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I 畢業(yè)設計報告 論文 報告 論文 題目 灌裝缸與灌裝閥設計 1 作者所在系部 機電工程學院 作者所在專業(yè) 機械設計制造及自動化 作者所在班級 B13113 作 者 姓 名 張東風 作 者 學 號 20134011331 指導教師姓名 丁紅軍 企業(yè)指導教師姓名 王海東 完 成 時 間 2017 年 5 月 31 日 北華航天工業(yè)學院教務處 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 I 摘 要 灌裝機是酒水 飲料類等食品加工行業(yè)的關鍵設備之一 目前正向著灌裝的高速化 精確化 以及智能化 多功能化方向發(fā)展 此設計針對傳統(tǒng)罐裝機性能比較單一 自動化程度低 通用性差 灌裝速度調(diào)整不 方便 而且難以適用瓶形 液體物料及灌裝規(guī)格的變化等問題 結合全自動液體灌裝的 工藝流程 分析了全自動液體灌裝機的工作過程及其主要部件的功能 重點介紹了全自 動液體灌裝機灌裝閥工作原理及控制要求 全自動液體灌裝機實現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化 精確化 智能化 多功能化以及操作界 面人性化的要求 將液體商品裝入瓶 罐 桶等包裝容器內(nèi)的操作 稱為灌裝 灌裝缸與灌裝閥是灌 裝機設計中最重要的一部分 我國目前的灌裝設備已經(jīng)比較成熟了 但灌裝閥設計比較 繁瑣 本文主要介紹了灌裝缸及灌裝閥主要設計內(nèi)容 關鍵詞 灌裝缸 灌裝閥 灌裝機發(fā)展 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 II Abstract Filling machine is one of the key equipments in the food processing industry such as drinks and drinks At present it is developing towards high speed accurate intelligent and multifunctional filling The design for the traditional canned machine performance is relatively simple low degree of automation poor universality convenient adjustment and filling speed it is difficult to apply bottle shaped liquid material and filling specifications change combined with the process of automatic liquid filling analyzed the working process of automatic liquid filling machine and its main parts of the function and introduced the automatic liquid filling machine filling valve working principle and control requirements The automatic liquid filling machine realizes the requirements of filling high speed precision intelligence multifunction and humanization of operation interface The operation of filling liquid goods into containers such as bottles cans drums etc is called filling Filling tank and filling valve are the most important parts in the design of filling machine The filling equipment in our country is more mature now but the design of filling valve is very complicated The main design contents of filling tank and filling valve are introduced in this paper Key words filling tank filling valve filling machine development 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 I 目 錄 摘 要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 本課題的研究內(nèi)容和意義 1 1 2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 1 3 本課題應達到的要求 2 第 2 章 廊坊百官包裝機械有限公司簡介 3 第 3 章 灌裝生產(chǎn)線整體結構設計 4 3 1 灌裝機的主要類型選取 