螺旋自動灌裝機結構設計與分析

王京華，樊曉帥，李佳星，解思瑤

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

目前，隨著經濟的發展，人們的生活水平也日益提高，對機械化設備的需求日益凸顯。而旋轉型灌裝機作為小型家用灌裝設備，可廣泛應用于牛奶、果汁、飲料的灌裝。同時經濟和機械化操作的深入發展，飲料、啤酒等行業的發展壯大，對灌裝系統的需求逐漸增長，讓人類社會快速的步入到自動化時代，灌裝行業受益匪淺[1]。但目前市面上現有的灌裝機大多存在結構復雜、只能針對某種液體灌裝、兼容性差、成本高、普及率低等問題。因要保證灌裝時運行平穩，不至于使液體灑落出來，則容器瓶需要相對固定，現有的灌裝機多數無法較好地實現容器瓶固定，只能降低工作臺轉速來保證容器瓶的平穩，且需人工進行容器瓶位置的調整，故自動化程度低，灌裝效率低。現在已有學者、專家針對上述問題提出了解決方案，較好地實現了原設計方案的部分功能，但還存在部分難以解決的問題，上海交通大學徐仁和設計的碳粉灌裝機[2]，工作穩定、故障率低，但罐裝的效率較低。杭州鋼鐵股份有限公司楊鳴設計的全自動聯合灌裝機[3]，可實現高功率快速運轉，但故障率較高。南京理工大學殷水忠設計的果粒飲料盒中袋灌裝機[4]，可實現精準灌裝，但自動化程度較低。Ludwig Clisserath發明了一種液體加壓灌裝的容器，在填充階段使用回流氣體管進入到各自的容器中，以控制灌裝高度[5]。灌裝機的輸出與傳送系統一般采用皮帶輪系統，確保加工完成的產品平穩，高效，無損傷地輸出[6]。

本文設計了一種新型的全自動旋轉型灌裝機，這種灌裝機由容器瓶輸入系統、定位夾緊系統、灌裝系統、封口壓蓋系統以及產品輸出與傳送系統構成。設計的這種新型的灌裝機，灌裝精準，工作穩定，故障率低，自動化程度高，可極大提高工作效率。

1 旋轉型灌裝機的總體設計方案

1.1 設計原理

旋轉型灌裝機結構較多，功能較為強大，若對旋轉型灌裝機進行功能分解，實現每一部分的功能，再進行機構的組合，有利于總體功能的實現[7]。可以把灌裝機的功能分為6個部分：容器輸入與傳送功能、容器定位功能、容器夾緊功能、灌裝功能、封口壓蓋功能、產品輸出與傳送功能，如圖1所示。

圖1 旋轉型灌裝機功能分解圖

旋轉型灌裝機可以實現在轉動的工作臺上對容器瓶連續灌裝，轉臺有多個工位，可以實現灌裝，封口等工序。為保證在這些工位上能準確地灌裝、封口，灌裝機需設有定位裝置。根據功能分解圖，設計出灌裝機原理圖（如圖2所示），工位1用來輸入空瓶；工位2實現灌裝；工位3完成封口；工位4最后輸出灌裝好的容器。空的容器瓶經傳送帶傳送進入表面摩擦較小的固定工作臺，然后依靠慣性進入轉臺工位1凹槽，之后轉臺回轉，帶動容器瓶進入工位2后停止轉動，進行灌裝，之后轉臺轉動，帶動灌裝好的容器瓶進入工位3后停止轉動，進行封口壓蓋，之后轉臺轉動，帶動加工完成的容器進入工位4，然后通過傳送帶自動輸出并擺放好加工完成的容器瓶。這種灌裝機結構簡單，采用回轉式結構，可以實現連續灌裝。

圖2 旋轉型灌裝機原理圖

本系統采用傳送帶進行容器的連續傳送，容器瓶在傳送帶上等間隔均勻分布，進入工位后依次在每個工位完成既定工序的加工，所有工序完成后，容器由傳送帶輸出到指定位置。此種設計工序聯系緊密，工序間隔合理，排布均勻，可有效解決容器瓶在工作臺堆積的問題。本系統采用電動機驅動，通過機構的選用，可以實現運動的傳遞、轉換，來實現自動化。

