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1 前言 5
1.1啤酒壓蓋機簡介 5
1.2研究現狀及發(fā)展趨勢 5
1.2.1國內外研究現狀 5
1.2.2發(fā)展趨勢 6
1.2.3存在的問題及改進措施 6
1.3 選題意義 6
2壓蓋機頭設計 7
2.1壓蓋機頭總體設計 7
2.2壓蓋模設計 8
2.2.1啤酒瓶口尺寸及分析 8
2.2.2壓蓋模結構設計 8
2.3導向環(huán)設計 10
2.4沖頭設計 10
2.4.1沖頭行程設計 10
2.4.2沖頭結構設計 11
2.4.3沖頭強度校核 11
2.5芯軸設計 12
2.5.1壓蓋受力分析 12
2.5.2芯軸結構設計 13
2.5.3芯軸強度校核 13
2.6螺套設計 14
2.6.1小螺套設計 14
2.6.2中間螺套設計 15
2.5.3大螺套設計 16
2.7彈簧選用 17
2.7.1大彈簧設計計算及選用 17
2.6.2小彈簧選用 18
2.7機頭殼體設計 18
3主傳動系統設計 20
3.1傳動系統總體設計 20
3.2主軸設計 20
3.2凸輪設計 21
3.3支撐軸與滾輪軸承設計 23
3.3.1支撐軸設計 23
3.3.2滾輪軸承設計 24
3.3軸承及相關軸套設計 24
3.3.1軸承選用及校核 24
3.3.2軸套設計 25
3.4轉鼓及軸套設計 26
3.4.1轉鼓設計 26
3.4.2大小軸套設計 26
3.5電動機選擇 28
3.6減速器選用 28
4供蓋系統設計 29
4.1供蓋系統總體設計 29
4.2電動機選用 29
4.3主軸設計 30
4.4攪拌裝置設計 30
4.5減速器選用 31
5結 論 32
參 考 文 獻 33
摘 要
在啤酒的生產線中,壓蓋是關鍵的生產工序。壓蓋的質量好壞影響著啤酒的最終生產質量，決定著產品的成品率。特別是隨著生產的自動化發(fā)展，自動的啤酒壓蓋機已經在生產中普遍應用。
本設計的重點是才壓蓋和傳動方面，其中傳動系統設計的好壞直接決定及其工作的質量。本次畢業(yè)設計中，首先依托啤酒自動生產線中的總體布局以及工藝路線，對壓蓋機進行了系統性的設計，然后根據其工作原理進行分析，對壓蓋機本身的的結構進行設計，對重點零部件進行分析和設計，對星型波輪、齒輪、凸輪等進行設計、計算、分析，設計出總體的方法和結果。同時對壓蓋機的傳動系統進行了設計選用。
關鍵詞：壓蓋，傳動系統，凸輪，齒輪
ABSTRACT
In the production line of beer, gland is the key production processes. Gland beer quality affects the final production quality, determines the yield of product. Especially with the development of production automation, automatic beer capping machine has been widely used in the production.
This design only is the focus of the gland and transmission quality directly decides the transmission system design and the quality of the work. This graduate design, first of all depends on the beer in the overall layout of the automatic production line and process route, capping machine for the systematic design, then according to its working principle is analyzed, the structure of the capping machine itself to design, to analysis and design of key parts on star pulsator, gear, CAM, such as design, calculation, analysis, design method and results of overall. At the same time of capping machine drive system to carry on the design.