4 3 1 1 灌裝機的運動形式 4 3 1 2 自動化灌裝機 5 第 4 章 罐裝的基本原理 6 4 1 灌裝的基本方法 6 4 1 1 等壓法 6 4 1 2 常壓法 6 4 1 3 真空法 7 4 1 4 虹吸法 8 4 1 5 壓力法 8 第 5 章 罐裝缸的分析與設計 10 5 1 罐裝缸的設計要求 10 5 2 罐裝缸的設計概要 10 5 3 罐裝缸的設計圖紙 11 第 6 章 罐裝閥的分析與設計 12 6 1 灌裝閥的工作原理 12 6 2 閥的各部分的設計與計算 12 6 2 1 閥端結構的設計分析 12 6 2 2 閥的受力分析 13 6 2 3 灌裝時間的計算和過程 14 6 2 4 灌裝閥彈簧的分析與設計 16 第 7 章 結論與展望 21 附件 22 致 謝 22 參考文獻 23 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 對于灌裝閥來說 它是灌裝過程中的核心部位 假如缺少了灌裝閥 自動灌裝生產(chǎn) 線就無法運轉工作 且一個灌裝閥設計的好壞決定了這個灌裝生產(chǎn)線上運作的效率 它 需要跟據(jù)灌裝工藝的要求以最快的速度接通或斷開與儲液箱的聯(lián)系 保證灌裝工作的順 利的進行 不同的液體的物理化學性質(zhì)并不是相同的 因而導致灌裝工藝的不同 因此 所使用的閥體也并不相同 不同的灌裝設備使用不同的閥體 諸如飲料 灑類 液體化 妝品之類 為了能夠更好地達到灌裝生產(chǎn)線的自動化 提高灌裝生產(chǎn)線的效率 解決自動化灌 裝生產(chǎn)的各種問題 保證產(chǎn)品的質(zhì)量 特進行本課題關于液體灌裝生產(chǎn)線灌裝閥設計研 究 1 1 本課題的研究內(nèi)容和意義 隨著科學技術的日益發(fā)展 人們的生活水平也是逐步的提高 由以前小農(nóng)社會的自 給自足發(fā)展到由大型公司生產(chǎn) 人們?nèi)ゲ少彽纳唐方?jīng)濟 而在此過程中由于人口基數(shù)的 增大 伴隨著人工成本的增加自動化的生產(chǎn)已迫在眉睫 亟待解決 為了滿足國內(nèi)的消費需求來補充國內(nèi)生產(chǎn)力的不足 我國從上世紀八十年代開始每 年都要進出口大量的飲料 奶制品以及酒類等包裝機械 至今引進的趨勢仍然是呈現(xiàn)上 漲勢頭 這些包裝機械大部分是高速自動化的生產(chǎn)線 可靠性比較強 產(chǎn)量高 相當?shù)?部分設備是當今全國 乃至世界最為先進的機型 這些生產(chǎn)線的引進 使中國飲料 奶 制品以及酒類企業(yè)包裝水平得以與發(fā)達國家同步發(fā)展 與此同時 中國的包裝機械的生 產(chǎn)也取得了更加顯著的進步 部分灌裝 封口一體設備已經(jīng)達到了相對較高的水平 包 括塑料飲料瓶 玻璃飲料瓶 酸奶瓶 無菌包裝等成型設備以及貼標機在內(nèi)的包裝生產(chǎn) 線的水平也得到了相當程度的提升 基本可以滿足企業(yè)的需求 甚至部分已經(jīng)可以替代 進口設備 并且出口量逐年提高 灌裝閥是灌裝機中尤其重要的部分 應用十分廣泛 每年使用量相當巨大 國內(nèi)在灌裝速度和精度上與國際水平還有一定的差距 因此對灌 裝閥再次研究設計 若是可以取得成功 那將大大加快中國包裝機械行業(yè)的發(fā)展步伐 提高包裝行業(yè)在國際中的地位 1 2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 近些年來 由于科學技術的突飛猛進 機械行業(yè)也取得了快速的發(fā)展 特別是自動 化 智能化技術的廣泛應用 讓人類社會快速的進入到自動化時代 灌裝機行業(yè)也受益 匪淺 同時 由于灌裝機市場需求巨大 國內(nèi)眾多企業(yè)加入了這一行業(yè) 國外企業(yè)也瞄 準了我國市場 這樣就給灌裝機企業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的競爭壓力 因而 面對內(nèi)憂外患的市場 國內(nèi)灌裝機生產(chǎn)廠家還是積極發(fā)展 不斷的學習先進 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 技術 特別是自動化 智能化技術 應用于灌裝機的研制生產(chǎn)中 讓其更好的符合時代 發(fā)展潮流 同時 根據(jù)國內(nèi)多元化市場發(fā)展的需求 對灌裝機設備進行多元化發(fā)展 使 其種類不斷的增多 國產(chǎn)灌裝機生產(chǎn)廠家面臨的困境是 技術水平較為落后 公司的規(guī)模和資金相對國 外還存在一定的差距 這同時也是許多灌裝機生產(chǎn)廠家所共同面臨的困境 但在這樣的 困境下 國內(nèi)灌裝機積極引進國外先進技術 對其灌裝機設備進行認真的研究和學習 同時根據(jù)國內(nèi)市場的需求進行升級改造 灌裝機經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展 已經(jīng)成為我們國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈 是眾多工業(yè)產(chǎn) 品出廠前必走的環(huán)節(jié) 我們所熟知的液體灌裝機 食用油灌裝機 膏體灌裝機等更是眾 多工廠追捧的對象 作用不容小覷 1 3 本課題應達到的要求 鑒于飲料 酒類一類的以及化妝品等生活用品已在人們的生活中占有越來越大的比 例 