1、毕业设计（论文）说明书课题名称壮牛牛奶灌装机设计托瓶升降机构，灌装瓶高度调节机构设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自092学号姓名指导教师2013年6月1日广西科技大学2013届毕业设计说明书1摘要随着中国经济的快速发展，包装机械在中国有很广阔的市场前景。牛奶灌装机是食品包装机械中较为典型的种类，它在牛奶产品的生产流程中进行牛奶的自动供料、送瓶、灌装和封盖，完成牛奶产品的包装过程，并将其送至下一道生产工序，以便后续处理。本次课题研究的主要内容是牛奶灌装机的托瓶升降机构和灌装瓶高度调节机构的设计。托瓶升降机构的作用是根据灌装工作过程的需要，先将瓶子升起到规定的位置，以便进行牛奶的灌装
2、，待灌装完后再将瓶子降低到规定的位置，以便拨瓶轮将瓶子送到传送链带土送走。本次课题研究的托瓶升降机构将采用气动与机械组合式的设计。灌装瓶高度调节机构的作用是调节装有灌装阀的贮液缸与装有升降瓶台的转盘之间的距离，使贮液缸能沿着立柱相对于转盘做上、下移动，以满足不同高度瓶子的灌装需要。本次课题研究的灌装瓶高度调节机构将采用3立柱调节式的设计。关键字包装机械；灌装机；生产工序；灌装阀；贮液缸。广西科技大学2013届毕业设计说明书2ABSTRACTWITHCHINASRAPIDECONOMICDEVELOPMENT,PACKAGINGMACHINERYINCHINAHASAVERYBROADMARKE
3、TPROSPECTSMILKFILLINGMACHINEFOODPACKAGINGMACHINERYMORETYPICALSPECIES,WHICHINTHEMILKPRODUCTIONPROCESSFORAUTOMATICFEEDINGOFMILK,BOTTLEFEEDING,FILLINGANDCAPPING,COMPLETEMILKPRODUCTPACKAGINGPROCESS,ANDSENTUNDERAPRODUCTIONPROCESSFORSUBSEQUENTPROCESSINGTHEMAINCONTENTOFTHERESEARCHISTOSHOREUPTHEMILKBOTTLEFI
4、LLINGMACHINEANDFILLINGBOTTLESLIFTINGMECHANISMHEIGHTADJUSTMENTMECHANISMDESIGNTHEROLEOFPROPPINGLIFTINGMECHANISMISBASEDONTHENEEDSOFBOTTLINGPROCESS,THEBOTTLERISESTOAPREDETERMINEDFIRSTPOSITIONFORFILLINGTHEMILK,ANDTHENAFTERFILLINGTHEBOTTLETOBEREDUCEDTOAPREDETERMINEDPOSITIONTODIALROUNDBOTTLETHEBOTTLETOTHEC
5、ONVEYORCHAINWITHSOILAWAYTHECAREOFTHISRESEARCHWILLBEUSEDPNEUMATICBOTTLELIFTINGMECHANISMWITHMECHANICALMODULARDESIGNBOTTLEFILLINGHEIGHTADJUSTINGMECHANISMISEQUIPPEDWITHAFILLINGVALVEREGULATINGRESERVOIRBOTTLEFITTEDWITHLIFTINGCYLINDERSANDTHEDISTANCEBETWEENTHETURNTABLEPLATFORM,THESTORAGECYLINDERTOTHECOLUMNR
6、ELATIVETOTHETURNTABLEALONGTHECOOK,THENEXTMOVETOMEETTHENEEDSOFDIFFERENTHEIGHTBOTTLESFILLINGTHERESEARCHOFTHEFILLINGBOTTLEHEIGHTADJUSTMENTMECHANISMWILLUSETHREEUPRIGHTSADJUSTABLEDESIGNKEYWORDSPACKAGINGMACHINERYFILLINGMACHINEPRODUCTIONPROCESSESFILLINGVALVELIQUIDSTORAGETANK广西科技大学2013届毕业设计说明书3第一章绪论5第一节课题来源