Key words: Screwing，Transmission ， Cam ，gear wheel
1 前言
隨著經濟的發(fā)展，我國啤酒行業(yè)也得到了不斷的發(fā)展，同時對啤酒生產線也提出了更高的要求。啤酒壓蓋作為啤酒生產線上的重要環(huán)節(jié)，也隨之不斷提高和完善。通過對啤酒及相關行業(yè)的了解，把握國內外現狀和發(fā)展趨勢，以便設計出更完善的設備，達到更高的使用要求。
1.1啤酒壓蓋機簡介
啤酒壓蓋機是對灌裝完畢的啤酒瓶進行封口的設備。壓蓋機使啤酒在瓶中得以密封保存，并便于流通、銷售和飲用。
啤酒壓蓋機的工作原理是啤酒瓶經輸瓶系統輸送后進入星形撥輪，同時進入到壓蓋機頭下面，在主軸及星形撥輪帶動下同壓蓋機頭一起轉動，此時從供蓋系統中落下的瓶蓋剛好到達壓蓋機頭，壓蓋機頭在凸輪機構的控制及大彈簧的作用下向下運動進行壓蓋。瓶蓋壓緊后，壓蓋機頭在凸輪機構的控制及小彈簧的作用下向上運動，釋放啤酒瓶，星形撥輪繼續(xù)轉動將啤酒瓶輸出。
1.2研究現狀及發(fā)展趨勢
1.2.1國內外研究現狀
我國啤酒灌裝設備大都是在引進優(yōu)良設備和先進技術的基礎上發(fā)展起來的。新中國成立以后，我國陸續(xù)建立起了一些灌裝壓蓋設備生產廠。但由于落后的技術能力，在這個時期主要是生產一些小型設備。
六十年代末，通過有關專家和學者的考察，從國外帶回來的灌裝生產線技術在國內試驗成功。
到八十年代初，國家又積極引進國外先進灌裝生產線300多條，其中啤酒灌裝線達500多條。引進生產線主要設備有輸箱機、卸箱機、洗瓶機、輸瓶機、灌裝機、旋蓋機、壓蓋機、貼標機和裝箱機等[1]。
目前我國啤酒的生產狀況是[2]：
1.啤酒產量穩(wěn)定增長；
2.啤酒企業(yè)向規(guī)?；⒓瘓F化發(fā)展。
我國灌裝機械的發(fā)展趨勢是不斷提高單機的自動化程度，改善整條包裝生產線的自動化控制水平、生產能力，可以大大改善啤酒灌裝生產設備產品的質量，提高其國內、國際的競爭能力。
總而言之，自改革開放以來，我國灌裝與壓蓋設備行業(yè)得到了高速發(fā)展，行業(yè)水平不斷提高，產品性能大幅度增長，但與國外發(fā)達國家相比仍存在較大差異，總體技術水平較落后。
國外的灌裝與壓蓋設備正向著高速發(fā)展。美國早在1890年就制造出了玻璃瓶灌裝機。在1912年又發(fā)明了皇冠蓋壓蓋機，接著制造出了集灌裝和壓蓋于一體的灌裝壓蓋機組。德國也在20世紀初制造出了手動灌裝機和壓蓋機[3] [4]。
世界灌裝壓蓋機正向著高精度、高速度、多應用的方向發(fā)展，現在部分灌裝生產線已經可以工作在玻璃瓶與聚酯瓶、碳酸飲料與非碳酸飲料、熱灌裝與冷灌裝等的不同環(huán)境和不同要求下，并能保證良好的灌裝質量和較高的灌裝速度。
1.2.2發(fā)展趨勢
目前，國內外啤酒灌裝壓蓋機的發(fā)展趨勢是[5]：
（1）高新技術化；
（2）產品標準化；
（3）零部件生產專業(yè)化；
（4）設計“綠化”；
（5）市場日趨壟斷化。
總之，近20年來，我國啤酒灌裝行業(yè)獲得了突飛猛進的發(fā)展，生產高效率化、資源高利用化、產品節(jié)能化、新技術實用化和科研成果商業(yè)化，以成為世界各國啤酒灌裝行業(yè)的發(fā)展趨勢，這也是我國啤酒灌裝行業(yè)的發(fā)展方向。
1.2.3存在的問題及改進措施
雖然目前我國國內制造的啤酒壓蓋機性能已經達到較高水平，但經查閱大量資料后發(fā)現，其凸輪設計大都還是沿用普通凸輪安裝在灌裝頭上部來控制壓蓋機頭運動，其速度波動大、加速度突變大、壓力角小等都不滿足壓蓋機頭的運動規(guī)律。本次設計準備采用圓柱凸輪，可以大大改善了上述問題。
另外，當前國內很多啤酒壓蓋機沒有較合理的退瓶結構，導致破瓶率較高。本次設計在壓蓋機頭內部設計了退瓶彈簧，結構簡單，方便可行。
1.3 選題意義