從而大大帶動了灌裝行業(yè)的迅速發(fā)展 因而 在對灌裝閥設計的過程中我們應該立足于當代現(xiàn)實情況 要能夠滿足自動化 的生產(chǎn)且擁有一定的效率 同時在設計產(chǎn)品的過程中要全面了解灌裝的原理以及各過程 的詳細步驟 對于各部件的功能需要詳細的了解 在保證產(chǎn)品功能的基礎上盡量提高生 產(chǎn)的效率 考慮灌裝閥在灌裝整體中的作用 對灌裝機的全局整體機構和布置進行考慮 合理的對灌裝閥進行布置以達到更高的生產(chǎn)效率 人類自從采用容器盛裝液體以后 就產(chǎn)生了灌裝方法 十九世紀末二十世紀初以前 通常使用水罐 水杓進行人工灌裝或直接將容器浸入液料中進行灌裝 大約在 1980 年美 國 Horix Kiefer 和 U S BottLers 等三家公司開始制造容器灌裝的機械裝置 第一臺商業(yè) 用灌裝機是 Kiefer 公司制造 Horix 公司于 1920 年首次制造了重力灌裝機 用于灌裝番 茄醬 這家公司至今仍生產(chǎn)灌裝機 二十年代初這幾家公司著手生產(chǎn)回轉式灌裝機 其 中 U S 公司制造的是純真空灌裝機 二十世紀以來 灌裝機械工業(yè)發(fā)展迅速 那時灌裝 的速度取決于人工將瓶子對準灌裝閥 等待瓶子灌裝完畢所需的時間 今天 回轉式自 動灌裝機的生產(chǎn)能力己達每分鐘 2000 瓶 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 第 2 章 廊坊百官包裝機械有限公司簡介 廊坊百冠包裝機械有限公司 原廊坊包裝設備制造總公司 是國內(nèi)最早生產(chǎn)液體灌裝 機械的廠家之一 是集設計 制造 銷售 服務于一體的專業(yè)包裝機械制造企業(yè) 是中 國食品和包裝機械工業(yè)協(xié)會副理事長單位 中國輕工機械協(xié)會常務理事單位 中國機械 工業(yè)聯(lián)合會 中國飲料工業(yè)協(xié)會會員單位 被認定為河北省企業(yè)技術中心 被國家經(jīng)貿(mào)委 批準為具有自營進出口權的企業(yè) 公司 2002 年通過了 ISO9001 2000 版質(zhì)量體系的升級 2004 年通過了國際 CE 產(chǎn)品安全認證 近年來一直被中國飲料工業(yè)協(xié)會及行業(yè)內(nèi)的權 威專家評為飲料灌裝設備優(yōu)秀供應商 公司現(xiàn)資產(chǎn)總規(guī)模超過億元 擁有 300 多臺專業(yè)加工設備和 400 余名員工 公司擁 有 30 多項專有技術 產(chǎn)品在國內(nèi)被北京匯源 承德露露 大寨核桃露 吉林泉陽泉 山 東趵突泉 可口可樂 日本大冢 統(tǒng)一等知名飲料生產(chǎn)廠家廣泛使用 并出口到美國 日本 加拿大 俄羅斯 東南亞 中東 非洲等國家和地區(qū) 信譽是品牌的生命 科技是創(chuàng)新的源泉 公司注重產(chǎn)品開發(fā)的高起點 高品位 在 引進國外先進技術的基礎上消化吸收 進行了飲料工藝技術的深入研究 掌握并豐富了 液體灌裝的核心技術 并已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化的條件 公司儲備了一支陣容強大的科研開 發(fā)隊伍 匯集了一大批機械 電子及飲料工藝方面的專業(yè)人士從事產(chǎn)品研發(fā)工作 每年 有十多項新產(chǎn)品推向市場 上世紀九十年代初 公司投入大量資金建立了 CAD 研發(fā)中心 現(xiàn)代化的設計手段極大地提高了研發(fā)質(zhì)量和效率 能夠快速而準確地完成大型工程項目 的整廠設計 產(chǎn)品結構上既保持了中小型含氣等壓灌裝設備在國內(nèi)的優(yōu)勢地位 又實現(xiàn) 了大中小型不含氣灌裝成套設備的系列化生產(chǎn) 并適時地提出并實施了向多品種 多功 能 高技術 大型化 成套化方向發(fā)展的戰(zhàn)略 2005 年成功研發(fā)了適用于貴重液體灌裝 的電子稱重式高精度定量灌裝封口機 可應用于無菌冷灌裝的生產(chǎn) 公司融匯了國內(nèi)外 先進的制造技術和豐富的整廠設計經(jīng)驗 從項目的運作到后期的執(zhí)行 專業(yè)化的隊伍可 為您提供優(yōu)質(zhì)快捷的服務 現(xiàn)已發(fā)展成為國內(nèi)生產(chǎn)飲料灌裝設備技術水平最高 品種最 齊全的廠家之一 公司秉承 系統(tǒng)化 專業(yè)化 規(guī)模化 規(guī)范化 國際化 的經(jīng)營理念 以敏銳的市場觸覺和博大的合作精神 為您生產(chǎn)完美的產(chǎn)品提供有力的技術保障和全面 的支持 嚴格規(guī)范的質(zhì)量監(jiān)控體系是產(chǎn)品贏得用戶 占領市場的保障 公司上下貫徹 誠信 為本 法規(guī)為準 顧客為首 精品為求 的質(zhì)量方針 為確保整機生產(chǎn)性能的穩(wěn)定 從 原材料 配套件采購 到零件的加工制造 組裝出廠全過程 各環(huán)節(jié)都處于受控狀態(tài) 公司具備國內(nèi)一流的加工設備和專業(yè)的技術職工 關鍵零部件都建立了數(shù)據(jù)跟蹤和數(shù)據(jù) 分析系統(tǒng) 主要元器件均采用進口 提高了產(chǎn)品的可靠性 制造精品 成為公司每個員 工的第一工作準則 公司形成了完善的質(zhì)量體系 嚴格把關 精益求精 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 