掌握灌装方法及原理，升瓶机构、灌装阀结构、灌装时间计算方法、灌装机生产能力计算方法。
第四章 灌装机械随着现代科学技术的发展,人民生活水平的提高,人们的消费习惯也随之相应的变化,同时对消费品的包装提出了更高的要求,而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例,这是由于液体包装涉及的行业广泛,
品种繁多,如饮料方面的汽水,果汁,牛奶,矿泉水,
蒸馏水,啤酒,果酒等 ;调味品方面的酱油,醋,味精液,果酱等 ;药品方面的针剂,糖浆,酊剂,气雾剂等 ;农药乳剂,化工产品的各种瓶装,化妆品等,要满足日益增长的液体产品的需要,就应大力发展液体产品的包装机械 。
第四章 灌装机械第一节 概述人类自从采用容器盛装液体以后,就产生了灌装方法。
十九世纪末二十世纪初以前,通常使用水罐、水杓进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装,大约在 1980年美国 Horix,Kiefer和 U.S.BottLers等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。第一台商业用灌装机是 Kiefer公司制造 ;Horix公司于 1920年首次制造了重力灌装机,用于灌装番茄酱,这家公司至今仍生产灌装机,二十年代初这几家公司着手生产回转式灌装机,其中 U.S公司制造的是纯真空灌装机,二十世纪以来,灌装机械工业发展迅速,那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀,等待瓶子灌装完毕所需的时间。今天,回转式自动灌装机的生产能力己达每分钟 2000瓶。
我国在解放前几乎没有灌装机械,灌装生产绝大部分处于手工操作,非常落后 。 70年代初,上海,北京,广州,青岛,烟台等地引进三十多条灌装线,其中有西德 Seitz厂产品,意大利 Simonazi公司,美国 Merer公司,日本三菱公司,另外还有许多罗马尼亚灌装线 。
随后,我国广东轻工机械厂,北京酿酒机械厂,上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线,初步改善了灌装生产的落后面貌,但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大 。 为此,我国应根据自己的国情,吸收国外的先进技术,设计和生产出具有先进水平的灌装机,其发展趋势向高效化,自动化,节能化发展,力图采用新技术,新材料,如计算机辅助设计,微机控制等,开创一代新型灌装机 。
那么,何谓灌装机呢?所谓灌装机就是将液体产品装入包装容器的机械称为灌装机。
液体产品按其粘度可分为,
流体,在自身重力作用下即可以按一定速度流过圆管的任何液体 。 流速主要是受流体粘度和压力影响,
一般粘度范围规定为 1~100厘泊,如酒类,果汁,牛奶,酱油等 。
半流体,在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体叫半流体,其粘度范围为 100~1000厘泊,
如松糕油,番酱酱,肉糜等 。
粘滞流体,产品粘度超过 10000厘泊的,不属于流体和半流体的范围 。 如浆糊之类的产品属于这一范畴 。
对于低粘度液料,根据液体中是否含有二氧化碳气体,可分为不含气和含气的两类 ;对于是否含有酒精成份又可分为软饮料 (不含酒精 )和硬饮料 (含有酒精 )。
流体的流动特性还会受温度,粘度,固体粒子的含量,分解性,表面张力或起泡特性等因素的影响 。
包装容器目前按其材料分主要有玻璃瓶,金属罐,
纸包容器,塑料瓶等,还可分为,
硬质容器,任何可以承受 15磅的向下压力而不变形的用金属、玻璃、陶瓷或塑料制成的、
加封盖后不漏液体的容器都称为硬质容器。
半硬质容器,任何以轻量塑料 (通常是吹塑成型或热成型 )或是纸板及其复合纸材制成的,加封盖后不漏液体的容器叫半硬质容器。
图 4.1 瓶子在灌装过程中的俯视图非硬质容器,任何以塑料薄膜、
金属箔、塑料复合薄膜或是由它们的复合物制成的容器都叫非硬质容器。例如大家熟知的袋,它一般要求灌装系统带有制袋装置。通常是以活塞定容,
灌装系统将一定容量的液体灌装到由该装置生产的容器中。
图 4.2 瓶子在灌装过程中展开示意图二、灌装机的主要类型
1.按灌装瓶的主要运动形式分类
① 旋转型灌装机待灌瓶由传送系统 (一般经洗瓶机由输送带输入 )
或人工送入灌装机进瓶机构,瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装,转动近一周时瓶子己灌满,然后由转盘送入压盖机进行压盖,如图
4.1,4.2所示,
这种灌装机在食品,饮料行业应用最广泛,如汽水,果汁,啤酒,牛奶的灌装,此机主要由流体输送 (即供料系统 ),容器输送 (即供瓶系统 ),灌装阀,
大转盘,传动系统,机体,自控等部分所组成,其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键 。
② 直线型灌装机灌装瓶沿着平直的直线运动,进行成排灌装 。 见图 4.3,
凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次,到送至灌液管的下方时,阀门打开进行灌装,间歇进行操作 。
图 4.3 直线灌装机工作原理图
Ⅰ —定量灌装,Ⅱ —上盖,Ⅲ —将盖拧紧,Ⅳ —贴商标 Ⅴ —待装盒装箱
1-推瓶板,2-限位拨盘,3,11,13-传送带,4-传送盘,5-瓶子,6-上盖机构,
7-料斗,8-拧紧机构,9-商标盒,10-浆糊盒,12-推料板,14-贮液箱,15-灌装管这种灌装机相对旋转灌装机来讲,结构比较简单,制造方便,但占地面积比较大,而且是间歇运动,生产能力的提高也受到一定限制,因此一般只用于无汽液料类的灌装,局限性较大 。
③ 自动化灌装机该类型可分为,单机自动机和联合自动机 (可以包括连续进行洗瓶,灌装,压盖,贴标,装箱等工序 )。 自动灌装以采用机械传动控制为主的最普遍 。
此外,还有按灌装方法,关闭装置及定量装置等多种分类方法,具体的详细内容见表 4.1:
序号 分类型式 型式、技术特性、灌装方法
1 按自动化程度分 手工灌装机 半自动灌装机单元自动灌装机液体包装联合自动机
2 按机械结构分 单排式 多排式 旋转式 旋转式
3
按灌装方法分在液位高度不变的压力灌装变液位的压力下灌装真空灌装 在压力下灌装
4 按关闭装置分 旋塞式 阀门式 滑阀式 气阀式
5 按定量装置分 定量杯定量 液位高度定量定量泵定量 安瓶定量表 4.1 灌装机分类表一、灌装的基本方法各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同,在灌装过程中,为了使产品的特性保持不变,必须采用不同的灌装方法 。 一般灌装机常采用下列几种灌装方法,
1.常压法常压法也称纯重力法,即在常压下,液料依靠自重流进包装容器内 。 大部分能自由流动的不含气液料都可用此法灌装,例如白酒,果酒,牛奶,酱油,醋等 。
2.等压法等压法也称压力重力式灌装法,即在高于大气压的条件下,首先对包装容器充气,使之形成与贮液箱内相等的气压,然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内 。 这种方法普遍用于含气饮料,如啤酒,
汽水,汽酒等的灌装 。 采用此种方法灌装,可以减少这类产品中所含二氧化碳的损失,并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度 。
3.真空法是在低于大气压的条件下进行灌装的,可按两种方式进行,
① 压差真空式即贮液箱内处于常压,只对包装容器抽气使之形成真空,液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装,国内此种方法较常用 。
② 重力真空式即贮液箱内处于真空,包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空,随后液料依靠自重流进包装容器内,因结构较复杂,国内较少用。真空法灌装应用面较广,它即适用于灌装粘度稍大的液体物料,如油类、糖浆等,也适用于灌装含维生素的液体物料,
如蔬菜汁、果子汁等,瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触,延长了产品的保质期,真空法还适用于灌装有毒的物料,如农药等,以减少毒性气体的外溢,改善劳动条件。
4.压力法利用机械压力或气压,将被灌物料挤入包装容器内,
这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料,例如灌装番茄酱,肉糜,牙膏,香脂等,有时也可用于汽水一类软饮料的灌装,这时靠汽水本身的气压直接灌入末经充气等压的瓶内,从而提高了灌装速度,形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失,对灌装质量有一定影响,
但不算太大 。
5.虹吸法利用虹吸原理完成的灌装方法 。 此种方法出现最早,人们最容易接受,原理比较简单,现在很少使用 。
上述几种灌装方法的正确选择,除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外,还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。
对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类等,可以采用常压法,亦可采用真空法,为了减少灌装时液料中的含氧气量,以便延长产品的保质期,采用较大的真空度的真空法更有利。另外,采用真空法其灌装阀的结构较简单,液漏损失小。但是事物是辩证的,真空度越大,酒的香味越易损失,而且真空法较之常压法尚需增加设备成本。应当指出,对于某种液料的灌装不一定选择单一的方法,也可以综合选择几种方法,例如为了减少啤酒中的含氧量,避免保存期失光变质,一种方法是灌装前对瓶内抽取真空,然后再充入二氧化碳进行等压灌装,即采用真空 —等压法,
另一种方法是用二氧化碳充气等压,瓶内被替代的空气被引入单独设置的回气箱,并不排至贮液箱。灌 装前阶段在等压下进行,灌装后阶段可加快回气速度,形成与贮液箱的压差,从而提高灌装速度,即采用等压 —压力 (差压 )法。
二,定量方法准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系,同时也影响产品在消费者心中的信誉 。 包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种 。 重量定量由于要增添秤等计量衡器,所以机器的结构比较复杂,适用于比重经常变化的固体物料,且往往要配置一套电路用以机电配合 ;
容积定量机器的定量结构比较简单,一般不需电路配合 。
液体产品一般易采用容积式定量,常见的有如下三种方法,
1.控制液位高度定量法这种方法是通过控制被灌容器中液位的高度以达到定量灌装的目的 。 因为每次灌装的液料容积等于一定高度的瓶子内腔容积,故习惯称它为,以瓶定量,。
该法结构比较简单,不需要辅助设备,使用方便,但对于要求定量准确度高的产品不宜采用,因为瓶子的容积精度直接影响灌装量的精度 。
图 4.4为消毒鲜牛奶,鲜果子汁等的灌装机构 。 (a)为非灌装位置,(b)为灌装位置 。 当橡皮垫 6和滑套 5被上升的瓶子 11顶起后,灌装头 7和滑套 5间出现间隙,液体流入瓶内,瓶内原有气体由排气管 1排至贮液箱,当灌至排气管嘴 c—c截面时,气体不再能排出,
随着液料的继续灌入,液面超过排气管嘴,瓶口部分的剩余气体只得被压缩,一旦压力平衡,液料就不再进入瓶内而沿排气管上升,
根据连通器原理,一直升至与贮液箱内液位水平为止,然后瓶子下降,压缩弹簧 4
保证灌装头与滑套间的重新密封,排气管内的液料也滴入瓶内,从而完成了一次定量灌装,只要操作条件不变,瓶内每次灌装的液料高度也保持不变 。
图 4.4 控制液位高度定量法原理图
1-排气管,2-灌装架,3-螺母,4-弹簧,5-滑套,6-橡皮垫,7-灌装头,
8-压紧螺母,9-调节螺母,10-贮液箱,11-瓶子对于这种定量方法,若改变每次的灌装量,则只需改变排气管嘴进入瓶中的位置。
2.定量杯定量法这种方法是先将液体注入定量杯中进行定量,然后再将计量的液体注入待灌瓶中,因此,每次灌装的容积等于定量杯的容积 。
图 4.5为旋塞定量原理示意图。首先三通旋塞 2位于左图所示的位置,液体靠静压通过进液管 4进入定量杯 1
中,杯内空气经细管 3排出,当定量杯内的液面达到细管的下缘时,空气无法排出,但由于贮液箱内液面较高,
定量杯内液面则继续上升至高于细管下缘处,杯内空气则被压缩直到两处压力平衡而停止。
管 3内的液面根据连通器的原理,将继续上升至同贮液箱 内液面相平,然后三通旋塞逆时针旋转
90°,如左图所示,使定量杯内的液体同贮液箱内的液体隔开,同时定量杯内液体 (包括细管内液体 )流入待灌瓶中 。
若改变灌装量,则只需调节管子在定量杯中的高度或者更换定量杯 。
图 4-5 旋塞定量杯式定量机构
1-定量杯,2-旋塞,3-管子,
4-进液管,5-灌装嘴图 4-6 定量杯式定量机构
1-定量杯,2-定量调节管,3-阀体,
4-锁紧螺母,5-密封圈,6-进液管,
7-弹簧,8-喇叭口图 4.6所示为直动定量杯的一种结构 。 在下面没有待灌瓶时,定量杯 1由于弹簧 7的作用而下降,并浸入贮液箱的液体中,则箱内的液体沿着其周边流入并充满定量杯 。 随后待灌瓶由瓶托抬起,瓶嘴将喇叭入口 8连同进液管 9,定量杯 1一起抬起,使定量杯超出液面,并使进液管中间隔板上,下孔均与阀体 3的中间相通,这样定量杯中液体由调节管 2流下,经中间隔板的上孔流至阀体 3的中间槽,再由隔板的下孔经进液管下端流进待灌瓶中,瓶内空气则由喇叭头上的透气孔逸出,当定量杯中流体下降至调节管 2的上端面时,定量灌装则完成 。
定量杯中容量可由调节管 2在定量杯中的高度来调节,
也可更换定量杯 。 本结构适用于灌装酒类产品 。
3.定量泵定量法这是一种采用压力法灌装的定量方法,一般由动力控制活塞往复运动,将物料从贮料缸吸入活塞缸,然后再压入灌装容器中,由此每次灌装物料的容积用活塞往复运动的行程来控制 。 图 4.7是利用定量泵进行定量灌装番茄酱的原理图 。
图 4.7 定量杯法定量原理图
1-阀体,2-弹簧,3-滑阀,4-活塞缸,5-活塞,6-喇叭口活塞 5由凸轮 (图中末示出 )控制作上下往复运动,当活塞向下运动时,酱液在重力及气压差作用下,由贮液缸底部的孔经阀 3的月亮槽流入活塞缸 4内 。 当待灌容器由瓶托抬起并顶紧喇叭头 6和阀 3时,弹簧 2受压缩而滑阀上的月亮槽上升,则贮料缸与活塞缸隔断,滑阀上的下料孔与活塞缸接通,与此同时,活塞正好在凸轮作用下向上运动,酱液再从活塞缸压入待灌容器内,当灌好酱液的容器连同瓶托一起下降时,
弹簧 2迫使滑阀也向下运动,滑阀上的月亮槽又将贮料缸与活塞沟通,以便进行下一次灌装循环 。 假若在某一个瓶托上没有待灌容器时,尽管活塞到达某一工作位置仍然在凸轮作用下要向上运动,但由于滑阀上月亮槽没有向上移动,故酱液仍被压回贮料缸,不致影响下一次灌装循环的正常进行 。
对于这种定量方法,若要改变每次的灌装量,则只需设法调节活塞的行程 。
比较上述三种定量方法,从定量精度来看,第一种方法由于直接受到瓶子容积精度以及瓶口密封程度的影响,其定量精度不及后二种方法高,若从机械结构看,第一种显然最为简单,因此,它自然得到广泛应用 。
定量方法的正确选择,主要应考虑产品所需要的定量精度,如我国对 640毫升啤酒部颁标准为 ± 10毫升,国外为
± 3毫升。对瓶装酒类等按高度定量的产品,最好不超过
1.5毫米,容积误差最好控制在 ± 0.4％,越是名贵的产品,显然其误差应越小。定量方法的正确选择,还应考虑到液料本身的工艺性,例如对含气饮料灌装若采用定量杯定量法,则贮液箱内的泡沫反倒可能降低定量精度,因此,
在这种情况下,一般以采用控制液位高度定量为好。
一、灌装的工艺过程灌装阀是自动灌装机执行机构的主体部件,它的功能在于根据灌装工艺要求,以最快的速度沟通或切断贮液箱,
气室和灌装容器之间流体流动的通道,保证灌装工艺过程的顺利进行 。
不同类型的液料其物理化学性质各不相同,因此对灌装工艺要求存在差异形成了对阀的不同要求,不同的灌装方法有不同的灌装工艺过程 。
采用常压法灌装的工艺过程是,
1.进液回气 ;2.停止进液 ;3.排除余液采用真空法灌装的工艺过程一般是,
1.抽气真空 ;2.进液回气 ;3.停止进液 ;4.排除余液采用压力法灌装一般过程是,
1.吸料定量 ;2.挤料回气有的等压法灌装工艺过程中,还要考虑在排除余液前对瓶颈余压先进行压力释放,避免迅速降至常压时会发生大量冒泡 。
排除余液是指排除回气管中残留的液料。在虹吸法和真空灌装方法中,排除余液是与最后停止灌装同时进行的。
采用等压法灌装含气性物料时,排除余液最好是在停止进液后,让其略为稳定一定的时间再进行,这样可使液料逸出的二氧化碳气体赶走瓶颈处的空气,这有利于产品的保存,同时不会影响产品的质量。
二、阀体结构完成上述灌装工艺要求的灌装头有多种形式,
根据阀中可动部分的运动形式主要可分为三种类型,
1.单移阀阀体中有一件可动部分,它相对于不动部分开闭阀时作往返一次的直线移动,根据可动部分移动前后开闭流体通路的方法又可分成两种,
① 端面式利用移动块的端面来开闭流体通路的。
如图 4.8所示,是一个端面式灌装阀的结构图 。
它可用于马口铁罐,
广口玻璃瓶的灌装 。
阀座 10借助螺母 8固定在贮液箱 9上,阀蝶 3用螺纹连接于阀座 10上,
并用螺母 11吊紧,弹簧 6
保证橡皮活门 4与固定阀蝶 3间的密封,橡皮外套 7同样起密封防漏作用 。 升瓶后在活门 4与阀蝶 3间形成液门进行灌装 。
图 4.8 端面式单移阀结构原理图
1-托瓶台,2-待灌容器,3-固定阀蝶,4-橡皮活门,
5-滑套,6-弹簧,7-橡皮外套,8-螺母,9-贮液箱,
10-阀座,11,螺母,12-回气管
② 柱面式利用移动块柱面上的孔道与不动部分 (阀座 )的孔道接通与否来开闭的 。
如图 4.9所示为柱面式灌装阀的结构原理图,
它是利用往复式圆柱形阀芯和阀体,其上适当位置开径向孔来达到灌装阀的启闭要求。用螺纹调节高度的定量杯连接在阀芯 2的上面,图 4.9 柱面式单移阀结构原理图
1-定量杯,2-阀芯,3-弹簧,4-压盖,5-容器,
6-下孔口,7-抽气孔,8-上孔口压盖 4下无罐体时,定量杯浸没在贮液箱中,阀芯 2处于起始位置时,抽气孔 7和液体流入小孔 8与罐体均不相通,
当压盖 4下面有罐体时,定量杯随同阀芯上升,同时小孔
6对准抽气口,罐内气体被排除 ;当阀芯继续上升,定量杯
1则高出液面,小孔 6离开抽气孔,与真空系统切断 ;同时孔 6和孔 8接通,液体定定量杯 1流入罐体内,最后,灌装头在弹簧 3的作用下,阀芯恢复到原位,完成一个工作循环 。