通過分析啤酒壓蓋機目前存在的一些問題，本著以人為本、安全可靠、簡便易實現的原則，綜合了現有技術水平,運用合理的改進方法, 進行本次啤酒壓蓋機設計。力求所設計的啤酒壓蓋機在滿足使用要求的前提下，在更多方面得到改善，使其能夠在啤酒生產線上發(fā)揮重要作用，并達到降低成本、提高效率、為企業(yè)帶來的良好的經濟效益的目的。
2壓蓋機頭設計
2.1壓蓋機頭總體設計
壓蓋機頭是啤酒壓蓋機的主要執(zhí)行機構，其結構總體設計如圖2.1所示。壓蓋機頭的主要組成部分有機頭殼體、芯軸、壓蓋模、導向環(huán)、沖頭、軸套、彈簧及緊固件。
壓蓋機頭的工作原理是機頭殼體2由安裝在主軸上的凸輪、滾輪軸承及支撐軸（未表示出）的控制下做上下往復運動，因大螺套4與機頭殼體2是螺紋連接，故大螺套4隨機頭殼體2一起上下往復運動。在機頭殼體2剛向下運動時，啤酒瓶經過輸送系統剛好送達導向環(huán)7下面，瓶蓋經過下蓋槽也剛好送達導向環(huán)7與壓蓋模6之間的瓶蓋槽內。大螺套4與中間螺套3間隙配合，當大螺套4與機頭殼體2向下運動時，大彈簧13被壓縮，中間螺套3在重力及大彈簧13的作用下向下運動；當大螺套4與機頭殼體2向上運動時，大螺套4上端緊靠中間螺套3的軸肩，使中間螺套3也隨之向上運動。中間螺套3與芯軸12、小螺套9均由螺紋連接，與壓蓋模6和導向環(huán)7通過軸肩、槽溝等定位連接，故芯軸12、小螺套9、壓蓋模6和導向環(huán)7都隨中間螺套3運動而運動。小螺套9與沖頭10間隙配合，當中間螺套3帶動芯軸12和小螺套9向下運動時，芯軸12在大彈簧13的作用下頂住沖頭10，并使沖頭10向下沖壓。導向環(huán)7向下運動時，校正瓶口使啤酒瓶定位，并使瓶蓋準確接觸啤酒瓶口。瓶蓋在沖頭沖壓與壓蓋模作用下被壓實在瓶蓋上。隨后中間螺套3隨大螺套4和機頭殼體2向上運動，小彈簧11被壓縮。沖頭10并沒有及時隨中間螺套3向上運動而運動，而是在小彈簧11的作用下，有一段緩沖時間。在這段緩沖時間，壓蓋模6和導向環(huán)7都隨中間螺套3而瞬時向上運動，沖頭10相對于壓蓋模6和導向環(huán)7向下運動，迫使壓蓋完畢的啤酒瓶掉落，避免啤酒瓶卡在壓蓋模6和導向環(huán)7內。最后小彈簧11被拉深，沖頭10在小彈簧11作用下隨中間螺套3向上運動到最高點，啤酒瓶隨輸送系統輸出，完成一個壓蓋過程。
大螺套4與機頭殼體2、中間螺套3與芯軸12、中間螺套3與小螺套9之間都采用螺紋連接，可以控制預壓縮量并調節(jié)壓蓋機頭的行程，以適應不同瓶高度的壓蓋要求，保證瓶蓋緊緊壓實在啤酒瓶上。大小彈簧13、11不僅提供動力，而且有緩沖的作用，防止沖頭10沖壓力過大造成啤酒瓶壓碎。
圖2.1壓蓋機頭總體設計圖
1-緊釘螺釘 2-機頭殼體 3-中間螺套 4-大螺套 5-緊釘螺釘 6-壓蓋模 7-導向環(huán)
8-沉頭螺栓 9-小螺套 10-沖頭 11-小彈簧 12-芯軸 13-大彈簧 14-氈圈槽
2.2壓蓋模設計
2.2.1啤酒瓶口尺寸及分析
啤酒瓶口尺寸如圖2.2所示。該尺寸符合GB 10809—1989 玻璃容器 冠形瓶口尺寸標準。
圖2.2 啤酒瓶口剖視圖
2.2.2壓蓋模結構設計
壓蓋模是壓蓋機頭的關鍵部件，也是易損部件，設計尺寸時按標準皇冠蓋計算。標準皇冠蓋的結構和尺寸如圖2.3及表2.1所示[6]。
圖2.3 標準皇冠瓶蓋結構
表2.1 標準皇冠瓶蓋尺寸
名稱
單位
基本尺寸
極限偏差
高度H
mm
6.75
0.15
外徑D
mm
32.1
0.1
內徑d
mm
26.82
0.02
蓋角半徑r
mm
1.7
0.2
蓋頂外徑R
mm
140～200
—
厚度s
mm
0.23～0.28
—
齒數z
個
21
—
壓蓋模的結構設計如圖2.4所示，其圓柱孔直徑與瓶口上端最寬處直徑相等，都是26.8mm。錐孔的錐度計算公式為：
（2.1）
式中：表示錐度；
