一種果醬灌裝機的結構設計及主要部件優化

羅道堅

（貴州輕工職業技術學院，貴州 貴陽 550025）

流體灌裝機是利用流體泵和壓蓋機構的間歇運動配合包裝容器在灌裝過程中沿輸送皮帶作圓周方向或者直線方向的等速回轉或者直線運動來完成灌裝和封蓋的操作。旋轉灌裝機占地面積小、生產能力大、生產效率較高，但結構復雜難設計，尤其需要對主要零部件進行受分析，保證剛度的同時減輕質量，減少機械振動，確保灌裝機運行平穩。

1 旋轉灌裝機的工況分析

果醬、蜂蜜一類的高黏度流體，通常使用罐裝瓶進行存儲。采用灌裝機進行流體罐裝至罐裝瓶中，其大致工作過程為：將流體灌瓶泵固定在罐裝瓶工位的上方，待流體罐裝完畢后，采用壓蓋機壓入（或通過壓蓋模將瓶蓋緊固）軟木塞或金屬冠蓋進行封口[1]。罐裝設備利用間歇傳動機構、定位和鎖緊裝置，以實現工作轉臺上的多工位停歇，確保轉臺轉過一個循環角度，能夠在轉臺停歇時間內準確和可靠地進行灌裝、封口，完成灌裝、封口等工序同時進行，并利用傳送帶將灌裝封口好的容器輸出工作臺，實現自動罐裝。

2 旋轉灌裝機的結構設計

為了實現將容器進行連續灌裝流體及封口的總功能，可將總功能分解輸入功能、轉臺的停歇功能、灌裝功能、夾緊功能、壓帽功能等功能，利用主要輸出功能機械系統運動轉換功能圖可構成形態學矩陣，以求出旋轉型灌裝機系統運動方案，再根據各機構的兼容性，各機構的空間布置，類似產品的借鑒和設計者的經驗等[2]，選出最優方案。

根據運動方案和功能時序分析，利用NX等CAD/CAE軟件進行灌裝機的建模，建立包括操作室、進料管、罐裝裝置、流水線、氣動裝置以及防護裝置的果醬旋轉灌裝機整機模型，如圖1所示。

3 主要部件的有限元分析與拓撲優化

本設計利用NX完成灌裝機的工作臺（即底座）、壓蓋機構等關鍵部件和結構的設計后，進一步利用NX進行運動仿真和驗證分析，獲得零件薄弱環節的信息，進而針對性的通過形狀、尺寸和拓撲優化等優化改善零部件結構性能，大幅度提升其性能[3]。零件優化的流程如圖2所示。

流水線上的工作臺，即底座，是罐裝機的重要基礎件，用于安裝轉臺、步進電機，放置罐裝瓶、連接支撐腿，底座的靜態特性、動態特性直接影響灌裝機的工作穩定性和加工精度，要求其結構穩定，能夠降低其他振動干擾。

利用NX軟件進行底座的三維模型參數化設計，底座結構尺寸三維圖。選擇工作臺長度、寬度、工作面的厚度為目標驅動優化的結構尺寸，考慮底座結構、材質、質量、工藝等因素確定其變量的變化極限區間，見表1。

表1 設計變量的變化界限Tab.1 The variation limits of design variables

底座上安裝有電機、轉臺、罐裝瓶等質量約40 kg的機械部件，同時傳遞罐裝瓶的轉臺上有1 600 r/min的周期性振動。首先利用ANSYS對底座進行有限元網格劃分和拓撲分析，并根據分析結果在NX中進行底座的參數調整，即尋找結構剛度的最佳分布或傳遞力的最佳方式來優化目標結構的特定性能或減輕其質量，如圖3所示。

根據拓撲分析結果在NX中對底座的進行參數化設計，調整底座外形和尺寸，表2為優化前后尺寸與性能對比。

從表2數據對比分析，經過尺寸優化后，底座變形量減小11.22%，底座應力提高10.05%，底座質量減小了32.52%。

表2 優化前后尺寸與性能對比Tab.2 Comparison of size and performance before and after optimization

4 總結

運用NX軟件對底座進行分析后，可以進一步開展數據分析及結果驗證，通過改變底座的結構來增加其本身剛度和減少質量，進一步提高設計的合理性。有限元分析方法解決此類問題相比傳統方法更加簡單易行，值得在進行機械結構件優化時借鑒。