7、和选题背景5第二节课题研究目的和内容5一、课题研究目的5二、课题研究内容5第三节灌装机概述6一、基本概念6二、灌装机的分类7三、灌装机主要结构7第四节课题研究现状及国内外发展趋式7第二章总体方案设计9第一节灌装方案确定9一、灌装机的类型确定9二、灌装机原理及灌装工艺流程9三、灌装机主要技术参数的确定10第三章主要部件设计12第一节托瓶升降机构设计12一、方案论证12二、详细设计15第二节灌装瓶高度调节机构设计28一、方案论证28二、详细设计30第四章关键部件设计37第一节旋转式电接头设计37第二节气管布置及旋转气管接头设计38一、气管布置38二、旋转气管接头39结束语40致谢41参考文献41广
8、西科技大学2013届毕业设计说明书4附录42广西科技大学2013届毕业设计说明书5图1壮牛牛奶第一章绪论第一节课题来源和选题背景广西的水牛奶又称壮牛牛奶，该品种的牛奶品质好，营养价值高，香醇浓厚，胆固醇低，风味独特，深受消费者的青睐。水牛奶能进行高质量乳制品的深加工，其特色产品可在奶类市场占有强大的竞争实力。而根据2012年的数据，中国人均奶类占有量不到30千克，与世界平均水平相比还有很大差距，随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，奶类消费量将会与日俱增，奶业市场将呈现巨大发展潜力，未来水牛奶具有很广阔的市场发展前景。而在牛奶的生产加工过程中，必须进行产品的包装，因此，对牛奶包装机械的市场需
9、求量也将会越来越大。包装机械能完成产品的全部或部分包装过程，是包装工业的重要基础，对包装业的发展起着重要的作用。包装机械的应用可以大幅地提高生产效率、降低劳动强度和改善劳动条件；它能节约材料、降低成本，以及保护环境、改善包装产品的卫生条件，提高产品质量和延长产品的保质期，并且具有方便流通、减少包装场地面积等优点。本次设计的壮牛牛奶灌装机是包装机械中较为典型的种类，与瓶装饮料，如矿泉水等所使用的灌装机械原理相通。它在牛奶产品的生产流程中进行牛奶的自动供料、送瓶、灌装和封盖，完成牛奶产品的包装过程，并将其送至下一道生产工序，以便后续处理。该类牛奶灌装机在广西的皇氏乳业、壮牛乳业和百强水牛奶乳业有限
10、公司等牛奶生产企业中有广泛应用，如百强水牛奶乳业有限公司的五条水牛奶生产线，能形成年加工水牛液态奶三万吨的生产能力，可生产有6大系列30多个水牛奶品种的产品。第二节课题研究目的和内容一、课题研究目的本次课题的设计要求来源于壮牛水牛乳业有限责任公司（简称壮牛乳业公司），该公司是广西第一个原生态水牛乳业专业企业，公司集奶水牛的饲养、水牛乳品研制、开发、加工、销售于一体，是一家按现代运营模式运作的企业。目前，壮牛乳业公司已经拥有先进的冷藏保鲜水牛奶生产线，一次成形环保杯水牛双皮奶生产线、水牛奶酪生产线，可生产纯鲜的原生态水牛奶、酸奶、双皮奶、奶酪、益生菌水牛奶等10多种系列产品。公司产品严格按照QS
11、标准操作生产，质量好，深受消费者的喜爱。公司产品继2006年成为“第五届亚洲水牛大会惟一指定乳品”之后，2007年荣获“南宁市政协第九届全会专用乳制品”，“中国食品质量与安全高峰论坛钓鱼台国宾馆宴会专用乳品”等荣誉，2008年12月获得“广西著名商标”，成为2008年影响南宁市民生活100品牌之一。图1为该公司生产的水牛奶产品。本次课题对壮牛乳业灌装生产线进行改进与优化，主要着重基于PLC技术的系统控制部分，以提升生产线的自动化程度，便于实时监控与远程监控。同时在机械结构上也做适当改进与完善，以便于进行机械的维护与清洗，这对于食品包装生产线来说尤为重要。对于本次设计，我查阅了一些相关资料，并观
12、看了一些实际生产线的视频，对于设广西科技大学2013届毕业设计说明书6图2牛奶瓶三维图计任务有了初步的了解。在接下来的时间里，我将综合运用我在大学四年中所学的知识，对所设计装置的可行性进行论证，对于设计中所可能遇到的问题和难点进行认真思索。通过思考、查阅资料、提问与探讨、实物观察等方式从理论上进行装置的设计。从而实现对该牛奶灌装机的优化，节约资源成本，提升工作效率，提高产品质量。本次设计对于我来说是个前所未有的挑战，也是对我的一次锻炼，在大学四年的学习中，我们掌握了各方面的专业知识，这次的设计，将是对我所学知识的一次巩固与精炼，把理论知识运用到实际问题中，为未来的工作打下基础。二、课题研究内容