1.2 機構的選用

為確保良好地實現灌裝機各部分的功能，則需要選用合理的機構進行運動的傳遞和轉換，對灌裝機的各個分系統進行如下機構設計：

（1）灌裝機的轉盤系統采用槽輪機構，可以準確地實現間歇回轉運動，保證機構間的協調配合關系，可確保容器瓶穩定的進入下一個工位，不易傾倒，故障率低。

（2）灌裝機的封口壓蓋系統采用連桿機構，由于連桿機構具有結構簡單可靠、傳動載荷較大、傳動距離較遠和可實現急回運動等特點，可以使灌裝機整體結構簡單，工作效率高，不易出現故障。

（3）灌裝機的夾緊定位采用凸輪機構，凸輪機構可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便，可以確保定位精準，且機構間協調能力強，夾緊凸輪可以和轉盤凹槽結合，使容器瓶夾緊，回轉運動時不會發生傾倒和脫離工作臺等故障。凸輪機構雖然為高副接觸，但是因為容器瓶容積小、質量輕，故所需的夾緊力較小，并且灌裝機的轉速較低，因此，長期連續工作時產生的熱量較小，則結構不易磨損，可長時間連續平穩工作。

（4）灌裝機的灌裝系統采用凸輪機構，可保證灌裝平穩，液體不易傾灑出容器瓶，且可以定量地實現灌裝，不會出現未裝滿或溢出等問題。

1.3 機械運動簡圖及工作原理

根據圖1的灌裝原理圖、圖2的功能分解圖及表1選用的機構，可畫出旋轉型灌裝機的機械運動簡圖[8]（見圖3），由旋轉型灌裝機的機械運動簡圖可看出結構及工作原理，工作原理如下所述：

（1）電機1通過皮帶輪2傳到皮帶輪3，3通過軸傳到齒輪4，4傳給齒輪5，5通過軸傳到齒輪6，6傳到齒輪7，從而形成三級傳動。

（2）7通過軸傳到錐齒輪31，31傳給錐齒輪32，32傳給同軸帶輪33，33傳給帶輪29，29和帶輪30構成輸入機構，一起輸送容器。

（3）7通過軸傳給錐齒輪13，13傳給錐齒輪14，14通過軸傳給夾緊凸輪35，35和工作臺凹槽一起完成定位，夾緊動作。

（4）帶輪29傳給同軸帶輪28，28傳給帶輪25，25傳給同軸凸輪26，26推動活塞推桿27，27完成灌裝動作。

（5）錐齒輪14通過軸傳給齒輪15，15傳給齒輪16，16傳給同軸的主動撥盤17，17傳給從動槽輪18，18帶動工作臺19回轉，實現間歇運動，把容器傳送到下一個工位。

圖3 旋轉型灌裝機的機械運動簡圖

（6）齒輪16傳給同軸錐齒輪40，40傳給錐齒輪39，39傳給同軸錐齒輪38，38傳給錐齒輪37，37傳給同軸夾緊凸輪36，36和工作臺凹槽一起完成定位夾緊動作。

（7）帶輪25傳給同軸齒輪24，24傳給齒輪23，23傳給齒輪22，22傳給連桿21，21推動瓶塞20做往復運動，完成封口動作。

（8）齒輪7傳給同軸齒輪8，8傳給錐齒輪9，9傳給同軸帶輪10，10傳給帶輪11，11和帶輪12一起完成灌裝后容器的輸出動作。

1.4 傳動比的分配

旋轉型灌裝機完成以上運動所需要的機構如下：轉盤間歇運動機構為槽輪機構，封口用曲柄滑塊機構，灌裝用凸輪機構，定位夾緊用凸輪機構[9]，容器瓶的輸入、輸出用皮帶輪機構[10]，傳送帶采用同步帶傳動，帶的工作面做成齒形，帶輪的輪轂表面也做成相應的齒形。這種帶傳動受載后變形極小，齒形帶的周節基本不變，傳動比恒定、準確。齒形帶薄而輕，可用于速度較高的場合，傳動時線速度可達40米/秒，傳動比可達10，傳動效率可達98%。