这种灌装头适用于非粘性食用液体的灌装 。
2.旋转阀阀体中的可动部分相对于不动部分在开闭阀时作往复一次或多次的旋转摆动,在摆动的两极限位置,由可动部分上的孔眼是否对准不动部分上的孔眼来完成流体通路的开闭,根据相对转动面是沿圆柱面 (或圆锥面 )
还是沿平面进行,又可以分成下述两种形式,
① 柱式 (或锥式 )
此种阀其可动部分 —旋塞的圆柱面 (或圆锥 )上开有一定夹角的孔眼,它们分别与不动部分 —阀座的孔眼相对应 。 图 4.10为一种简单的旋塞阀,只要控制旋柄 3摆动到一定的角度,就能通过旋塞 7开闭阀座 8上的流体通路 。 显然,旋塞在阀座中的来回转动容易摩损而产生漏液,因此,一般做成锥塞形式,并用弹簧 6压紧,以便补偿,但弹簧力也不能过紧,否则控制旋柄转动的阻力太大,更易磨损,但对于粘性物料的灌装,这种结构的磨损并不引起漏液,而应着重考虑如何便于拆卸 。
② 盘式此种阀在其可动部件?阀盖的端平面上开有一定夹角的孔眼,它们分别与不动部件阀座的孔眼相对应。
图 4..11为盘式等压灌装啤酒、汽水的一种灌装机构。
阀座 Ⅱ 用螺钉固定在贮液箱的大转盘上,内部有两个气体孔道 1,4,还有两个液体孔道 2,3,孔道 1与贮液箱中的气室相通,孔道 4与灌装瓶相通,但它们彼此之间并不相通。孔道 2与贮液箱中液室相通,孔道 3与灌装瓶相通,它们彼此也不相通。阀盖 Ⅰ 套在固定于阀座中的短轴上,阀盖上有气体孔道 5,6,7彼此相通,还有液体通道 8,9彼此也相通,阀盖上旋爪由固定挡块拔动,
使阀盖旋转,并与阀座处于不同的相对位置,从而完成灌装工艺的各个过程。
图 4.10 锥式旋转阀结构原理图
1-螺母,2-垫片,3-旋柄,4-压盖,5-密封垫圈,
6-弹簧,7-旋塞,8-阀座图 4.11 盘式灌装阀结构图
Ⅰ -阀盖,Ⅱ -阀座,Ⅲ -制止球第一工作位置 (充气等压 ):此时阀盖由原始位置逆时针方向旋转 40°,所处的位置是阀盖上孔道 5,6与阀座上的孔道 1,4相对应,此时贮液箱内气室的气体由阀座上孔道 1经过阀盖上孔道 5,6,再转入阀盖上孔道 4,并进入待灌瓶中,从而完成充气等压过程 。
第二工作位置 (进液回气 ):此时阀盖逆时针方向旋转 40° 。 所处的位置是阀盖上的孔道 8,9与阀座上的孔道 2,3相对应,则贮液箱中的液体依靠液位差由阀座上的孔道 2,经过阀盖上的孔道 8,9再转入阀座上的孔道 3,并进入待灌瓶中,而瓶内气体由阀座上的孔道 4,经过阀盖上的孔道 7,6,再转入阀座上的孔道 1,
并排入贮液箱的气室内,从而完成进液回气过程 。
第三工作位置 (气,液全闭 ):此时阀盖顺时针方向旋转 80°,这样阀盖上只有孔道 5,8分别与阀座上孔道
4,2相对应,实际上不能沟通贮液箱与待灌瓶间的气体通道和液体通道,从而使气,液道均处于关闭状态 。
第四工作位置 (排除余液 ):此时阀盖再沿逆时针方向旋转 40°,这样又回到第一工作位置,气道中的余液由于自重流入待灌瓶中,从而完成排除余液过程,
以免影响下一灌装循环的正常进行 。
第五工作位置 (气,液全闭 ):此时阀盖再顺时针方向转 40°,这样又回到第三工作位置,也就是原始位置,从而完成一个灌装工艺循环 。
另外在阀座中还装有制止球,当无瓶或灌装时瓶子破裂,
由于液体流速突然增大,制止球则堵塞阀座上的进液孔道,
从而减少了液体损失 。
比较上述两种旋转阀,柱式旋转阀磨损漏液问题较难解决,故多用于粘度较高的物料,而盘式旋转阀液料在阀体内尚需迂回穿过孔眼,势必增加制造与清洗的困难,故多用于粘度较低的物料 。
3.多移阀阀体中有几件可动部分作直线移动以完成液路或气路的开闭,根据控制液门打开的方法,又可分成下面两种,
① 气动式气阀在机械作用下首先打开,待瓶内充气达到与贮液箱内气相空间等压时,瓶内气压产生的向上作用力正好足以克服液阀的密封力,于是液阀会自动打开。
图 4.12为用于灌装啤酒、
汽水等含汽饮料的灌装阀,阀体 9用螺栓固定于贮液箱底部,密封圈 8
可防止漏液,在气阀 1和通气胶垫 3之间形成一个气门,在液阀 5和阀座
9底部之间形成液门,关阀胶垫 22保证液门关闭时不漏液,在排气按钮 11的锥形端部与胶垫之间又形成一个气门,由于两个气门和一个液门的开闭,从而完成整个灌装工艺过程。
图 4.12 气动式多移阀结构原理图
1-气阀,2-气阀套,3-通气胶垫,4-弹簧口,5-液阀,6-键,7-入液套,8,29-
密封圈,9-阀座 10-关阀按纽,11-派出按纽,12-
排气调节阀,13-排气嘴,14,26-弹簧,15-喷气护罩,16-对中罩,17-瓶口胶垫,18-升瓶导柱,19-回气管,20-分散罩,21-阀底胶垫,
22-关阀胶垫,23-顶杆
24-跳珠,25-大螺栓,27-
推杆,28-推杆套,30-提气阀叉其工作过程如下,
第一过程 (充气等压 ):当待灌空瓶由托瓶台顶起上升时,瓶口对准对中罩 16,接着与瓶口胶垫 17接触并得以密封,然后顶起对中罩沿着升降导柱 18继续上升,对中罩顶面侧边的凸台顶起顶杆 23,通过跳珠 24将推杆 27
顶起,再通过提气阀叉 30将气阀 1提起,贮液箱上气室内的压缩气体则从气阀的圆周上三个凹槽通入,经过液阀 5中心的孔道与回气管 19进入待灌瓶内,从而完成充气等压过程。第二过程 (进液回气 ):由于气阀 1的提起,
解除了对气阀 2向下的压力,同时,由于待灌空瓶内已充气,增加了对液阀下端向上的压力,因此,弹簧 4则能伸张,并将与气阀 2相连的液阀 5提起,使下面的关阀胶垫
22升高并与阀座 9内下部的环形孔口离开,液门则打开,
阀体内的液料则从液阀下面锥端的外环缝隙经过弯曲孔道流入中部的环孔,顺着回气管 19的外面流下,又因回气管装有一个橡胶分散罩 20,它恰好停在瓶径位置,因此流入的液料受这个分散罩阻挡,沿瓶壁四周流入,保证稳定灌装,不至冒泡,随着瓶内液料的逐渐上升,瓶内气体则从回气管的中心孔经过液阀上端的通气胶垫 3与气阀 1间的孔道返回贮液缸的气室内。为了防止弹簧 4伸张时将气门阻塞,影响进液时回气,在液阀杆中部有一凸台,当碰及入液套 7的上孔口时,液阀则不能继续上升。
无瓶或灌瓶时爆瓶,则对中罩因无瓶子上升的压力而自动下降,解除了对顶杆和推杆的压力,此时弹簧 26压下推杆、气阀、液阀关闭,不致漏失液料。另外,对于瓶上有孔洞的破瓶,虽然推杆并不下降,但由于瓶内始终充气不足,液门无法自动打开,液料也不致漏失。
第三过程 (液满关阀 ):进入瓶内的液料,直至略超过回气管下端后而自动停止,随后,固定在贮液缸旋转轨道旁的控制曲线块碰触关闭按钮 10,装在关闭按钮尾端曲头上的跳珠 24则向右跳开,使推杆 27受弹簧 26的压力而下降 (但推杆下端并不与顶杆顶端接触 ),推杆的下降带动气阀 1,压住通气胶垫 3,
使气门关闭,同时压下液阀 5,因受瓶口与瓶口胶垫 17和阀底胶垫 21的互相紧压而封闭,故仍残留有压力气体 。
第四过程 (压力释放 ):装有液料的瓶子在随着托瓶台下降前,
尚需将瓶颈内残留的气压缓慢排出,以免突然降压引起大量泡沫溢出,致使容量不足,为此利用另一个固定的曲线块,碰触排气按钮 1使瓶颈内的压缩气通过阀座下端侧面的小孔道,进入排气调节阀 1再进入排气按钮室,然后从斜下的排气嘴 13放出 。 对不同的蕴藏压,可用滚花纹的圆头来调节排气针阀的开口大小,使在离开控制线板时,不再有气压蕴藏 。
第五过程 (排除余液 ):由于瓶颈部分蕴藏的气压消除,当瓶子下降时,回气管中心小孔内残存的余液则滴入瓶内。
随着顶杆 23的下降,跳珠 24在关阀按钮内部弹簧 (可同时受压压缩和扭转 )的作用下向左跳回,整个灌装阀回复到初始状态,至此,灌装过程全部完成 。
为了调整瓶内液料的定量高度,回气管中部,在分散罩 20的下面有一个凸节,用作将回气管旋入液阀内,并将关阀胶垫
22压紧,对于不同灌装高度的瓶子,则应更换不同长度的回气管 。
显然,这种阀能较好地满足含气饮料等压灌装的工艺要求,
特别是采用沿壁灌装和压力释放的措施,使灌装更为稳定 。
但由于增加了不少零件 (共约 60多个 ),阀的结构显得较为复杂,增加了制造装配和调整的困难,特别是弹簧的设计和制造质量必须保证,否则很难达预定的灌装工艺要求 。
② 机械式气阀在机械作用下首先打开,过一定时间后,液阀仍在机械作用下打开 。
图 4.13为此阀原理图,
待灌瓶内由托瓶台升起并顶紧阀端密封圈
3继续上升,下液管 2及液阀芯 5克服阀弹簧 8
的弹力一起上升,与此同时,气管 14在气阀弹簧 17的作用下也跟
1-下液门胶垫,2-下液管,3-密封圈,4-密封圈,
5-液阀芯,6-液阀座,7-O型密封圈,8-
液阀弹簧,
9-液孔,10-密封圈,11-上液门胶垫,12-O型密封圈,
13-气阀座,14-气管,15-O型密封圈,
16-气孔 17-气阀弹簧,18-蝶形弹簧,
图 4.13 机械式多移阀结构原理图随上升,致使下液管 2的末端仍然保持与套在气管下端的胶垫 1密封,所以尽管液阀 5与液阀座 6间的上液门已打开,但是液料并不能流出,而气管上的气孔却露在气阀座 13的外面与气室相通,以便对瓶子完成充气和抽气 。 一但气管顶端碰及蝶形螺栓 18,则气管不再能上升,随着瓶子由托瓶台继续顶起,则下液管末端与胶垫 1间的下液门才被打开,贮液箱内液料由气阀座 13与液阀座 6间的的环孔,经液阀芯 5与液阀座 6间的锥形环隙,再经液阀芯上的孔 9通过下液门流入瓶内,瓶内被排挤的气体由气管返回气室,从而完成进液回气过程 。
三,阀端结构根据气体和液料进出瓶子的不同状况,灌装阀阀端的气液道布置方法可以分为两类,一类是中心管灌液,环隙回气 ;另一类是环隙灌液,中心管回气,前者即所谓长管灌装阀,而后者则称为短管灌装阀 。
1.长管阀的结构特点它们的基本特点在于灌装过程中,灌装嘴口伸入到接近瓶底的部位,灌装过程分为两个阶段,第一阶段为液料尚末到达灌装嘴口之前,属于管嘴自由出流,第二阶段在液料开始淹没灌装嘴口之后,属于管嘴淹没出流 。
而第二过程占灌装过程的绝大部分,此阶段中液料仅表面一层和背压气体接触,减少了氧气在液料中的溶解,
但由于灌装管径受瓶口尺寸与自身结构限制,灌装流通截面较小,灌装时流量偏低 。
2.短管阀的结构特点它们的特点是,灌装过程中,灌装嘴口伸入到瓶颈部位,灌装的水力过程完全是稳定的管嘴自由出流 。 在回气管上均装有分散罩,使灌装过程形成沿壁流 。 由于灌装管呈环隙状,浸润周边和液道截面相对圆形管大,对液流阻力相应减小,灌装易控制,呈稳定的层流 。
另外,对于控制瓶内液位高度的定量方法,在设计阀端结构时还应注意使液门尽量靠近瓶口,以便瓶内液料升至回气管之后,瓶径处气体能在较小空间内尽快被压缩,尽早达到气压平衡,同时要求出液口截面不能过大,以便液料能很快被截流,保证定量精度 。
四、阀门的启闭结构目前灌装机的阀门开闭结构一般采用下列几种形式,
1.由升瓶机构进行控制它可控制阀体中可动部分产生轴向直线移动,
因此,对于单移阀及多移阀中的气阀,均可采用升瓶机构,通过待灌瓶的升降来开闭,对于机械式多移阀中的液阀亦可采用升瓶机构分两次升瓶法来控制打开,这种形式无需另外增加控制机构,且能保证无瓶不灌装,但在多移阀中,要由下面的升瓶机构首先打开位于上端的气阀,结构上尚需精心设计 。
2.由固定挡块进行控制它可控制阀体中可动部分产生回转摆动或径向,轴向的直线移动,因此,对旋转阀一般均采用灌装机转盘旋转轨道旁的固定挡块来控制阀门的开闭 ;对于压力法的单移阀也可采用固定挡块来控制 ;对于多移阀中压力释放等径向移动的阀门,亦要采用固定挡板来控制 。 为了防止无瓶时液阀仍然打开出现漏液,有时就需另外采用气动,
电动或机械的自控方法 ;一但升瓶台无瓶时,则要使固定挡块对相应的灌装阀失去控制,避免产生漏液现象 。
3.由固定挡块及回转拔叉进行控制它是利用固定挡块拔动回转拔叉摆动,再由拔叉带动阀体中可动部分作直线移动 。 因此,在需要清洗阀时,不可采用这种结构代替瓶子开闭阀门,另外,对于多移阀中气阀的开闭,还可采用这种结构来代替升瓶机构的控制,这样可把拔叉放在适当的位置,避免了由下面升瓶机构首先打开上端气阀的困难 。
4.利用瓶内充气压力进行控制这是当今国际上流行的含气饮料灌装机,当待灌瓶中的气压达到与贮液箱内的背压相等时,液阀弹簧自动打开液门,完成灌装,此种阀的优点是不仅能保证碎瓶时不漏液,还能保证瓶上有孔洞的破瓶及充气不足时不漏液,使灌装能够稳定进行 。 但其缺点是对阀门封闭弹簧的设计,制造精度有较高的要求 。
五,阀门的密封结构由于灌装阀是安装在流体通路上的开关,保证不向外漏气和漏液是十分重要的 。 因此在阀门开闭处的接触面,可动部分相对于不动部分的运动面,以及安装于贮液箱上的接合面和压紧于瓶口上的接触面等都有一个选择何种密封防漏的结构问题,但大致可归纳为平面及圆柱面间的两大类问题 。
1.接触平面的密封在灌装阀中一般采用密封材料进行压紧密封,这种密封形式容易保证防漏,只需改变压紧力就能改变密封力以及磨损后的重新密封,故使用寿命较长,安全可靠。
2.相对运动圆柱面的密封在灌装阀中一般采用密封材料进行自封型密封,所谓自封型密封是将密封材料于压紧时形成适当的预压紧量,借助于材料的反弹力压紧密封面而起密封作用的 。 这种密封形式运动磨损后容易产生泄漏 。 假若预紧力过大,又要增加运动过程中的摩擦阻力,相应的也就增加了磨损的速度,泄漏后只得更换密封材料 。
灌装液料由贮液槽经泵 (或直接由高位槽 )及输液管将液体产品输入贮液箱,再由贮液箱 经灌装阀输入待灌容器中,这就形成了整个灌装液料的供送系统。
对于等压法、真空法有时还需对贮液箱充气或抽气。
由此可见,不同的灌装方法就应有不同的供料系统。
1.常压法灌装的液料供送机构此法是在常压下灌装的,因此,灌装系统较为简单 。
液体产品由高位槽或泵经输液管送进灌装机的贮液箱,贮液箱内液面一般由浮子式控制器保持基本恒定,
但也有用电磁阀控制的,贮液箱内的流体产品再经过灌装阀的开关进入待灌容器中 。
第四节 灌装机的常用机构一、灌装的供料机构
2.等压法灌装的液料供料机构图 4.14为此法供料原理图。入酒总管 3与灌装机顶部的输入头 9相连,输入头下端有六根供酒管 14与环形酒缸 12相通。 1-无菌压缩气管,2-入酒总管,3-
单向阀,4-透明管,5-先运行阀,6-
截止阀,7-低液位浮泡,8-截止阀,9-
视镜,10-入酒总阀,11-平衡气压管,12-入酒缸气管,13-放气阀,14-
输入头,15-充气阀,16-调节针阀,17-高液位浮泡,18-环形酒缸,19-供酒管,20旋转立轴图 4.14 等压法供料系统简图在打开入酒总阀 16之前,需打开先运行阀 5,以透明管 4
观察进酒压力,若流动缓慢是来酒压力不足,若酒液冲出来是来酒压力过高,均需调节,待正常后方可准备打开总阀。 无菌压缩气管 1分叉为两路,一路为入酒缸气管 12,它经输入头直接与环形酒缸相通,其作用是在开机前对酒缸充气产生一定的压力,以免酒液初入缸时因突然降压而冒泡。 该管上截止阀 8在入酒总阀 10打开后则需关闭 ;另一路为平衡气管 11,它以输入头接至高液浮泡 17上的充气阀 15,其作用为控制酒缸内液位的高度。
当液面太高时,即液压高于气压,高位浮泡即上升打开充气阀 15,无菌压缩空气进入酒缸,以补充气压的不足,保证啤酒能稳定地进入酒缸 。
当液面下降时,即液压低于气压,低液位浮泡 7下降,
则打开放气阀 13,酒缸内较高气压被释放,气压降低使进液增多 。 因此酒缸内液面基本稳定在视镜 9的中部 。
酒箱系一个矩形切面的环形酒缸,在环形酒缸的下面装有很多个灌装阀,分别与环形酒缸底面的孔口相连,以便把啤酒从贮液箱内装进待灌瓶中。
3.压力法灌装的液料供送机构图 4.15为此法灌装供料简图,它由稳压装置,旋塞阀,推料活塞和充填器四个主要部分组成。
物料由人工或泵送入贮液箱内,在灌装时因来料压力不稳,会产生定量误差,因此常采用如图 4.15所示的稳压装置来稳定供料压力,提高灌装精度。
物料由供料泵送至三通
14,在三通管的上端有一个稳压活塞 15,压缩空气经过减压调整后进入气缸 19,形成对稳压活塞一定的压力,当三通管内出料压力增加或减少时,与稳压活塞杆 19相连的感应板则要上升或下降,上,
下无触点开关则要发出信号控制供料泵运转或停转 。 因此供料的压力始终保持稳定,保证了灌装质量 。
图 4.15 压力法供料系统简图
Ⅰ -稳压装置 Ⅱ -旋塞阀 Ⅲ -推料活塞 Ⅳ -冲填器
1-滚球,2-顶杆,3-凸轮,4-活塞,5-活塞缸,6-调节伞齿轮,7-可调螺母,8-活塞杆,9-摇块 10-导杆,11-连杆,12-齿轮,13-曲柄,14-三通,15-稳压活塞,16-气缸,17-下无触点开关,18-上无触点开关,19-稳压活塞杆,20齿条对于炼乳,番茄酱等的灌装,在供料系统中可省略稳压装置,旋塞阀由往复运动的齿条 20经齿轮 12带动作来回摆动,一个位置沟通三通 14及推料活塞缸 5,这时活塞 4正好在连杆机构带动下向左运动,物料由三通被吸入活塞,旋塞阀的另一个位置沟通活塞及充填器,
这时活塞 4正好又在连杆机构带动下向右运动,物料被推送至灌装容器内 。 活塞 4 的运动行程可调节,这是通过转动伞齿轮 6使可调螺母 7移动而实现的 。 为了防止物料的滴漏,在充填器底部特意安装一只有孔道的滚柱 1,当旋转阀来回摆动时,带动凸轮 3也一起来回摆动,从而使顶杆 2上下串动,压迫滚柱 1实现快速启闭,提高了灌装精度 。
4.真空法灌装的液料供送装置真空法灌装系统结构较复杂,形式较多,但根据其采用灌装方式不同,大体可分两种类型,一种方式是在待灌瓶和贮液箱中都建立真空,而液体是靠自重产生流动而灌装的 ;另一种方式是在瓶中建立真空,靠压差完成灌装。因此真空法灌装机的供料系统可有单室、双室、多室、三室等多种形式,单室属于前一种真空法灌装,其余属于后一种方法。
①单室这是一种真空室与贮液箱合为一室的供料系统 。
图 4.16为其工作原理图。
被灌液体经输液管 1由进液孔 3送入贮液箱 5内,
箱内液面依靠浮子液位控制器 4控制基本恒定,
箱内液面上部空间的气体由真空泵经真空管 2
抽走,从而形成真空,瓶子由托瓶台 7带动上升并首先打开气阀 9对瓶内抽气,接着瓶子继续上升打开液阀 8进行灌液,瓶内被置换的气体吸至贮液箱内再被抽走。
图 4.16 单室真空法供料系统简图
1-进液管,2-真空管,3-进液孔,4-浮子液位控制器
5-贮液箱,6-立轴,7-托瓶台,8-液阀,9-气阀这种结构使贮液箱内整个液面成为挥发面,故不宜灌装含有芳香性的液体,但它的总体结构比较简单,并容易清洗。
上述单室真空灌装阀的开启需两次升瓶才能完成,
故易出现磨损漏溢的问题 。 有的单室有真空阀,气阀,液阀是一起开闭的,这时,只需贮液箱的真空度大于阀口上液料的位压头,仍能保证瓶内不先被抽成一定的真空,液料就被封着不会泄漏,还有的单室真空阀,
只设液阀,其气管是与大气相通的,这种结构更为简单,
但势必增加了真空泵的负荷,贮液箱内真空度的稳定也受到一定的影响 。
② 双室这是只有一个贮液箱与一个真空室的供料系统 。
图 4.17为其工作原理图,液体产品经输液管 10输送到贮液箱 4内,箱内液位由浮子液位控制器 11控制,