13、（一）设计内容该乳制品玻璃瓶容器的三维模型如图2所示。本次课题组主要研究壮牛牛奶灌装机，涉及供料装置、供瓶装置、瓶子升降托举装置、灌装阀及封盖、贴标签装置的设计。主要为了实现牛奶灌装的自动化，以减轻工人的劳动强度、提高产品质量，以及保障产品的卫生与外观。本次设计中我主要负责完成托瓶升降机构，灌装瓶高度调节机构部分的设计。（二）设计要求1托瓶升降机构要求运行平稳、迅速、准确，安全可靠，结构简单，托瓶升降实现自动化。2灌装瓶高度调节机构要求能方便的调节贮液缸与转盘的相对位置，贮液缸位置调节过程要运转平稳，调节完毕要能实现有效固定，并且要求结构合理、实用。3封口机要求瓶子输送、瓶子升降、锁瓶机构、送
14、盖及压盖实现自动化。4供料装置要求供料保质保量，符合卫生标准。5灌装阀部分要求灌装迅速、平稳、生产效率高；灌装定量准确；灌装自动化；灌装完毕，瓶身干净，符合食品卫生要求。6灌装机供瓶装置要求供瓶装置自动化；保证灌装机正常而有序的工作；保证供瓶机构瓶的连续供给和定时供给；供瓶装置运行平稳、准确、安全可靠。（二）工作情况及生产纲领本灌装机的设计要能满足一般乳制品生产公司的鲜牛奶日常灌装生产需求，以下是工作情况及生产纲领表1工作情况及生产纲领灌装瓶直径PDMM灌装瓶高度PHMM生产能力Q瓶/小时）每天工作时间（小时）（视季节与订单情况而变）60100260100001400016、24第三节灌装机概
15、述一、基本概念灌装机就是将液体产品按预定量灌注到包装容器内的机器。用于灌装的液体产品按其黏度可分为流体和半流体。流体在自身重力作用下可以按一定速度流过圆管的任何液体，一般黏度范围规定广西科技大学2013届毕业设计说明书7为31000111CPCPPAS（）。半流体在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体，其黏度为1010000CP。对于低黏度液体，根据液体中是否含有二氧化碳气体可分为含气和不含气的两类，对是否含有酒精成分又可分为软饮料（不含酒精）和硬饮料（含酒精）。包装容器按其强度可分为刚性和柔性包装容器。刚性包装容器是可以承受15LB的向下正压力而不变形用金属玻璃、陶瓷或塑料制成的、
16、加盖后不漏液体的容器，主要有玻璃瓶、金属罐和塑料瓶等。柔性包装容器主要包括多层塑料复合瓶和复合袋，以及用纸、铝箔或塑料等多层复合材料制成的盒。二、灌装机的分类（一）按灌装方法分类1常压灌装机在常压下将液体充填到包装容器内的机器。2负压灌装机先对包装容器抽气形成负压，然后将液体充填到包装容器内的机器。3等压灌装机先向包装容器内充气，使其内部气体压力和贮液缸内的气体压力相等，然后将液体充填到包装容器内的机器。4压力法灌装机利用外部的机械压力将液体产品充填到包装容器内的机器。（二）按包装容器的主要运动形式分类1旋转型灌装机包装容器进入灌装工位后，由灌装机回转盘带动绕立轴旋转运动，转动进一周完成连续灌
17、装，然后由回转盘送入压盖机进行压盖。2直线型灌装机包装容器沿着平直的直线运动，并在停歇时进行成排灌装。（三）按自动化程度分类1手工灌装灌装过程全部采用人工操作控制，多为无气类液体的灌装。2半自动化灌装在液体灌装中，上料、卸瓶均以手工操作，但灌装过程为自动。3自动化灌装该类型可分为单机自动化和联合自动化（可以包括连续进行洗瓶、灌装、压盖、贴标和装箱等工序）。二、灌装机主要结构灌装机的结构因灌装方法的不同而不一样，但其主要结构一般包括供料装置、供瓶机构、托瓶升降机构和灌装阀等。对于旋转型灌装机，主要由供料系统、供瓶系统、灌装阀、大转盘、传动系统、机体和自动控制等部分组成。第三节课题研究现状及国内外