D表示瓶蓋外徑；
d表示瓶蓋內徑；
H表示瓶蓋高度。
將表2.1基本尺寸的數值代入公式（2.1）后，得：
= arccos=
=arccos=
壓蓋模錐孔的錐度與皇冠蓋身的錐度基本一致，代入錐孔計算公式(2.1)后，得：
=arccos
一般，壓蓋模錐孔的表面應有較強的硬度和較高的耐磨性,故所選材料為20CrMnTi，滲碳淬火后硬度達56～62HRC。錐孔壁粗糙度不低于1.6，以免劃傷瓶蓋表明。
圖2.4 壓蓋模結構圖
2.3導向環(huán)設計
在壓蓋過程中，導向環(huán)的作用是校正啤酒瓶口位置以使瓶口準確套上瓶蓋。導向環(huán)結構如圖2.5所示，其上端緊靠壓蓋模，且與壓蓋模之間形成41mm×34mm×8mm的槽溝，此空間尺寸略大于瓶蓋尺寸，以便于瓶蓋輸送。導向環(huán)上端設計一高為5mm的肩，然后在導向環(huán)肩內側8mm處設計三個螺孔方便其定位。導向環(huán)的校正作用主要依靠其中間的圓柱孔，取直徑為Φ29mm，所選材料為45鋼，圓柱孔壁粗糙度不低于3.2，以保證啤酒瓶升降順利。
圖2.5 導向環(huán)結構圖
2.4沖頭設計
2.4.1沖頭行程設計
沖頭的工作行程公式為：
（2.2）
式中：表示動力彈簧工作行程；
表示沖頭自由下降高度。
設計時取H=76mm。
2.4.2沖頭結構設計
沖頭的結構設計如圖2.6所示。沖頭右端穿過壓蓋模上端圓柱孔，其直徑比圓柱孔直徑略小，取Φ25mm，其右端桿長即為工作行程長度（76mm）。為了準確定位，沖頭左端設計一錐頂為120的圓錐槽。沖頭所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達56～62HRC。
圖2.6 沖頭結構簡圖
2.4.3沖頭強度校核
沖頭強度計算公式為[7]:
（2.3）
式中：表示應力；
F表示壓力；
A表示軸截面積，A=；
表示屈服強度，對于材料為20Cr，=540MPa。
將=300N，D=Φ25mm代入公式（2.3）,得：
（MPa）
，故所選材料合適。
2.5芯軸設計
2.5.1壓蓋受力分析
圖2.7 壓蓋受力簡圖
圖2.7所示即壓蓋受力簡圖。在壓蓋過程中每個波褶所受的力為P，將其沿軸向和徑向分解為P和P。壓蓋機頭作用于蓋的軸向力為T。蓋子周邊與瓶口勾連時會產生正壓力，將其沿軸向和徑向分解為和。在壓蓋過程中，密封墊片受力的作用壓縮，會產生抗壓力。此外，瓶蓋還會受到瓶內二氧化碳等氣體的壓力。
氣體的壓力的計算公式為：
=πdP （2.4）
式中：d表示啤酒瓶瓶口的內徑；
P表示啤酒瓶內氣體的壓強，其最大壓強為1.2MPa。
將d=Φ18mm，P=1MPa代入公式（2.4），得：
=πdP=3.14×18×1=1017.36（N）
瓶蓋在軸向方向受力平衡的方程式為：
zP+T=+ + （2.5）
壓蓋力的計算公式為：
（2.6）
式中：表示系數，一般取0.1～0.3；
s表示瓶蓋材料的厚度，一般為0.23～0.28mm；
表示瓶蓋材料的強度極限，一般取300～400MPa；
L表示壓蓋模錐孔大端的周長。
壓蓋模錐孔大端的周長L的計算公式為：
L=π （2.7）
將壓蓋模錐孔大端直徑=Φ32mm代入公式(2.7)后，得：
L=π=32π=100.53（mm）
將=0.2，s=0.26mm，=350MPa，L=100.53mm代入(2.6)后，得：
=0.2×0.26×350×100.53=1829.65（N）
2.5.2芯軸結構設計
芯軸結構設計如圖2.8所示。本著方便控制彈簧壓縮量及固定中間軸套，芯軸中間設計公稱直徑為Φ16mm，長為185mm的螺紋。為了在芯軸與中間軸套的螺紋連接時增大摩擦，最右端采用滾花的加工方式。芯軸材料選用Q235鋼，經滲碳處理。
圖2.8 芯軸結構簡圖
2.5.3芯軸強度校核
芯軸在工作過程中只傳遞彎矩而不傳遞扭矩，且為壓桿，應進行相應的壓桿穩(wěn)定性計算。