真空泵经真空管 9将真空室 8内气体抽走,使之形成真空,灌装机构有一进液管通往贮液箱,另有一抽气管通往真空室,一但瓶子顶紧灌装机构端部的密封垫,瓶内气体则被抽走,随后,液料在贮液箱与瓶内压差作用下流入瓶中,当瓶内液位升高至抽气管下缘时,继续流入瓶内的多余液体被抽进真空室,再经回流器 7回到贮液箱,当没有瓶子或瓶子破损时,不能由瓶中抽出空气,也就不能进行灌装。
图 4.17 双室真空法供料装置示意图
1-输液管,2-真空室,3-吸气管,
4-回流管,5-灌装阀,
6-吸液管,7-浮子,8-贮液箱与单室比较,这种双室供料系统减少了挥发面,但因余液经真空室直接流回贮液室,因此箱内液面难以控制稳定。
③ 多室这种结构不仅使贮液箱与真空室分开,而且另设一个液位控制箱,
真空箱也不只一个 。
如图 4.18为其工作原理图。贮液箱 10的上方设一真空室 13,
图 4.18 多室真空法灌装系统示意图
1-高位槽,2-送液管,3-真空泵,4-真空管,5-液位控制箱,6-进液管,7-真空管,
8-电动机,9-破气阀,10-贮液箱,11-升瓶滑道,12-瓶子,13-真空室,14-真空管,
15-灌装阀,16-传送装置,17真空塔上室,18-真空塔下室,19-浮子液位控制器高位槽 1经送液管 2 将液料输送给液位控制箱
5(其内的液位靠浮子液位控制器 18控制 ),再经进液管 6与贮液箱接通,在液位控制箱上方装有真空塔 17及上室 16,上室至下室以及下室至液位控制箱之间均有管道接通,管道上均装有控制阀门,真空塔上室通过真空管 14与真空室 13相通,
真空塔的上室、下室又分别通过真空管 4,7与破气阀 9相通,灌装时的余液先被抽回到真空室
13,又被吸回到真空塔的上室,这时由于上室处于真空,所以通往下室管口处的橡皮垫被吸住,
而使阀门封闭,当破气阀 9中的开口对准真空管 4
时,
通过真空管 7使真空塔的下室也处于真空,于是上室通往下室的阀门自动打开,下室通往液位控制箱 5的同样结构的阀门则被封闭,上室中的液体流入下室,当真空管 7通过破气阀 8与大气接通时,下室处于常压状态,上室通往下室的阀门则关闭,下室通往液位控制箱的阀门则打开,余液再由下室流入液位控制箱,因此,余液对贮液箱液位波动的影响甚微。
④三室图 4.19为三室结构的液体物料真空自动灌装机示图。
贮液箱 8安装在作连续运转的灌装机工作台 6上,待灌装的液体物料通过进料管 2从高位槽输送入贮液箱 8中,
液门高度由浮子式液位控制器 9控制,
贮料箱内液料通过装料管路 11与灌注器 4中物料灌注通道连通,真空分配箱 14
通过四根管柱螺栓安装在贮料箱 8上方,
使贮料箱 图 4.19 三室真空法供料装置系统图
1-分配头,2-输液管,3-吸气管,4-通气管,5-真空上室,6-吸气软管,7-真空下室
8-吸液软管,9-灌装阀,10-上阀门,11-通气孔,12-下阀门,13-升降杆
14-浮子,15-托瓶台,16-贮液箱,17-升瓶凸轮大气相通,真空分配箱 14分上室和下室两部分,上室是真空灌装机的真空室,它通过换向阀 1及真空管路 3与真空机系统相连通,以便抽取真空箱室及管道等系统中的空气,建立起真空,在真空分配箱上室盖板上连接着许多抽真空软管 13,它各与相应的装料灌注器 4中的真空通道相连接,真空分配箱的上室与下室间经换向阀 1有管道相连通,通过换向阀将能按需要改变下室的真空状态 ;上室与下室间还通过安装在上室底部的液料回流用上阀门 12连通,以便将抽真空软管 13 自装料瓶内吸抽来的液料可能回流到下室。真空分配箱下室底部也安装有液料回流用下阀门 5,使下室中的回流液料可能流回到贮料箱 8内,完成液料的回流输送,真空分配箱虽然结构上比较复杂,但却使真空灌装机的结构紧凑了,且利于提高灌装生产能力和工作可靠性。
二、灌装的供瓶机构在自动灌装机中,按照灌装的工艺要求,准确地将待灌瓶送入主转盘升降机构托瓶台上,是保证灌装机正常而有秩序地工作的关键 。 一般供瓶机构的关键问题是瓶的连续输送和瓶的定时供给 。
常用的连续输送装置有链带传送,一般采用不锈钢或尼龙坦克链带,为了减少链带与瓶底间的摩擦,有时设法在链带上加些肥皂水,以便润滑。
由洗瓶机出来的瓶子由输送带送来后,为了防止挤坏、堵塞和准确地送入灌装机,必须设法使瓶子单个地保持适当的间距送进,目前瓶子的定时送给一般采用分件供送螺杆或拔盘式等限位机构。
1、分件供送螺杆机构图 4.20给出了典型送瓶机构的示意图,它的基本组成包括由锥齿轮传动的变螺距螺杆,固定侧向导板,
链式水平输送带 (末画出 )和组合式拔瓶轮等,
分件供送螺杆在结构上是一种空间高副机构,它的结构形式受供图 4-20 典型送瓶机构的示意图送瓶的大小,形状等的制约 。 从外观形式看,前端应设计呈截锥台形,有助于将玻璃瓶顺畅地导入螺杆的工作区段,
而另一端应具有与玻璃瓶同半径的圆弧过渡角,以便和星形拔轮同步衔接,为了使刚进入螺杆工作区段的玻璃瓶运动平稳,第一段最好采用等螺距,使它暂不产生加速度,鉴于星形拔轮的节距通常都大于两只玻璃瓶原来在链带上紧相接触时运动的中心距,
显然,最后一段螺旋线一定要变螺距,为改善瓶的惯性运动,它应该制约玻璃瓶以等加速度规律逐渐增大其间距 。 实践证明,对于中,小型自动灌装机 (一般为 250瓶 /分以内 ),只需将螺杆设计呈等螺距段与变螺距段即可,虽然其加速度曲线不连续,有阶跃突变,但在加速度值不很大时,仍不致发生明显的柔性冲击 。 设计供送螺杆的关键在于,必须在满足被供送瓶的主体直径及有效高度,星形拔轮节距和生产能力等条件下,预选螺杆的内外径及长度 。
合理确定螺旋线的组合形式,
旋向及螺旋槽的基本参数 。
12.花盘式限位机构如图 4.21所示,待瓶或罐由输送机运送,经花盘轮分隔装置而直到输送机端头 。 在最前端的瓶或罐到达要求位置时,就碰上电开关 9,使推板 8
立即将要求数量的一排瓶或罐横向推进一个距离 。 推板
8行进中驱动摆盘 6,使之逆时针转动,但凸轮 5及棘爪摆杆 4
不动,推板 8行进到与摆盘 6
脱离接触时,摆盘 6受弹簧作用而恢复到原位 。
图 4.21 定数量供给的花盘限位装置
1-输送带,2-花盘轮,3-棘轮,4-棘爪摆杆,5-凸轮,
6-摆盘,7-销子,8-推板,9-开关推板 8做返回运动时,又驱动摆盘 6使之顺时针转动,同时通过销子 7使凸轮 5一起转动,从而迫使棘爪杆 4摆动,
脱离开棘轮 3,此时,花盘轮由传动装置驱动转动,对输送来的瓶或罐做连接分隔传送 。 当推板 8 往回运动到又与摆盘 6脱离接触时,凸轮 5受弹簧作用又转回到原位,
棘爪摆杆也往回摆动到原位,棘爪嵌入棘轮轮齿中,制动住花盘轮 2的转动,在棘爪脱离开棘轮的时间间隔内,
经由花盘轮分隔传送出要求数量的瓶或罐 。
3.拨瓶轮此机构是将瓶的限位器送来的瓶子,准确地送入灌装机中瓶的升降机构或将灌满的瓶子从升降机构取下送入传送带的机构。
如图 4.22所示,拔瓶轮中的尺寸 h及 Rc均由瓶子的高度和直径来决定,拔瓶轮一般采用酚醛层压板等材料,以免与玻璃瓶产生硬性碰撞,拔瓶轮一般由上、
下两片组成,为了保证拨轮与托瓶台的位置相对应,
在轮片上应开有圆槽形孔,
调好后再安装在转轴上。
图 4.22 拔瓶轮为了使瓶子稳定传送,在传送带旁边还需要安装护瓶杆,在进出瓶拔轮外还要安装导板,护瓶杆离开传送中心线的距离要可调,以适应不同规格的瓶子。
另外,送瓶机构不仅要将瓶子分隔转弯,而且传递速度必须与洗瓶机的速度匹配,否则易出现倒瓶,缺瓶或阻塞现象,
为了防止倒瓶时影响正常生产,某些灌装机在分件供送螺杆,拔轮的传动部分安装有离合器,一旦出现故障使其自动停转,有的还安装微动开关,当离合器脱开的同时,压迫微动开关,使全机停转 。
三,瓶的升降机构在一般旋转型灌装机中,由拔瓶轮送来的瓶子必须根据灌装工作过程的需要,先把瓶子升到规定的位置,以便进行灌装 。 然后再把己灌满的瓶子下降到规定的位置,以便拔瓶轮将其送到传送链带上送走,这一动作是由瓶的升降机构完成的 。
对于瓶的升降机构的要求是,运行平稳,迅速,准确,安全可靠,结构简单,常用的有下列三种形式,
1.机械式瓶的升降机构图 4.23为机械式升瓶机构原理图,瓶托的上滑筒 3和下滑筒 6通过拉杆 5与弹簧
2组成一完整的弹性筒,在下滑筒的拔销上装有滚动轴承 7,使整个瓶托可沿着凸轮导轨的曲线升降 。 由于上滑筒与下滑筒间还可产生相对运动,这不仅保证了瓶口灌装时的密封,
同时又保证了有一定高度误差的瓶子仍可正常灌装 。 图 4.23 机械式升瓶机构原理图
1-瓶托台,2-弹簧,3-上滑筒,4-滑座
5-拉杆,6-下滑筒,7-轴承每只瓶托用螺母固定装在下转盘边缘的孔中,并随转盘一起绕立轴旋转,显然这种机械式升瓶机构实际上是由圆柱轮－直动从动杆机构完成的,与一般不同的是,这里圆柱凸轮不动,而直动从动杆绕圆柱的轴线旋转,因此,它们之间的相对运动与圆柱凸轮旋转的直动从动机构是一致的 。 瓶托上升时,凸轮倾角 α最大,许用推荐值为 [α]≤30°
这种升瓶机构的结构比较简单,但是工作可靠性差,
如果灌装机运转过程中出现故障,瓶子沿着滑道上升,
很容易将瓶子挤坏,对瓶子质量要求很高,特别是瓶颈不能弯曲,瓶子被推上瓶托时,要求位置准确,在工作中,
缓冲弹簧也容易失效,需要经常更换。因此,这种结构适用于小型的半自动化的不含气体的液料灌装机中。
2.气动式瓶的升降机构图 4.24为其原理图及结构图,所用压缩空气的压力通常为 2.5~4kgf/cm。从图中可以看到当控制碰块使阀门 6关闭、阀门 8开启时,压缩空气将自下部进气管 5
进入到气 缸 1中,活塞 2受到下端压力气体的作用向上运动,托瓶台 4及其所承托的瓶子向上升起,在此过程中灌装嘴插入瓶内,以便进行灌装工作。
图 4.24 气动式瓶的升降机构
1-气缸,2-活塞,3-连杆,4-托瓶台,
5-下部进气管,6-阀门,
7-上部进气管,8-排气阀门灌装完毕后,控制机构关闭排气阀门 8,开启阀门 6,压力气体自活塞 2上端引入气缸 1中,活塞 2上端面压力加上活塞 2、连杆 3、托瓶台 4及已装物料的瓶子等在自重的作用下,托瓶台迅速降到与灌装机转盘水平面等高的平面上,再由排卸装置将装料瓶自灌装机转盘上排卸出去封口。阀门 6与排气阀 8通常用凸轮式碰块及转柄进行控制,在灌装机工作运转中,由设置的程序凸轮碰块作开或关的控制操纵。这种升降机构,克服了机械式升降机构的缺点,因为它采用气体传动,有吸震能力,当发生故障时,瓶子被卡住,压缩空气好比弹簧一样被压缩,这时瓶子不再上升,故不会挤坏。但是,活塞的运动速度受到空气压力的影响,若压缩空气的压力下降时。
3则瓶的上升速度减慢,以致不能保证瓶嘴与灌装阀的密封,若压缩空气压力增加,则瓶的上升速度快,导致瓶不易与进液管对中,又使瓶子下降时冲击力增大,如若灌装含气性气体,则容易使液料中的二氧化碳逸出。
3.气动机械混合式升瓶机构此机械是以气动机构作托瓶升起、用凸轮推杆机构将已料瓶降下的综合式升降机构。它利用气动机构托瓶升起具有自缓冲功能,托升平稳。且节约时间的优点,同时又利用了凸轮推杆机构能较好地获得平稳的运动控制的特点,使托瓶升降运动得到快而好的工作质量。但此种托瓶升降机构的机械结构较为复杂。
如图 4.25为此种托瓶升降的原理图。柱塞杆 4为空气套筒结构,上端装有密封塞组件 3、下端固定装有封头 7,组成活塞部件。
封头 7上固联着压缩空气输送管道和减压排气阀。
托瓶台安装件置于气缸内,是固定不动的；气缸部件则是托瓶升降的运动部件,当作托瓶升降工作运行时,压缩空气自封头 7进入；经柱塞杆 4、
密封塞 3内图 4.25 气动机械混合式升瓶机构
1-托瓶台,2-气缸,3-密封塞,4-柱塞杆,
5-下降凸轮,6-滚轮,
7-封头,8-减压阀的中心孔进入到活塞上部空间,驱使气缸部件以活部件为导柱向上托瓶升送,并维持到完成灌装为止。此时升降器上滚轮 6已 到达使装料瓶作下降运动的凸轮 5廓形部分,随着灌装机继续运转 ;滚轮 6受凸轮 5下降廓形的约束,带动气缸部件作下降运动。为减少其动力消耗。此时应停止压缩空气的供给,且视凸轮结构形式的不同,即凸轮下降廓形与滚轮间的接触约束方式的不同,设置减压排气阀,达到托瓶下降平稳,节省辅助工作时间,且减少动力消耗的目的。为此,应根据灌装机灌装的工作程序,
设置压缩气的开关控制器。
上述三种升降瓶机构各有其优缺点。在设计时,应根据灌装机的具体要求,进行具体的分析,选择和设计出先进合理,经济可靠的结构。
四、灌装瓶高度调节机构由于灌装机涉及的包装容器瓶子的规格很多,如 640
毫 升 的 啤 酒 瓶 其 高 度 为 289± 1.5mm 瓶 身 直 径
75± 1.6mm;350 毫升的高度为 231± 1.5mm,身径为
63.51± 1.2mm,小瓶汽水的高度为 203mm,为了使一台灌装机满足多种瓶高的灌装,需要调节装有灌装阀的贮液缸与装有升瓶台的转盘之间的距离,使贮液缸能沿着立柱相对于转盘作上,下移动,目前常用的高度调节结构有三种形式：
11.中央调节式如图 4.26所示,贮液缸底部转轴 1的下端为螺杆结构它与固装在转盘上的法兰式螺母 2相连接,并用固定螺栓 3拧紧,调节时,
松开螺栓,转动贮液缸,
其本达到所需瓶高后,再调整灌装阀与升瓶台的中心,使其基本对准,最后再重新拧紧螺栓,这种结构最为简单,但由于灌装阀与升瓶台调节后不易对中,故仅适应于灌装广口瓶或铁罐,同时由于采用中央螺纹支承,贮液缸运转时稳定性也较差。
图 4.26 转动液缸中央调节式
1-贮液缸底部立轴,2-法兰式螺母
3-固定螺栓,4-下转盘因此在另外一些小型灌装机上,采用蜗杆蜗轮的调节结构,如图 4.27所示。
图 4.27 蜗轮蜗杆式中央瓶高调节机构原理图
1-压紧螺母,2-销轴,3-传动键,4-下部立轴,5-蜗轮,6-蜗杆,7-下罩壳,8-上转盘调节时,首先松开锁紧螺母 1,退出销轴 2使传动上下转盘一起转动的键失去作用,然后用手柄摇动蜗杆 6,使蜗轮 5
转动,由于蜗轮与下部立轴 4的端部采用螺纹联接,因此,蜗轮一边转动,一边上下移动,并带动上转盘 8也一起上下移动,从而实现高度调节。
2.三立柱调节式如图 4.28所示。在贮液缸与转盘之间除由轴套 1、立轴 2联接外,还有三根端部为螺纹联接的立轴 5,与之相配的三只螺母
6的端部又固联有链轮 7,调节时,松开紧定装置 3,只需转动某一链轮,则三根立柱一起被升降,同时并不改变灌装阀相对于升瓶台的中心位置,因此,这种结构更为合理,已得到了 广泛的运用。
图 4.28 三立柱调节式
1-轴套,2-立轴,3-紧定装置,4-导向平键,5-立轴
6-螺母,7-链轮,8-下转盘
3.电动调节式对于较大型的灌装机,为了代替费力的手工调节,有的采用电机减速后带动调节螺杆,使贮液缸升降达到所需的高度 。
第五节 灌装机的工作原理一,灌装机的工作过程洗瓶机将瓶子的里外洗净后,并经检查质量合格的瓶子,由传送带送入自动灌装机的限位机构,根据规定的要求按一定距离排列好,送入拨瓶轮,拨瓶轮准确地将瓶送入瓶的升降机构 。 升降机构把升降活塞顶起,瓶随之上升,于是瓶口打开灌装阀的气门,充气等压,然后打开液门,
进行灌液,灌液后进行压力释放,然后关闭液门,气门 。
完成灌装后,瓶的升降机构立即进入下降滑道,在下降滑道的作用下,升降活塞筒体被滑道强制下降,因而装好的瓶子随之下降到最低位置,当转过一定角度后,瓶子进入拨瓶机构,被 拨瓶机构退出,送去进行上盖,这样就完成了整个灌装工作的一个工作循环过程。
二、灌装机的传动原理旋转型自动灌装机,所用的动力都是电动机,其功率一般在 1~3千瓦之间,电动机的转速通常是很高的,而灌装机的转速不过每分钟几转,满足不了灌装工作的要求,
因此,它的传动就需要一套合理的变速系统 。
有的灌装机上还采用调速电机,直接无级变速,但这种传动对电机要求很高,必须防尘,防水等,而且价格也较贵 。
对于旋转型灌装机传动部分的要求有以下几点：
1.传动平稳由于主机完成灌装任务是在一个酒缸上进行的,它的进瓶,出瓶准确地灌装等都要求在平稳的工作条件下进行 。
2.传动系统结构简单传动系统简单,一方面可以减少功率的消耗,另一方面设备的精度易达到,同时维修方便 。
3.安全装置旋转型灌装机经常出现的问题是瓶子经常卡住,在设计时应考虑安全装置,在机器发生故障时,能自动停车或自动报警,以便及时排除故障 。
由于要适应使用厂家经常改变本厂灌装产品的需求,
充分发挥设备的潜力,做到一机多用,提高的设备的适应能力,因此灌装机的速度应能当能够改变 （ 调速 ）
以满足需要 。
另外,在设计传动系统时考虑到安装,调试,保养的方便性,要满足人体工程学的要求,给工人带来方便,
要尽量缩短维修时间,要求便于维修,保养 。
三、灌装机的调整根据使用情况和产品情况有时需要对机器进行调整,下面介绍几种常用的方法。
1.酒缸液位的调整因为酒液位的高低直接影响到灌装速度。若液位过低甚至使一定的灌装角度中灌不满瓶子,因此灌装机要求酒缸中的液位可以调整控制在合适的位置上,
并且在灌装过程中能基本保持不变,以便灌装速度稳定。
2.灌装量的调整灌装机的定量形式多是以瓶定量的,若更换灌装瓶子容量时,可调节升降机构中活塞芯子的高低来实现,因此灌装瓶子容量的改变,从而也就调整了灌装量。若灌装机的定量形式是定量杯定量的,则改变定量杯的容积,也同时调整了灌装量。
3.转速的调整灌装机上常用的调速装置一般是机械无级调速的这里只讲一下三角皮带机械式无级调速原理,
如图 4.29所示为皮带无级调速原理图。通过专用的三角宽胶带 —无级调速带,将二对锥盘联接起来,Ⅰ 轴为主动轴,Ⅱ 轴为从动轴,若从 Ⅰ 轴输入一个固定不变的转速 V时,当转动手柄 1通过齿轮,螺纹收紧锥盘迫使主动轮的作用半径增大,无级调速带的周长不变,则
Ⅱ 轴上二锥盘压缩弹簧,使二轴的作用半径变小,轴的输出转速即可提高。
反之,当退开轴二锥盘,轴二锥盘在弹簧作用下收紧,
则输出转速降低。 这种无级调速器运转平稳,结构简单,但是调速范围小,随着负载变化,它的打滑率也随之变化,输出转速近似对称于输入转速变化。
只能用在作为传动链内部的速度匹配调节用,不能用在有准确传动比要求的传动系统中。
它只适用于扭矩不大的传动上,当较大扭矩采用时,
它的尺寸很大,它的变速范围通常是在 2~4内 。
以上我们介绍了三种调整方法,这仅仅是比较简单的调整方法,就是上述这三种之间也是息息相关,因此,
在调整机器地要注意各个部分的相互关系 。
图 4.29 皮带无级调速原理图四、旋转型灌装机主要存在的问题此类灌装机具有结构紧凑,连续生产效率较高等优点,
但还存在着如下问题,
(1)结构比较复杂,如它的灌装系统是比较复杂的,轻工机械发展的方向是力求结构简单,体积小,重量轻 。
(2)传动机构庞大。如主轴采用了较大的轴承。
(3)成本太高。如酒缸采用不锈钢可铸铜等材料,增加了成本。
(4)加工要求高,特别是密封问题另外,由于传动系统在主机的下方,带来了维修麻烦,同时由于主机的旋转运动,它的转速受到离心力大小的限制,
也限制了生产能力的提高 。
第六节 灌装机的设计计算一、灌装机的工艺计算
1.输液部分计算液体产品从贮液槽送往贮液箱的输液管一般为圆管,因此尺寸的确定就是合理选择圆管的内径和壁厚。
①圆管内径的确定设输液管的内径为,其截面积为,液体在管内流动的速度为,,为流经管道任一截面上液料的体积流量,那么,输液管的内径为,
(4-1)
d
A d4 2
u VA?
V
u
Vd
4?
