陳義厚

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

罐藏食品在我國有著悠久的歷史。如何保證瓶內(nèi)食品的質(zhì)量完好、提高在加工過程中的效率，是廠商必須考慮的一大因素。本研究對六旋玻璃封口機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

六旋玻璃瓶封口機(jī)是對螺旋玻璃瓶進(jìn)行封口的一種機(jī)械，它能很方便地將排走真空的罐頭食品進(jìn)行封蓋，其封口力矩可調(diào)，封口性能穩(wěn)定，操作方便。該機(jī)由V帶傳動、摩擦離合器、抱瓶機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和旋蓋裝置等組成（圖1）。

圖1 六旋玻璃瓶封口機(jī)示意圖

六旋玻璃瓶封口機(jī)的工作原理為：電機(jī)1通過V帶5帶動摩擦離合器20、21旋轉(zhuǎn)，摩擦離合器帶動旋蓋頭18轉(zhuǎn)動。經(jīng)熱排氣后配蓋的罐頭12放到瓶托8上，踏下腳踏板10使滑槽塊17上升，滑槽塊上的斜槽推動抱瓶桿15向瓶中心移動，使抱瓶座7抱緊瓶子。然后瓶托隨抱瓶機(jī)構(gòu)一起上升，頂在旋蓋頭上，由旋蓋頭靠摩擦力帶動蓋轉(zhuǎn)動，由于瓶被抱緊不動，從而把瓶蓋擰緊在瓶上。當(dāng)達(dá)到所需的擰緊力時，離合器從動片21克服離合器彈簧3的壓力，沿主軸19上移而打滑。調(diào)整螺母2可以改變離合器彈簧3的壓力，即擰蓋力距的大小。松開腳踏板，在回位彈簧和自重作用下，瓶、瓶托及抱瓶機(jī)構(gòu)下降，抱瓶桿回復(fù)到原位，封口結(jié)束。

2 設(shè)計與計算

2.1 封口機(jī)離合器的設(shè)計

玻璃瓶封口機(jī)在封口過程中，當(dāng)瓶蓋封緊時電機(jī)帶動主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時，需有一機(jī)構(gòu)使旋蓋頭的旋蓋力與玻璃瓶蓋分開，以免損壞玻璃瓶。離合器就能實現(xiàn)這一功能，使得機(jī)械能順利封口。

摩擦式離合器離合平穩(wěn)、柔順無沖擊，可在高的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行離合，過載時打滑有安全保護(hù)作用，并有較高的適應(yīng)性，故選用摩擦式離合器。

離合器是一種可以通過各種操縱方式，實現(xiàn)主從動部分在同軸線上傳遞運(yùn)動和動力時具有接合或分離功能的裝置。

離合器的計算轉(zhuǎn)矩由此式計算：Tc＝

式中，T—離合器的理論力矩，取T＝7000N·mm；K—工作情況系數(shù)，由于玻璃瓶封口機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械，根據(jù)離合器工作情況系數(shù)K的概略值可遠(yuǎn)取K＝1.5；Km—接合頻率系數(shù)，根據(jù)接合頻率系數(shù)Km表值，取離合器每小時接合次數(shù)為240次，取Km＝0.72；Kv—滑動速度系數(shù)，Kv＝1.0。

在對摩擦片直徑計算時，要考慮到軸的直徑及與其的配合。根據(jù)強(qiáng)度條件可確定摩擦片外徑：

式中：摩擦系數(shù)μ取0.25；許用應(yīng)力 ［P］取0.2N／mm2；系數(shù)φ＝0.65；D1為摩擦片的內(nèi)徑，mm；D2為摩擦片的外徑，mm。圓整取D1＝70mm，D2＝115mm。

摩擦片數(shù)目：

式中，Kz—摩擦面對數(shù)修正系數(shù)，取Kz＝1。

2.1.1 摩擦離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩

由Tμ＝μPARv［1］可計算得出：

2.1.2 摩擦面的壓緊力Q

式中，Tc—離合器的計算轉(zhuǎn)矩，N·mm；m—摩擦面對數(shù)，取m＝1；μ—摩擦系數(shù)；Rv——當(dāng)量摩擦半徑，mm。

2.1.3 摩擦式離合器的滑移邊及耐磨性

離合器在接合時，主動片與從動片間有個滑移過程，必然引起磨損和發(fā)熱，所以需對離合器進(jìn)行磨損和發(fā)熱校核。在滑移功計算中，假設(shè)接合開始時，主動軸角速度為額定角速度，ω1＝πn／30，從動軸角速度ω2＝0，產(chǎn)生的摩擦力矩Tf＝KT，主動軸力矩和阻力矩都為額定力矩，則滑移功W 為［2］：