18、发展趋式我国包装机械起步比较晚，发展比较缓慢，存在着不少的问题。企业规模的差距大，多为小型企业，在投资和开发新产品方面往往一哄而起，出现低水平机械重复的无序竞争。技术含量不高，在某些类型的包装生产线上长期被外国几家大企业垄断。国外的包装机械现在已经运用了多种先进技术，如远距离遥控监控技术、步进电机技术、自动柔性补偿技术、激光切割技术和信息处理技术等。且国外企业生产的包装机械精度高、自动化程度高。国外包装机械产品有着很大的竞争优势。目前，世界各国对包装机械的发展十分重视，集机、电、气、光、声、磁为一体的高新技术产品不断涌现。在国外，生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新技术实用化、科研成果
19、商业化已成为世界各国包装机械发展的趋势。随着中国经济的快速发展，包装机械在中国的市场前景空前壮大。据中国机械工业联合会预计，从2011年到2015年，食品与包装机械业总产值有望突破6000亿元，每年平均增速约维持在16的水平。广西科技大学2013届毕业设计说明书8目前，食品包装机械竞争日趋激烈，未来应配合产业自动化趋势，促进包装设备总体水平提高，尤其针对中小型企业，发展多功能、高效率、低消耗的食品包装设备，具有非常重要的意义。对于我国的包装机械生产企业，并不是求大求全，而应该依靠靠技术进步来提升行业的发展。广西科技大学2013届毕业设计说明书9第一章总体方案设计第一节灌装方案确定一、灌装机的类
20、型确定（一）包装容器输送形式确定灌装机广泛应用于食品工业中的汽水、啤酒和果汁饮料等产品的装填灌注。其型号规格繁多，按包装容器的输送形式可分为旋转型灌装机和直线型灌装机两大类。旋转型灌装机一般采用连续式灌装形式，即包装容器在运行中自动完成灌注动作，因而其工作效率可设计得很高。直线型灌装机普遍为间歇动作式机型，包装容器运行至灌注部位时有一个停歇动作，等待灌注，其效率相对旋转型灌装机来说要低，但灌注平稳，不易溢出，包装质量较易保证，而且相对于选装机型而言，其结构较简单。在自动化食品包装生产线上，灌装与封盖通常作一体机型设计，这样可以使包装工序紧凑，节省空间。为了提高生产率，满足最高速度14000瓶/
21、小时的灌装生产要求，本次课题的灌装机设计为旋转型灌装机，同时，也为了使包装工序紧凑和节省空间，灌装与贴标、封盖作一体型设计。（二）牛奶灌装形式确定旋转型灌装机的主要部件是灌装机构，亦称灌装阀或灌装头，不同的物料，灌装形式有所不同，因此对应的灌装机构的设计也有多种多样。按灌装形式划分，可把灌装机分为常压灌装、等压、真空灌装、加压灌装等机型。它们的根本区别在于供料装置及灌装机构的设计各有特点，从而使灌装的形式各异。常压式灌装机是在常压下将液体充填到包装容器内的机器，灌装低粘度不含气体的液体产品，如白酒、醋、酱油、牛奶、药水等。本设计的灌装机主要用于灌装壮牛牛奶，因此采用的是常压式装形式。（三）灌装
22、头数的确定旋转型灌装机一般设计有多个灌装头，以提高生产率。灌装头数少至6头，多至60头以上随着灌装头数的增加，灌装能力也不断提高，一些机型已超过30000瓶/小时的生产率。虽然同类型的灌装机的灌装头数有多有少，但其工作原理基本上是一样的。为了尽量提高生产率，满足牛奶的灌装生产需求，节省生产成本，本次设计的壮牛牛奶灌装机的灌装头数为24头。二、灌装机原理及灌装工艺流程（一）灌装原理常压式灌装是一种最简单最直接的灌装形式，也是应用最广泛的装填灌装方式之一，本设计采用此类灌装形式，其灌装原理是贮液缸和计量、控制装置处于高位，包装容器（牛奶瓶子）置于低位，在大气的压力下，液体（牛奶）在自身的重力作用下
23、，从贮液缸流经导液管，通过灌装阀后进入包装容器（牛奶瓶子），完成灌装过程。（二）灌装工艺过程牛奶灌装的工艺过程如下图所示。等待灌装的空瓶子由链板式输送带5连续的送入机器，经过变螺距的分瓶螺杆7时，瓶子被定距拉开并送入进瓶拨轮8，进瓶拨轮8将瓶子一个个依次拨入灌装机托瓶升降机构的托瓶台1上，瓶口对准灌装阀（本图未画出，在装配图中以双点划线表示），并随回转盘2作回转运动。在转动过程中，瓶子进入升广西科技大学2013届毕业设计说明书101托瓶台2回转盘3出瓶拨轮4侧护板5输送带6牛奶瓶7进瓶螺杆8进瓶拨轮9护板10机架板板图3壮牛牛奶灌装过程图瓶区并被托瓶升降机构逐渐抬起，使瓶口顶压灌装阀口。在开阀