又 (4-2)
V W G Qma x3600
式中,Ｗ —重量流量,指单位时间内流经管道任一横截面 的液料重量 ;
ρ—液体产品的密度 ;
G—每瓶灌装液料的重量 ;
—灌装的最大生产能力。
Qmax
流体类别及工作条件 流速 流体类别及工作条件 流速一般液体粘度 50cp液体 (Φ25～ Φ50)
粘度 100cp液体 (Φ25～ Φ50)
粘度 1000cp液体 (Φ25～ Φ50)
低压气体真空操作下的气体中压蒸汽 (10~40工业气压 )
压气机排出管 (低压 )
往复泵吸入管 (水一类液体 )
离心泵吸入管 (水一类液体 )
鼓风机吸入管
1.5~3.0
0.7~1.0
0.5~0.7
0.16~0.25
8~15
<10
20~40
20~30
0.75~1.0
1.5~2.0
10~15
粘度 50cp液体 (<Φ25)
粘度 100cp液体 (<Φ25)
粘度 1000cp液体 (<Φ25)
液体自流速度 (冷凝液 )
压强较高的气体低压蒸汽 (10工业气压 )
压气机吸气管压气机排出管 (高压 )
往复泵排出管 (水一类液体 )
离心泵排出管 (水一类液体 )
鼓风机排出管
0.5~0.9
0.3~0.6
0.1~0.2
0.5
15~25
15~20
10~20
10~20
1.0~2.0
0.75~1.0
15~20
表 4.2 液料 (流体 )输送常用流速范围流速 u一般根据经验选取,这是因为流速增大,管径则小,
虽使材料消耗和基建投资减少,但增大了流体的动力消耗,又使操作费用提高,因此,在设计时应根据具体情况参考表 4.2选取,根据体积流量 V及 u流速代入公式计算所等于的管径,还必须根据工程手册中查取的规格圆整 。
② 圆管壁厚一般根据管子的耐压和耐腐蚀等情况,按标准规格选定壁厚 。
③ 高位贮液槽安装高度或液料输送泵的功率计算要在单位时间内供给灌装机贮液箱一定量的液料,其能量可以来自高位贮液槽的位能,也可以来自输入泵的机械能,究竟需要多少能量呢？
这可由流体力学中能量守恒的柏努利方程式来求解,一般先取供料开始及终了的两个截面作为分析面,即取液槽的自由液面作为 1-1液面,取灌装面贮液箱中进液管口作为 2-2截面,然后列出两截面间的柏努利方程式,
(4-3)
式中,Z为位压头 ; 为静压头 ; 为动压头,其中 α为动能修正系数,层流时 α=2,紊流时 α≈1,计算开始时,一般可先假定 α≈1,最后根据计算结果可再进行验算,修正 ;He
为泵的压头,它指单位重量的液料通过泵后获得的能量 ;
为损失压头,它包括直管阻力损失 及局部阻力损失之和,其计算方法可查阅流体力学的有关资料 。
Z P u g H Z P u g he f1 1 1 1
2
2
2
2
2
2
2 2
P
ug
2
2
hf h
f
hj
2.灌装时间的计算
① 灌装的水利过程根据水利学知识,液料由贮液箱或定量杯经过灌装阀流入待灌瓶内,这一过程应该看成是液体的管嘴出流,按照定量方法和灌转阀的嘴口伸入瓶内位置的不同,又可分成以下几种情况,
图 4.30 高度定量短管灌装 图 4.31 高度定量长管灌装 图 4.32 定量杯定量短管灌装液位高度定量方法,若灌装嘴口伸入到瓶颈部分,由于贮溢箱内液位保持恒定,而贮液箱内液面上气压和待灌瓶内的气压基本上又是一个定值,因此,液体流动速度是基本不变的,灌装过程则属于稳定的管嘴自由出流情况,如图 4.30。
同样对于采用控制液位高度定量法,若灌装嘴口伸入在接近瓶底部,那么灌装过程分为两步,第一步在液面尚末灌至灌装嘴口之前一段,属于稳定的管嘴自由出流情况,第二步,在液料嘴口之后一段,由于作用在嘴口上的静压力随着瓶内液料的逐渐上升而变化,故属于不稳定的管嘴淹没出流情况,如图 4.31所示 。
对于定量杯定量法,若灌装嘴口伸入在瓶颈部分,由于定量杯内液位在灌装过程中逐渐变化,因此,液体流动速度也随时间变化,灌装过程则属于不稳定的管嘴自由出流情况 。 如图 4.32所示 。 同样对于定量杯定量法,若灌装嘴口伸入在接近瓶底,那么,灌装过程也分两部,第一步,在液料尚末灌至灌装嘴口之前一段,属于不稳定的管嘴自由出流情况；第二步,在液料已淹没嘴口之后一段,属于不稳定的管嘴淹没出流情况 。
如图 4.33所示 。
淹没出流可以减小自由出流时液料落下时产生的冲出力,使灌装较为稳定,但是由于灌装嘴口上的水头不能保持稳定,又均是不稳定的淹没出流 。 由此,目前尽量采用环隙进液并沿瓶壁降落的阀端结构,
这不仅使灌装始终保持稳定的管嘴出流状态,同时又避免了液料落下产生的冲击力,使灌装更为稳定,
这种结构的阀对于含气饮料的灌装更显得有利 。
图 4.33 定量杯定量长管灌装
② 液料流量的计算经过灌装阀孔口出流的液料体积流量为：
(4-4)
式中,—孔中截面上液料的流速 ;
—孔口中液道口的截面积 。
液料流速 可以由孔口截面及贮液箱 (或定量杯 )中自由液面间列柏努利方程式求得 。
(4-5)
V u A0 0
u0
A0
u0
Z P u g Z P u g h f1 1 1
2
0
0 0
2
2 2
式中,为灌装时贮液箱自由液面的液料流速根据液体流动的连续性方程式,可 将折算成,而阻力损失 Σh也可写成用 表达的一般形式,则上式可改写成为：
u0u1
u0
u0
(4-6)
(4-7)
式中,—贮液箱 (或定量杯 )自由液面的面积 ;
—贮液箱 (或定量杯 )自由溢面的速度折算系数,对于贮液箱情况,因自由面积较大故可取 ;
—从由自液面至灌装嘴口截面之间,因通流截面积不同各段流道的速度折数系数 ;
—各段直管阻力系数之和 ;
—各种局部阻力系数之和 。
Z P A u Ag Z P u g k Ld k u g1 1 0 0 1
2
0
0 0
2
0
2
2 2 2
( / ) ( )
[ ( ) ] ( )1 21 0
2
1 0
1 0k L
d k k
u
g z z
P P
A1
k AA1 0
1
2? ( )
k1 0?
k AA? ( )0 2
k Ld?
k
由此,可求得孔口截面上液料的流速为
(4-8)
因此,经孔口出流的液料流量为,
(4-9)
式中,C—灌装阀中液道的流量系数 ;
Y—孔口截面上的有效压头 (包括静压头与位压头 )。
u
k Ld k k
g z z P P0
1
1 0
1 01
1
2?
( )
[( ) ]
V u A
k Ld k k
A g z z P P
0 0
1
0 1 0
1 01
1
2
( )
[( ) ]
CA g z P CA gY0 02 2( )
由上式可见,液料体积流量主要是三个参数的函数,这三个参数为,(1)液道量系数 C,(2)孔口截面积,(3)孔口截面上有效压头Ｙ,现分别讨论如下,
a.流量系数 C:它实际上就是液料流经灌装阀中液道所受的阻力损失系数,显然,阀中流道阻力越小,C值越大,但 C值永远小于 1,
流量系数 C可通过计算来确定。当阀的结构及操作条件确定后,其各段阻力系数均可查表获得,对于环隙进液的阀端结构,可以参考缝隙流的有关公式,先求出液料在缝隙始、终两端的压力降 Δ P,然后求出该段缝隙的能量损失 Δ P/γ,最后再反算出该段缝隙的阻力系数为 。根据各段阻力系数 ξ 及每段的速度折算系数 k,则可采用阻力损失叠加原则求出各项之和。
P u
g? /
2
2
A0
但由于灌装阀中各个局部阻力之间距离很近,在两个阻力之间很难形成一段变流,由于相互干扰的结果使流量系数降低,所以应予以修正,其修正系数 ε 一般建议取
0.77～ 0.87,由此,
(4-10)
为了计算时参考,表 4-3列出了在 20℃ 时几种食用液体的主要水力特性参数,流量系数 C的另一种确定方法是实验法 。 一般参照现有同类型灌装机的运转条件测定上述液料流量计算公式中的其余各项,即测定,Y,V
的数值 (V可由测定的灌装时间间接计算求得 ),然后按照分工就很容易求得该阀液道的流量系数 C。
C
k L
d
k k
1
1 1( )
液料名称 重度 γ 粘度 μ
青岛啤酒北京啤酒上海啤酒汽 水白 酒果 酒牛 奶
1.0127
1.0138
1.0130
1.0250
0.9930
1.0120
1.0290
1.533
1.449
1.448
1.140
2.806
2.160
1.790
表 4-3 几种食用液体的主要水力特性参数例如,某一台白酒真空灌装机,实测真空度为 600mm酒柱,
灌装时间为秒 7.35秒,酒缸液面至阀口为 150mm,阀口截面积为 35.34mm,计算可得 C=0.7006。
又如,一台 640毫升的啤酒等压灌装机,实测得灌装时间为 10
秒,酒缸液面至阀口高度差为
23mm,阀口面积
50mm,计算可得
C=0.6026.
b.阀口截面积在瓶口尺寸允许的情况下应尽量取大值,当截面积
A相同时,还应尽量增大水力半径,有利于减小局部损失,增大流量,减少灌装时间 。
所谓水力半径是指通流口的通流面积与润湿周边之比,即,
(4-11)
式中,A—过流面积 ;
L—润湿周边长度 。
对于圆形孔口,
R AL?
R d d d 24 0 25.
正方形孔口,
矩形孔口,
环形孔口,
由此可见,以圆形和正方形的水力半径最大,矩形次之,环形最小 。
但从灌装的稳定性看,就尽量增大截面上的润浸周边长度,从而减小水力半径,使雷诺系数Ｒ e
减小,液料流动则更加稳定 。 所以圆形管适合于输液道,而环形孔口适合于灌装阀孔口 。
R aa a24 0 25.
R aba b2 ( )
R D dD d2 24 ( )
c.孔口截面上有效压头 Y:它包括两项,一项是孔口截面上的静压头,它除受自由出流还是淹没出流的影响外 (自由出流时为常数,淹没出流时随淹没高度的变化而变化 )。主要取决于贮液箱和瓶内气相的压力差,在常压法和等压法以及依靠自重的真空阀中,气相压力差基本上为零 (不考虑排气道的阻力 ),在依靠压差灌装的真空阀中,气相压力差应大于零,若提高灌装速度应取大值,但必须保证灌装时贮液箱内的液料及瓶内顶隙处的余液不被真空泵抽走 ;另一项是孔口截面上的位压头 Δ Z,它除了受控制液位高度定量还是定量杯定量的影响外 (控制液位高度定量时为常数,定量杯定量时随定量杯内液位的变化而变化 ),
P
主要取决于贮液箱内自由液面至灌装阀孔口截面间的高度 (取孔口截面为计算基准面,即 =0),
假如贮液箱内液料高度为,灌装嘴口至瓶底的高度为,并令,显然,当 一定,β越大,越大,生产能力则越高,实验证明,在
β=5和 α>1的情况下,可得到最大生产能力,在 β>10
的情况下,采用定量杯的灌装可以近似认为属于液位恒定,由此可见,采用小截面的定量杯对提高生产能力更为有利 。
z1
z0
H1
H2z
H
H
H
1
1
1
2
,
H1
z1
z1
③ 灌装时间的计算灌装的水力过程包括稳定的管嘴自由出流,不稳定的管嘴自由出流和不稳定的管嘴淹没出流等,下面针对每种情况分别讨论灌装时间的计算方法 。
1)稳定的管嘴自由出流如图 4.35所示,由于流经管嘴孔口的液料流量恒定不变即 Vs为常量,所以灌装时间为,
(4-12)
式中,V—每瓶所需灌装液料的容积 ;
—孔口出流的液料体积流量 。
t VV
s
Vs
由式可见,只有增大 Vs才能提高灌装机的生产能力,
而 Vs的增加,又在于三个参数 C、,和 Y,但在增大三个参数的同时,应考虑到 C,Y的增大将导致液料流速的提高,这将有害于灌装的稳定进行,而的提高除应考虑瓶口尺寸的限制外,在按液位高度定量的结构中,还应考虑当液位升至回气管后,能否在孔口截面上截断液流,以便保证定量精度。
2)不稳定的管嘴自由出流如图 4.36所示,由于孔口截面上的位压头是变化的,
流经该截面的液料是变量,即 Vs是的函数 。 当定量杯内液料降至任意位置时,流经管嘴孔口的液料瞬时流量为：
(4-13)
A0
A0
V CA g P z F dzds2 ( )
式中,F—定量杯的截面积 ;
dz—定量杯液料高度的微小增量 ;
dτ—对应于增量 F·dz的时间式中负号表明定量杯内液料高度是随时间增长而减少的,由此可得,
(4-14)
定量杯内液料全部注入瓶内所需灌液时间应为,
(4-15)
式中,—从管嘴孔口至定量杯内充满液料时的高度 ;
—从管嘴孔口至定量杯内流完液料时的高度 。
d F dz
CA g P z
0 2 ( )?
F d z
CA P z
F
CA g
P z P z
z
z
0
0
1 2
2
21
2
( )
( )
z1
z2
假如定量杯的截面积 A不是常数而是变数,那么,可以由随高度变化的函数关系 A=A(z)代入积分式求得,
也可以由图解析法来解决,首先画出定量杯的三视图,然后沿定量杯高度方向用若干水平截面将其分割,计 算 出 定 量 杯 被 分 割 的 每 个 部 分 的 容积,再近似取灌装每份容量时所对应的孔口截面上的平均有效压头就为该部分不变的有效压头,则灌装每份容量所需时间应为,
(4-16)
因此,可以求得流完定量杯内液料所需的时间为,
(4-17)
只要将定量杯分割的分数ｎ取得足够大,就可以使计算能获得足够的精确度。
nVVV L21、
Y Y Yn1 2,?
1 1
0 1
2 2
0 2 02 2 2
VCA gY VCA gY VCA gYn n
n
,,,?
1 2
0 1
1
2? n
i
ii
n
CA g
V
Y
3)由液位高度定量的不稳定管嘴淹没出流如图 4.36所示,整个灌装时间应包括淹没管咀前,后两部分时间的和,即,前段为稳定的自由出流,其灌装时间的 τ'的计算方法前面己述 ;后段为不稳定的管咀淹没出流,由于孔口截面上的静压头是变化的,流经该截面的液料流量是变量,即 Vs是 Δp/γ的函数 (Δp指贮液箱自由液面与管咀孔口截面间的压力差 )。
当液料在瓶内淹没管咀孔口高度为 h时,其瞬时流量为,
(4-18)
式中,P1—贮液箱内气相空间的压力；
P0—灌装瓶内气相空间的压力；
F0—待灌瓶内腔的截面积；
dh—瓶内液料高度的微小增量
V CA g z P P h F dhds2 1 1 0 0[ ( ) ]
对于瓶的内腔截面积 A:一般瓶体部分为截面积不变的圆柱体,而瓶颈部分的截面积随瓶的高度而变化,
因此,灌液时间也应分两部分来求积分,瓶颈部分的积分值可以由函数关系 A0＝ f(h)(一般可近似认为是圆台体 )代入直接求出,也可以用上述类似的线图解析法求得 。
从开始淹没管咀孔口至瓶内灌满定量液料为止所需灌液时间应为,
(4-19)
F dh
CA g P z h
F dh
CA g P z hh
hh 0
0 1
0
0 1
0 2 2[ ( )] [ ( )]
2
2
1
2
0
0
1 1
0 1
F
CA g
P z P z h
CA g
V
P z h
i
i
i
n
[ ( ) ]
( )
式中,Δp'—贮液箱与灌装瓶内气相的压力差；
h'—瓶体部分离开管嘴孔口的最高高度
h“—颈部分灌满定量液料后离开管嘴孔口 的最高高度
hi—对应于瓶颈部分所分割的容积 Vi中液料离开管嘴孔口的平均高度 。
4)由定量杯定量的不稳定管咀淹没出流如图 4.38所示,同样,整个罐装时间应包括淹没管嘴前,后两部分时间的和,即 。 前段为不稳定的自由出流,其灌装时间 τ'的计算方法前面己述,后段为不稳定的管嘴淹没出流,由于孔口截面上的位压头和静压头均是变化的,流经该截面的液料流量当然也是变量,即 Vs是 Δz和 Δp/γ的函数 。
当液料在瓶内淹没管嘴孔口高度 h时,相应定量杯的液料高度为 z,这时流经管嘴孔口的瞬时流量为,
(4-20)
欲解上式必须首先求出两个变量 h和 z的关系 。
因 (4-21)
式中,F—定量杯和横截面积 ;
F0—瓶内腔的横截面积 。
两边积分解得,
(4-22)
V CA g z P P h F dhds0 1 0 02 [ ( ) ]
F d z F dh0
z FF h C0
积分常数 可由初始条件求得,当液料刚刚淹没管嘴口,即 h=0时,相应定量杯内液料高度为,
故 。 又设定量杯内充满液料时离开管嘴孔口的距离为,管嘴孔口离开瓶底的距离为,由式
(4-22)可求得 。
在上述瞬时流量公式中,将变量 Z用变量 h转换后可得,
(4-23)
同样,要按瓶体部分及瓶颈部分两段来积分,得到开始淹没管嘴孔口至瓶内灌满定量液料为止所需的灌装时间为,
C
z
C z
z1h2
z z FF h1 0 2
V CA g P FF h z h F dhds0 0 02 [ ( )]
(4-24)
(4-24)
F dh
CA g P z FF h
F dh
CA g P z FF h
h
hh 0
0
0
0
0
0
0
2 1 2 1[ ( ) ] [ ( ) ]
2
1 2
1
1
2
1
0
0
0
0
0 01
F
CA
F
F
g
P
z
P
z
F
F
h
CA g
V
P
z
F
F
h
i
i
i
n
( )
[ ( ) ]
( )
④ 充气或抽气时间的计算对于常压法,其灌装时间即为灌液时间,而对于等压法或真空法,其灌装所需时间应为灌液时间与充气或抽气时间两项之和。
1)充气等压时间当空瓶上升至灌装阀的瓶口帽接触并密封时,瓶内的空气由常压充气至与贮液箱液面上的气压相等,
以流体力学可知,这一过程是容器内 (即贮液箱内气相空间 )的气体经收缩形管嘴的外射流动,因为充气的气道在灌装的内部,而充气的时间又很短,故可把充气过程近似看成是没有摩擦损失的绝热过程 (或叫等熵过程 )。
由气体绝热过程方程式可知
(4-25)
式中,P0—充气前瓶内的气压 (即为大气压 );
P V P Vk k0 0 1 1?
P1—充气后瓶内气压 (即为贮液箱内压力 );
V0— 瓶内原有气体的气压 (即空瓶的容积 );
V1—瓶内气压增高至时,原有气体被压缩成的容积 ;
k—绝热指数,对于空气 k=1.4。
由上式可求得,
(4-26)
因此,对于一只瓶所补充进入空气容积为,ΔV=V0-V,
充气等压所需时间,
(4-27)
P1
V P VP
k
k1 0 0
1
g
s
V
W?
1
式中,—瓶内气压增高至 P1时,瓶内气体的重度,由绝热过程方程式可知
—向瓶内充气过程中,流经气道孔口截面上的气体平均重量流量 。
显然,气体的重量流量 Ws是一个变量,这是因为瓶内气压是由 P0不断变化为 P1的,随着瓶内瞬时气压 的不同,Ws也就有不同的瞬时值,即 Ws是 的函数,
根据气体绝热过程的柏努利方程式,列出贮液箱气道孔口截面的能量方程,
(4-28)
1
1 1
0
1/
0( )
P
P
k
Ws
P0
P0
k
k
P u
g
k
k
P u
g
1 2 1 2
1
1
1
2
0
0
0
2
式中,为贮液箱气相空间的气体流速,可近似认为 为瓶内瞬时气压为 P0'时瓶内空气的重量及灌装阀气道孔口的气体流速,由式可求得,
(4-29)
令 称为压力比,因此,气体经孔口射出的重量流量为,
(4-30)
式中,ｆ g—灌装阀气道孔口的截面积 。
u1
u u1 0 00,?,
u gkk P PP
k
k0 1
1
0
1
12
1 1? [ ( ) ]
PP0
1
W V f u f gkk PS s g g K
k
k
0 0 0 1 1 1
12
1 1
由式可做出 Ws—β线图,如图 4.34所示,图中 称为临界压力比,由 可求得
。对于空气 =0.53,对应
Wkp为极限喷射量。图中虚曲线是根据上面公式计算绘制的,实际上,由实验测得,当 β< 时,气流将为超音速,这时流量保持 Wkp
不变,故应为过 M点的一条水平线。
kp
dW
d S 0
kp? ( )2 1 1k
k
k
kp
kp 图 4.34 流量与压力比曲线由 Ws—β曲线图经过定积分,就可求出充气过程中的气体平均重量流量为,
(4-31)
式中,
应该说明,以上计算忽略了气道阻力的影响,计算中又取的平均重量流量,故存在一定误差,根据实验条件,
有人建议取充气等压时间为 0.5～ 1秒左右 。
W
W d W W dS kp kp S
kp?
m i n
m a x
m a x m i n
m i n
m a x
m a x m i n
( )
max m i n,pp PP1
1
0
1
1
2)抽气真空时间对于真空法灌装而言,灌液前瓶内要形成一定的真空度,气压必须由原有的 P0降低为 P1,则瓶内原有空气的体积 V1将膨胀部分的气体不断被抽走,温度基本保持不变,因此这一过程可以近似看成是等温过程,由气体等温过程方程式求得,
(4-32)
体积增大部分的空气即为必须抽走的空气量,所以抽气真空的时间应为,
(4-33)
V V PP1 0 0
1
g
S S S
V V
W
P
P V
P
P V
W
V PP
W?
