一种果酱灌装机的结构设计及主要部件优化

罗道坚

（贵州轻工职业技术学院，贵州 贵阳 550025）

流体灌装机是利用流体泵和压盖机构的间歇运动配合包装容器在灌装过程中沿输送皮带作圆周方向或者直线方向的等速回转或者直线运动来完成灌装和封盖的操作。旋转灌装机占地面积小、生产能力大、生产效率较高，但结构复杂难设计，尤其需要对主要零部件进行受分析，保证刚度的同时减轻质量，减少机械振动，确保灌装机运行平稳。

1 旋转灌装机的工况分析

果酱、蜂蜜一类的高黏度流体，通常使用罐装瓶进行存储。采用灌装机进行流体罐装至罐装瓶中，其大致工作过程为：将流体灌瓶泵固定在罐装瓶工位的上方，待流体罐装完毕后，采用压盖机压入（或通过压盖模将瓶盖紧固）软木塞或金属冠盖进行封口[1]。罐装设备利用间歇传动机构、定位和锁紧装置，以实现工作转台上的多工位停歇，确保转台转过一个循环角度，能够在转台停歇时间内准确和可靠地进行灌装、封口，完成灌装、封口等工序同时进行，并利用传送带将灌装封口好的容器输出工作台，实现自动罐装。

2 旋转灌装机的结构设计

为了实现将容器进行连续灌装流体及封口的总功能，可将总功能分解输入功能、转台的停歇功能、灌装功能、夹紧功能、压帽功能等功能，利用主要输出功能机械系统运动转换功能图可构成形态学矩阵，以求出旋转型灌装机系统运动方案，再根据各机构的兼容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴和设计者的经验等[2]，选出最优方案。

根据运动方案和功能时序分析，利用NX等CAD/CAE软件进行灌装机的建模，建立包括操作室、进料管、罐装装置、流水线、气动装置以及防护装置的果酱旋转灌装机整机模型，如图1所示。

3 主要部件的有限元分析与拓扑优化

本设计利用NX完成灌装机的工作台（即底座）、压盖机构等关键部件和结构的设计后，进一步利用NX进行运动仿真和验证分析，获得零件薄弱环节的信息，进而针对性的通过形状、尺寸和拓扑优化等优化改善零部件结构性能，大幅度提升其性能[3]。零件优化的流程如图2所示。

流水线上的工作台，即底座，是罐装机的重要基础件，用于安装转台、步进电机，放置罐装瓶、连接支撑腿，底座的静态特性、动态特性直接影响灌装机的工作稳定性和加工精度，要求其结构稳定，能够降低其他振动干扰。

利用NX软件进行底座的三维模型参数化设计，底座结构尺寸三维图。选择工作台长度、宽度、工作面的厚度为目标驱动优化的结构尺寸，考虑底座结构、材质、质量、工艺等因素确定其变量的变化极限区间，见表1。

表1 设计变量的变化界限Tab.1 The variation limits of design variables

底座上安装有电机、转台、罐装瓶等质量约40 kg的机械部件，同时传递罐装瓶的转台上有1 600 r/min的周期性振动。首先利用ANSYS对底座进行有限元网格划分和拓扑分析，并根据分析结果在NX中进行底座的参数调整，即寻找结构刚度的最佳分布或传递力的最佳方式来优化目标结构的特定性能或减轻其质量，如图3所示。

根据拓扑分析结果在NX中对底座的进行参数化设计，调整底座外形和尺寸，表2为优化前后尺寸与性能对比。

从表2数据对比分析，经过尺寸优化后，底座变形量减小11.22%，底座应力提高10.05%，底座质量减小了32.52%。

表2 优化前后尺寸与性能对比Tab.2 Comparison of size and performance before and after optimization

4 总结

运用NX软件对底座进行分析后，可以进一步开展数据分析及结果验证，通过改变底座的结构来增加其本身刚度和减少质量，进一步提高设计的合理性。有限元分析方法解决此类问题相比传统方法更加简单易行，值得在进行机械结构件优化时借鉴。