24、区，灌装阀的阀口打开，从此进行牛奶的灌装。在灌装区，牛奶进行连续灌装。等待灌装即将完成时，瓶子进入闭阀区，灌装阀开始关闭，灌装过程结束。随即，瓶子进入降瓶区，并和托瓶升降机构一起下降，然后由出瓶拨轮拨出到输送带上，接着送入贴标压盖机构，封盖完毕后，瓶子由输送带送出机外，等待装箱搬运等后续处理。三、灌装机主要技术参数的确定瓶壁厚度5PHMM，每瓶灌装容量PV198ML，灌装区间角为4187。（大于半圈范围）。灌装区间的灌装头数4GSS125360头，灌装区占有率4GK10052360，灌装头节距TC150MM，广西科技大学2013届毕业设计说明书11灌装头节圆周长JTLC3600SMM，回转盘直
25、径PD1306MM，厚10MM，灌装头节圆直径1146JJLDMM，节圆半径JR5732JDMM，主轴（回转盘）旋转周期6060T720833SN主，由公式Q60SN主，得主轴转速范围694972/NRMIN主，主轴转速周期范围617608T64SN主，灌装区所占时间4T，要求4LTT（为工艺上所要求灌装时间）。由公式446060N360TT得44321TN4649S，故要求321LTS，开、关阀所占的时间一般为051S，以06S计，则开关阀区所占的角度为350636035617。无瓶区所占角度为145。则升降瓶区所占角度为2658。贮液缸材料为SU304不锈钢，国标061910CRNI。厚度
26、G6MM，密度793G/CM3，厚度G3MM。贮液缸直径为GD1600MM。贮液缸侧壁厚C3MM。贮液缸底部壁厚D12MM。贮液缸内径GD1594MM。内部底面积G2262GDDS202102MMM。贮液缸贮液高度YH50MM（以不影响灌装速度计算）。贮液缸贮液容积校核要求贮液缸贮液容积GV241984752PSVML。因63GV501021081054752MMMLML，合格。贮液缸高度GH200MM。贮液缸贮液质量53GM10110100KG。托平台直径TD80MM。托平台托瓶上升高度TH60MM。广西科技大学2013届毕业设计说明书12图4机械式升降瓶机构原理图1托瓶台；2弹簧；3上滑筒
27、；4滑座；5拉杆；6轴承第二章主要部件设计第一节托瓶升降机构设计一、方案论证在一般旋转型灌装机中，由拨瓶轮送来的瓶子必须根据灌装工作过程的需要，先将瓶子升到规定的位置，然后再进行灌装。灌装完后瓶了下降到规定的位置，以便拨瓶轮将其送到传送链带土送走，这一动作过程由瓶的升降机构来完成。托瓶的升降机构的要求运行平稳、迅速、准确、安全可靠、结构简单。常用的有机械式、气动式、气动与机械组合式等三种形式。（1）机械式图4为机械式升降瓶机构原理图，瓶托的上滑筒3和下滑筒6通过拉杆5与弹簧2组成一个弹性简。在下滑筒的支承销上装有轴承7，使瓶托台可沿着凸轮导轨的曲线升降。由于上、下滑筒间可产生相对运动，这不仅保
28、证了瓶口灌装时的密封，同时又保证了有一定高度误差的瓶子仍可正常灌装。滑座4用螺母固定在下转盘周边的圆孔中，并随转盘一起绕立轴旋转，这种机械式升降瓶机构实际上是由圆柱凸轮直动从动杆机构完成的，不同的是圆柱凸轮不动，而直动从动杆绕圆柱凸轮的中心轴线旋转，因此，它们之间的相对运动是一致的。图5是升降凸轮的展开图，瓶托上升时，凸轮倾角最大，许用推荐值为30。这种升瓶机构的结构比较简单，但可靠性差，若灌装机运转过程中出现故瘴，瓶子沿着滑道上升，很容易将瓶子挤坏，对瓶子质量要求很高，特别是瓶颈不能弯曲，瓶子被推上瓶托时，要求位置准确，在工作中，缓冲弹簧也容易失效，需要经常更换。另外，在降瓶和无瓶区段有较大
29、的弹簧力，这会增加凸轮磨损，并易折断滚子销轴。因此，这种结构适用于小型半自动化不含气体的液料灌装机中。广西科技大学2013届毕业设计说明书13图6气动式瓶的升降机构1气缸；2活塞；3连杆；4托瓶台；5下部进气管；6阀门；7上部进气管；8排气阀门（2）气动式图6为气动式瓶的升降机构，升降动力为压缩空气，其压力通常为2254/KGFCM。从图中可以看到当控制碰块使阀门6关闭、排气阀门8开启时，压缩空气将自下部进气管5进人到汽缸1中，活塞2受到下端压力气体的作用向上运动，托瓶台4及其所承托的瓶子上升，在此过程中灌装嘴插人瓶内，以便进行灌装。灌装完毕后，控制机构关闭排气阀门8，开启阀门6，压力气体自活