式中，Je—輸入軸的轉(zhuǎn)動慣量，由結(jié)構(gòu)求得Je＝0.305kg·m2；Jn—輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量，由結(jié)構(gòu)求得Jn＝7.5×10－3kg·m2；ω1—額定角速度，

所以W ＝30.1J

單位面積上的滑移功A：

式中，F(xiàn) ＝π（R22－R21）＝6.09×10－3m2。

計算得A＝4.95×103J／m2＜14.7×104J／m2，滿足耐磨性要求。

2.2 抱瓶機(jī)構(gòu)的設(shè)計

六旋旋玻璃瓶封口機(jī)在進(jìn)行玻璃瓶封口時，當(dāng)旋蓋力達(dá)到瓶蓋封緊所需要的力度后，摩擦離合器克服旋蓋力矩，保護(hù)玻璃瓶。此時，抱瓶桿的夾緊力應(yīng)該大于旋蓋力，以至于玻璃瓶被抱瓶桿抱緊而不打滑。而此機(jī)械是一種封口為Φ40mm～Φ200mm的六旋玻璃瓶封口機(jī)。在設(shè)計過程中，對抱瓶機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸都有嚴(yán)格的要求［3－4］。

2.2.1 滑槽的設(shè)計

封口時最大瓶為Φ200mm，最小瓶為Φ40mm，而抱瓶桿長度不變，所以滑塊最大行程AB＝80mm，滑槽斜角∠ABC＝60°，根據(jù)勾股定理，得到AC＝139mm，AB＝80mm，BC＝160mm，為了防止?jié)L子脫出滑槽，取AC＝140mm。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 滑槽的結(jié)構(gòu)

2.2.2 抱瓶桿的設(shè)計

瓶托與支架是連接不動的，抱瓶桿滾子一端在滑槽中滑動時，抱瓶桿在滑槽內(nèi)升縮，其長度BD應(yīng)大于80mm，否則當(dāng)抱瓶桿滑動到滑槽塊的最頂端時，滾子就有可能滑出滑槽塊，為了機(jī)械能順利工作，取BD＝100mm。而在抱瓶爪的一端，彈簧尺寸松開時應(yīng)小于80mm，取抱瓶爪設(shè)計成弧形，抱瓶彈簧松開時，其長度應(yīng)小于AB長度，以免彈簧力過大，致使支架與滑槽接觸產(chǎn)生摩擦力，影響封口，因此，BC應(yīng)小于80mm，取BC＝70mm。

2.2.3 腳踏力的計算

在設(shè)計中應(yīng)考慮腳踏力的大小，一般腳伸出時的力，男工應(yīng)小于488N，女工應(yīng)小于350N，因此應(yīng)對該機(jī)腳踏力進(jìn)校核。否則，當(dāng)工人在工作中，就會工作用力過大，耗費體力太多而工作勞累。

在夾緊過程中，取770g六旋玻璃瓶的最大開啟力矩為7N·m，為保證在封口時瓶不轉(zhuǎn)，也就是抱緊機(jī)構(gòu)與瓶的摩擦力矩應(yīng)大于7N·m，則抱瓶座的正壓力Q1為：

式中，f—摩擦系數(shù)，f＝0.5；d—瓶直徑，d＝0.095m；T—離合器的理論力矩，取T＝7000N·mm。

計算得：Q1＝147.37N

抱瓶桿是由傾角60°的斜槽推動，那么使滑槽塊上升的推力F1＝2Q1tg60°＝510.5N。

考慮上升部分的重力，回位彈簧的接力及穩(wěn)中有降部分的摩擦力，取F2＝100N。設(shè)計腳踏板杠桿比為2∶1，則腳踏力F為：

當(dāng)瓶、瓶托上升時，瓶已夾緊。因此，在封口時，腳踏力用來提供蓋與封蓋頭一起旋轉(zhuǎn)所需的正壓力F3，以及用來克服整個上升部分的重力F4和回位彈簧的拉力F5，設(shè)計F4＋F5＝150N，蓋與封蓋頭接觸，R2＝41mm，R1＝25mm，摩擦半徑Rv＝33.165mm，摩擦系數(shù)f＝0.16，則F3＝Tf／Rv＝346.174N，那么腳踏力F＝（F3＋F4＋F5）／2＝248.14N＜350N。

［1］李修渠.半自動玻璃瓶封罐機(jī)的改進(jìn) ［J］.食品與機(jī)械，1995，（5）：29－33.

［2］孫風(fēng)蘭.食品包裝機(jī)械學(xué) ［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1990：179－182.

［3］孫世昌.雙重偏心式卷封機(jī)構(gòu)的滾輪運(yùn)動軌跡和軌跡方程 ［J］.食品機(jī)械，2002，（3）：22－23.

［4］林瑞春.封罐機(jī)滾輪機(jī)構(gòu)的改進(jìn) ［J］.食品機(jī)械，2000，（5）：29－33.