0 1 0 0
1
0
0
0
1
0 0 0
1
0
1( ) ( ) ( )
式中,为真空泵平均分配在每头灌装阀上的抽气速率 。
它应由真空泵的抽气速率 Ws减去真空系统的泄漏量 以及液料中溶解空气逸出量,再除以灌装机的头数而求得,即,
真空系统由于设备和管道连接不严密,单位时间内被漏入的空气量一般可由表 4.4估算,
WS
WS
WS WS?
W W W WaS S S S
被灌装液料中原来所溶解的空气,由于抽成一定真空,溶解量则有所减少,简单估算时,
可参考每立方米水中溶解
2.5× 10 千克空气来计算,因此,单位时间内由液料中逸出的空气量应为,
=2.5× 10 × Q× V (4-35）
式中,Q—灌装机的生产能力；
V—每瓶液料定量灌装的容积。
2
WS?
2
表 4.4 真空系统的空气渗入量真空度
（ mmHg）
空 气 渗 漏 量
（ kg/h）
200~375
125~200
75~125
25~75
13.6~18.0
11.3~13.6
9.1~11.3
4.5~9.1
设计时,亦可先假定每只瓶在抽气真空阶段所需的时间,然后根据上面几个公式反过来估算真空泵的抽气速率,待泵选定后,尚需校核瓶在进液回气阶段能否保证瓶内始终维持己形成的真空度 P,这就要求被灌入液料所逐步占据的瓶内容积的空气必须及时抽走,即要求,
(4-36)
式中,V—为每瓶液料定量灌装的容积,粗略计算时可以取 V=V0。
假若不能满足上面不等式,则需重新选择 Ws或者设法改变 τ
W V
V PP
S?
1
0
1
0
3.生产能力的计算旋转型的自动灌装机的生产能力可用下式计算,
Q=60an (4-37)
式中,Q—生产能力 (瓶 /小时 );
a—灌装机头数 ;
n—灌装台的转速 (转 /分 )。
由式 (4-37)可见,要提高灌装机的生产能力就必须增大头数 a和转速 n。如果采用增大灌装机的头数 a
来提高生产率,那么,灌装机的旋转台直径也要相应增大,这不仅使机器庞大,
而且在旋转台转速一定的情况下,还必须考虑离心力的影响,即瓶托上的瓶子在尚末升瓶压紧灌装阀之前以及在灌满液料降瓶离开灌装阀之后,其绕立轴旋转时产生的离心力都必须小于瓶子与瓶托之间的摩擦力,否则瓶子将会被抛出托瓶台,从而影响正常操作,由此可得灌装头中心到立轴中心的距离,必须满足下列不等式,
(4-38)
式中,f—瓶与托瓶台间的摩擦系数 。
R gfn? 900 2 2?
如果采用增大立轴的转速 n来提高生产率,那么,
除同样需要考虑离心力的影响外,主要的还需考虑灌装时间的影响,当 n值提高,但液料灌装速度没有提高而与 n值不相适应时,瓶子在 旋转台上转动一周的时间内并末能灌满,没有达到定量要求,生产循环也因此受到破坏。
立轴旋转一周即灌装机完成一个工作循环所需时间为,
T＝ 60/n (4-39)
在完成一个工作循环的时间内必须包括下列几个部分,
(4-40)T T T T T T T1 2 2 3 3 4
如图 4.35所示,其中 T1为进出瓶之间的无瓶区所占去的时间,无瓶区的大小由进瓶,出瓶拔轮的结构所决定,显然,拔轮取得越大,进出瓶越稳,但所占无瓶区的角度相应也要增大 。 T2,为升瓶,降瓶所占去的时间,它们除应考虑升瓶前,降瓶后尚需稍为稳定的时间外,同时还应考虑升降瓶凸轮所允许的压力角,参照机械原理的有关知识,瓶托上升时为工作行程,许用压力角推荐为 [α]≤30° 。 瓶托下降时为空行程,许用压力角
[α]≤70° 。
T2
图 4.35 旋转型灌装机的工作循环图由此可见,圆柱凸轮的半径越大,升降行程越短,升降瓶区在转盘上所占的角度就可越小,但随着升降瓶凸轮半径的减小,在满足一定压力角的情况下,升降瓶区所占角度增大,经济效果不一定有利,另外,
在选择灌装阀的阀端结构时,采用短管法当然较之采用长管法可减少升降瓶的行程,从而减少升降瓶区 。 T3,T3′为开阀,关阀区所占的时间,这与灌装阀的结构形式和开闭方法有关系,例如,一般旋转阀较之移动阀开启所需时间长些,利用固定挡块开闭较之利用瓶子本身升降开闭所需时间长些,根据一般阀的生产情况,有人建议这段时间为 0.5~1秒左右 。
T4为灌装区所占时间,它必须保证定量灌装足够的需要 。
因此,确定立轴转速 n的关键是必须保证转盘上灌装区所占时间 T4大于工艺上所需时间,即满足不等式,
(4-41)
式中,它在常压法,等压法,真空法下的不同计算方法上面均己叙述,设计时,可以先根据确定的操作条件及阀的结构计算得出,再由上述不等式确定 T4,然后根据结构及其它条件确定转盘上灌装区所占角度,从而可以求得立轴转速 n应为,
(4-42)
T p4
p l g
p
4
n T T
p
60 6 64
4
4
对于定量杯定量法的灌装,确定立轴转速 n还必须保证充满定量杯所需的时间,在转盘上,一般要求在开阀前,关阀后这段区间内完成,即要求满足不等式,
(4-43)
式中,为充满定量杯工艺上所需的时间,它可采用下式计算,
(4-44)
式中,D—定量杯的直径 ;
H—定量杯的高度 ;
T T T f1 2 2
f
f
DH
u gu
( )
2
2
5
u—定量杯由液面沉下的速度 ;
g—重力加速度 ;
η—比例系数 。
u值由控制定量杯沉降的凸轮曲线所决定,η值由图 4.36
中查得,它与 u值和液料的粘度有关 。
图 4.36 定量杯充满时间的校正系数曲线二,机械计算在自动灌装机设计中,必须合理选择电动机功率,以保证灌装机的正常运转 。 同时,也将根据灌装机功率的大小,进行灌装机零部件 (如立轴,传动齿轮等 )的设计,如果电动机功率选择得过小,将会影响机器的使用性能或电动机长时间超负荷工作而容易发热烧坏,如果选择过大,将使机器笨重,浪费材料,增加机器成本,并且也不能发挥电机应有效能 。
1.功率的计算灌装所需功率与它的结构及工作过程有关,由于功率损失因素是十分复杂的,故难以用分析法进行精确计算,故采用对一些主要功率损失因素进行分析计算,然后迭加再乘以一个系数,近似求得灌装机功率,一般情况下,灌装机的启动功率为最大,启动时,功率主要消耗在以下几方面 。
1)启动液缸功率启动液缸功率即为使贮液箱,贮液箱内液料,旋转台等绕立轴旋转的另部件由静止到达工作转速所消耗的功率 。
由理论力学可知,使物体由静止到达角速度为 ω时,
消耗的功应等于物体所获得的动能,整个转盘以角速度 ω绕立轴转动的动能为,
(4-45)
式中,∑J—整个转盘对于立轴的转动惯量；
ω—角速度 。
A J12 2?
假若启动时间为 则启动整个转盘由静止到角速度 ω所消耗的功率为,
(4-46)
式中,τ—启动时间,常取 0.5秒 。
2)克服升瓶机构的滚轮沿固定凸轮滚动时的工作阻力和摩擦力所需消耗的功率升瓶机构的滚轮沿固定凸轮水平区段滚动时的摩擦阻力为,
(4-47)
0
N A J102 204
2
P Z G G k fdD1 1 1 2 2( )
式中,Z1—水平区段内升瓶机构的数目 ;
G1—升瓶机构内弹簧的压缩力 ;
G2—升瓶机构及盛有液料瓶子的总重 ;
K—滚轮沿凸轮轨道的滚动摩擦系数 ;
f—采用滚动轴承做为滚轮,其轴承折合在轴上的摩擦系数 ;
d—滚动轴承中沿滚珠中心的圆周直径 ;
D—滚轮直径 。
升瓶机构的滚轮沿固定凸轮升瓶区段滚动时的摩擦阻力为,
(4-48)
式中,α—滑道升角 ;
G3—升瓶机构及空瓶的总重 。
升瓶机构的滚轮沿固定凸轮滚动时的工作阻力和摩擦阻力所消耗的功率,
(4-49)
式中,R—升瓶机构绕灌装机中心立轴的回转半径 。
P z G G tg k fdD2 2 1 2 2( )( )?
N P P R2 1 2102( )?
3)克服支承立轴的轴承摩擦阻力所需消耗的功率因立轴转速较低,采用滑动轴承较为适宜,由机械零件可知,
(4-50)
式中,Ｐ —作用在轴承上的动载荷 ;
f—摩擦系数,一般取 0.07－ 0.1;
D—推力轴承的最大直径 ;
D1—推力轴承的最小直径 。
N
f P D D f P D D
3
1
14
102 408?
( ) ( )
灌装机的启动功率为,
(4-51)
式中,—与传动系统效率因素有关的系数 。
2.电机的选择
1)对电机的要求在选择电机时,首先应考虑到生产情况对电机的要求,灌装机工作的环境比较潮湿,
并有些小量冲击 。 因此,要求电机有防潮及防震装置 (防震是次要的 ),并且要连续进行工作 。
N N N N
N
启总 总
1 2 3
总
2)功率选择电机功率的选择,以启动和连续生产时其中最大的功率为选择电机功率的依据,考虑到备用系数,电机功率应为
(4-52)
由于功率计算存在误差,更好的方法是通过试验确定功率,即对样机或类似的灌装机在规定的操作条件上采用瓦特计法进行测定 。
3） 用类比法选择电机在设计中往往可以采用这种方法来选择电机,到工厂及有关单位去搜集与所设计的灌装机类型、生产能力等条件相近的灌装机所采用的电机类型,功率大小等方面的有关资料,然后参考这些资料来选择所设计的灌装机的电机功率和类型。
N N电 启? (,~,)1 1 1 2
3.灌装机主轴的计算旋转型灌装机的主轴是重要的零件之一,它用 A4、
A5碳素钢及 30,35,40,45优质钢制造 。 在必要时,
可在其表面上镀以金属保护层或用不锈钢制造也有用铸铁或铸钢制造的 。
旋转型灌装机的轴,主要是受扭或除了受扭外还受有轴向力,按其主要是受扭来计算直径,
(4-53)
式中,—轴某断面上所承受最大扭矩 ;
N—灌装机所需最大功率 (轴所传递功率 );
n—灌装机转速 。
M Nn扭? 97400
M扭根据强度条件,
(4-54)
式中,—许用剪应力；
—抗扭截面模数 。
对于实心轴,
(4-55)
式中,D—空心轴的外径 ;
d—空心轴的内孔直径 。
故可按下式计算轴的直径,
对于实心轴,
MW kp扭扭
[ ]
[ ]?kp
W扭
W D dD扭0 2 1 4,( )
(4-56)
(4-57)
对于空心轴,
(4-58)
式中,—许用剪应力,根据实验结果和强度理论来确定,它与载荷的性质 (动还是静 )及应力集中等因素有关 。 一般对软钢取 250kg/cm ～ 1000kg/cm,
计算时可参考设计规范 。
MW M d kp扭扭扭
0 25 3,[ ]
d
M N
nkp kp
扭
0 2
97400
0 2
3 3
,[ ],( )
d N n
kp
974000 2 1 43,( )[ ]
[ ]?kp
22
第四章 灌装机械随着现代科学技术的发展,人民生活水平的提高,人们的消费习惯也随之相应的变化,同时对消费品的包装提出了更高的要求,而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例,这是由于液体包装涉及的行业广泛,
品种繁多,如饮料方面的汽水,果汁,牛奶,矿泉水,
蒸馏水,啤酒,果酒等 ;调味品方面的酱油,醋,味精液,果酱等 ;药品方面的针剂,糖浆,酊剂,气雾剂等 ;农药乳剂,化工产品的各种瓶装,化妆品等,要满足日益增长的液体产品的需要,就应大力发展液体产品的包装机械 。
第四章 灌装机械第一节 概述人类自从采用容器盛装液体以后,就产生了灌装方法。
十九世纪末二十世纪初以前,通常使用水罐、水杓进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装,大约在 1980年美国 Horix,Kiefer和 U.S.BottLers等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。第一台商业用灌装机是 Kiefer公司制造 ;Horix公司于 1920年首次制造了重力灌装机,用于灌装番茄酱,这家公司至今仍生产灌装机,二十年代初这几家公司着手生产回转式灌装机,其中 U.S公司制造的是纯真空灌装机,二十世纪以来,灌装机械工业发展迅速,那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀,等待瓶子灌装完毕所需的时间。今天,回转式自动灌装机的生产能力己达每分钟 2000瓶。
我国在解放前几乎没有灌装机械,灌装生产绝大部分处于手工操作,非常落后 。 70年代初,上海,北京,广州,青岛,烟台等地引进三十多条灌装线,其中有西德 Seitz厂产品,意大利 Simonazi公司,美国 Merer公司,日本三菱公司,另外还有许多罗马尼亚灌装线 。
随后,我国广东轻工机械厂,北京酿酒机械厂,上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线,初步改善了灌装生产的落后面貌,但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大 。 为此,我国应根据自己的国情,吸收国外的先进技术,设计和生产出具有先进水平的灌装机,其发展趋势向高效化,自动化,节能化发展,力图采用新技术,新材料,如计算机辅助设计,微机控制等,开创一代新型灌装机 。
那么,何谓灌装机呢?所谓灌装机就是将液体产品装入包装容器的机械称为灌装机。
液体产品按其粘度可分为,
流体,在自身重力作用下即可以按一定速度流过圆管的任何液体 。 流速主要是受流体粘度和压力影响,
一般粘度范围规定为 1~100厘泊,如酒类,果汁,牛奶,酱油等 。
半流体,在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体叫半流体,其粘度范围为 100~1000厘泊,
如松糕油,番酱酱,肉糜等 。
粘滞流体,产品粘度超过 10000厘泊的,不属于流体和半流体的范围 。 如浆糊之类的产品属于这一范畴 。
对于低粘度液料,根据液体中是否含有二氧化碳气体,可分为不含气和含气的两类 ;对于是否含有酒精成份又可分为软饮料 (不含酒精 )和硬饮料 (含有酒精 )。
流体的流动特性还会受温度,粘度,固体粒子的含量,分解性,表面张力或起泡特性等因素的影响 。
包装容器目前按其材料分主要有玻璃瓶,金属罐,
纸包容器,塑料瓶等,还可分为,
硬质容器,任何可以承受 15磅的向下压力而不变形的用金属、玻璃、陶瓷或塑料制成的、
加封盖后不漏液体的容器都称为硬质容器。
半硬质容器,任何以轻量塑料 (通常是吹塑成型或热成型 )或是纸板及其复合纸材制成的,加封盖后不漏液体的容器叫半硬质容器。
图 4.1 瓶子在灌装过程中的俯视图非硬质容器,任何以塑料薄膜、
金属箔、塑料复合薄膜或是由它们的复合物制成的容器都叫非硬质容器。例如大家熟知的袋,它一般要求灌装系统带有制袋装置。通常是以活塞定容,
灌装系统将一定容量的液体灌装到由该装置生产的容器中。
图 4.2 瓶子在灌装过程中展开示意图二、灌装机的主要类型
1.按灌装瓶的主要运动形式分类
① 旋转型灌装机待灌瓶由传送系统 (一般经洗瓶机由输送带输入 )
或人工送入灌装机进瓶机构,瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装,转动近一周时瓶子己灌满,然后由转盘送入压盖机进行压盖,如图
4.1,4.2所示,
这种灌装机在食品,饮料行业应用最广泛,如汽水,果汁,啤酒,牛奶的灌装,此机主要由流体输送 (即供料系统 ),容器输送 (即供瓶系统 ),灌装阀,
大转盘,传动系统,机体,自控等部分所组成,其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键 。
② 直线型灌装机灌装瓶沿着平直的直线运动,进行成排灌装 。 见图 4.3,
凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次,到送至灌液管的下方时,阀门打开进行灌装,间歇进行操作 。
图 4.3 直线灌装机工作原理图
Ⅰ —定量灌装,Ⅱ —上盖,Ⅲ —将盖拧紧,Ⅳ —贴商标 Ⅴ —待装盒装箱
1-推瓶板,2-限位拨盘,3,11,13-传送带,4-传送盘,5-瓶子,6-上盖机构,
7-料斗,8-拧紧机构,9-商标盒,10-浆糊盒,12-推料板,14-贮液箱,15-灌装管这种灌装机相对旋转灌装机来讲,结构比较简单,制造方便,但占地面积比较大,而且是间歇运动,生产能力的提高也受到一定限制,因此一般只用于无汽液料类的灌装,局限性较大 。
③ 自动化灌装机该类型可分为,单机自动机和联合自动机 (可以包括连续进行洗瓶,灌装,压盖,贴标,装箱等工序 )。 自动灌装以采用机械传动控制为主的最普遍 。
此外,还有按灌装方法,关闭装置及定量装置等多种分类方法,具体的详细内容见表 4.1:
序号 分类型式 型式、技术特性、灌装方法
1 按自动化程度分 手工灌装机 半自动灌装机单元自动灌装机液体包装联合自动机
2 按机械结构分 单排式 多排式 旋转式 旋转式
3
按灌装方法分在液位高度不变的压力灌装变液位的压力下灌装真空灌装 在压力下灌装
4 按关闭装置分 旋塞式 阀门式 滑阀式 气阀式
5 按定量装置分 定量杯定量 液位高度定量定量泵定量 安瓶定量表 4.1 灌装机分类表一、灌装的基本方法各种液体产品的物理性质和化学性质均不相同,在灌装过程中,为了使产品的特性保持不变,必须采用不同的灌装方法 。 一般灌装机常采用下列几种灌装方法,
1.常压法常压法也称纯重力法,即在常压下,液料依靠自重流进包装容器内 。 大部分能自由流动的不含气液料都可用此法灌装,例如白酒,果酒,牛奶,酱油,醋等 。
2.等压法等压法也称压力重力式灌装法,即在高于大气压的条件下,首先对包装容器充气,使之形成与贮液箱内相等的气压,然后再依靠被灌液料的自重流进包装容器内 。 这种方法普遍用于含气饮料,如啤酒,
汽水,汽酒等的灌装 。 采用此种方法灌装,可以减少这类产品中所含二氧化碳的损失,并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度 。
3.真空法是在低于大气压的条件下进行灌装的,可按两种方式进行,
① 压差真空式即贮液箱内处于常压,只对包装容器抽气使之形成真空,液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装,国内此种方法较常用 。
② 重力真空式即贮液箱内处于真空,包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空,随后液料依靠自重流进包装容器内,因结构较复杂,国内较少用。真空法灌装应用面较广,它即适用于灌装粘度稍大的液体物料,如油类、糖浆等,也适用于灌装含维生素的液体物料,
如蔬菜汁、果子汁等,瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触,延长了产品的保质期,真空法还适用于灌装有毒的物料,如农药等,以减少毒性气体的外溢,改善劳动条件。
4.压力法利用机械压力或气压,将被灌物料挤入包装容器内,
这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料,例如灌装番茄酱,肉糜,牙膏,香脂等,有时也可用于汽水一类软饮料的灌装,这时靠汽水本身的气压直接灌入末经充气等压的瓶内,从而提高了灌装速度,形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失,对灌装质量有一定影响,
但不算太大 。
5.虹吸法利用虹吸原理完成的灌装方法 。 此种方法出现最早,人们最容易接受,原理比较简单,现在很少使用 。