30、塞2上端引入汽缸1中，由于活塞上、下气压相等，托瓶台4及已装物料的瓶子等在自重的作用下下降，当托瓶台降到与灌装机转盘水平面等高时，排卸装置将装料瓶自灌装机转盘上排卸出去封口。阀门6与排气阀门8通常用凸轮式碰块及转柄进行控制，在灌装机工作运转中，凸轮碰块作开、关的控制操纵。这种升降机构，克服了机械式升降点，因为它采用气体传动，有吸震能力，当发生故障时，瓶子被卡住，压缩空气好比弹簧一样被压缩，这时瓶子不再上升，故不会挤坏。但活塞的运动速度受到空气压力的影响，若压缩空气压力下降，则瓶的上升速度减慢，以致不能保证瓶嘴与灌装阀的密封；若压缩空气压力增加，则瓶的上升速度快，导致瓶不易与进液管对中，又使瓶子
31、下降时冲击力增加，如若灌装含气性气体，则容易使液料中的二氧化碳溢出。（3）气动与机械组合式组合式托瓶升降机构如图7所示，托瓶台1经连接盘2安装在套筒9的顶部，连接盘与套筒固联，并以密封圈3密封套筒顶部，套筒下部压配端封套12，另外在套筒外固定装配有承托座11，在承托座的一侧安装芯轴19并装配轴承21。柱塞10的顶部套装封头8，由导气螺套4固联一体，和密封圈7组成一个活塞部件。柱塞安装在固定底板13上，固定底板由两根支撑杆15与回转台5紧固连接，形同悬挂状。另外，右侧支撑杆作为承托座11的导杆，确保套筒在作升降运动时不会转位。在工作时，回转台带动整个托瓶机构旋转，托瓶机构上的轴承21沿固定环形凸
32、轮导轨16运行。压缩空气由柱塞底部的气流孔道导入，经柱塞中心气孔及导气螺套进入其上部空间，推动连接盘2，从而带动套筒9和托平台1向上运行，形成升瓶动作。在套筒向上运动的过程中，柱塞是固定不动的。虽然套筒9和托平台1上升是依靠气压传动的，但其上升的高度及运动轨迹完全受制于固定在机台上的圆柱凸轮导轨16，因为固定在套筒底部的轴承21在回转过程沿圆柱凸轮导轨底部运行，受气压作用，轴承收到一个向上的拉力而压紧凸轮导轨，其升降运动受凸轮导轨的限制。图5圆柱凸轮广西科技大学2013届毕业设计说明书14图7托瓶升降机构原理图1托瓶台2连接盘3密封圈4导气螺套5回转台6滑座7密封圈8封头9套筒10柱塞塞11承
33、托座12端封套13固定底板14机架板15支撑杆16圆柱凸轮导轨17固定块18圆螺母19芯轴20挡圈21轴承22立柱升降动作维持到填料灌装完成为止。升瓶机构随着灌装机的旋转，进入降瓶区，在降瓶时，依靠凸轮导轨的强制机械作用，使轴承21沿着其廓形运动，并带动套筒及托平台下降，而此时柱塞内的压缩空气被排放到环管中，再由环管流入正待上升的托瓶气缸内。因此，这种机构的压缩空气可在环管内循环使用，减少动力消耗。综合式托瓶升降机构利用气动托瓶，因此具有自缓冲功能，托升平稳，而且节约时间。同时，它又结合凸轮导轨的控制，使托瓶升降运动迅速、准确以及保证质量，这时其优点，因此这种机构应用很广泛。上诉三种升降瓶机构
34、个各有其优缺点,根据三种方案的比较，决定使用的是气动与机械组合式的升降瓶机构。广西科技大学2013届毕业设计说明书15图8托瓶升降机构原理图1牛奶瓶2托瓶台3气缸4回转盘5圆柱凸轮6轴承7立轴轴二、详细设计（一）托瓶升降机构原理及机构简图本设计采用的是气动与机械组合式的升降瓶机构，其原理及机构简图如图8所示（二）气缸部分设计1工作介质的选用及气压的确定因为牛奶灌装机工作在常温下，要求托瓶升降动作快速、准确，而且从减少重量方面考虑，所以选择普通的是空气即可。气压传动的缺点是在工作中相对于液压传动会产生更大的噪音，降低工人的工作环境，但仍在可接受的范围内。旋转型灌装机的托瓶升降机构的托瓶升起过程是
35、靠气缸缸体内的气体压力驱使缸筒动作来完成，缸体内的气体压力大则升瓶动作迅速、灵敏，但同时也会使安装在缸筒上的轴承圆柱凸轮的压力增大，旋转型灌装机中该气体压力一般为P254MPA，故本设计中的气体压力可定为3MPA。2缸筒设计（1）缸筒的要求有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒与托瓶台的连接部分要可靠，能保证气体的密封要求等。（2）缸筒材料的选取及强度计算部分材料的机械性能如下表广西科技大学2013届毕业设计说明书16表2缸筒材料的机械性能缸筒常用无缝钢管材料机械性能材料
