瓶径变更在位可调星轮机构设计

刘滨

(南京工业职业技术学院，南京210023)

0 引 言

在瓶装乳品饮料灌装生产过程中，当需要灌装直径不同的产品时，就必须更换输送星轮。更换星轮工作需先将原有的星轮组件拆下，换上新的星轮组件，还需重新进行精确调整定位，消耗时间较长（30～50 min/批次[1]）。各生产厂家在生产中，虽然采取了诸如分体结构星轮盘、在拆卸以及安装工序中采用特殊的工具等手段[2]，但仍不能达到快速更换、准确定位、降低消耗的效果。

本文的目的是设计一种在位可调星轮。当产品瓶径发生变化时，不必将原星轮换下，而是通过使用简单工具进行调整，即可实现瓶径变化后的生产转换。所设计的在位可调输送星轮组件具有在位定位准确、工作稳定可靠、结构相对简单的特点，减少在线生产更换星轮的时间。

1 在位可调星轮总体设计及工作原理

瓶径变更在位可调星轮机构总体结构如图1所示，其工作原理如下：

（1）输入传动齿轮5将动力通过传动主轴3带动星轮组件1旋转。

图1 在位可调星轮机构

图1中，1为星轮组件；2为调节机构；3为传动主轴；4为支撑轴套；5为输入传动齿轮。

（2）星轮调节方法如图2所示。星轮组件为4层2组结构，左图所示为最大瓶径产品生产时4层星轮重合状态，右图所示为瓶径变小时，通过调节机构使2组星轮相对旋转，使星轮凹槽圆弧与新瓶径相适应。

（3）重新调整后的凹槽瓶径圆心保持原位，无需对整个星轮组件的圆心重新进行定位。

（4）在位可调星轮机构适用于圆形瓶。

图2 瓶径调节示意图

在位可调星轮机构主要设计参数如表1所示。

表1 主要设计参数

2 主要零部件结构设计

在位可调星轮机构的主要关键部件是星轮组件和调节机构。

2.1 星轮组件结构

设计的星轮组件为4层2组结构，如图3所示。共有4个星轮和4个环状不锈钢板。其中上星轮2与上环状不锈钢板3通过螺钉连接组成上星轮盘；下星轮5与下环状不锈钢板4通过螺钉连接组成下星轮盘。两个上星轮盘为一组联动；另两个下星轮组件为一组联动。

图3 星轮组件

图3中，1为盖板；2为上星轮；3为上环状不锈钢板；4为下环状不锈钢板；5为下星轮。各星轮盘之间设置有环状隔板隔开，便于星轮盘的相对转动。

星轮盘上的环状不锈钢板开有一腰形槽，在腰形槽的内弧或外弧上加工有一段齿形。

上星轮盘对应的上环状不锈钢板上的齿形如图4（a）所示，分布在腰形槽内弧上，与调节机构轴上的2个小齿轮啮合；

下星轮盘对应的下环状不锈钢板上的齿形如图4（b）所示，分布在外弧上，与调节机构轴上的另2个齿轮啮合。

图4 腰形槽孔及齿轮副啮合示意图

图4中，1为小齿轮；2为上环状不锈钢板；3为小齿轮；4为下环状不锈钢板。上述两个齿轮轴中心处在相同的分度圆直径上，该分度圆与星轮盘共圆心。

2.2 调节机构设计及调整过程

调节机构如图5所示，其工作原理是通过转动调整轴，通过轴上的齿轮分别与星轮盘上腰形槽的内弧或外弧上的齿相啮合，使上、下2组星轮盘相对旋转，进而改变星轮凹槽圆弧使之与新瓶径相适应。

图5 调节机构

图5中，1为上轴套；2为滚针轴承；3为胀紧套；4为小齿轮Z1；5为小齿轮Z2；6为调整轴；7为下轴套；8为下支撑板。

所述调节机构上轴套1与上盖板连接；下轴套7与下支撑板8通过螺钉连接，下轴套内安装的滚动轴承与上轴套内安装的滚针轴承2对调整轴6进行周向限位（上轴套内安装的滚针轴承便于调整及拆卸）；所述上轴套1内还安装有一涨紧轴套3，用于调整轴6调整结束后轴的周向固定，防止调整轴6转动。

当在线生产瓶径变小时，使用2个扳手，上面扳手固定调整轴6上端的六角螺母，下面扳手将涨紧轴套3上的螺母旋开，然后再旋松调整轴最下端的螺母，就可以旋转调整轴6，使上、下2组星轮盘相向旋转相同的角度（弧度），直到调整至符合新的瓶径后停止，用下面扳手将调整轴最下端的螺母旋紧，再将上面的涨紧套旋紧，调整完毕。

3 在位调节齿轮参数设计选择

在位调节机构的作用是通过调节轴带动轴上的4个齿轮旋转，从而分别带动4个星轮盘上环状不锈钢板上的圆弧齿条，进而使2组星轮做相反的方向旋转，调节星轮凹槽以适应新的瓶径尺寸要求。

如图5所示，调节齿轮参数的设计要点是要求2个模数相同的小齿轮既要同轴（同心），又要使被带动旋转的对应的星轮盘相对旋转的角度（弧度）相同，这样才能保证星轮盘相对旋转后形成的凹槽的圆心与原来的同心，保证本文中所述的在线“在位”（调整前后原瓶子中心不变）调整的要求。Z1′参照图5对相关参数进行分析计算如下：

小齿轮Z1啮合内弧齿Z1′时应满足：

小齿轮Z2啮合外弧齿啮Z2′合时应满足：

式中：和为2个小齿轮齿数；Z1′和Z2′为腰形槽上的内弧齿数及外弧齿数；i为传动比。

进一步得出：

从上式中得出：当Z1与Z2齿数相差2时，可以实现2组共4个小齿轮圆心可在星轮的同一分度圆上，亦就是调整机构中的4个小齿轮可以共轴，调整轴只须使用1个即可。根据以上分析结果并结合实际设计要求，做一齿轮相关参数表格如表2所示。

表 2 中：ΦZ1′和ΦZ2′为腰形槽上的内、外弧齿轮 Z1与Z2与星轮中心对应的分别所在的分度园直径；Φ为小齿轮Z1与Z2既实现啮合，又满足分别带动上、下星轮相向旋转相同角度。

表2 齿轮相关参数

以灌装生产常用的一种星轮为例：工位18，节径40π，分度圆直径720。在表2可选取表2中第2横栏一组所得数据确定本例星轮相关参数。

齿轮模数m=1.5，其中2个小齿轮的齿数分别为17和19；环状不锈钢板腰形槽上的内、外圆弧上的齿数分别为306和342；其2组齿轮传动比i=18；调整轴中心距离星轮圆心484.5。

4 结束语

设计的乳品饮料瓶径变更在位可调星轮机构已申请国家发明专利。瓶径变更在位可调星轮采用了上、下4层2组星轮盘的结构，驱动机构简洁，在位调整所需时间少，为10～15 min/批次，调整定位精准，不需反复重新定位，特别适用于生产线更换瓶型较频繁的情况，可用于现有设备的技术改造，提高乳品饮料灌装生产企业在线瓶型变更生产的效率。