4 第 3 章 灌裝生產(chǎn)線整體結構設計 3 1 灌裝機的主要類型選取 在灌裝機械生產(chǎn)線上灌裝的種類繁多 分類方式多種多樣 可以按照運動形式可以 分為 旋轉型和直線型灌裝機 按照自動化程度分為單機自動機和聯(lián)合自動機 3 1 1 灌裝機的運動形式 1 旋轉型灌裝機 待灌瓶由傳送系統(tǒng) 一般經(jīng)洗瓶機由輸送帶輸入 或人工送入灌裝機進瓶機構 瓶子 由灌裝機轉盤帶動繞主立軸旋轉運動進行連續(xù)灌裝 轉動近一周時瓶子己灌滿 然后由 轉盤送入壓蓋機進行壓蓋 如圖 3 1 3 2 所示 這種灌裝機在食品 飲料行業(yè)應用最廣泛 如汽水 果汁 啤酒 牛奶的灌裝 此 機主要由流體輸送 即供料系統(tǒng) 容器輸送 即供瓶系統(tǒng) 灌裝閥 大轉盤 傳動系統(tǒng) 機體 自控等部分所組成 其中灌裝閥是保證灌裝機能否正常工作的關鍵 2 直線型灌裝機 灌裝瓶沿著平直的直線運動 進行成排灌裝 見圖 3 3 凡送來一排空瓶由推瓶板 向前推送一次 到送至灌液管的下方時 閥門打開進行灌裝 間歇進行操作 圖 3 1 瓶子在灌裝過程中的俯視圖 圖 3 2 瓶子在灌裝過程中展開示意圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 圖 3 3 直線型灌裝機工作原理圖 定量灌裝 上蓋 將瓶蓋擰緊 貼商標 待裝盒裝箱 1 推瓶板 2 限位撥 3 11 13 傳送帶 4 傳送盤 5 瓶子 6 上蓋機構 7 料斗 8 擰緊機構 9 商標盒 10 漿糊盒 12 推料板 14 儲液箱 15 灌裝管 這種灌裝機相對旋轉灌裝機來講 結構比較簡單 制造方便 但占地面積比較大 而且是間歇運動 生產(chǎn)能力的提高也受到一定限制 因此一般只用于無汽液料類的灌裝 局限性較大 3 1 2 自動化灌裝機 該類型可分為 單機自動機和聯(lián)合自動機 可以包括連續(xù)進行洗瓶 灌裝 壓蓋 貼 標 裝箱等工序 自動灌裝以采用機械傳動控制為主的最普遍 此外 還有按灌裝方法 關閉裝置及定量裝置等多種分類方法 具體的詳細內(nèi)容見 表 3 1 表 3 1 灌裝機分類表 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 第 4 章 罐裝的基本原理 4 1 灌裝的基本方法 由于不同類型液體在不同液體灌裝過程中的物理化學性質(zhì) 為了保證灌裝過程的安 全性和高效性進而設計不同的灌裝方式 這是不同灌裝方式的必然結果 在這里 我們 選擇集中常用的灌裝方法進行介紹 其中在本次設計中我們采用壓力灌裝方法 4 1 1 等壓法 等壓法灌裝液體是用儲罐箱上部壓縮空氣對包裝容器充氣使其壓力接近相等 然后 灌裝液體物料通過重力自動流入容器的灌裝方法 等壓灌裝過程如下 一 充氣等壓 二 進液回氣 三 停止進入 四 釋放壓力 釋放殘余的空氣從瓶到大氣中 從 而避免了大量氣泡的產(chǎn)生 從而影響包裝質(zhì)量和定量的準確性 等壓灌裝適用于啤酒 汽水等含氣飲料的灌裝 減少其所含二氧化碳的損失 4 1 2 常壓法 常壓法也稱純重力法 即灌裝是在大氣壓力下直接依靠被灌裝液料的自重流入包裝容 器內(nèi)的灌裝方法 常壓灌裝的工藝過程為 1 進液排氣 即液料進入容器 同時容器內(nèi)的空氣被排除 圖 4 1 常壓閥灌裝工作狀態(tài) 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 7 2 停止進液 即容器內(nèi)的液料達到定量要求時 進液自動停止 3 排除余液 即排除氣管中的殘液 圖 4 2 常壓閥灌裝工作狀態(tài) 常壓法灌裝法是在常壓下灌裝的 因此 灌裝系統(tǒng)較為簡單 液體產(chǎn)品由高位槽或泵 經(jīng)輸液管送進灌裝機的貯液箱 貯液箱內(nèi)液面一般由浮子式控制器保持基本恒定 貯液箱 內(nèi)的流體產(chǎn)品再經(jīng)過灌裝閥的開關進入待灌容器中 4 1 3 真空法 所謂真空灌裝是指灌裝過程是在處于地獄大氣壓力下進行的 可分為兩種真空灌裝 方式 1 重力真空式 此方法是讓貯液箱內(nèi)處于真空的環(huán)境 然后對包裝容器抽氣讓其內(nèi)的氣壓與貯液箱 處于幾乎相等的真空環(huán)境 此時液料通過自身的重力流進包裝容器之中 此方法擁有適 合灌裝年度較大 延長罐裝產(chǎn)品保質(zhì)期 在灌裝有毒物能夠不讓毒氣揮發(fā)保護工人的身 體健康等優(yōu)點 但是由于結構比較復雜制造技術較高 國內(nèi)的應用推廣較少 圖 4 3 重力真空灌裝示意圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 2 壓差真空式 此法是讓讓貯液箱內(nèi)部處于常壓狀態(tài) 只對包裝容器內(nèi)部抽氣 使其形成一定的真 空度 液料依靠兩容器內(nèi)的壓力差 流入包裝容器并完成灌裝 由于其設備結構簡單 方法可靠所以國內(nèi)大部分采取此法進行灌裝 4 1 4 虹吸法 虹吸法是利用虹吸原理使液料從貯液箱經(jīng)由虹吸管被吸入容器內(nèi) 直至兩個的液位 相等 此方法在早起就已出現(xiàn) 由于其原理設備標膠簡單所以為人們所容易接受 但由 于其效率的低下已經(jīng)不適應在科學日益發(fā)展自動化普及的現(xiàn)代化社使用 圖 4 4 虹吸法灌裝及供料示意圖 1 虹吸管 2 浮子 3 灌裝閥 4 灌裝頭 5 貯液杯 6 貯液箱 7 進液閥 8 進液管 4 1 5 壓力法 