瓶徑變更在位可調星輪機構設計

劉濱

(南京工業職業技術學院，南京210023)

0 引 言

在瓶裝乳品飲料灌裝生產過程中，當需要灌裝直徑不同的產品時，就必須更換輸送星輪。更換星輪工作需先將原有的星輪組件拆下，換上新的星輪組件，還需重新進行精確調整定位，消耗時間較長（30～50 min/批次[1]）。各生產廠家在生產中，雖然采取了諸如分體結構星輪盤、在拆卸以及安裝工序中采用特殊的工具等手段[2]，但仍不能達到快速更換、準確定位、降低消耗的效果。

本文的目的是設計一種在位可調星輪。當產品瓶徑發生變化時，不必將原星輪換下，而是通過使用簡單工具進行調整，即可實現瓶徑變化后的生產轉換。所設計的在位可調輸送星輪組件具有在位定位準確、工作穩定可靠、結構相對簡單的特點，減少在線生產更換星輪的時間。

1 在位可調星輪總體設計及工作原理

瓶徑變更在位可調星輪機構總體結構如圖1所示，其工作原理如下：

（1）輸入傳動齒輪5將動力通過傳動主軸3帶動星輪組件1旋轉。

圖1 在位可調星輪機構

圖1中，1為星輪組件；2為調節機構；3為傳動主軸；4為支撐軸套；5為輸入傳動齒輪。

（2）星輪調節方法如圖2所示。星輪組件為4層2組結構，左圖所示為最大瓶徑產品生產時4層星輪重合狀態，右圖所示為瓶徑變小時，通過調節機構使2組星輪相對旋轉，使星輪凹槽圓弧與新瓶徑相適應。

（3）重新調整后的凹槽瓶徑圓心保持原位，無需對整個星輪組件的圓心重新進行定位。

（4）在位可調星輪機構適用于圓形瓶。

圖2 瓶徑調節示意圖

在位可調星輪機構主要設計參數如表1所示。

表1 主要設計參數

2 主要零部件結構設計

在位可調星輪機構的主要關鍵部件是星輪組件和調節機構。

2.1 星輪組件結構

設計的星輪組件為4層2組結構，如圖3所示。共有4個星輪和4個環狀不銹鋼板。其中上星輪2與上環狀不銹鋼板3通過螺釘連接組成上星輪盤；下星輪5與下環狀不銹鋼板4通過螺釘連接組成下星輪盤。兩個上星輪盤為一組聯動；另兩個下星輪組件為一組聯動。

圖3 星輪組件

圖3中，1為蓋板；2為上星輪；3為上環狀不銹鋼板；4為下環狀不銹鋼板；5為下星輪。各星輪盤之間設置有環狀隔板隔開，便于星輪盤的相對轉動。

星輪盤上的環狀不銹鋼板開有一腰形槽，在腰形槽的內弧或外弧上加工有一段齒形。

上星輪盤對應的上環狀不銹鋼板上的齒形如圖4（a）所示，分布在腰形槽內弧上，與調節機構軸上的2個小齒輪嚙合；

下星輪盤對應的下環狀不銹鋼板上的齒形如圖4（b）所示，分布在外弧上，與調節機構軸上的另2個齒輪嚙合。

圖4 腰形槽孔及齒輪副嚙合示意圖

圖4中，1為小齒輪；2為上環狀不銹鋼板；3為小齒輪；4為下環狀不銹鋼板。上述兩個齒輪軸中心處在相同的分度圓直徑上，該分度圓與星輪盤共圓心。

2.2 調節機構設計及調整過程

調節機構如圖5所示，其工作原理是通過轉動調整軸，通過軸上的齒輪分別與星輪盤上腰形槽的內弧或外弧上的齒相嚙合，使上、下2組星輪盤相對旋轉，進而改變星輪凹槽圓弧使之與新瓶徑相適應。

圖5 調節機構

圖5中，1為上軸套；2為滾針軸承；3為脹緊套；4為小齒輪Z1；5為小齒輪Z2；6為調整軸；7為下軸套；8為下支撐板。

所述調節機構上軸套1與上蓋板連接；下軸套7與下支撐板8通過螺釘連接，下軸套內安裝的滾動軸承與上軸套內安裝的滾針軸承2對調整軸6進行周向限位（上軸套內安裝的滾針軸承便于調整及拆卸）；所述上軸套1內還安裝有一漲緊軸套3，用于調整軸6調整結束后軸的周向固定，防止調整軸6轉動。

當在線生產瓶徑變小時，使用2個扳手，上面扳手固定調整軸6上端的六角螺母，下面扳手將漲緊軸套3上的螺母旋開，然后再旋松調整軸最下端的螺母，就可以旋轉調整軸6，使上、下2組星輪盤相向旋轉相同的角度（弧度），直到調整至符合新的瓶徑后停止，用下面扳手將調整軸最下端的螺母旋緊，再將上面的漲緊套旋緊，調整完畢。

3 在位調節齒輪參數設計選擇

在位調節機構的作用是通過調節軸帶動軸上的4個齒輪旋轉，從而分別帶動4個星輪盤上環狀不銹鋼板上的圓弧齒條，進而使2組星輪做相反的方向旋轉，調節星輪凹槽以適應新的瓶徑尺寸要求。

如圖5所示，調節齒輪參數的設計要點是要求2個模數相同的小齒輪既要同軸（同心），又要使被帶動旋轉的對應的星輪盤相對旋轉的角度（弧度）相同，這樣才能保證星輪盤相對旋轉后形成的凹槽的圓心與原來的同心，保證本文中所述的在線“在位”（調整前后原瓶子中心不變）調整的要求。Z1′參照圖5對相關參數進行分析計算如下：

小齒輪Z1嚙合內弧齒Z1′時應滿足：

小齒輪Z2嚙合外弧齒嚙Z2′合時應滿足：

式中：和為2個小齒輪齒數；Z1′和Z2′為腰形槽上的內弧齒數及外弧齒數；i為傳動比。

進一步得出：

從上式中得出：當Z1與Z2齒數相差2時，可以實現2組共4個小齒輪圓心可在星輪的同一分度圓上，亦就是調整機構中的4個小齒輪可以共軸，調整軸只須使用1個即可。根據以上分析結果并結合實際設計要求，做一齒輪相關參數表格如表2所示。

表 2 中：ΦZ1′和ΦZ2′為腰形槽上的內、外弧齒輪 Z1與Z2與星輪中心對應的分別所在的分度園直徑；Φ為小齒輪Z1與Z2既實現嚙合，又滿足分別帶動上、下星輪相向旋轉相同角度。

表2 齒輪相關參數

以灌裝生產常用的一種星輪為例：工位18，節徑40π，分度圓直徑720。在表2可選取表2中第2橫欄一組所得數據確定本例星輪相關參數。

齒輪模數m=1.5，其中2個小齒輪的齒數分別為17和19；環狀不銹鋼板腰形槽上的內、外圓弧上的齒數分別為306和342；其2組齒輪傳動比i=18；調整軸中心距離星輪圓心484.5。

4 結束語

設計的乳品飲料瓶徑變更在位可調星輪機構已申請國家發明專利。瓶徑變更在位可調星輪采用了上、下4層2組星輪盤的結構，驅動機構簡潔，在位調整所需時間少，為10～15 min/批次，調整定位精準，不需反復重新定位，特別適用于生產線更換瓶型較頻繁的情況，可用于現有設備的技術改造，提高乳品飲料灌裝生產企業在線瓶型變更生產的效率。