-供送螺杆 14-链轮 15-、16-锥齿轮4.灌装机的设计及计算4.1 生产能力 灌装机的生产能力可用下式计算: Q=60nj (1) 式中: Q生产能力(瓶/小时); j灌装机头数; n灌装台的转速(转/分)。 本设计的灌装机的灌装机头数j=60个，生产能力Q=15000-22000瓶/小时 则 n=Q/60j=15000/60*60=4.2r/min由式(1)可见,要提高灌装机的生产能力就必须增大头数a和转速n。如果采用增大灌装机的头数a来提高生产率,那么,灌装机的旋转台直径也要相应增大,这不仅使机器庞大, 而且在转速一定的情况下,还必须考虑离心力的影响,即瓶托上的瓶子在尚末升瓶压紧灌装阀之前以及在灌满液料降瓶离开灌装阀之后,其绕立轴旋转时产生的离心力都必须小于瓶子与瓶托之间的摩擦力,否则瓶子将会被抛出托瓶台,从而影响正常操作,由此可得灌装头中心到立轴中心的距离,必须满足下列不等式: R900gf/ 2 n 2 (2)公式(2)中: f瓶与托瓶台间的摩擦系数，则R900*g*f/3.14*3.14*n*n=900*9.8*12/3.14*3.14*3.6*3.6=828mm 取R=824mm 如果采用增大立轴的转速n来提高生产率,那么,除同样需要考虑离心力的影响外,主要的还需考虑灌装时间的影响,当n值提高,但液料灌装速度没有提高而与n值不相适应时,瓶子在旋转台上转动一周的时间内并末能灌满,没有达到定量要求,生产循环也因此受到破坏。星型拨轮和螺杆设计1 星型拨轮的原理 此机构是将瓶的限位器送来的瓶子，准确地送入灌装机中瓶的升降机构或将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。2 星型拨轮的设计如图所示:拔瓶轮中的尺寸h及Rc均由瓶子的高度和直径来决定, 拔瓶轮一般采用酚醛层压板等材料,以免与玻璃瓶产生硬性碰撞,拔瓶轮一般由上、下两片组成,为了保证拨轮与托瓶台的位置相对应, 在轮片上应开在轮片上应开有弧槽形孔,调好后再安装在转轴上。为了使瓶子稳定传送,在传送图3 传送螺杆与星型拨轮组合简图1-分件供送螺杆 2-弧形导板 3-星型拨轮 4-容器带旁边还需要安装护瓶杆,在进出瓶拔轮外还要安装导板,护瓶杆离开传送中心线的距离要可调,以适应不同规格的瓶子。 另外,送瓶机构不仅要将瓶子分隔转弯,而且传递速度必须与洗瓶机的速度匹配, 否则易出现倒瓶、缺瓶或阻塞现象,为了防止倒瓶时影响正常生产,某些灌装机在分件供送螺杆、拔轮的传动部分安装有离合器,一旦出现故障使其自动停转,有的还安装微动开关, 当离合器脱开的同时,压迫微动开关,使全机停转。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。由已知给定的参数瓶子半径R40mm，则可确定尺寸RcR+(2 3)mm，即Rc42mm。图4拨瓶轮装配图结构图1- 拨轮 2拨轮盘 3拨轮轴 4传动齿轮图5拨瓶轮结构示意图 图6拨轮截面图本设计中采用的6个齿数的星型拨轮，本设计瓶的规格是: 容量 640ml 直径 D=80mm 瓶高 H =290mm 瓶口内径 r=16mm 外径 r 1=26mm 所以h=85mm Rc=42mm若已知螺杆的转速n,星型拨轮的齿数Z b及节距C b,则拨轮的转速 nb=n螺 /Zb (3) 星型拨轮的齿数 Zb=6 个 50n=6n b 则 nb=50n/6=35r/min 由公式(3)可得: n 螺 =nbZb=356=210r/min拨轮的节圆直径 D b=CbZb/3.14=162.216/3.14=308mm 4.3 拨瓶轮的主轴设计计算4.3.1 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，因此采用碳刚制造轴。其中最常用的为 45 钢。4.3.2 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。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。 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图 7 轴结构图4.4 传动齿轮的设计4.4.1 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。4.4.2 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。分度圆直径 d1312mm。 齿数 z：根据 d1mz ，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。ha-齿顶高 h a=ha+mhf-齿根高 h f=(ha+C+)m正常齿标准 h a+=1,c+=0.25.求得 h=4.5mm.圆整 h=4mm。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。图 8 传动齿轮图4.5 螺杆的设计4.5.1 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。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.