壓力灌裝是借助機械或氣液壓等裝置控制活塞往復運動 將粘度較高的液料從料缸 吸入活塞缸內(nèi) 然后再強制壓入待灌容器中的 此方法主要應用在灌裝粘度較大的物質(zhì) 比如牙膏 番茄醬等 也可用于汽水一類的灌裝由于是氣壓直接把汽水壓入瓶內(nèi)所以灌 裝速度在一定的程度上得到提高 但由于汽水本身不含有膠質(zhì)物質(zhì) 易形成泡沫消失 所以對于灌裝質(zhì)量有一定的影響 壓力灌裝是利用機械或氣動 液壓等裝置來控制往復活塞的運動 將粘度較高的液 體材料從氣缸中吸入活塞缸 然后強行將液料壓入容器中 這種方法主要用于填充更多 的粘性物質(zhì) 如牙膏 番茄醬等 也可用于汽水一類灌裝 由于是直接把汽水直接壓入 瓶內(nèi) 所以灌裝速度能一定程度增加 但由于汽水本身不含有膠狀物質(zhì) 容易形成氣泡 所以對灌裝質(zhì)量有一定的影響 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 圖 4 5 壓力閥灌裝原理 在選用上述幾種灌裝方法的時候我們除了需要考慮也比本身的性質(zhì)如粘度 揮發(fā)性 等之外還必須考慮產(chǎn)品的工藝要求 灌裝機 灌裝閥的結構等綜合的因素 只有在多方 面的考慮了各種因素之后 我們才能更好的設計出一個合理的加工工藝以及選擇合理且 效率的灌裝方法 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 第 5 章 罐裝缸的分析與設計 5 1 罐裝缸的設計要求 缸體類零件的設計一般應該滿足以下集中要求 1 精度要求 應合理選擇和確定缸體的加工精度 2 工作要求 罐裝缸的設計首先要滿足剛度 其次要滿足強度 抗振性和吸振 性 穩(wěn)定性等方面的要求 3 工藝性要求 缸體體積大 結構復雜 加工步驟多 因此 必須考慮毛坯制 造 機械加工 熱處理 裝配 安裝 固定 搬運等工藝問題 4 運輸性要求 缸體體積大 重量重 因此設計時應考慮設備在運輸過程中起 吊 裝運等因素 盡量不要出現(xiàn)超大尺寸 超大重量的設計 除此之外 還有符合人機工程 經(jīng)濟性等方面的要求 5 2 罐裝缸的設計概要 灌裝缸的一些結構尺寸 如壁厚 凸緣寬度 肋板的厚度 工作能力 材料消耗 質(zhì)量和成本等都有很大的影響 但由于這些零件的形狀不規(guī)則和應力分布的復雜性 大 多采用類比設計 根據(jù)經(jīng)驗公式 經(jīng)驗數(shù)據(jù)或類似的零件 忽略對強度和剛度進行了精 度分析和校核 雖然這不是非常重要的場合 但它有一定的盲目性 所以重要的塊體 考慮到上述設計方法不夠可靠 或者數(shù)據(jù)不夠成熟 還需要對模型或事物進行測試 根 據(jù)測量數(shù)據(jù)進一步修改結構和尺寸 從而彌補經(jīng)驗設計的不足 隨著科學技術和計算機 輔助設計的發(fā)展 現(xiàn)在有必要使用精確的數(shù)值方法 如有限元法 來確定這些結構的形 狀和大小 缸體零件上必須鏜磨的孔數(shù)及各孔位置的相關影響應盡量減少 位于同一軸線上的 各孔直徑最好相同或順序遞減 在不重要的場合 按照經(jīng)驗設計確定具體位置 對于剛度的設計 采用合理的截面形狀和合理的肋板布置可以顯著提高剛度 此外 盡量減少與其他部件連接面數(shù) 連接緊密的連接和關閉部分 措施消除內(nèi)應力和較大的 材料和一系列增強剛度的彈性模量 當鋼瓶質(zhì)量較大時 應該有方便的起吊裝置 如起重孔 吊環(huán)或吊鉤等 為了綁繩 有必要確保在綁定足夠的剛性 并保證位置穩(wěn)定的狀態(tài)下能順利取出繩子 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 5 3 罐裝缸的設計圖紙 圖 5 1 罐裝缸設計圖 圖 5 2 上進液部分設計圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 第 6 章 罐裝閥的分析與設計 6 1 灌裝閥的工作原理 灌裝閥是液箱 氣室 包括充氣室 排氣室 真空室 和灌裝容器這三者之間的流 體通路開關 而且根據(jù)灌裝工藝要求 能進行相應的灌裝 不同的灌裝方法通常需要選 用不同的灌裝閥 顯然 灌裝閥是關系到灌裝生產(chǎn)線能否精準高效運作的關鍵部件 圖 6 1 詳細的顯示了灌裝閥的工作原理其中 a 為非灌裝位置 b 為灌裝位置 a 非灌裝位置圖 b 灌裝位置圖 圖 6 1 灌裝閥工作原理圖 1 墊 2 導板 3 螺桿 2 4 噴嘴 5 密封墊 6 導向套 7 密封墊 8 密封座 9 環(huán) 10 滑套 11 彈簧 如圖所示為本設計灌裝閥的工作原理 當密封墊 7 與瓶口接觸時灌裝閥下降導導向套 6 上升 灌 裝頭噴嘴 4 與導向套出現(xiàn)間隙 此時管道中形成回路 液體沿閥管底部小孔流入瓶內(nèi) 當液體逐漸上 升與排氣管的下部接觸時 氣體將不能排除 此時液體繼續(xù)進入瓶子導致排氣管的下部孔口完全被淹 沒 此時瓶內(nèi)空氣無法排除導致氣體被壓縮 當瓶內(nèi)的氣壓與貯液箱內(nèi)的氣壓互相平衡時液料就會沿 著排氣管上升進而流向罐裝缸內(nèi)由此而形成空行程 然后螺桿帶動瓶子下降 彈簧 11 保證了灌裝頭 與導向套間的重新閉合即完成本次灌裝 6 2 閥的各部分的設計與計算 6 2 1 閥端結構的設計分析 閥體的閥端的氣液道德布置根據(jù)氣體和液體進出瓶子狀況的不同的情況 大致可分 為兩類 一類是利用環(huán)隙進行回氣 而中心管來灌裝液體 另外一種則是利用灌裝閥的 