壓縮強度計算公式為：
（2.8）
式中：表示壓應力；
F表示壓力；
A表示軸截面積，A=；
表示屈服強度，對于Q235鋼=235MPa。
將=300N，D=Φ16mm代入公式（2.8）,得：
，故所選材料合適。
芯軸有導向裝置，它的受力情況近似于一端固定，一端鉸支的壓桿，其最大長度應滿足公式：
（2.9）
式中：E表示彈性模量，對于Q235鋼E=200GPa。
將E=200GPa，D=Φ16mm，F=300N代入公式（2.9），得：
（mm）
軸總長度，故材料尺寸合格。
2.6螺套設計
2.6.1小螺套設計
小螺套與沖頭間隙配合，故其直徑的基本尺寸與沖頭小端直徑相等，為Φ25mm。設計小螺套大端直徑與壓蓋模外徑相等，為Φ50mm。根據普通螺紋基本尺寸公稱直徑序列選擇小螺套小端公稱直徑(大徑)為Φ36mm，小徑為Φ32.752mm。小螺套長度應滿足公式：
H-l-l （2.10）
式中：H表示沖頭工作行程長度；
l表示壓蓋模厚度；
l表示壓蓋模與導向環(huán)之間形成空間高度。
將H=77mm，l=10mm， l=8mm代入公式（2.10），得
77-10-8=59(mm)
取=55mm。
所設計小螺套如圖2.9所示。小螺套所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達56～62HRC。
圖2.9 小螺套剖視圖
2.6.2中間螺套設計
中間螺套結構較復雜，采取分段設計。
第1段螺套（如圖2.10所示）與心軸螺紋連接，故其內螺紋基本大徑為Φ16mm，外徑為Φ25mm。
第2段螺套（如圖2.10所示）外部主要用作固定支撐彈簧，并保證彈簧的中心線不傾斜，取直徑為Φ33mm和Φ60mm。
第3段螺套（如圖2.10所示）內部左端與第二段螺套內部同時用作固定小彈簧，取直徑為Φ28mm，螺套左端外徑取為Φ54mm。螺套內部右端與小螺套采用螺紋連接，故其內螺紋基本大徑為Φ36mm，中間螺套與小螺套經螺紋連接后，為保證壓蓋的準確，選用4個緊釘螺釘M3×5。
第4段螺套（如圖2.10所示）左端內部與壓蓋模間歇配合，故直徑為Φ50mm；右端內部與導向環(huán)間隙配合，故直徑為Φ74mm。 為方便固定導向環(huán)，其內部設計一個深5mm的半圓形槽如圖2.11所示。
中間螺套所選材料為20Cr,滲碳淬火后硬度達56～62HRC。
圖2.10 中間軸套剖視圖
圖2.11 第4段螺套三維立體圖
2.5.3大螺套設計
大螺套結構圖與小螺套類似，如圖2.12所示。其與中間螺套第三段間隙配合，取內徑為Φ54mm?？偢叨刃∮?0mm，取75mm。根據普通螺紋基本尺寸公稱直徑序列選擇大螺套的螺紋公稱直徑(大徑)為Φ72mm，小徑為Φ67.670mm，螺紋長度為60mm。大螺套材料所選材料為45鋼,經退火處理。
圖2.12 大螺套剖視圖
2.7彈簧選用
2.7.1大彈簧設計計算及選用
主軸提供壓蓋機頭運動的動力，大彈簧提供壓蓋時所需的壓力。所以，壓蓋時的工作壓力為[8]：
[τ] （2.11）
式中：表示彈簧材料直徑；
K表示彈簧剛度系數，一般取1.1～1.5；
表示彈簧中徑；
[τ] 表示彈簧材料的扭轉許用應力。
設計選用大彈簧時應先計算壓蓋時彈簧所受的工作負荷。
根據工作極限負荷大于P，彈簧中徑介于Φ30mm～Φ60mm之間，初步選則彈簧 8×50×520 GB/T2089-1994。
將=Φ8mm，K=1.3，=Φ50，[τ]=685MPa代入公式（2.11），得大彈簧的工作極限壓力為：
[τ] ==2117.81（N）
1829.65N，，故所選彈簧滿足使用要求。
大彈簧選用材料為優(yōu)質彈簧鋼60Si2Mn，經冷作硬化處理。
2.6.2小彈簧選用
小彈簧不提供壓蓋時所需的壓力，僅僅是用來保證能將壓蓋完畢的瓶蓋從壓蓋模中推出。根據其位置知小彈簧中徑介于Φ18mm～Φ28mm之間，選用為彈簧1.8×22×294 GB/T2089-1994。小彈簧選用材料為普通彈簧鋼70，經淬火處理。