為了使灌裝機的效率更高，灌裝機采用電動機驅動來實現自動化，若設定轉臺直徑為600mm，采用三相異步電動機（如型號Y112M-4），電動機的轉速要求為1440rpm，額定功率為4kW，經減速后可實現灌裝速度10瓶/分。

因為電動機的轉速較高，需設計傳動系統進行減速，傳動系統采用三級減速機構，第一級為帶傳動，第二、三級為齒輪傳動。為使傳動構件取得較小尺寸，結構緊湊，采用傳動比“先小后大”原則。先進行總傳動比的計算，然后對各級傳動比進行分配。對總傳動比進行計算：

其中，i總為傳動減速系統總的傳動比；i1為第一級減速所采用的傳動比；i2為第二級傳動所采用的傳動比；i3為第三級減速所采用的傳動比；n0為電機1的轉速；n1為帶輪3的轉速；n2為齒輪5的轉速；n3為齒輪7的轉速。

對各級傳動比進行分配：取i1=4，i2=i3=6，則i總=144。經三級減速，與齒輪7相連的軸轉速降為10rpm，錐齒輪嚙合傳動比為1，則轉臺轉速為10rpm，從而實現灌裝速度為10rpm。其余齒輪，錐齒輪嚙合傳動比皆為1。

1.5 齒輪參數設計

齒輪機構在旋轉型灌裝機的運動傳遞過程中起重要作用，為保證整個運動的平穩傳遞，進行詳細齒輪參數設計[11]。齒輪4、6的參數保持一致；齒輪5、7的參數保持一致；輪15、16的參數保持一致；錐齒輪8、9、13、14、31、32、37、38、39、40的參數保持一致（如表1、表2所示），傳送軸的設計可根據傳動軸所受外力確定傳送軸的最小直徑，再根據實際情況確定傳動軸的直徑，本系統為原理設計，具體參數可根據實際情況查閱《機械設計手冊》進行確定。

表1 各直齒輪參數

表2 各錐齒輪參數

1.6 旋轉型灌裝機運動循環圖

機械結構的各執行構件之間在動作上必須協調配合[12]。如果協調配合關系遭到破壞，機械結構不僅不能完成預期的工作任務，甚至還會損壞機械設備[13]。為了保證機械結構在工作時各執行構件間動作的協調配合關系，編制了一個用以表明在機械的一個工作循環中各執行構件的運動配合關系的運動循環圖（如圖4所示）[14]。運動循環圖的工作過程是當灌裝機工作時，輸入傳送帶和輸出傳動帶一直在不停歇的轉動，傳送容器。在工作臺不轉動的時候，各工位進行加工，完成既定的工序。工作臺不轉動時，工位2上的容器瓶被夾緊，完成灌裝動作。工位3上的容器瓶被夾緊，完成封口動作。在罐裝、封口工序完成，機構回程時，夾緊凸輪轉動，不夾緊容器瓶。這時工作臺回轉，將完成加工的容器瓶送到下一個工位去進行加工。

圖4 旋轉型灌裝機的運動循環圖

2 旋轉型灌裝機建模及仿真分析

2.1 應用軟件對旋轉型灌裝機整體進行建模

應用solidworks軟件對基于本文所述原理的旋轉型灌裝機進行實體建模（如圖5所示），可以清晰明了的看出外觀、運動原理及各機構之間的裝配關系，為加工制造零件，調試產品提供依據[15]。