36、B/MPAS/MPAS/204202502530500300183554032017456103601415MNVN7505002627SIMN10008501230CRMO9508001235CRMO100085012本次设计选取45号钢，从表中可以得到缸筒材料的屈服强度为360SMPA；610MPAB缸筒材料的抗拉强度。现在利用屈服强度来引申出缸筒材料的许用应力S/N360/572MPA（安全系数N取8）。（3缸筒直径的确定气缸的外形尺寸的确定要考虑其空间结构，从结构紧凑方面考虑，应在满足机械性能的前提下，尽量减少其尺寸，根据经验，可取气缸筒的内径为20MM。4缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可以使
37、用此公式进行计算/2MAXPD。最高允许压力一般是额定压力的15倍，而额定压力P3MPA，所以MAX31545MPAP。许用应力在选取材料的时候给出/360/572NPAM。根据前面计算得D20MM，所以得壁厚1MM，取壁厚为2MM，故气缸的外径为24MM。5校核及验算对于气缸压力及缸筒壁厚的可靠性，可从以下两方面进行验算气缸的额定压力值NP应低于一定的极限值，以保证其工作安全NP小于48MPA，显然，选择的额定压力P3MPA，满足要求。为避免缸筒在工作时发生塑性变形，气缸的额定压力NP应与塑性变形压力值有一定的比例范围0350421NPLPPMPA）（）123L2OGPLSDMPAPD）（）
38、根据（2）式得到6556PLPMPA，再代入（1）式得22NPMPA，显然，额定压力P3MPA，满足条件。3活塞和活塞杆设计活塞分为整体式和组合式，整体式结构简单，制造方便，组合式制作和使用比较复杂，但在本灌装机中的托瓶升降机构中，需要从活塞杆开孔，以便通气至气缸内，故从结构、加工及安装方面考虑，不宜用整体式，所以在此选用组合式活塞。活塞杆的材料选择为45号钢，因为活塞杆只受压力，故不用调质处理，但活塞杆要满足耐磨的性能要求，故必须要进行必要的淬火处理，淬火深度为05MM左右。活塞广西科技大学2013届毕业设计说明书17和活塞杆结合处为过盈配合，精度要求较高，可精车。4导向套设计导向套长度计算
39、HL/20D/2（L为气缸总行程，即托瓶上升高度，L60MM。D为内径）。故H13MM。5气缸的密封本托瓶升降机构的气缸中，要求能防止气体的泄漏，故应有较好的密封装置，气缸的密封要求有较高的可靠性。1密封圈的种类选择密封圈密封是气压传动中应用最广泛的一种密封形式，常用的密封圈有O型、Y型、V型及组合密封圈等。本设计的动、静密封均采用O型密封圈密封，O型密封圈有以下特点结构尺寸小、装拆方便；适合多种密封形式静、动密封均可使用，用作静密封时几乎没有泄漏；使用单件O型密封圈，有双向密封作用；动摩擦阻力小；价格低廉；工作压力范围133310PA的真空到400MPA的高压；温度范围60C到200C。适合
40、各种用途材料，尺寸和沟槽都已标准化，互换性强。适合多种运动方式旋转运动、轴向往复运动或组合运动（例如旋转往复组合运动）。适合多种不同的密封介质油、水、气、化学介质或其它混合介质。11通过选用合适的橡胶材料和适当的配方设计，实现对油、水、空气、煤气及各种化学介质有效的密封作用。12材料品种多，可以根据不同的流体进行选择。正因O型密封圈有这些优点，故能满足本次设计的使用要求。（2）密封圈的材料、尺寸、硬度、型号的确定在具体选取O形圈材料时，首先要考虑与工作介质的相容性。还须终合考虑其密封处的压力、温度、连续工作时间、运行周期等工作条件。O形圈的材质选用主要由使用时的工作条件决定，包括介质类型、工作
41、温度、压力、范围等。常用的材料类型有橡胶类材料如丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶FKM、硅橡胶VMQ、乙丙橡胶EPDM、氯丁橡胶CR等。塑料类材料如聚四氟乙烯PTFE等。金属类材料应用于超高压状况。广西科技大学2013届毕业设计说明书18组（复）合材料如硅橡胶或氟橡胶外包PTFE、橡胶外喷涂PTFE等。不同的密封件材料，其物理性能和化学性能都不一样，如下表表3O形圈常用材料性能及应用一览表材料ISO1629ASTM1418使用条件主要特性适用范围丁腈橡胶NBRNBR耐油、耐压耐矿物油，耐磨性好广泛应用于一般性的液压和气压密封，不适宜在阳光和紫外线的照射下工作。使用温度25130氢化丁腈橡胶HNBRH
