新型24头液体灌装机的研究
2014-04-29王陈杨树均杨平
王陈 杨树均 杨平
摘 要：
本文现以某厂所要求开发的新型24 头电子灌装机为研究对象，在分析了已投放于市场的其他相似类型灌装机的结构特点及实际应用中出现的普遍性缺陷后，本文从提高设备效率、降低设备成本及完善设计等方面进行研究，最终提出了所需求的24头电子灌装机的设计研发方案。
关键词：灌装机，单电机驱动，换档机构
绪论
灌装机械经历了几百年的发展与进步，我国的灌装机械从无到有，从小到大，从仿制国外产品到自主研发设计，经过多年的发展，如今灌装机械行业在我国已初具规模。但与国外先进技术相比，我国灌装生产在设计及加工制造水平等方面均存在较大差距。
因此研制高稳定性和高灌装精度的拥有自主知识产权并符合GMP等行业要求的新型灌装机对于促进我国灌装行业发展起到重要作用。
1.24头液体灌装机总体设计
1.1基本结构及工作原理
本文研究的新型24头液体灌装机是一款采用重力式灌装法，灌装速度2000～8000瓶/小时的设备。
根据各部分不同功能，该液体灌装机结构划分为传动系统、主轴系统和灌装系统，如图1.1所示。
图1.1 24头电子感应灌装机总装图
- 传动系统;2—主轴系统;3—灌装系统
1.2传动系统分析
图1.2是灌装机灌装液体时的运行路线图。空瓶经洗瓶机清洗后，进入由蛟龙机构组成的螺旋输瓶器，按一定间距间隔分开后送入进瓶星轮，再由匀速旋转的进瓶星轮送入灌装系统。
图1.2 灌装机灌装运行路线图
整个系统传递的运动，由主传动传至螺旋输瓶器、进出瓶星轮、罐装系统，
以及用于调节灌装口高度以适应不同瓶子的灌装口升降系统。用流程图1.3可直观表示。
图1.3 主传动流程图
由灌装机传动系统基本原理可知，灌装机的传动系统需将运动从主电机分别传送到螺旋输瓶器、各输送星轮、灌装系统、灌装口升降系统。灌装系统大转盘便需旋转一周，绞龙轴（螺旋输瓶器）便需要输送24个瓶子进入灌装系统，也即，两者传动比要求为
n灌装圆盘：n绞龙轴=1：24 （1.1）
1.3 传动系统设计
图1.4 传动系统传动方案一示意图
图1.4为原有的传动系统方案。该传动方案的使用齿轮作为传递运动的部件。其优点是结构简单，成本低。但由于所采用的锥齿轮的传动比为
nⅢ：nⅣ=1：1 （1.2）
因此根据系统总传动比要求为24，可知
nⅠ：nⅢ=1：24 （1.3）
也即大齿轮z1与绞龙轴（Ⅲ）上的圆柱直齿轮z3的分度圆直径比为
d1：d3=24：1 （1.4）
两者直径比过大。在原有设计方案中，绞龙轴上的圆柱直齿轮z3的分度圆直径为48mm，如果按照传动比i=24，大齿轮z1的分度圆直径便超过1m。但为减小齿轮大小，并且由于各轴中心距固定，该灌装机的原设计者采用了不同模数的齿轮进行啮合。而模数不同的齿轮在进行啮合时，为非正常啮合，极易产生振动、噪音，导致传动不平稳，效率低下，并且齿轮寿命大减[1][2]。
原有传动系统，采用双电机分别驱动输送罐装系统和灌装口升降系统。在实际生产环节中，如果采用双电机驱动，那么其中一台电机将长期闲置，造成制造成本和维修成本的增加。由于电机有一定的调速能力，可以考虑加入换挡机构从而去掉其中一台电机，只使用单电机驱动整个传动系统。另外由于双电机控制，会增加防止误操作和防止两台电机同时运行的其他设施，增加成本。
根据以上对灌装机传动系统功能原理的了解及对原有传动系统的分析，我们提出了新的传动系统优化方案，见图1.5。在解决现有系统的错误的同时，改善了传动系统的稳定性、降低运行时的噪音和运行成本。
图1.5 传动系统传动方案二示意图
在传动系统方案二中，灌装头升降系统与输送灌装系统的分时运行要求通过换挡机构实现，成功把双电机驱动改为单电机驱动;添加了中间轴，解决了齿轮过大问题[3][4];使用同步带，不但可以降低设备运行噪音，还具有传动平稳等优点，同时很好的解决了原有传动系统的诸多问题[5]。
电动机分时驱动输送灌装系统和灌装口升降系统，因此，需要对两系统的功率需求分别进行计算，选取最大值作为电机选取的参考功率。
选取电机型号：Y90S-4，功率为1.1KW，额定转速为1400r/min
图1.6 各级传动比分配
根据总的传动比要求，大齿轮与螺旋进瓶器轴的传动比要求为1：24。
综合考虑齿轮大小、电机转速、减速器、空间大小等因素，各级传动比分配如图1.6所示。
2.24头液体灌装机换挡装置设计
由于本机构设计两套传动系统不是同时运行，而是相互独立的分时运行，所以，需要一套换挡装置来满足这个功能要求。本传动系统设计了一套独特的机械换挡机构来满足两套传动系统分时运行的需求。图2.1为换挡结构示意图。
图2.1 换挡结构示意图
本换挡结构通过移动啮合套使其与上（下）齿轮（同步带轮）的套筒相啮合而带动齿轮（同步带轮）的转动和实现换挡功能。
运动随着啮合套的位置不同而传递到不同部件，完成换挡功能。其运动传递原理如图2.2 所示。
图2.2 运动传递原理
3.总结与展望
本文所做的主要工作及结论：
针对缺陷分析结果，结合生产厂家和使用厂家的要求，设计了新型24头液体灌装机的总体方案，达到了厂家的使用要求;
设计了新型换挡装置，达到使用单电机就可以满足升降机构与灌装机构分时运行的要求;
由于时间和经验不足，技术水平有限，还有实验条件的限制，本文对新型24头灌装机的研究只做了有限的工作，还存在较多不足之处，有待深入讨论和完善，同时还有些尚未研究的领域，值得深入研究。
参考文献：
[1]秦大同，谢里阳.《现代机械设计手册》（第三卷）[M].北京：化学工业出版社，2011
[2]秦大同，谢里阳.《现代机械设计手册》（第五卷）[M].北京：化学工业出版社，2011
[3]George W.Y. Industrial servo control system： Fundamentals and Application[J]. Second Edition.. Wisconsin： Marcel Dekkel， Inc. 2003.05：13～15
[4]李良军.《机械设计》[M].北京：高等教育出版社，2010
[5]机械设计手册编委会.《机械设计手册单性本-带传动和链传动》[M].北京：机械工业出版社，2007
[6]机械设计手册编委会.机械设计手册单性本[M].北京：机械工业出版社，2007
[7]闻邦椿.机械设计手册：第2卷[M].5版.北京：机械工业出版社，2010