上述几种灌装方法的正确选择,除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外,还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。
对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类等,可以采用常压法,亦可采用真空法,为了减少灌装时液料中的含氧气量,以便延长产品的保质期,采用较大的真空度的真空法更有利。另外,采用真空法其灌装阀的结构较简单,液漏损失小。但是事物是辩证的,真空度越大,酒的香味越易损失,而且真空法较之常压法尚需增加设备成本。应当指出,对于某种液料的灌装不一定选择单一的方法,也可以综合选择几种方法,例如为了减少啤酒中的含氧量,避免保存期失光变质,一种方法是灌装前对瓶内抽取真空,然后再充入二氧化碳进行等压灌装,即采用真空 —等压法,
另一种方法是用二氧化碳充气等压,瓶内被替代的空气被引入单独设置的回气箱,并不排至贮液箱。灌 装前阶段在等压下进行,灌装后阶段可加快回气速度,形成与贮液箱的压差,从而提高灌装速度,即采用等压 —压力 (差压 )法。
二,定量方法准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系,同时也影响产品在消费者心中的信誉 。 包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种 。 重量定量由于要增添秤等计量衡器,所以机器的结构比较复杂,适用于比重经常变化的固体物料,且往往要配置一套电路用以机电配合 ;
容积定量机器的定量结构比较简单,一般不需电路配合 。
液体产品一般易采用容积式定量,常见的有如下三种方法,
1.控制液位高度定量法这种方法是通过控制被灌容器中液位的高度以达到定量灌装的目的 。 因为每次灌装的液料容积等于一定高度的瓶子内腔容积,故习惯称它为,以瓶定量,。
该法结构比较简单,不需要辅助设备,使用方便,但对于要求定量准确度高的产品不宜采用,因为瓶子的容积精度直接影响灌装量的精度 。
图 4.4为消毒鲜牛奶,鲜果子汁等的灌装机构 。 (a)为非灌装位置,(b)为灌装位置 。 当橡皮垫 6和滑套 5被上升的瓶子 11顶起后,灌装头 7和滑套 5间出现间隙,液体流入瓶内,瓶内原有气体由排气管 1排至贮液箱,当灌至排气管嘴 c—c截面时,气体不再能排出,
随着液料的继续灌入,液面超过排气管嘴,瓶口部分的剩余气体只得被压缩,一旦压力平衡,液料就不再进入瓶内而沿排气管上升,
根据连通器原理,一直升至与贮液箱内液位水平为止,然后瓶子下降,压缩弹簧 4
保证灌装头与滑套间的重新密封,排气管内的液料也滴入瓶内,从而完成了一次定量灌装,只要操作条件不变,瓶内每次灌装的液料高度也保持不变 。
图 4.4 控制液位高度定量法原理图
1-排气管,2-灌装架,3-螺母,4-弹簧,5-滑套,6-橡皮垫,7-灌装头,
8-压紧螺母,9-调节螺母,10-贮液箱,11-瓶子对于这种定量方法,若改变每次的灌装量,则只需改变排气管嘴进入瓶中的位置。
2.定量杯定量法这种方法是先将液体注入定量杯中进行定量,然后再将计量的液体注入待灌瓶中,因此,每次灌装的容积等于定量杯的容积 。
图 4.5为旋塞定量原理示意图。首先三通旋塞 2位于左图所示的位置,液体靠静压通过进液管 4进入定量杯 1
中,杯内空气经细管 3排出,当定量杯内的液面达到细管的下缘时,空气无法排出,但由于贮液箱内液面较高,
定量杯内液面则继续上升至高于细管下缘处,杯内空气则被压缩直到两处压力平衡而停止。
管 3内的液面根据连通器的原理,将继续上升至同贮液箱 内液面相平,然后三通旋塞逆时针旋转
90°,如左图所示,使定量杯内的液体同贮液箱内的液体隔开,同时定量杯内液体 (包括细管内液体 )流入待灌瓶中 。
若改变灌装量,则只需调节管子在定量杯中的高度或者更换定量杯 。
图 4-5 旋塞定量杯式定量机构
1-定量杯,2-旋塞,3-管子,
4-进液管,5-灌装嘴图 4-6 定量杯式定量机构
1-定量杯,2-定量调节管,3-阀体,
4-锁紧螺母,5-密封圈,6-进液管,
7-弹簧,8-喇叭口图 4.6所示为直动定量杯的一种结构 。 在下面没有待灌瓶时,定量杯 1由于弹簧 7的作用而下降,并浸入贮液箱的液体中,则箱内的液体沿着其周边流入并充满定量杯 。 随后待灌瓶由瓶托抬起,瓶嘴将喇叭入口 8连同进液管 9,定量杯 1一起抬起,使定量杯超出液面,并使进液管中间隔板上,下孔均与阀体 3的中间相通,这样定量杯中液体由调节管 2流下,经中间隔板的上孔流至阀体 3的中间槽,再由隔板的下孔经进液管下端流进待灌瓶中,瓶内空气则由喇叭头上的透气孔逸出,当定量杯中流体下降至调节管 2的上端面时,定量灌装则完成 。
定量杯中容量可由调节管 2在定量杯中的高度来调节,
也可更换定量杯 。 本结构适用于灌装酒类产品 。
3.定量泵定量法这是一种采用压力法灌装的定量方法,一般由动力控制活塞往复运动,将物料从贮料缸吸入活塞缸,然后再压入灌装容器中,由此每次灌装物料的容积用活塞往复运动的行程来控制 。 图 4.7是利用定量泵进行定量灌装番茄酱的原理图 。
图 4.7 定量杯法定量原理图
1-阀体,2-弹簧,3-滑阀,4-活塞缸,5-活塞,6-喇叭口活塞 5由凸轮 (图中末示出 )控制作上下往复运动,当活塞向下运动时,酱液在重力及气压差作用下,由贮液缸底部的孔经阀 3的月亮槽流入活塞缸 4内 。 当待灌容器由瓶托抬起并顶紧喇叭头 6和阀 3时,弹簧 2受压缩而滑阀上的月亮槽上升,则贮料缸与活塞缸隔断,滑阀上的下料孔与活塞缸接通,与此同时,活塞正好在凸轮作用下向上运动,酱液再从活塞缸压入待灌容器内,当灌好酱液的容器连同瓶托一起下降时,
弹簧 2迫使滑阀也向下运动,滑阀上的月亮槽又将贮料缸与活塞沟通,以便进行下一次灌装循环 。 假若在某一个瓶托上没有待灌容器时,尽管活塞到达某一工作位置仍然在凸轮作用下要向上运动,但由于滑阀上月亮槽没有向上移动,故酱液仍被压回贮料缸,不致影响下一次灌装循环的正常进行 。
对于这种定量方法,若要改变每次的灌装量,则只需设法调节活塞的行程 。
比较上述三种定量方法,从定量精度来看,第一种方法由于直接受到瓶子容积精度以及瓶口密封程度的影响,其定量精度不及后二种方法高,若从机械结构看,第一种显然最为简单,因此,它自然得到广泛应用 。
定量方法的正确选择,主要应考虑产品所需要的定量精度,如我国对 640毫升啤酒部颁标准为 ± 10毫升,国外为
± 3毫升。对瓶装酒类等按高度定量的产品,最好不超过
1.5毫米,容积误差最好控制在 ± 0.4％,越是名贵的产品,显然其误差应越小。定量方法的正确选择,还应考虑到液料本身的工艺性,例如对含气饮料灌装若采用定量杯定量法,则贮液箱内的泡沫反倒可能降低定量精度,因此,
在这种情况下,一般以采用控制液位高度定量为好。
一、灌装的工艺过程灌装阀是自动灌装机执行机构的主体部件,它的功能在于根据灌装工艺要求,以最快的速度沟通或切断贮液箱,
气室和灌装容器之间流体流动的通道,保证灌装工艺过程的顺利进行 。
不同类型的液料其物理化学性质各不相同,因此对灌装工艺要求存在差异形成了对阀的不同要求,不同的灌装方法有不同的灌装工艺过程 。
采用常压法灌装的工艺过程是,
1.进液回气 ;2.停止进液 ;3.排除余液采用真空法灌装的工艺过程一般是,
1.抽气真空 ;2.进液回气 ;3.停止进液 ;4.排除余液采用压力法灌装一般过程是,
1.吸料定量 ;2.挤料回气有的等压法灌装工艺过程中,还要考虑在排除余液前对瓶颈余压先进行压力释放,避免迅速降至常压时会发生大量冒泡 。
排除余液是指排除回气管中残留的液料。在虹吸法和真空灌装方法中,排除余液是与最后停止灌装同时进行的。
采用等压法灌装含气性物料时,排除余液最好是在停止进液后,让其略为稳定一定的时间再进行,这样可使液料逸出的二氧化碳气体赶走瓶颈处的空气,这有利于产品的保存,同时不会影响产品的质量。
二、阀体结构完成上述灌装工艺要求的灌装头有多种形式,
根据阀中可动部分的运动形式主要可分为三种类型,
1.单移阀阀体中有一件可动部分,它相对于不动部分开闭阀时作往返一次的直线移动,根据可动部分移动前后开闭流体通路的方法又可分成两种,
① 端面式利用移动块的端面来开闭流体通路的。
如图 4.8所示,是一个端面式灌装阀的结构图 。
它可用于马口铁罐,
广口玻璃瓶的灌装 。
阀座 10借助螺母 8固定在贮液箱 9上,阀蝶 3用螺纹连接于阀座 10上,
并用螺母 11吊紧,弹簧 6
保证橡皮活门 4与固定阀蝶 3间的密封,橡皮外套 7同样起密封防漏作用 。 升瓶后在活门 4与阀蝶 3间形成液门进行灌装 。
图 4.8 端面式单移阀结构原理图
1-托瓶台,2-待灌容器,3-固定阀蝶,4-橡皮活门,
5-滑套,6-弹簧,7-橡皮外套,8-螺母,9-贮液箱,
10-阀座,11,螺母,12-回气管
② 柱面式利用移动块柱面上的孔道与不动部分 (阀座 )的孔道接通与否来开闭的 。
如图 4.9所示为柱面式灌装阀的结构原理图,
它是利用往复式圆柱形阀芯和阀体,其上适当位置开径向孔来达到灌装阀的启闭要求。用螺纹调节高度的定量杯连接在阀芯 2的上面,图 4.9 柱面式单移阀结构原理图
1-定量杯,2-阀芯,3-弹簧,4-压盖,5-容器,
6-下孔口,7-抽气孔,8-上孔口压盖 4下无罐体时,定量杯浸没在贮液箱中,阀芯 2处于起始位置时,抽气孔 7和液体流入小孔 8与罐体均不相通,
当压盖 4下面有罐体时,定量杯随同阀芯上升,同时小孔
6对准抽气口,罐内气体被排除 ;当阀芯继续上升,定量杯
1则高出液面,小孔 6离开抽气孔,与真空系统切断 ;同时孔 6和孔 8接通,液体定定量杯 1流入罐体内,最后,灌装头在弹簧 3的作用下,阀芯恢复到原位,完成一个工作循环 。
这种灌装头适用于非粘性食用液体的灌装 。
2.旋转阀阀体中的可动部分相对于不动部分在开闭阀时作往复一次或多次的旋转摆动,在摆动的两极限位置,由可动部分上的孔眼是否对准不动部分上的孔眼来完成流体通路的开闭,根据相对转动面是沿圆柱面 (或圆锥面 )
还是沿平面进行,又可以分成下述两种形式,
① 柱式 (或锥式 )
此种阀其可动部分 —旋塞的圆柱面 (或圆锥 )上开有一定夹角的孔眼,它们分别与不动部分 —阀座的孔眼相对应 。 图 4.10为一种简单的旋塞阀,只要控制旋柄 3摆动到一定的角度,就能通过旋塞 7开闭阀座 8上的流体通路 。 显然,旋塞在阀座中的来回转动容易摩损而产生漏液,因此,一般做成锥塞形式,并用弹簧 6压紧,以便补偿,但弹簧力也不能过紧,否则控制旋柄转动的阻力太大,更易磨损,但对于粘性物料的灌装,这种结构的磨损并不引起漏液,而应着重考虑如何便于拆卸 。
② 盘式此种阀在其可动部件?阀盖的端平面上开有一定夹角的孔眼,它们分别与不动部件阀座的孔眼相对应。
图 4..11为盘式等压灌装啤酒、汽水的一种灌装机构。
阀座 Ⅱ 用螺钉固定在贮液箱的大转盘上,内部有两个气体孔道 1,4,还有两个液体孔道 2,3,孔道 1与贮液箱中的气室相通,孔道 4与灌装瓶相通,但它们彼此之间并不相通。孔道 2与贮液箱中液室相通,孔道 3与灌装瓶相通,它们彼此也不相通。阀盖 Ⅰ 套在固定于阀座中的短轴上,阀盖上有气体孔道 5,6,7彼此相通,还有液体通道 8,9彼此也相通,阀盖上旋爪由固定挡块拔动,
使阀盖旋转,并与阀座处于不同的相对位置,从而完成灌装工艺的各个过程。
图 4.10 锥式旋转阀结构原理图
1-螺母,2-垫片,3-旋柄,4-压盖,5-密封垫圈,
6-弹簧,7-旋塞,8-阀座图 4.11 盘式灌装阀结构图
Ⅰ -阀盖,Ⅱ -阀座,Ⅲ -制止球第一工作位置 (充气等压 ):此时阀盖由原始位置逆时针方向旋转 40°,所处的位置是阀盖上孔道 5,6与阀座上的孔道 1,4相对应,此时贮液箱内气室的气体由阀座上孔道 1经过阀盖上孔道 5,6,再转入阀盖上孔道 4,并进入待灌瓶中,从而完成充气等压过程 。
第二工作位置 (进液回气 ):此时阀盖逆时针方向旋转 40° 。 所处的位置是阀盖上的孔道 8,9与阀座上的孔道 2,3相对应,则贮液箱中的液体依靠液位差由阀座上的孔道 2,经过阀盖上的孔道 8,9再转入阀座上的孔道 3,并进入待灌瓶中,而瓶内气体由阀座上的孔道 4,经过阀盖上的孔道 7,6,再转入阀座上的孔道 1,
并排入贮液箱的气室内,从而完成进液回气过程 。
第三工作位置 (气,液全闭 ):此时阀盖顺时针方向旋转 80°,这样阀盖上只有孔道 5,8分别与阀座上孔道
4,2相对应,实际上不能沟通贮液箱与待灌瓶间的气体通道和液体通道,从而使气,液道均处于关闭状态 。
第四工作位置 (排除余液 ):此时阀盖再沿逆时针方向旋转 40°,这样又回到第一工作位置,气道中的余液由于自重流入待灌瓶中,从而完成排除余液过程,
以免影响下一灌装循环的正常进行 。
第五工作位置 (气,液全闭 ):此时阀盖再顺时针方向转 40°,这样又回到第三工作位置,也就是原始位置,从而完成一个灌装工艺循环 。
另外在阀座中还装有制止球,当无瓶或灌装时瓶子破裂,
由于液体流速突然增大,制止球则堵塞阀座上的进液孔道,
从而减少了液体损失 。
比较上述两种旋转阀,柱式旋转阀磨损漏液问题较难解决,故多用于粘度较高的物料,而盘式旋转阀液料在阀体内尚需迂回穿过孔眼,势必增加制造与清洗的困难,故多用于粘度较低的物料 。
3.多移阀阀体中有几件可动部分作直线移动以完成液路或气路的开闭,根据控制液门打开的方法,又可分成下面两种,
① 气动式气阀在机械作用下首先打开,待瓶内充气达到与贮液箱内气相空间等压时,瓶内气压产生的向上作用力正好足以克服液阀的密封力,于是液阀会自动打开。
图 4.12为用于灌装啤酒、
汽水等含汽饮料的灌装阀,阀体 9用螺栓固定于贮液箱底部,密封圈 8
可防止漏液,在气阀 1和通气胶垫 3之间形成一个气门,在液阀 5和阀座
9底部之间形成液门,关阀胶垫 22保证液门关闭时不漏液,在排气按钮 11的锥形端部与胶垫之间又形成一个气门,由于两个气门和一个液门的开闭,从而完成整个灌装工艺过程。
图 4.12 气动式多移阀结构原理图
1-气阀,2-气阀套,3-通气胶垫,4-弹簧口,5-液阀,6-键,7-入液套,8,29-
密封圈,9-阀座 10-关阀按纽,11-派出按纽,12-
排气调节阀,13-排气嘴,14,26-弹簧,15-喷气护罩,16-对中罩,17-瓶口胶垫,18-升瓶导柱,19-回气管,20-分散罩,21-阀底胶垫,
22-关阀胶垫,23-顶杆
24-跳珠,25-大螺栓,27-
推杆,28-推杆套,30-提气阀叉其工作过程如下,
第一过程 (充气等压 ):当待灌空瓶由托瓶台顶起上升时,瓶口对准对中罩 16,接着与瓶口胶垫 17接触并得以密封,然后顶起对中罩沿着升降导柱 18继续上升,对中罩顶面侧边的凸台顶起顶杆 23,通过跳珠 24将推杆 27
顶起,再通过提气阀叉 30将气阀 1提起,贮液箱上气室内的压缩气体则从气阀的圆周上三个凹槽通入,经过液阀 5中心的孔道与回气管 19进入待灌瓶内,从而完成充气等压过程。第二过程 (进液回气 ):由于气阀 1的提起,
解除了对气阀 2向下的压力,同时,由于待灌空瓶内已充气,增加了对液阀下端向上的压力,因此,弹簧 4则能伸张,并将与气阀 2相连的液阀 5提起,使下面的关阀胶垫
22升高并与阀座 9内下部的环形孔口离开,液门则打开,
阀体内的液料则从液阀下面锥端的外环缝隙经过弯曲孔道流入中部的环孔,顺着回气管 19的外面流下,又因回气管装有一个橡胶分散罩 20,它恰好停在瓶径位置,因此流入的液料受这个分散罩阻挡,沿瓶壁四周流入,保证稳定灌装,不至冒泡,随着瓶内液料的逐渐上升,瓶内气体则从回气管的中心孔经过液阀上端的通气胶垫 3与气阀 1间的孔道返回贮液缸的气室内。为了防止弹簧 4伸张时将气门阻塞,影响进液时回气,在液阀杆中部有一凸台,当碰及入液套 7的上孔口时,液阀则不能继续上升。
无瓶或灌瓶时爆瓶,则对中罩因无瓶子上升的压力而自动下降,解除了对顶杆和推杆的压力,此时弹簧 26压下推杆、气阀、液阀关闭,不致漏失液料。另外,对于瓶上有孔洞的破瓶,虽然推杆并不下降,但由于瓶内始终充气不足,液门无法自动打开,液料也不致漏失。
第三过程 (液满关阀 ):进入瓶内的液料,直至略超过回气管下端后而自动停止,随后,固定在贮液缸旋转轨道旁的控制曲线块碰触关闭按钮 10,装在关闭按钮尾端曲头上的跳珠 24则向右跳开,使推杆 27受弹簧 26的压力而下降 (但推杆下端并不与顶杆顶端接触 ),推杆的下降带动气阀 1,压住通气胶垫 3,
使气门关闭,同时压下液阀 5,因受瓶口与瓶口胶垫 17和阀底胶垫 21的互相紧压而封闭,故仍残留有压力气体 。
第四过程 (压力释放 ):装有液料的瓶子在随着托瓶台下降前,
尚需将瓶颈内残留的气压缓慢排出,以免突然降压引起大量泡沫溢出,致使容量不足,为此利用另一个固定的曲线块,碰触排气按钮 1使瓶颈内的压缩气通过阀座下端侧面的小孔道,进入排气调节阀 1再进入排气按钮室,然后从斜下的排气嘴 13放出 。 对不同的蕴藏压,可用滚花纹的圆头来调节排气针阀的开口大小,使在离开控制线板时,不再有气压蕴藏 。
第五过程 (排除余液 ):由于瓶颈部分蕴藏的气压消除,当瓶子下降时,回气管中心小孔内残存的余液则滴入瓶内。
随着顶杆 23的下降,跳珠 24在关阀按钮内部弹簧 (可同时受压压缩和扭转 )的作用下向左跳回,整个灌装阀回复到初始状态,至此,灌装过程全部完成 。
为了调整瓶内液料的定量高度,回气管中部,在分散罩 20的下面有一个凸节,用作将回气管旋入液阀内,并将关阀胶垫
22压紧,对于不同灌装高度的瓶子,则应更换不同长度的回气管 。
显然,这种阀能较好地满足含气饮料等压灌装的工艺要求,
特别是采用沿壁灌装和压力释放的措施,使灌装更为稳定 。
但由于增加了不少零件 (共约 60多个 ),阀的结构显得较为复杂,增加了制造装配和调整的困难,特别是弹簧的设计和制造质量必须保证,否则很难达预定的灌装工艺要求 。
② 机械式气阀在机械作用下首先打开,过一定时间后,液阀仍在机械作用下打开 。
图 4.13为此阀原理图,
待灌瓶内由托瓶台升起并顶紧阀端密封圈
3继续上升,下液管 2及液阀芯 5克服阀弹簧 8
的弹力一起上升,与此同时,气管 14在气阀弹簧 17的作用下也跟
1-下液门胶垫,2-下液管,3-密封圈,4-密封圈,
5-液阀芯,6-液阀座,7-O型密封圈,8-
液阀弹簧,
9-液孔,10-密封圈,11-上液门胶垫,12-O型密封圈,
13-气阀座,14-气管,15-O型密封圈,
16-气孔 17-气阀弹簧,18-蝶形弹簧,
图 4.13 机械式多移阀结构原理图随上升,致使下液管 2的末端仍然保持与套在气管下端的胶垫 1密封,所以尽管液阀 5与液阀座 6间的上液门已打开,但是液料并不能流出,而气管上的气孔却露在气阀座 13的外面与气室相通,以便对瓶子完成充气和抽气 。 一但气管顶端碰及蝶形螺栓 18,则气管不再能上升,随着瓶子由托瓶台继续顶起,则下液管末端与胶垫 1间的下液门才被打开,贮液箱内液料由气阀座 13与液阀座 6间的的环孔,经液阀芯 5与液阀座 6间的锥形环隙,再经液阀芯上的孔 9通过下液门流入瓶内,瓶内被排挤的气体由气管返回气室,从而完成进液回气过程 。