圖5 旋轉型灌裝機內部機構原理圖

2.2 旋轉型灌裝機的灌裝機構運動仿真

灌裝機構采用凸輪機構，可以較為精確的完成飲料灌裝任務[16]。因為灌裝要求精度高，且在整個旋轉型灌裝機中較為重要，則需要進行灌裝凸輪的外型輪廓設計及運動分析。

用軟件對灌裝凸輪的運動規律進行模擬來進行定性的分析。仿真中對旋轉型灌裝機的基本工作參數進行如下設定：（1）容器高度h=200mm；（2）活塞運動范圍s=40mm；（3）推桿和活塞總長l=105mm，再選定凸輪的基本參數：①基圓半徑r0=45mm；②滾子半徑rt=0mm；③行程s=40mm；④推程角δ0=120°；⑤回程角δ=120°；⑥近休止角δ01=60°；⑦遠休止角δ02=60°；⑧升程最大壓力角αmax01=31.454°；⑨回程最大壓力角αmax02=31.454°；⑩凸輪運動推程和回程選用無柔性沖擊和剛性沖擊的擺線運動規律，在遠休止和近休止時采用靜止運動規律[17]。

由運動循環圖和圖6的位移線圖可以看出來，在軸回轉0°～120°時，容器瓶處于靜止狀態，而凸輪處于推程狀態，可以完成液體的灌裝；在軸回轉120°～140°時，轉盤回轉，已完成灌裝的容器瓶進入到下一個工位，在此期間活塞處于液體儲存杯的最下方，并保持靜止，擋住灌裝通道，不會使液體流出。在軸回轉240o～360o時，轉盤回轉，下一個空的容器瓶進入灌裝工位，凸輪處于回程狀態，完成液體灌裝，一個周期工作完成。由速度線圖及加速度線圖可以看出來，速度及加速度連續變化，無柔性沖擊及剛性沖擊，運動平穩，完全符合設計要求。

2.3 封口壓蓋機構運動仿真

封口壓蓋采用曲柄滑塊機構，曲柄滑塊機構具有急回特性，可以確保快速準確地完成封口操作。封口壓蓋機構在旋轉型灌裝機中有重要地位[18，19]，所以進行詳細設計和運動分析。對齒輪與曲柄安裝高度及轉速初始參數進行設定：

（1）齒輪與曲柄的安裝高度為400mm。

（2）齒輪與曲柄轉速為10rpm。

依據設定的初始參數，則可得到：曲柄長度l1=30mm；連桿長度l2=150mm；封口壓蓋滑塊的行程s=60mm。

曲柄滑塊的輪廓尺寸及定性的運動仿真如圖7所示，曲柄滑塊的位移為正弦運動規律，在完成液體灌裝的容器瓶到達封口工位時可以快速完成封口動作，當容器瓶進入下一個工位時則滑塊回到原始位置，完成一個周期的運動。由速度線圖和加速度線圖可知速度和加速度都是正弦運動規律，可以看出速度與加速度的偏差小，準確，沖擊小，可以確保工件磨損小，較好地完成封口動作，符合設計要求。

圖7 曲柄滑塊機構的運動曲線

3 結論

本課題通過分析灌裝機的工作原理，結構特性，市面已有灌裝機的的不足，設計了一種新型全自動旋轉型灌裝機結構及運動方案，并分析了其工作原理、功能。主要完成以下幾個方面的內容：

（1）在分析工藝動作的基礎上，針對各工藝動作所涉及到的運動機構進行了合理設計，如容器輸送的方式、定位與夾緊、轉臺的間歇轉位及定量灌裝等。

（2）在執行機構的選型及運動方案的確定上，重點研究了轉臺間歇機構與定量灌裝機構，通過比較各自的優缺點來合理正確地選型，確保采用合理的機構，使整體工作效率更高。

（3）對灌裝機整體進行建模及運動學仿真，使各機構的運動相互協調，運行平穩，為后續加工制造及推廣應用奠定良好的基礎。

本文所設計的灌裝機與市面已有灌裝機相比具有定位精準，灌裝穩定，機構簡單，制造成本低，自動化程度高，運行效率高的優點，適合大規模推廣應用。