2.7機頭殼體設計
機頭殼體右端與大螺套螺紋連接，故其取內徑為Φ72mm，其螺紋長度與大螺套相等，取60mm。其左端加工一直徑為Φ36mm的孔，孔下端留有裝氈圈地槽溝。機頭殼體剖視圖如圖2.13所示。材料選擇為45鋼，經表面淬火處理。
圖2.13 機頭殼體剖視
32
3主傳動系統設計
3.1傳動系統總體設計
傳動系統結構總體設計如圖3.1所示。
主傳動系統的工作過程為：主軸13在電動機16、聯軸器15、18、減速器17的作用下低速旋轉。開孔軸套21與轉鼓9通過螺釘22連接，轉鼓9與主軸13通過鍵12連接，故當主軸13旋轉時，轉鼓9和開孔軸套21隨主軸13一起旋轉。轉鼓9和開孔軸套21精度要求較高，故選用推力球軸承20、大軸套10、小軸套11，以減輕轉鼓9和開孔軸套21的載荷，減小其磨損。凸輪8與主軸13間隙配合，其并不隨主軸13運動。凸輪上開有溝槽，溝槽內滾輪軸承6與支撐軸7過盈配合，支撐軸與壓蓋機頭連接。壓蓋機頭在轉鼓9控制下隨主軸13和轉鼓9一起運動，迫使?jié)L輪軸承6與支撐軸7也隨主軸13一起運動。滾輪軸承6運動，而凸輪8不運動，兩者形成相對運動，并且滾輪軸承6在凸輪8的溝槽內同時隨溝槽的弧線運動，即形成了壓蓋機頭的上下運動。連接板3、螺套5、螺栓桿28、螺桿29及螺母、墊圈用于固定主軸13。
圖3.1 主傳動系統總體設計圖
1-墊圈 2-螺母 3-連接板4-螺母5-螺套6-滾輪軸承 7-支撐軸 8-凸輪 9-轉鼓 10-大軸套 11-小軸套 12-鍵 13-主軸 14-工作臺 15-聯軸器 16-電動機 17-減速器 18-聯軸器 19-軸承 20-軸承 21-開孔軸套 22-螺釘 23-鍵 24-軸套 25-軸承 26-墊圈 27-螺母 28-螺栓桿 29-螺桿 30-螺母
3.2主軸設計
所設計主軸轉速為n=15r/min。
圖3.2主軸結構圖
3.2凸輪設計
壓蓋機頭完成一個工作循環(huán)的動作是由凸輪來控制的。目前國內壓蓋機多采用普通凸輪安裝在灌裝頭上部來控制壓蓋機頭運動，其速度波動大、加速度突變大、壓力角小等都不滿足壓蓋機頭的運動規(guī)律[9]。為了實現壓蓋機平穩(wěn)工作，本次設計采用圓柱凸輪如圖3.3所示，凸輪導槽曲線變化規(guī)律一般選擇正弦加速度運動規(guī)律，如圖3.4所示。這種規(guī)律啟動較慢，速度變化大，無加速度突變、振動，壓力角大，適合控制壓蓋機頭的運動[10]。凸輪沿外側邊緣展開曲線如圖3.5所示。
圖3.3 圓柱凸輪三維圖
正弦加速度運動規(guī)律做整周期的正弦規(guī)律變化其加速度公式為[11]：
a=Csin (3.1)
其速度公式為：
v==-Ccos +C (3.2)
其位移公式為：
s==-Csin +C+ C (3.3)
其躍動公式為：
y=cos (3.4)
給定條件為：
，ω=0.4π時，s=0，v=0；
=π，ω=0.4π時，s=h=72mm。
將給定條件代入公式(3.1)、 (3.2) 、(3.3)，得：
C=0
C==28.8
C==72.35
將C=0，C=28.8，C=72.35代入公式(3.1)、 (3.2) 、(3.3)、(3.4)，得運動方程公式為：
s=72
v=
a=
y=
圖3.4 正弦加速曲線
1-位移曲線 2-速度曲線 3-加速度曲線 h-凸輪推程
圖3.5 凸輪曲線展開圖
凸輪結構設計如圖3.6所示。凸輪耐磨性、抗剪切能力要求較高，故選用50Mn,經正火處理。
圖3.6 凸輪剖視圖
在實際加工該壓蓋機凸輪時，端面形狀是用三周立式加工中心加工出來的，而只要用一般的鍵槽刀具，在一般的四周聯動機床上就可以加工出任意槽寬的凸輪來[12]。
3.3支撐軸與滾輪軸承設計
3.3.1支撐軸設計