三,阀端结构根据气体和液料进出瓶子的不同状况,灌装阀阀端的气液道布置方法可以分为两类,一类是中心管灌液,环隙回气 ;另一类是环隙灌液,中心管回气,前者即所谓长管灌装阀,而后者则称为短管灌装阀 。
1.长管阀的结构特点它们的基本特点在于灌装过程中,灌装嘴口伸入到接近瓶底的部位,灌装过程分为两个阶段,第一阶段为液料尚末到达灌装嘴口之前,属于管嘴自由出流,第二阶段在液料开始淹没灌装嘴口之后,属于管嘴淹没出流 。
而第二过程占灌装过程的绝大部分,此阶段中液料仅表面一层和背压气体接触,减少了氧气在液料中的溶解,
但由于灌装管径受瓶口尺寸与自身结构限制,灌装流通截面较小,灌装时流量偏低 。
2.短管阀的结构特点它们的特点是,灌装过程中,灌装嘴口伸入到瓶颈部位,灌装的水力过程完全是稳定的管嘴自由出流 。 在回气管上均装有分散罩,使灌装过程形成沿壁流 。 由于灌装管呈环隙状,浸润周边和液道截面相对圆形管大,对液流阻力相应减小,灌装易控制,呈稳定的层流 。
另外,对于控制瓶内液位高度的定量方法,在设计阀端结构时还应注意使液门尽量靠近瓶口,以便瓶内液料升至回气管之后,瓶径处气体能在较小空间内尽快被压缩,尽早达到气压平衡,同时要求出液口截面不能过大,以便液料能很快被截流,保证定量精度 。
四、阀门的启闭结构目前灌装机的阀门开闭结构一般采用下列几种形式,
1.由升瓶机构进行控制它可控制阀体中可动部分产生轴向直线移动,
因此,对于单移阀及多移阀中的气阀,均可采用升瓶机构,通过待灌瓶的升降来开闭,对于机械式多移阀中的液阀亦可采用升瓶机构分两次升瓶法来控制打开,这种形式无需另外增加控制机构,且能保证无瓶不灌装,但在多移阀中,要由下面的升瓶机构首先打开位于上端的气阀,结构上尚需精心设计 。
2.由固定挡块进行控制它可控制阀体中可动部分产生回转摆动或径向,轴向的直线移动,因此,对旋转阀一般均采用灌装机转盘旋转轨道旁的固定挡块来控制阀门的开闭 ;对于压力法的单移阀也可采用固定挡块来控制 ;对于多移阀中压力释放等径向移动的阀门,亦要采用固定挡板来控制 。 为了防止无瓶时液阀仍然打开出现漏液,有时就需另外采用气动,
电动或机械的自控方法 ;一但升瓶台无瓶时,则要使固定挡块对相应的灌装阀失去控制,避免产生漏液现象 。
3.由固定挡块及回转拔叉进行控制它是利用固定挡块拔动回转拔叉摆动,再由拔叉带动阀体中可动部分作直线移动 。 因此,在需要清洗阀时,不可采用这种结构代替瓶子开闭阀门,另外,对于多移阀中气阀的开闭,还可采用这种结构来代替升瓶机构的控制,这样可把拔叉放在适当的位置,避免了由下面升瓶机构首先打开上端气阀的困难 。
4.利用瓶内充气压力进行控制这是当今国际上流行的含气饮料灌装机,当待灌瓶中的气压达到与贮液箱内的背压相等时,液阀弹簧自动打开液门,完成灌装,此种阀的优点是不仅能保证碎瓶时不漏液,还能保证瓶上有孔洞的破瓶及充气不足时不漏液,使灌装能够稳定进行 。 但其缺点是对阀门封闭弹簧的设计,制造精度有较高的要求 。
五,阀门的密封结构由于灌装阀是安装在流体通路上的开关,保证不向外漏气和漏液是十分重要的 。 因此在阀门开闭处的接触面,可动部分相对于不动部分的运动面,以及安装于贮液箱上的接合面和压紧于瓶口上的接触面等都有一个选择何种密封防漏的结构问题,但大致可归纳为平面及圆柱面间的两大类问题 。
1.接触平面的密封在灌装阀中一般采用密封材料进行压紧密封,这种密封形式容易保证防漏,只需改变压紧力就能改变密封力以及磨损后的重新密封,故使用寿命较长,安全可靠。
2.相对运动圆柱面的密封在灌装阀中一般采用密封材料进行自封型密封,所谓自封型密封是将密封材料于压紧时形成适当的预压紧量,借助于材料的反弹力压紧密封面而起密封作用的 。 这种密封形式运动磨损后容易产生泄漏 。 假若预紧力过大,又要增加运动过程中的摩擦阻力,相应的也就增加了磨损的速度,泄漏后只得更换密封材料 。
灌装液料由贮液槽经泵 (或直接由高位槽 )及输液管将液体产品输入贮液箱,再由贮液箱 经灌装阀输入待灌容器中,这就形成了整个灌装液料的供送系统。
对于等压法、真空法有时还需对贮液箱充气或抽气。
由此可见,不同的灌装方法就应有不同的供料系统。
1.常压法灌装的液料供送机构此法是在常压下灌装的,因此,灌装系统较为简单 。
液体产品由高位槽或泵经输液管送进灌装机的贮液箱,贮液箱内液面一般由浮子式控制器保持基本恒定,
但也有用电磁阀控制的,贮液箱内的流体产品再经过灌装阀的开关进入待灌容器中 。
第四节 灌装机的常用机构一、灌装的供料机构
2.等压法灌装的液料供料机构图 4.14为此法供料原理图。入酒总管 3与灌装机顶部的输入头 9相连,输入头下端有六根供酒管 14与环形酒缸 12相通。 1-无菌压缩气管,2-入酒总管,3-
单向阀,4-透明管,5-先运行阀,6-
截止阀,7-低液位浮泡,8-截止阀,9-
视镜,10-入酒总阀,11-平衡气压管,12-入酒缸气管,13-放气阀,14-
输入头,15-充气阀,16-调节针阀,17-高液位浮泡,18-环形酒缸,19-供酒管,20旋转立轴图 4.14 等压法供料系统简图在打开入酒总阀 16之前,需打开先运行阀 5,以透明管 4
观察进酒压力,若流动缓慢是来酒压力不足,若酒液冲出来是来酒压力过高,均需调节,待正常后方可准备打开总阀。 无菌压缩气管 1分叉为两路,一路为入酒缸气管 12,它经输入头直接与环形酒缸相通,其作用是在开机前对酒缸充气产生一定的压力,以免酒液初入缸时因突然降压而冒泡。 该管上截止阀 8在入酒总阀 10打开后则需关闭 ;另一路为平衡气管 11,它以输入头接至高液浮泡 17上的充气阀 15,其作用为控制酒缸内液位的高度。
当液面太高时,即液压高于气压,高位浮泡即上升打开充气阀 15,无菌压缩空气进入酒缸,以补充气压的不足,保证啤酒能稳定地进入酒缸 。
当液面下降时,即液压低于气压,低液位浮泡 7下降,
则打开放气阀 13,酒缸内较高气压被释放,气压降低使进液增多 。 因此酒缸内液面基本稳定在视镜 9的中部 。
酒箱系一个矩形切面的环形酒缸,在环形酒缸的下面装有很多个灌装阀,分别与环形酒缸底面的孔口相连,以便把啤酒从贮液箱内装进待灌瓶中。
3.压力法灌装的液料供送机构图 4.15为此法灌装供料简图,它由稳压装置,旋塞阀,推料活塞和充填器四个主要部分组成。
物料由人工或泵送入贮液箱内,在灌装时因来料压力不稳,会产生定量误差,因此常采用如图 4.15所示的稳压装置来稳定供料压力,提高灌装精度。
物料由供料泵送至三通
14,在三通管的上端有一个稳压活塞 15,压缩空气经过减压调整后进入气缸 19,形成对稳压活塞一定的压力,当三通管内出料压力增加或减少时,与稳压活塞杆 19相连的感应板则要上升或下降,上,
下无触点开关则要发出信号控制供料泵运转或停转 。 因此供料的压力始终保持稳定,保证了灌装质量 。
图 4.15 压力法供料系统简图
Ⅰ -稳压装置 Ⅱ -旋塞阀 Ⅲ -推料活塞 Ⅳ -冲填器
1-滚球,2-顶杆,3-凸轮,4-活塞,5-活塞缸,6-调节伞齿轮,7-可调螺母,8-活塞杆,9-摇块 10-导杆,11-连杆,12-齿轮,13-曲柄,14-三通,15-稳压活塞,16-气缸,17-下无触点开关,18-上无触点开关,19-稳压活塞杆,20齿条对于炼乳,番茄酱等的灌装,在供料系统中可省略稳压装置,旋塞阀由往复运动的齿条 20经齿轮 12带动作来回摆动,一个位置沟通三通 14及推料活塞缸 5,这时活塞 4正好在连杆机构带动下向左运动,物料由三通被吸入活塞,旋塞阀的另一个位置沟通活塞及充填器,
这时活塞 4正好又在连杆机构带动下向右运动,物料被推送至灌装容器内 。 活塞 4 的运动行程可调节,这是通过转动伞齿轮 6使可调螺母 7移动而实现的 。 为了防止物料的滴漏,在充填器底部特意安装一只有孔道的滚柱 1,当旋转阀来回摆动时,带动凸轮 3也一起来回摆动,从而使顶杆 2上下串动,压迫滚柱 1实现快速启闭,提高了灌装精度 。
4.真空法灌装的液料供送装置真空法灌装系统结构较复杂,形式较多,但根据其采用灌装方式不同,大体可分两种类型,一种方式是在待灌瓶和贮液箱中都建立真空,而液体是靠自重产生流动而灌装的 ;另一种方式是在瓶中建立真空,靠压差完成灌装。因此真空法灌装机的供料系统可有单室、双室、多室、三室等多种形式,单室属于前一种真空法灌装,其余属于后一种方法。
①单室这是一种真空室与贮液箱合为一室的供料系统 。
图 4.16为其工作原理图。
被灌液体经输液管 1由进液孔 3送入贮液箱 5内,
箱内液面依靠浮子液位控制器 4控制基本恒定,
箱内液面上部空间的气体由真空泵经真空管 2
抽走,从而形成真空,瓶子由托瓶台 7带动上升并首先打开气阀 9对瓶内抽气,接着瓶子继续上升打开液阀 8进行灌液,瓶内被置换的气体吸至贮液箱内再被抽走。
图 4.16 单室真空法供料系统简图
1-进液管,2-真空管,3-进液孔,4-浮子液位控制器
5-贮液箱,6-立轴,7-托瓶台,8-液阀,9-气阀这种结构使贮液箱内整个液面成为挥发面,故不宜灌装含有芳香性的液体,但它的总体结构比较简单,并容易清洗。
上述单室真空灌装阀的开启需两次升瓶才能完成,
故易出现磨损漏溢的问题 。 有的单室有真空阀,气阀,液阀是一起开闭的,这时,只需贮液箱的真空度大于阀口上液料的位压头,仍能保证瓶内不先被抽成一定的真空,液料就被封着不会泄漏,还有的单室真空阀,
只设液阀,其气管是与大气相通的,这种结构更为简单,
但势必增加了真空泵的负荷,贮液箱内真空度的稳定也受到一定的影响 。
② 双室这是只有一个贮液箱与一个真空室的供料系统 。
图 4.17为其工作原理图,液体产品经输液管 10输送到贮液箱 4内,箱内液位由浮子液位控制器 11控制,
真空泵经真空管 9将真空室 8内气体抽走,使之形成真空,灌装机构有一进液管通往贮液箱,另有一抽气管通往真空室,一但瓶子顶紧灌装机构端部的密封垫,瓶内气体则被抽走,随后,液料在贮液箱与瓶内压差作用下流入瓶中,当瓶内液位升高至抽气管下缘时,继续流入瓶内的多余液体被抽进真空室,再经回流器 7回到贮液箱,当没有瓶子或瓶子破损时,不能由瓶中抽出空气,也就不能进行灌装。
图 4.17 双室真空法供料装置示意图
1-输液管,2-真空室,3-吸气管,
4-回流管,5-灌装阀,
6-吸液管,7-浮子,8-贮液箱与单室比较,这种双室供料系统减少了挥发面,但因余液经真空室直接流回贮液室,因此箱内液面难以控制稳定。
③ 多室这种结构不仅使贮液箱与真空室分开,而且另设一个液位控制箱,
真空箱也不只一个 。
如图 4.18为其工作原理图。贮液箱 10的上方设一真空室 13,
图 4.18 多室真空法灌装系统示意图
1-高位槽,2-送液管,3-真空泵,4-真空管,5-液位控制箱,6-进液管,7-真空管,
8-电动机,9-破气阀,10-贮液箱,11-升瓶滑道,12-瓶子,13-真空室,14-真空管,
15-灌装阀,16-传送装置,17真空塔上室,18-真空塔下室,19-浮子液位控制器高位槽 1经送液管 2 将液料输送给液位控制箱
5(其内的液位靠浮子液位控制器 18控制 ),再经进液管 6与贮液箱接通,在液位控制箱上方装有真空塔 17及上室 16,上室至下室以及下室至液位控制箱之间均有管道接通,管道上均装有控制阀门,真空塔上室通过真空管 14与真空室 13相通,
真空塔的上室、下室又分别通过真空管 4,7与破气阀 9相通,灌装时的余液先被抽回到真空室
13,又被吸回到真空塔的上室,这时由于上室处于真空,所以通往下室管口处的橡皮垫被吸住,
而使阀门封闭,当破气阀 9中的开口对准真空管 4
时,
通过真空管 7使真空塔的下室也处于真空,于是上室通往下室的阀门自动打开,下室通往液位控制箱 5的同样结构的阀门则被封闭,上室中的液体流入下室,当真空管 7通过破气阀 8与大气接通时,下室处于常压状态,上室通往下室的阀门则关闭,下室通往液位控制箱的阀门则打开,余液再由下室流入液位控制箱,因此,余液对贮液箱液位波动的影响甚微。
④三室图 4.19为三室结构的液体物料真空自动灌装机示图。
贮液箱 8安装在作连续运转的灌装机工作台 6上,待灌装的液体物料通过进料管 2从高位槽输送入贮液箱 8中,
液门高度由浮子式液位控制器 9控制,
贮料箱内液料通过装料管路 11与灌注器 4中物料灌注通道连通,真空分配箱 14
通过四根管柱螺栓安装在贮料箱 8上方,
使贮料箱 图 4.19 三室真空法供料装置系统图
1-分配头,2-输液管,3-吸气管,4-通气管,5-真空上室,6-吸气软管,7-真空下室
8-吸液软管,9-灌装阀,10-上阀门,11-通气孔,12-下阀门,13-升降杆
14-浮子,15-托瓶台,16-贮液箱,17-升瓶凸轮大气相通,真空分配箱 14分上室和下室两部分,上室是真空灌装机的真空室,它通过换向阀 1及真空管路 3与真空机系统相连通,以便抽取真空箱室及管道等系统中的空气,建立起真空,在真空分配箱上室盖板上连接着许多抽真空软管 13,它各与相应的装料灌注器 4中的真空通道相连接,真空分配箱的上室与下室间经换向阀 1有管道相连通,通过换向阀将能按需要改变下室的真空状态 ;上室与下室间还通过安装在上室底部的液料回流用上阀门 12连通,以便将抽真空软管 13 自装料瓶内吸抽来的液料可能回流到下室。真空分配箱下室底部也安装有液料回流用下阀门 5,使下室中的回流液料可能流回到贮料箱 8内,完成液料的回流输送,真空分配箱虽然结构上比较复杂,但却使真空灌装机的结构紧凑了,且利于提高灌装生产能力和工作可靠性。
二、灌装的供瓶机构在自动灌装机中,按照灌装的工艺要求,准确地将待灌瓶送入主转盘升降机构托瓶台上,是保证灌装机正常而有秩序地工作的关键 。 一般供瓶机构的关键问题是瓶的连续输送和瓶的定时供给 。
常用的连续输送装置有链带传送,一般采用不锈钢或尼龙坦克链带,为了减少链带与瓶底间的摩擦,有时设法在链带上加些肥皂水,以便润滑。
由洗瓶机出来的瓶子由输送带送来后,为了防止挤坏、堵塞和准确地送入灌装机,必须设法使瓶子单个地保持适当的间距送进,目前瓶子的定时送给一般采用分件供送螺杆或拔盘式等限位机构。
1、分件供送螺杆机构图 4.20给出了典型送瓶机构的示意图,它的基本组成包括由锥齿轮传动的变螺距螺杆,固定侧向导板,
链式水平输送带 (末画出 )和组合式拔瓶轮等,
分件供送螺杆在结构上是一种空间高副机构,它的结构形式受供图 4-20 典型送瓶机构的示意图送瓶的大小,形状等的制约 。 从外观形式看,前端应设计呈截锥台形,有助于将玻璃瓶顺畅地导入螺杆的工作区段,
而另一端应具有与玻璃瓶同半径的圆弧过渡角,以便和星形拔轮同步衔接,为了使刚进入螺杆工作区段的玻璃瓶运动平稳,第一段最好采用等螺距,使它暂不产生加速度,鉴于星形拔轮的节距通常都大于两只玻璃瓶原来在链带上紧相接触时运动的中心距,
显然,最后一段螺旋线一定要变螺距,为改善瓶的惯性运动,它应该制约玻璃瓶以等加速度规律逐渐增大其间距 。 实践证明,对于中,小型自动灌装机 (一般为 250瓶 /分以内 ),只需将螺杆设计呈等螺距段与变螺距段即可,虽然其加速度曲线不连续,有阶跃突变,但在加速度值不很大时,仍不致发生明显的柔性冲击 。 设计供送螺杆的关键在于,必须在满足被供送瓶的主体直径及有效高度,星形拔轮节距和生产能力等条件下,预选螺杆的内外径及长度 。
合理确定螺旋线的组合形式,
旋向及螺旋槽的基本参数 。
12.花盘式限位机构如图 4.21所示,待瓶或罐由输送机运送,经花盘轮分隔装置而直到输送机端头 。 在最前端的瓶或罐到达要求位置时,就碰上电开关 9,使推板 8
立即将要求数量的一排瓶或罐横向推进一个距离 。 推板
8行进中驱动摆盘 6,使之逆时针转动,但凸轮 5及棘爪摆杆 4
不动,推板 8行进到与摆盘 6
脱离接触时,摆盘 6受弹簧作用而恢复到原位 。
图 4.21 定数量供给的花盘限位装置
1-输送带,2-花盘轮,3-棘轮,4-棘爪摆杆,5-凸轮,
6-摆盘,7-销子,8-推板,9-开关推板 8做返回运动时,又驱动摆盘 6使之顺时针转动,同时通过销子 7使凸轮 5一起转动,从而迫使棘爪杆 4摆动,
脱离开棘轮 3,此时,花盘轮由传动装置驱动转动,对输送来的瓶或罐做连接分隔传送 。 当推板 8 往回运动到又与摆盘 6脱离接触时,凸轮 5受弹簧作用又转回到原位,
棘爪摆杆也往回摆动到原位,棘爪嵌入棘轮轮齿中,制动住花盘轮 2的转动,在棘爪脱离开棘轮的时间间隔内,
经由花盘轮分隔传送出要求数量的瓶或罐 。
3.拨瓶轮此机构是将瓶的限位器送来的瓶子,准确地送入灌装机中瓶的升降机构或将灌满的瓶子从升降机构取下送入传送带的机构。
如图 4.22所示,拔瓶轮中的尺寸 h及 Rc均由瓶子的高度和直径来决定,拔瓶轮一般采用酚醛层压板等材料,以免与玻璃瓶产生硬性碰撞,拔瓶轮一般由上、
下两片组成,为了保证拨轮与托瓶台的位置相对应,
在轮片上应开有圆槽形孔,
调好后再安装在转轴上。
图 4.22 拔瓶轮为了使瓶子稳定传送,在传送带旁边还需要安装护瓶杆,在进出瓶拔轮外还要安装导板,护瓶杆离开传送中心线的距离要可调,以适应不同规格的瓶子。
另外,送瓶机构不仅要将瓶子分隔转弯,而且传递速度必须与洗瓶机的速度匹配,否则易出现倒瓶,缺瓶或阻塞现象,
为了防止倒瓶时影响正常生产,某些灌装机在分件供送螺杆,拔轮的传动部分安装有离合器,一旦出现故障使其自动停转,有的还安装微动开关,当离合器脱开的同时,压迫微动开关,使全机停转 。
三,瓶的升降机构在一般旋转型灌装机中,由拔瓶轮送来的瓶子必须根据灌装工作过程的需要,先把瓶子升到规定的位置,以便进行灌装 。 然后再把己灌满的瓶子下降到规定的位置,以便拔瓶轮将其送到传送链带上送走,这一动作是由瓶的升降机构完成的 。
对于瓶的升降机构的要求是,运行平稳,迅速,准确,安全可靠,结构简单,常用的有下列三种形式,
1.机械式瓶的升降机构图 4.23为机械式升瓶机构原理图,瓶托的上滑筒 3和下滑筒 6通过拉杆 5与弹簧
2组成一完整的弹性筒,在下滑筒的拔销上装有滚动轴承 7,使整个瓶托可沿着凸轮导轨的曲线升降 。 由于上滑筒与下滑筒间还可产生相对运动,这不仅保证了瓶口灌装时的密封,
同时又保证了有一定高度误差的瓶子仍可正常灌装 。 图 4.23 机械式升瓶机构原理图
1-瓶托台,2-弹簧,3-上滑筒,4-滑座
5-拉杆,6-下滑筒,7-轴承每只瓶托用螺母固定装在下转盘边缘的孔中,并随转盘一起绕立轴旋转,显然这种机械式升瓶机构实际上是由圆柱轮－直动从动杆机构完成的,与一般不同的是,这里圆柱凸轮不动,而直动从动杆绕圆柱的轴线旋转,因此,它们之间的相对运动与圆柱凸轮旋转的直动从动机构是一致的 。 瓶托上升时,凸轮倾角 α最大,许用推荐值为 [α]≤30°
这种升瓶机构的结构比较简单,但是工作可靠性差,
如果灌装机运转过程中出现故障,瓶子沿着滑道上升,
很容易将瓶子挤坏,对瓶子质量要求很高,特别是瓶颈不能弯曲,瓶子被推上瓶托时,要求位置准确,在工作中,
缓冲弹簧也容易失效,需要经常更换。因此,这种结构适用于小型的半自动化的不含气体的液料灌装机中。
2.气动式瓶的升降机构图 4.24为其原理图及结构图,所用压缩空气的压力通常为 2.5~4kgf/cm。从图中可以看到当控制碰块使阀门 6关闭、阀门 8开启时,压缩空气将自下部进气管 5
进入到气 缸 1中,活塞 2受到下端压力气体的作用向上运动,托瓶台 4及其所承托的瓶子向上升起,在此过程中灌装嘴插入瓶内,以便进行灌装工作。