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 13 環(huán)隙灌裝液體而中心管回氣 前者屬于長管灌裝閥 后者則是短管灌裝閥 兩種閥體各 有弊端與優(yōu)勢 因此我們在設計閥體的時候應該根據(jù)我們所需要的工藝來進行選擇 長管灌裝閥的特點 此閥在罐裝的過程之中 灌裝入液口伸入到接近瓶底的部位 在此時罐裝的液體從 入液口進入瓶子 初始時液體從管口自由流出 經(jīng)過一段時間之后隨著頁面的漸漸地升 高灌裝口逐漸被液體淹沒 此后的灌裝都屬于淹沒流出 而淹沒流出的過程占有灌裝過 程中的絕大部分的時間 此過程中被灌裝的液面僅僅表面與空氣接觸 大幅度的減少了 氧氣在液體中的溶解程度 但是此方法由于受到自身的結構設計的限制以及瓶口大小的 限制 導致了灌裝的流通截面較小 這樣就會在灌裝時的流速較低 效率低下 短管灌裝閥的特點 短管灌裝閥在灌裝的過程中 將灌裝嘴口伸入瓶頸部分 灌裝液料自管嘴穩(wěn)定自由 的流出 由于回氣管上都裝有分散罩 所以在灌裝的過程中會形成沿壁流 因為灌裝管 是呈現(xiàn)環(huán)隙的狀態(tài) 所以相對圓形管而言就比較大 所以液體的阻力就相對的較小 使 得灌裝穩(wěn)定易于控制 此外為了保證在液料升至回氣管之后 瓶頸出的氣體能夠很快的被壓縮 在設計的 時候應該注意使進液口盡量的靠近瓶口 這樣瓶口處的空間較小方便于氣體的壓縮 同 時為了保證罐裝的精度 方便截流 進液口不能設計的過大 在本設計中采取的是短管設計閥的方案 圖 6 2 為其實體示意圖 圖 6 2 短管灌裝閥示意圖 6 2 2 閥的受力分析 灌裝時液體由灌裝閥流進待灌瓶時 液體在灌裝閥內(nèi)部受重力作用 做自由落體的 運動 再加上本次設計是利用壓力灌裝 當進入瓶子時液體會對灌裝頭形成一定的沖擊 此沖擊受到灌裝頭的大小 液體的流速等各因素的影響 而且沖擊過大的情況下液體進 入瓶中會產(chǎn)生氣泡 為了減少沖擊對閥體帶來的影響減少由于沖擊帶來的灌裝精度的不 準確 我們在設計閥體的時候需要對此進行精確且詳細的計算和設計合理的方案 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 為了能夠得到最安全的數(shù)據(jù)我們選擇在瓶口將滑套頂至最高位的時候計算 因為此 時液體對閥端口的沖擊力是最大 只要我們將設計的安全數(shù)據(jù)以此為參考那么我們將可 以保證灌裝的精準以及安全 如圖 6 3 a 所示為灌裝時進液的示意圖 根據(jù)能量守恒定律我們可以知道液體的 流速 在開啟的那一刻由速度 0 慢慢的增大 由公式 0V21mvgh 6 1 ATVdaF a b 圖 6 3 灌裝閥進液示意圖 根據(jù)上述公式我們可以推導出灌裝時閥端所受的最大沖擊力 為了避免此沖擊力對 灌裝所產(chǎn)生的影響 可以采取適當?shù)拇胧﹣肀苊?通?？梢詼p小灌裝閥閥口的大小 減 小管道的直徑來達到減小流量的目的 在閥中可設置緩沖裝置 將灌裝頭改為橡膠來減 小沖擊力等方法 如圖 b 所示 在閥管中傾斜挖取 3 對小孔 既可以減輕對閥頭的沖 擊 也可以避免流速過快在瓶中產(chǎn)生氣泡從而造成影響 6 2 3 灌裝時間的計算和過程 1 罐裝的水利工程 液料的灌裝的時間決定了一個灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率 而根據(jù)液料的灌裝的時間我 們可以逆推出主軸與副軸的轉速以及齒輪的模數(shù)齒數(shù)等等 所以灌裝時間的計算是設計 灌裝閥里重要的一部分 2 液料流量的計算 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 15 液料的流速可以通過孔口截面及貯液箱 或定量杯 中自由液面間列柏努利方程式求 得 fhgUPZgZ220011 在式中我們可以看出 u0灌裝時貯液箱內(nèi)的自由液面的流速根據(jù)液體流動而得到的連 續(xù)性的方程式 為了更清楚的表達此方程式我們可以將 u1折算成 u0而其中的阻力損失 h 我們也可將其用 u0來進行表達 故而氣功師哦我們可以寫成 gkdLgPZgAPZ 2 22 000101 01010 PZukdLk 式中 A 1 貯液箱 或定量杯 自由液面的面積 貯液箱 或定量杯 自由溢面的速度折算系數(shù) 對于貯液箱情況 因自由20Ak 面積較大故可取 從由自液面至灌裝嘴口截面之間 因通流截面積不同各段流道的速度21 折數(shù)系數(shù) 各段直管阻力系數(shù)之和 dLk 各種局部阻力系數(shù)之和 由此 可求得孔口截面上液料的流速為 2 1 010110 PzgkdLku 因此 經(jīng)孔口出流的液料流量為 gYCAuV200 式中 C 灌裝閥中液道的流量系數(shù) 取值為 0 1 之間 Y 孔口截面上的有效壓頭 包括靜壓頭與位壓頭 由上式可見 液料體積流量主要是三個參數(shù)的函數(shù) 這三個參數(shù)為 1 液道量系數(shù) C 2 孔口截面積 3 孔口截面上有效壓頭 現(xiàn)分別討論如下 a 流量系數(shù) C 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 16 它實際上就是液料流經(jīng)灌裝閥中液道所受的阻力損失系數(shù) 顯然 閥中流道阻力越小 C 值越大 但 C 值永遠小于 1 流量系數(shù) C 可通過計算來確定 當閥的結構及操作條件確 定后 