支撐軸安裝在壓蓋機殼的孔內，并通過緊釘螺釘定位，通過氈圈進行密封；其另一端與滾輪軸承過盈連接。支撐軸設計如圖3.6所示。所選材料為45鋼，經正火處理。
圖3.7支撐軸結構圖
3.3.2滾輪軸承設計
該滾輪軸承用于低速高載荷狀態(tài)下，故選用NATV型滿針滾針滾輪軸承。支撐軸直徑為Φ30mm，故選用NATV30X。
3.3軸承及相關軸套設計
3.3.1軸承選用及校核
根據載荷大小及方向選擇軸承類型為推力球軸承，與其相配合的主軸的直徑為Φ70mm，故所選軸承代號為51214。
根據軸承所承受載荷來源，估算軸承承受最大動載荷為。按每日24小時連續(xù)工作的機械，選擇軸承預期計算壽命為50000小時。所選推力球軸承應具有的基本額定載荷計算公式為：
（3.5）
式中：P表示載荷，P=10N；
n表示轉速；
表示預期計算壽命, =500000h；
ε表示指數，對于球軸承ε=3。
將P=10N ，n=15r/min，=500000h，ε=3代入公式（3.5），得：
==35.6（KN）
，故所選軸承合格。
3.3.2軸套設計
推力球軸承的定位主要靠其上下端的軸套及主軸的軸肩。推力球軸承上端軸套如圖3.8所示，推力球軸承外徑為Φ105mm，且其與軸套間隙配合，故軸套下端內徑為Φ105mm。軸套兩端Φ140mm處，設計六個與內六角圓柱頭螺釘M12連接的沉孔和螺孔。
圖3.8 Φ70軸套剖視圖
推力球軸承下端軸套與主軸間隙配合，故取其內徑為Φ70mm，外徑與推力球軸承外徑相等，為Φ105mm。
推力球軸承外圈設計一內徑為Φ105mm，外徑為Φ114mm的軸套，且該軸套與推力球軸承下端軸套間隙配合。
3.4轉鼓及軸套設計
3.4.1轉鼓設計
圖3.9 轉鼓剖視圖
3.4.2大小軸套設計
兩軸套之間間隙配合，且小軸套與主軸（直徑為Φ70mm）間隙配合，大軸套與轉鼓間隙配合，故小軸套設計為內徑Φ70mm，外徑Φ85mm；大軸套設計為內徑Φ85mm，外徑Φ110mm。大小軸套剖視圖如圖3.10和圖3.11所示。
圖3.10小軸套剖視圖
圖3.11 大軸套剖視圖
3.5電動機選擇
本設計利用電動機產生動力，電動機的選擇是本設計的重要內容。本設計選用Y系列三相異步電機，Y系列三相異步電機具有互換性好、防塵、全封閉自扇冷卻等特點，B級絕緣，工作環(huán)境溫度不超過+40度，適用于無特殊要求的機械上。由于啤酒壓蓋機的功率不是很大，主要是使壓蓋機頭旋轉、壓蓋和摩擦等消耗功。估算本設備的大概功率為3～5 KW左右,且要求轉速不是很高,電機經過減速器傳遞到壓蓋機。所以選擇的電動機型號為：Y180L-8。
主要參數為：額定功率——11KW
同步轉速——750 r/min
額定電壓——380V
頻率——50Hz
3.6減速器選用
減速器是原動機和主軸之間的獨立的傳動裝置，可以降低轉速和增大轉矩，以滿足工作的需要。減速器的選用首先要選其類型。減速器的種類很多，也有很多不同的分類方式，選擇減速器時首先根據其承載能力及機械強度選擇類型。初步選用ZSY型。在選用減速器時需要考慮工況、熱功率影響和安全系數等。電機同步轉速是750 r/min，工作機的轉速為15 r/min，傳動比要求為50。所以所選減速器為ZSY160[13]。
減速器參數為：公稱傳動比—50
輸入公稱轉速—750 r/min
輸出公稱轉速—15 r/min
公稱輸入功率—8 KW
4供蓋系統設計
4.1供蓋系統總體設計
本次供蓋系統設計的主要部分有主軸和攪拌裝置。供蓋系統的工作原理是：瓶蓋放入下蓋料斗內，攪拌裝置焊接在軸套上，并通過緊定螺釘固定在主軸上。主軸在電動機及減速器作用下轉動，攪拌裝置隨之轉動，并攪拌料斗內的瓶蓋。當被攪拌的瓶蓋達到下蓋槽口后，由下蓋槽下滑至壓蓋機頭槽溝內，經壓蓋機頭壓實在瓶口上，完成壓蓋的整個動作。
4.2電動機選用
供蓋系統利用電動機產生動力，電動機的選擇也是設計的重要內容。
供蓋系統傳動裝置的總傳動效率公式為：