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。c.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。4.5.2 螺旋限位器主要结构参数设计计算当物件被速输送带拖动前进时,如果让整个变螺杆对它仅起一定的隔挡的作用,并在末端与星型等拨轮取得速度的同步显然应保证输送带的运行速度 Vl,螺杆的最大供送速度 V3m和拨轮的节圆线速度 Vb均相等,即：Vl=V3m=Vb=Cbn 螺 =3*210=630r/min 图 9 螺旋线展开示意图4.5.3 螺杆的等速段对供送件是啤酒瓶,其为正圆柱形物件,令其主体部位的圆弧半径为p,螺杆的内外半径各为 r0,R,可取 Rr 0+p （ 4 ）图 10 三段式组合螺在一般的情况下,对于 r0值主要是依靠螺杆芯部及其支轴的积垢强度和尺寸等因素加以确定的,但个别场合也有单从满足某种工艺要求的角度来考虑这个问题,综合考虑 r0=22.5mm P=D/2=75/2=32.5mm 由公式(4)得:Rr0+p=22.5mm+32.5mm=55mm 取 R=35mm 则螺杆的外径径 D=2*R=2*35mm=70mm 螺杆的等速段的螺距应取:S 01=2p+k (5) 式(5)中的 k-两相邻物件间的平均间隙(一般约为几 mm,主要与物件加工精度有关) 则取 k=5mm 螺距 S 01=2p+k=232.5mm+5mm=80mm 设等速段螺旋线的最大圈数为 i1m(通常为 1),而其中间任意0i1i1m,又因等速段外螺旋线展开图形是一条斜直线,故相应的螺旋角 tana 01=S01/D=80/3.1470=0.364 a 01=20轴向长度 H1m=S01i1m=80mm1=80mm供送速度 V0=S01n 螺 =80mm180r/min=14400mm/min 若物件的送入速度 vrv0,那么最好借助可调式波形尼龙板或刷板等缓冲装置使其减速:反之,当 vrv0时,就只能依靠输送带对物件所起的摩擦拖动作用加速,以接近于螺杆的初始供送速度,据次求得供入段的输送长度 : Lr(v 02 vr2)/2ud*g (6) 式中 ud-物件与输送带的滑动摩擦系数 g-物件的重力加速度 另外,分析了沿螺杆全长物件与输送带的最大速差: Vm=Vr-V0=(Cb-S01)n 故知拨轮节距和螺杆转速都不宜过大,以免加快板链工作的表面的磨损,并对物件引起强烈的震动。(b) 螺杆的等加速段 令螺杆等加速段的供送加速度a3=a- H3=S01+a-/2n2(4i2m/3.14+i3)i3 (7) a-/n2=* (Cb-S01)/(2i2m+3.14i3m) (8) 这表明，等加速段的供送加速度与螺杆转速的平方成正比：当星型拨轮节距和等速段螺距均保持定值，如果适当地增加后两段螺线的总圈数，则湖会有助于降低螺杆的供送加速度，或提高螺杆转速。（1i2m 2） 根据公式（8）可求等加速段定区间（1i 3i 3m）内的任意螺距值 最大螺距 : S3m=Cb-*(C b-S01)/2(2i2m+3.14i3m) (9) S3m=162.21-3.14(162.21-80)/2*(2*1+3.14*3) =151.21mm 应取的S3m151.21mm 等加速段的最大轴向长度 H3m，则与拨轮节距 Cb,螺距 S01及圈数i2m,i3m有关，(3i 3m5则有公式：(1i 3i 3m) H3=S01+*(C b-S01)/2(2i2m+3.14i2m)(4i2m/3.14+i3m)i3 (10) H3m=S01+(Cb-S01)(4i2m+3.14i3m)/2(2i2m+3.14i3m)i3 (11)H3=80+3.14(162.21-80)/2(22+3.142)(42/3.14+3)1.689 =88mmH3m=80+(162.21-80)(41+3.143)/2(21+3.143) 1.89 =245mmH1-3=H1m+H3m=80+245=325(mm)瓶的直径 D=75mm ，则螺杆的曲线 R32.5mm,根据实际情况可取R=41.5mm。4.5.4 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。图 11 螺杆的位移、速度、加速度变化曲线示意图 7.1 气动与机械混合式此装置采用以气动机构托瓶升起、用凸轮机构将已装料瓶降下的组合式升降机构，它利用气动机构托瓶升起具有自缓冲功能，托瓶平稳，且节约时间，同时又利用凸轮机构较好获得平稳的运动控制的特，使托瓶升降运动得到快而好的工作质量。图 15 气动 机械混合式升降瓶机构图1-托平台 2-套筒 3-螺钉 4-密封垫 5-柱塞 6-凸轮导轨 7-滚动轴承8-方垫块 9-环管 10-卡块气动机械混合式升降机构如图所示。配有托平台 1 的套筒 2可沿空心柱塞 5 滑动方垫块 8 起导向作用，防止套筒升降时发生偏转。升瓶时，压缩空气由柱塞下部经螺钉 3 上的中心孔道进入套筒内部，以推脱，托瓶运动，其速度通过凸轮导轨 6 和滚动轴承 7 加以控制，直至工作台转到降瓶区后才完全依靠凸轮的强制作用将套筒连同托平台 1 压下。同时，柱塞内部的压缩空气被排与各托瓶缸气路相连的环管中，再由此进入其他待上升的托瓶缸内。该机构工作平稳，得到广泛应用。