其各段阻力系數(shù)均可查表獲得 對于環(huán)隙進液的閥端結構 可以參考縫隙流的有關公 式 先求出液料在縫隙始 終兩端的壓力降 P 然后求出該段縫隙的能量損失 P 最后 再反算出該段縫隙的阻力系數(shù)為 根 據(jù)各段阻力系數(shù) 及每段的速度折算系數(shù)guP2 k 則可采用阻力損失疊加原則求出各項之和 但由于灌裝閥中各個局部阻力之間距離很近 在兩個阻力之間很難形成一段變流 由 于相互干擾的結果使流量系數(shù)降低 所以應予以修正 其修正系數(shù) 一般建議取 0 77 0 87 由此 6 2 11kdLkC 在現(xiàn)實生活中為了計算時的方便 我們一般會將一些平常經(jīng)常用到的流體進行實驗 然后將所的到的數(shù)據(jù)編輯成冊 以方便在計算時直接查閱從而減少很多的自行計算時間 3 灌裝時間的計算 灌裝的時間的計算在灌裝設計過程中占有相當?shù)囊徊糠?灌裝的液料自管嘴中自由 穩(wěn)定的流出 在此設計中我們采取的設計是穩(wěn)定流出的方案 由于液料在閥口流出的速 率設計固定的所以 來表示 1V 8 57s1VT 式中 V 每瓶所需灌裝液料的容積 孔口出流的液料體積流量1 在本次設計的過程中我們選取的是瓶裝 600ml 的礦泉水 經(jīng)計算我們的 為 70ml s1V 故而我們可以的出我們的灌裝速度大約為 8 57 秒每瓶 6 2 4 灌裝閥彈簧的分析與設計 灌裝閥是灌裝機中的重要部件 它是溝通貯液箱 氣室和待灌瓶的通路開關 根據(jù) 灌裝的工藝的要求 其能夠依次的對有關的通路進行切換 并且能夠保證灌裝閥不漏氣 不漏液 而灌裝閥需要正常的工作 則離不開彈簧 其控制著灌裝閥的開啟以及閉合 在目前的工廠中常常采用的是彈簧閥 它擁有者灌裝質(zhì)量好 灌裝壓力較高 且當出現(xiàn) 破瓶等故障的時候能夠自行停止灌裝 避免成本的浪費 所以對于此閥而言 彈簧的設 計的好壞 彈性的是否合適都關系著官正過程能否樹立的完成 本設計中的彈簧如圖 6 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 4 所示 圖 6 4 彈簧 彈簧作為一個經(jīng)常性的伸縮部件 應該有一個恒定的彈性 從而確保工作的穩(wěn)定性 因此 在灌裝閥的設計中 工作范圍應保持在其彈性極限范圍內(nèi) 在這個范圍內(nèi)工作的 彈簧 當受到 f 的負載時 彈簧會相應變形 彈簧應在拆卸時恢復 為了更好地描述彈 簧在工作時產(chǎn)生的力與變形之間的關系 我們可以用力分析圖來表示 通過圖表 我們 可以直觀地分析和計算 圖 6 5 為灌裝閥的彈簧負載的關系 從垂直軸表示在橫坐標的 負荷彈簧 說彈簧變形負載可變 通常呈線性關系 該曲線稱為彈簧的特性曲線 載荷 與變形之間的關系 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 圖 6 5 圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線 在圖中彈簧在沒有受到外力作用的時候 其自由長度是 一般的講我們在安裝一0H 個彈簧的時候 我們通常會對其施加一個初預緊力 稱其為 這是最初的也是最小的minF 載荷 在其的作用下彈簧被壓縮到 此時其的變形量為 當彈簧受到最大的極限1H 載荷 時 在該力的作用之下彈簧被壓縮至極限 對應的彈簧長度為 此時的maxF li 3 壓縮變形量為 產(chǎn)生的應力極限為 li lim 等節(jié)距的圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線是一條直線 即其值為一個常數(shù) 可用公式 T 常數(shù) 壓縮彈簧的最小工作載荷為 對于 通常取 ax in minFmin 0 1 0 5 通常對有預應力的拉伸彈簧 為使具有預應力的mFmaxFi0 拉伸彈簧開始變形時所需的初拉力 有預應力的拉應力的拉伸彈簧相當于有預變形 x 因而在同樣的 F 作用力下 有預緊力的拉伸彈簧產(chǎn)生的變形要比沒有預應力時小 彈簧在機構中的工作條件決定了其的最大的工作載荷 但是在設計中通常不使maxF 其達到其的極限載荷 通常使其保持在 0 8 limmaxli 圖 6 6 圓柱螺旋彈簧的幾何尺寸參數(shù) 在此次的設計中我們采取的是圓柱螺旋拉伸彈簧 我們選取中徑 為 42mm 外徑2D 為 48 當彈簧壓縮變形量 約為 8mm 時 壓力 200N 壓縮變形量為 20mm 時 壓力D1 1F 400N 2F 由工作條件彈簧在一般載荷條件下工作 可以按第 類彈簧來考慮 但在灌裝閥比 較重要 現(xiàn)在選用碳素彈簧鋼絲級別選用 D 并由已知條件知中經(jīng) D 42mm 并根據(jù)大經(jīng) D D2 6mm 估取彈簧絲鋼直徑為 6 0mm 由表 3 2 暫選 B 1600mpa 則根據(jù)表可知 0 3 B 480mpa 根據(jù)表 C 7 根據(jù)公式 1 21CK615 04 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 19 4 16 KCFdmax 6 1 改取 d 5mm 查得 B 不變 故而 不變 取 D2 42mm C 8 計算 k 1 18 于是可以 得到以下數(shù)據(jù) 4 48mm KCFdmax 6 1 D D2 d 42 4 48 46 48mm 48mm 所得尺寸符合題限尺寸 合適 根據(jù)剛度條件 計算彈簧圈數(shù) n 由公式 16 