42、NBR耐油、耐压、耐磨对各种汽油、石油基液压油、燃油、润滑油等具有极高的抗耐性。同时具有高弹性、低压变，耐老化性能优异等特点。用于耐油、耐高低温，可在55135范围内正常使用，短时高温可达150氟橡胶FKMFKM耐热、耐油耐热性、耐油性、耐药品性很好。广泛使用于高温液压设备，真空设备，用途很广。使用温度25220硅橡胶VMQVMQ耐热、耐寒耐热、耐寒性能特别优异，但机械强度低，耐磨性抗扯裂性差，对于某些油类的耐油性差，在一些液压油中容易膨胀。在激烈运动的情况下不能使用，特别适宜作耐寒，耐热的固定密封之器件。使用温度93230乙丙橡胶EPDMEPDM化学药品、药剂耐水性、乃极性溶剂、耐无机药品性
43、（特别是无机酸）好，但耐油性差。适用于磷酸酯类的液压油，特别不怕高压水蒸汽。使用温度40150氯丁橡胶CRCR气压耐磨性、耐风化性和耐油性能好，但在苯胺点低的矿物油中易膨胀用于液压密封时，只适用于苯胺点高的液压油，特别适用于阳光照射下的气动机械，其弯折性好，最适宜制作隔膜式密封元器件。使用温度30120丁基橡胶IIRIIR耐化学药品、药剂耐药品性（特别是无机酸好，气体渗透性小，适宜于作真空密封件材料在一般矿物油中不能使用只适用于气压、真空、盐酸硫酸等无机酸中。使用温度50150聚丙烯酸脂胶ACMACM耐油、耐高耐温、耐磨性好，耐碱、耐水性比NBR差。价格使用温度40150广西科技大学2013届
44、毕业设计说明书19图9O型密封圈及密封类型温较NBR高聚四氟乙烯PTFEPTFE超低高温、高压具有介质相容性、工作温度范围宽，承压范围大，但价格昂贵。除水以外的各种介质，温度范围可取190250通过比较上表几种材料，选择密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR），其广泛应用于气压密封场合。O型密封圈已做成标准化，根据中国标准GB34521，选择O型圈截面直径W为265MM。在选择O形圈内径时，应根据其密封形式来确定。密封形式按负载类型可分为静密封和动密封；按密封用途可分为孔用密封、轴用密封和旋转轴密封；按其安装形式又可分为径向安装和轴向安装。对于孔用密封，应使其内径等于或略小于沟槽的直径D1，如下图所示
45、。在本设计中，缸筒与托瓶台的连接处采用静密封，缸筒与活塞的接触部分采用动密封，均属于孔用密封和轴向安装。根据GB3452182标准，确定O型圈的内径为114DMM，型号为XB214。O形圈材料硬度是评定密封性能最重要的指标。硬度决定了O形圈的压缩量和沟槽最大允许挤出间隙。由于邵氏A70的丁晴密封都能满足大部分的使用条件，故本次设计选择丁晴橡胶的材料硬度为邵氏A70。3O型圈安装沟槽的设计O形圈安装在沟槽内时，应允许它有一定的膨胀空间。通常，允许的膨胀率在静密封中约为15，在动密封中约为8。对于不同类型的沟槽，其适用范围也不同。常用的沟槽形式有三种三角沟槽、矩形沟槽和梯形沟槽。三角沟槽常用于法兰
46、和端盖上的密封。其缺点是制造困难，且供O形圈膨胀的空间非常小。梯形沟槽仅用于O形圈截面直径大于25MM的某些特殊场合。例如为保持O形圈的顶部安装,就可以考虑做成梯形沟槽形式。矩形沟槽广泛用于各种场合，在不需要使用挡圈时，也可做成倾斜侧面小于5度。本次设计中采用的是矩形沟槽。沟槽的尺寸推荐值可由表查得，分别为宽B38MM，深H20MM，倒角半径R06MM。（4）密封圈的最大挤出间隙的确定广西科技大学2013届毕业设计说明书20最大允许挤出间隙MAXG和系统压力、O形圈截面直径以及和材料的硬度有关。通常，工作压力越高，最大允许挤出间隙取值越小。如果间隙MAXG超过允许范围，就会导致O形圈被挤出损坏。如下图对于硬度为邵氏A70的O型丁晴橡胶密封圈，最大允许挤出间隙MAXG可由下表确定表4最大允许挤出间隙MAXG压力MPAO型圈截面直径W178262353533700350080090100130157000050070080090101050003004005007008由于本次气缸气体额定压力为3MPA，O型圈截面直径为265MM，故沟槽最大允许挤出间隙为009MM。因为压力不超过5MPA时，故不使用挡圈。对于缸筒与托瓶台的连接处的静密封，使用的配合公差为H7/G6，活塞与缸筒的接触部分的配合公差也采