（5.1）
式中：表示減速器的傳動效率；
表示聯軸器的傳動效率。
將=0.90，=0.95代入公式（5.1），得：
=0.9×0.95×0.95=0.81
單個瓶蓋質量為m=1.3g。設計供蓋槽體積約為V=4×10mm，一個瓶蓋體積計算公式約為：
v= (5.2)
式中：D表示瓶蓋外徑；
H表示瓶蓋高度。
將D=Φ32mm，H=6.75mm代入公式(5.2),得：
v===5.4×10(mm)
供蓋槽中盛放瓶蓋的重量（最大量）為：
M=mg (5.3)
將m=1.3g，V=4×10mm，v=5.4×10mm，g=9.8N/Kg代入公式(5.3)，得：
M=mg=1.3×9.8×4×10/5.4×10=9.5（N）
攪拌瓶蓋所需工作功率公式為：
= (5.4)
將M=9.5N，V=0.2m/s代入公式(5.4)，得：
==9.5×0.2=1.9（KW）
所需電動機功率公式為：
(5.5)
將=1.9KW、=0.81代入公式(5.7)，得：
1.9/0.81=2.35（KW）
本設計選用Y系列三相異步電機，經計算知啤酒壓蓋機供蓋系統的功率為，所以選擇的電動機型號為：Y200L-8。
主要參數為：額定功率——15KW
同步轉速——750 r/min
額定電壓——380V
頻率——50Hz
額定轉矩——2.0Nm
4.3主軸設計
主軸結構設計如圖5.1所示。
圖5.1 主軸結構圖
4.4攪拌裝置設計
不同槳葉的攪拌器在攪拌時產生不同的流動狀態(tài)，基本流向為沿攪拌器的槳葉環(huán)向流、徑向流、和軸向流[14]。本供蓋系統基本流向為沿攪拌器的槳葉軸向流，故采用推進式攪拌器，所選槳葉數為3個，并采用臥式容器攪拌的安裝形式[15]。
攪拌槽全容積的確定，主要依據公稱容積及瓶蓋的裝填系數來進行。
攪拌槽全容積公式為：
V=Vη （5.6）
式中：V表示攪拌槽的全容積；
V表示攪拌槽的公稱容積；
η表示裝填系數，一般取0.6～0.85。
一般，攪拌槽多為開槽式，這樣攪拌裝置的安裝與檢修及槽內其他作業(yè)都比較方便，所以選用開槽式攪拌槽。
計算攪拌槽的外形，首先要考慮三方面因素：
1.對攪拌功率的影響；
2.攪拌過程的特性要求；
3.占地面積與空間的要求。
攪拌功率計算公式為：
P= (5.7)
式中:n表示轉速；
表示槳徑；
ρ表示密度；
μ表示集合度。
4.5減速器選用
減速器是電動機與主軸之間的傳動裝置。該電動機的技術參數是：同步轉速為750 r/min，額定功率為15KW，額定電壓為380V，頻率為50Hz，額定轉矩為2.0Nm。
選用的減速器滿足主軸的轉速為7.5 r/min，傳動比要求為100。所以所選減速器為ZSY180。
減速器參數為：公稱傳動比——100
輸入公稱轉速——750 r/min
輸出公稱轉速——15 r/min
公稱輸入功率——4KW
5結 論
本次設計題目為啤酒壓蓋機設計。經過三個多月的畢業(yè)設計，完成了任務書上的工作要求。啤酒壓蓋機是對灌裝完成的啤酒瓶進行封口的設備，屬于啤酒灌裝機械的一部分。以啤酒壓蓋機為核心，首先查閱了大量相關資料，通過篩選、分析、整理，初步掌握啤酒壓蓋機的發(fā)展過程、研究現狀、工作原理和主要結構，并確定設計方案；然后根據啤酒瓶的尺寸和材料性能，通過計算確定設計零件的尺寸，并進行了零部件的選用；最后繪制啤酒壓蓋機的裝配圖和零件圖，進行主要零件的強度校核。在結構設計中，主要是對壓蓋模、壓蓋機頭、凸輪等部件進行設計。
本次設計通過圖紙和論文完整的表達自己進行啤酒壓蓋機設計時的構思整理過程、設計優(yōu)化過程和設計最終結果。
本次設計的啤酒壓蓋機滿足壓蓋過程沖擊小、工作過程安全可靠、壓蓋后密封效果好、啤酒瓶受損小、工作效率和自動化程度較高等條件。
參 考 文 獻
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