6N mmmNFK 820412 由表可得 G 80000Mpa 則彈簧圈數(shù) n 為 23 961428 3434 FkDGd 取 n 10 此時彈簧剛度為 mNK 0 961 驗算 彈簧的初拉力 F2 678 12110 初應力 MpadCK3 944 678 8330 由圖 6 7 可得當 C 7 初應力的推薦值為 47 135Mpa 故此應力合適 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 20 圖 6 7 彈簧初應力的選擇范圍 極限工作應力 lim 取 0 56 則 lim B 0 56 1600 896Mpalim 極限工作載荷 NDKdF6381 4289 33lilim 所設計的圖如下所示 圖 6 8 彈簧設計實體圖 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 21 第 7 章 結論與展望 全自動液體灌裝機的應用和市場需求在日益增長 無論是從計量的準確性 還是從 灌裝的速度方面 都對自動化的要求不斷提高 對灌裝速度和準確性的要求 主要取決 于設備的性能 設備的功能及搭配的合理性直接影響系統(tǒng)的灌裝速度 同時 檢測設備 的技術水平將會進一步表現(xiàn)在控制的準確性上 本文主要實現(xiàn)對全自動液體灌裝機進行集中控制和實時數(shù)據(jù)采集 記錄和控制 與 傳統(tǒng)的灌裝機的相比 在技術上的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在 灌裝機的自動化水平 通過對市場 的了解和學習發(fā)現(xiàn) 目前市面上的灌裝機還主要停留在灌裝這個部分 而很少是將其前 面的供 瓶和后面的封蓋都作為一個灌裝的整體去考慮 在實際設計過程中 也曾遇到過許多的問題 其中最難解決的也是本人在學習過程 中所欠缺人一個知識點 在設計過程中使用了好多方法 查閱了大量文獻資料 然而關 于這方面的通訊問題比較少 本文在設計中嘗試采用無線技術解決這一問題 由于本人 知識有限 在這方面的實踐經(jīng)驗較少 所以采用這種通訊方式還在調(diào)研和試驗中 其可 取性有待進一步的了解深入 對全自動液體灌裝機的控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化 在本方案的設計中 有很多控制方法 都是參考或借鑒其它控制系統(tǒng)進行改進設計的 其中不免存在不適之處 這就需要不斷 的研究改進 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 22 附件 致 謝 本人的畢業(yè)設計是在校內(nèi)老師和企業(yè)指導老師的共同指導下完成的 在近 3 個月的 設計時間里 非常感謝校外的企業(yè)能給我們這次在工廠里面做畢業(yè)設計的機會 我們也 非常的珍惜這次機會 在工廠實習的過程中 我們看到了設計的實物 這樣可以更深入的了解灌裝設備的 基本原理以及他的組成 過這三個月來的忙碌和學習 本次畢業(yè)論文設計已接近尾聲 作為一個大專生的畢業(yè)設計 由于經(jīng)驗的匱乏 難免有許多考慮不周全的地方 在這里 衷心感謝指導老師的督促指導 以及一起學習的同學們的支持 讓我按時完成了這次畢 業(yè)設計 在畢業(yè)論文設計過程中 我遇到了許許多多的困難 在此我要感謝我的指導老師丁 老師老師給我悉心的幫助和對我耐心而細致的指導 我的畢業(yè)論文較為復雜煩瑣 但是 丁老師和企業(yè)的指導老師仍然細心地糾正圖中的錯誤 除了敬佩王師傅的專業(yè)水平以外 他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣 并將積極影響我今后的學習和 工作 我才得以解決畢業(yè)設計中遇到的種種問題 同時感謝我院 系領導對我們的教導 和關注 感謝大學三年傳授我們專業(yè)知識的所有老師 謝謝你們嘔心瀝血的教導 還有 謝謝我周圍的同窗朋友 他們給了我無數(shù)的關心和鼓勵 也讓我的大學生活充滿了溫暖 和歡樂 如果沒有他們的幫助 此次畢業(yè)論文的完成將變得困難 他們在我設計中給了 我許多寶貴的意見和建議 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 23 參考文獻 1 何雪明 吳曉光 王宗才 機械 CAD CAM 基礎 M 武漢 華中科技大學出版社 2011 2 黃建求 機械制造技術基礎 M 北京 機械工業(yè)出版社 2011 3 濮良貴 紀明剛 機械設計 M 北京 高等教育出版社 2011 4 孫桓 陳作模 葛文杰 機械原理 M 北京 高等教育出版社 2011 5 黃如林 汪群 金屬加工工藝及工裝設計 M 北京 化學工業(yè)出版社 2008 6 李道霖 電氣控制與 PLC 原理及運用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2011 7 倪森壽 機械制造工藝與裝備 M 北京 化學工業(yè)出版社 2003 8 柴鵬飛 機械設計基礎 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 9 冉文 電機與電器控制 M 西安 西安電子科技大學出版社 2006 10 李育錫 機械設計課程設計 M 北京 北京高等教育出版社 2010 11 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