图 4.24 气动式瓶的升降机构
1-气缸,2-活塞,3-连杆,4-托瓶台,
5-下部进气管,6-阀门,
7-上部进气管,8-排气阀门灌装完毕后,控制机构关闭排气阀门 8,开启阀门 6,压力气体自活塞 2上端引入气缸 1中,活塞 2上端面压力加上活塞 2、连杆 3、托瓶台 4及已装物料的瓶子等在自重的作用下,托瓶台迅速降到与灌装机转盘水平面等高的平面上,再由排卸装置将装料瓶自灌装机转盘上排卸出去封口。阀门 6与排气阀 8通常用凸轮式碰块及转柄进行控制,在灌装机工作运转中,由设置的程序凸轮碰块作开或关的控制操纵。这种升降机构,克服了机械式升降机构的缺点,因为它采用气体传动,有吸震能力,当发生故障时,瓶子被卡住,压缩空气好比弹簧一样被压缩,这时瓶子不再上升,故不会挤坏。但是,活塞的运动速度受到空气压力的影响,若压缩空气的压力下降时。
3则瓶的上升速度减慢,以致不能保证瓶嘴与灌装阀的密封,若压缩空气压力增加,则瓶的上升速度快,导致瓶不易与进液管对中,又使瓶子下降时冲击力增大,如若灌装含气性气体,则容易使液料中的二氧化碳逸出。
3.气动机械混合式升瓶机构此机械是以气动机构作托瓶升起、用凸轮推杆机构将已料瓶降下的综合式升降机构。它利用气动机构托瓶升起具有自缓冲功能,托升平稳。且节约时间的优点,同时又利用了凸轮推杆机构能较好地获得平稳的运动控制的特点,使托瓶升降运动得到快而好的工作质量。但此种托瓶升降机构的机械结构较为复杂。
如图 4.25为此种托瓶升降的原理图。柱塞杆 4为空气套筒结构,上端装有密封塞组件 3、下端固定装有封头 7,组成活塞部件。
封头 7上固联着压缩空气输送管道和减压排气阀。
托瓶台安装件置于气缸内,是固定不动的；气缸部件则是托瓶升降的运动部件,当作托瓶升降工作运行时,压缩空气自封头 7进入；经柱塞杆 4、
密封塞 3内图 4.25 气动机械混合式升瓶机构
1-托瓶台,2-气缸,3-密封塞,4-柱塞杆,
5-下降凸轮,6-滚轮,
7-封头,8-减压阀的中心孔进入到活塞上部空间,驱使气缸部件以活部件为导柱向上托瓶升送,并维持到完成灌装为止。此时升降器上滚轮 6已 到达使装料瓶作下降运动的凸轮 5廓形部分,随着灌装机继续运转 ;滚轮 6受凸轮 5下降廓形的约束,带动气缸部件作下降运动。为减少其动力消耗。此时应停止压缩空气的供给,且视凸轮结构形式的不同,即凸轮下降廓形与滚轮间的接触约束方式的不同,设置减压排气阀,达到托瓶下降平稳,节省辅助工作时间,且减少动力消耗的目的。为此,应根据灌装机灌装的工作程序,
设置压缩气的开关控制器。
上述三种升降瓶机构各有其优缺点。在设计时,应根据灌装机的具体要求,进行具体的分析,选择和设计出先进合理,经济可靠的结构。
四、灌装瓶高度调节机构由于灌装机涉及的包装容器瓶子的规格很多,如 640
毫 升 的 啤 酒 瓶 其 高 度 为 289± 1.5mm 瓶 身 直 径
75± 1.6mm;350 毫升的高度为 231± 1.5mm,身径为
63.51± 1.2mm,小瓶汽水的高度为 203mm,为了使一台灌装机满足多种瓶高的灌装,需要调节装有灌装阀的贮液缸与装有升瓶台的转盘之间的距离,使贮液缸能沿着立柱相对于转盘作上,下移动,目前常用的高度调节结构有三种形式：
11.中央调节式如图 4.26所示,贮液缸底部转轴 1的下端为螺杆结构它与固装在转盘上的法兰式螺母 2相连接,并用固定螺栓 3拧紧,调节时,
松开螺栓,转动贮液缸,
其本达到所需瓶高后,再调整灌装阀与升瓶台的中心,使其基本对准,最后再重新拧紧螺栓,这种结构最为简单,但由于灌装阀与升瓶台调节后不易对中,故仅适应于灌装广口瓶或铁罐,同时由于采用中央螺纹支承,贮液缸运转时稳定性也较差。
图 4.26 转动液缸中央调节式
1-贮液缸底部立轴,2-法兰式螺母
3-固定螺栓,4-下转盘因此在另外一些小型灌装机上,采用蜗杆蜗轮的调节结构,如图 4.27所示。
图 4.27 蜗轮蜗杆式中央瓶高调节机构原理图
1-压紧螺母,2-销轴,3-传动键,4-下部立轴,5-蜗轮,6-蜗杆,7-下罩壳,8-上转盘调节时,首先松开锁紧螺母 1,退出销轴 2使传动上下转盘一起转动的键失去作用,然后用手柄摇动蜗杆 6,使蜗轮 5
转动,由于蜗轮与下部立轴 4的端部采用螺纹联接,因此,蜗轮一边转动,一边上下移动,并带动上转盘 8也一起上下移动,从而实现高度调节。
2.三立柱调节式如图 4.28所示。在贮液缸与转盘之间除由轴套 1、立轴 2联接外,还有三根端部为螺纹联接的立轴 5,与之相配的三只螺母
6的端部又固联有链轮 7,调节时,松开紧定装置 3,只需转动某一链轮,则三根立柱一起被升降,同时并不改变灌装阀相对于升瓶台的中心位置,因此,这种结构更为合理,已得到了 广泛的运用。
图 4.28 三立柱调节式
1-轴套,2-立轴,3-紧定装置,4-导向平键,5-立轴
6-螺母,7-链轮,8-下转盘
3.电动调节式对于较大型的灌装机,为了代替费力的手工调节,有的采用电机减速后带动调节螺杆,使贮液缸升降达到所需的高度 。
第五节 灌装机的工作原理一,灌装机的工作过程洗瓶机将瓶子的里外洗净后,并经检查质量合格的瓶子,由传送带送入自动灌装机的限位机构,根据规定的要求按一定距离排列好,送入拨瓶轮,拨瓶轮准确地将瓶送入瓶的升降机构 。 升降机构把升降活塞顶起,瓶随之上升,于是瓶口打开灌装阀的气门,充气等压,然后打开液门,
进行灌液,灌液后进行压力释放,然后关闭液门,气门 。
完成灌装后,瓶的升降机构立即进入下降滑道,在下降滑道的作用下,升降活塞筒体被滑道强制下降,因而装好的瓶子随之下降到最低位置,当转过一定角度后,瓶子进入拨瓶机构,被 拨瓶机构退出,送去进行上盖,这样就完成了整个灌装工作的一个工作循环过程。
二、灌装机的传动原理旋转型自动灌装机,所用的动力都是电动机,其功率一般在 1~3千瓦之间,电动机的转速通常是很高的,而灌装机的转速不过每分钟几转,满足不了灌装工作的要求,
因此,它的传动就需要一套合理的变速系统 。
有的灌装机上还采用调速电机,直接无级变速,但这种传动对电机要求很高,必须防尘,防水等,而且价格也较贵 。
对于旋转型灌装机传动部分的要求有以下几点：
1.传动平稳由于主机完成灌装任务是在一个酒缸上进行的,它的进瓶,出瓶准确地灌装等都要求在平稳的工作条件下进行 。
2.传动系统结构简单传动系统简单,一方面可以减少功率的消耗,另一方面设备的精度易达到,同时维修方便 。
3.安全装置旋转型灌装机经常出现的问题是瓶子经常卡住,在设计时应考虑安全装置,在机器发生故障时,能自动停车或自动报警,以便及时排除故障 。
由于要适应使用厂家经常改变本厂灌装产品的需求,
充分发挥设备的潜力,做到一机多用,提高的设备的适应能力,因此灌装机的速度应能当能够改变 （ 调速 ）
以满足需要 。
另外,在设计传动系统时考虑到安装,调试,保养的方便性,要满足人体工程学的要求,给工人带来方便,
要尽量缩短维修时间,要求便于维修,保养 。
三、灌装机的调整根据使用情况和产品情况有时需要对机器进行调整,下面介绍几种常用的方法。
1.酒缸液位的调整因为酒液位的高低直接影响到灌装速度。若液位过低甚至使一定的灌装角度中灌不满瓶子,因此灌装机要求酒缸中的液位可以调整控制在合适的位置上,
并且在灌装过程中能基本保持不变,以便灌装速度稳定。
2.灌装量的调整灌装机的定量形式多是以瓶定量的,若更换灌装瓶子容量时,可调节升降机构中活塞芯子的高低来实现,因此灌装瓶子容量的改变,从而也就调整了灌装量。若灌装机的定量形式是定量杯定量的,则改变定量杯的容积,也同时调整了灌装量。
3.转速的调整灌装机上常用的调速装置一般是机械无级调速的这里只讲一下三角皮带机械式无级调速原理,
如图 4.29所示为皮带无级调速原理图。通过专用的三角宽胶带 —无级调速带,将二对锥盘联接起来,Ⅰ 轴为主动轴,Ⅱ 轴为从动轴,若从 Ⅰ 轴输入一个固定不变的转速 V时,当转动手柄 1通过齿轮,螺纹收紧锥盘迫使主动轮的作用半径增大,无级调速带的周长不变,则
Ⅱ 轴上二锥盘压缩弹簧,使二轴的作用半径变小,轴的输出转速即可提高。
反之,当退开轴二锥盘,轴二锥盘在弹簧作用下收紧,
则输出转速降低。 这种无级调速器运转平稳,结构简单,但是调速范围小,随着负载变化,它的打滑率也随之变化,输出转速近似对称于输入转速变化。
只能用在作为传动链内部的速度匹配调节用,不能用在有准确传动比要求的传动系统中。
它只适用于扭矩不大的传动上,当较大扭矩采用时,
它的尺寸很大,它的变速范围通常是在 2~4内 。
以上我们介绍了三种调整方法,这仅仅是比较简单的调整方法,就是上述这三种之间也是息息相关,因此,
在调整机器地要注意各个部分的相互关系 。
图 4.29 皮带无级调速原理图四、旋转型灌装机主要存在的问题此类灌装机具有结构紧凑,连续生产效率较高等优点,
但还存在着如下问题,
(1)结构比较复杂,如它的灌装系统是比较复杂的,轻工机械发展的方向是力求结构简单,体积小,重量轻 。
(2)传动机构庞大。如主轴采用了较大的轴承。
(3)成本太高。如酒缸采用不锈钢可铸铜等材料,增加了成本。
(4)加工要求高,特别是密封问题另外,由于传动系统在主机的下方,带来了维修麻烦,同时由于主机的旋转运动,它的转速受到离心力大小的限制,
也限制了生产能力的提高 。
第六节 灌装机的设计计算一、灌装机的工艺计算
1.输液部分计算液体产品从贮液槽送往贮液箱的输液管一般为圆管,因此尺寸的确定就是合理选择圆管的内径和壁厚。
①圆管内径的确定设输液管的内径为,其截面积为,液体在管内流动的速度为,,为流经管道任一截面上液料的体积流量,那么,输液管的内径为,
(4-1)
d
A d4 2
u VA?
V
u
Vd
4?
又 (4-2)
V W G Qma x3600
式中,Ｗ —重量流量,指单位时间内流经管道任一横截面 的液料重量 ;
ρ—液体产品的密度 ;
G—每瓶灌装液料的重量 ;
—灌装的最大生产能力。
Qmax
流体类别及工作条件 流速 流体类别及工作条件 流速一般液体粘度 50cp液体 (Φ25～ Φ50)
粘度 100cp液体 (Φ25～ Φ50)
粘度 1000cp液体 (Φ25～ Φ50)
低压气体真空操作下的气体中压蒸汽 (10~40工业气压 )
压气机排出管 (低压 )
往复泵吸入管 (水一类液体 )
离心泵吸入管 (水一类液体 )
鼓风机吸入管
1.5~3.0
0.7~1.0
0.5~0.7
0.16~0.25
8~15
<10
20~40
20~30
0.75~1.0
1.5~2.0
10~15
粘度 50cp液体 (<Φ25)
粘度 100cp液体 (<Φ25)
粘度 1000cp液体 (<Φ25)
液体自流速度 (冷凝液 )
压强较高的气体低压蒸汽 (10工业气压 )
压气机吸气管压气机排出管 (高压 )
往复泵排出管 (水一类液体 )
离心泵排出管 (水一类液体 )
鼓风机排出管
0.5~0.9
0.3~0.6
0.1~0.2
0.5
15~25
15~20
10~20
10~20
1.0~2.0
0.75~1.0
15~20
表 4.2 液料 (流体 )输送常用流速范围流速 u一般根据经验选取,这是因为流速增大,管径则小,
虽使材料消耗和基建投资减少,但增大了流体的动力消耗,又使操作费用提高,因此,在设计时应根据具体情况参考表 4.2选取,根据体积流量 V及 u流速代入公式计算所等于的管径,还必须根据工程手册中查取的规格圆整 。
② 圆管壁厚一般根据管子的耐压和耐腐蚀等情况,按标准规格选定壁厚 。
③ 高位贮液槽安装高度或液料输送泵的功率计算要在单位时间内供给灌装机贮液箱一定量的液料,其能量可以来自高位贮液槽的位能,也可以来自输入泵的机械能,究竟需要多少能量呢？
这可由流体力学中能量守恒的柏努利方程式来求解,一般先取供料开始及终了的两个截面作为分析面,即取液槽的自由液面作为 1-1液面,取灌装面贮液箱中进液管口作为 2-2截面,然后列出两截面间的柏努利方程式,
(4-3)
式中,Z为位压头 ; 为静压头 ; 为动压头,其中 α为动能修正系数,层流时 α=2,紊流时 α≈1,计算开始时,一般可先假定 α≈1,最后根据计算结果可再进行验算,修正 ;He
为泵的压头,它指单位重量的液料通过泵后获得的能量 ;
为损失压头,它包括直管阻力损失 及局部阻力损失之和,其计算方法可查阅流体力学的有关资料 。
Z P u g H Z P u g he f1 1 1 1
2
2
2
2
2
2
2 2
P
ug
2
2
hf h
f
hj
2.灌装时间的计算
① 灌装的水利过程根据水利学知识,液料由贮液箱或定量杯经过灌装阀流入待灌瓶内,这一过程应该看成是液体的管嘴出流,按照定量方法和灌转阀的嘴口伸入瓶内位置的不同,又可分成以下几种情况,
图 4.30 高度定量短管灌装 图 4.31 高度定量长管灌装 图 4.32 定量杯定量短管灌装液位高度定量方法,若灌装嘴口伸入到瓶颈部分,由于贮溢箱内液位保持恒定,而贮液箱内液面上气压和待灌瓶内的气压基本上又是一个定值,因此,液体流动速度是基本不变的,灌装过程则属于稳定的管嘴自由出流情况,如图 4.30。
同样对于采用控制液位高度定量法,若灌装嘴口伸入在接近瓶底部,那么灌装过程分为两步,第一步在液面尚末灌至灌装嘴口之前一段,属于稳定的管嘴自由出流情况,第二步,在液料嘴口之后一段,由于作用在嘴口上的静压力随着瓶内液料的逐渐上升而变化,故属于不稳定的管嘴淹没出流情况,如图 4.31所示 。
对于定量杯定量法,若灌装嘴口伸入在瓶颈部分,由于定量杯内液位在灌装过程中逐渐变化,因此,液体流动速度也随时间变化,灌装过程则属于不稳定的管嘴自由出流情况 。 如图 4.32所示 。 同样对于定量杯定量法,若灌装嘴口伸入在接近瓶底,那么,灌装过程也分两部,第一步,在液料尚末灌至灌装嘴口之前一段,属于不稳定的管嘴自由出流情况；第二步,在液料已淹没嘴口之后一段,属于不稳定的管嘴淹没出流情况 。
如图 4.33所示 。
淹没出流可以减小自由出流时液料落下时产生的冲出力,使灌装较为稳定,但是由于灌装嘴口上的水头不能保持稳定,又均是不稳定的淹没出流 。 由此,目前尽量采用环隙进液并沿瓶壁降落的阀端结构,
这不仅使灌装始终保持稳定的管嘴出流状态,同时又避免了液料落下产生的冲击力,使灌装更为稳定,
这种结构的阀对于含气饮料的灌装更显得有利 。
图 4.33 定量杯定量长管灌装
② 液料流量的计算经过灌装阀孔口出流的液料体积流量为：
(4-4)
式中,—孔中截面上液料的流速 ;
—孔口中液道口的截面积 。
液料流速 可以由孔口截面及贮液箱 (或定量杯 )中自由液面间列柏努利方程式求得 。
(4-5)
V u A0 0
u0
A0
u0
Z P u g Z P u g h f1 1 1
2
0
0 0
2
2 2
式中,为灌装时贮液箱自由液面的液料流速根据液体流动的连续性方程式,可 将折算成,而阻力损失 Σh也可写成用 表达的一般形式,则上式可改写成为：
u0u1
u0
u0
(4-6)
(4-7)
式中,—贮液箱 (或定量杯 )自由液面的面积 ;
—贮液箱 (或定量杯 )自由溢面的速度折算系数,对于贮液箱情况,因自由面积较大故可取 ;
—从由自液面至灌装嘴口截面之间,因通流截面积不同各段流道的速度折数系数 ;
—各段直管阻力系数之和 ;
—各种局部阻力系数之和 。
Z P A u Ag Z P u g k Ld k u g1 1 0 0 1
2
0
0 0
2
0
2
2 2 2
( / ) ( )
[ ( ) ] ( )1 21 0
2
1 0
1 0k L
d k k
u
g z z
P P
A1
k AA1 0
1
2? ( )
k1 0?
k AA? ( )0 2
k Ld?
k
由此,可求得孔口截面上液料的流速为
(4-8)
因此,经孔口出流的液料流量为,
(4-9)
式中,C—灌装阀中液道的流量系数 ;
Y—孔口截面上的有效压头 (包括静压头与位压头 )。
u
k Ld k k
g z z P P0
1
1 0
1 01
1
2?
( )
[( ) ]
V u A
k Ld k k
A g z z P P
0 0
1
0 1 0
1 01
1
2
( )
[( ) ]
CA g z P CA gY0 02 2( )
由上式可见,液料体积流量主要是三个参数的函数,这三个参数为,(1)液道量系数 C,(2)孔口截面积,(3)孔口截面上有效压头Ｙ,现分别讨论如下,
a.流量系数 C:它实际上就是液料流经灌装阀中液道所受的阻力损失系数,显然,阀中流道阻力越小,C值越大,但 C值永远小于 1,
流量系数 C可通过计算来确定。当阀的结构及操作条件确定后,其各段阻力系数均可查表获得,对于环隙进液的阀端结构,可以参考缝隙流的有关公式,先求出液料在缝隙始、终两端的压力降 Δ P,然后求出该段缝隙的能量损失 Δ P/γ,最后再反算出该段缝隙的阻力系数为 。根据各段阻力系数 ξ 及每段的速度折算系数 k,则可采用阻力损失叠加原则求出各项之和。
P u
g? /
2
2
A0
但由于灌装阀中各个局部阻力之间距离很近,在两个阻力之间很难形成一段变流,由于相互干扰的结果使流量系数降低,所以应予以修正,其修正系数 ε 一般建议取
0.77～ 0.87,由此,
(4-10)
为了计算时参考,表 4-3列出了在 20℃ 时几种食用液体的主要水力特性参数,流量系数 C的另一种确定方法是实验法 。 一般参照现有同类型灌装机的运转条件测定上述液料流量计算公式中的其余各项,即测定,Y,V
的数值 (V可由测定的灌装时间间接计算求得 ),然后按照分工就很容易求得该阀液道的流量系数 C。
C
k L
d
k k
1
1 1( )
液料名称 重度 γ 粘度 μ
青岛啤酒北京啤酒上海啤酒汽 水白 酒果 酒牛 奶
1.0127
1.0138
1.0130
1.0250
0.9930
1.0120
1.0290
1.533
1.449
1.448
1.140
2.806
2.160
1.790
表 4-3 几种食用液体的主要水力特性参数例如,某一台白酒真空灌装机,实测真空度为 600mm酒柱,
灌装时间为秒 7.35秒,酒缸液面至阀口为 150mm,阀口截面积为 35.34mm,计算可得 C=0.7006。
又如,一台 640毫升的啤酒等压灌装机,实测得灌装时间为 10
秒,酒缸液面至阀口高度差为
23mm,阀口面积
50mm,计算可得
C=0.6026.
b.阀口截面积在瓶口尺寸允许的情况下应尽量取大值,当截面积
A相同时,还应尽量增大水力半径,有利于减小局部损失,增大流量,减少灌装时间 。
所谓水力半径是指通流口的通流面积与润湿周边之比,即,
(4-11)
式中,A—过流面积 ;
L—润湿周边长度 。
对于圆形孔口,
R AL?
R d d d 24 0 25.
正方形孔口,
矩形孔口,
环形孔口,
由此可见,以圆形和正方形的水力半径最大,矩形次之,环形最小 。
但从灌装的稳定性看,就尽量增大截面上的润浸周边长度,从而减小水力半径,使雷诺系数Ｒ e
减小,液料流动则更加稳定 。 所以圆形管适合于输液道,而环形孔口适合于灌装阀孔口 。
R aa a24 0 25.
R aba b2 ( )
R D dD d2 24 ( )
c.孔口截面上有效压头 Y:它包括两项,一项是孔口截面上的静压头,它除受自由出流还是淹没出流的影响外 (自由出流时为常数,淹没出流时随淹没高度的变化而变化 )。主要取决于贮液箱和瓶内气相的压力差,在常压法和等压法以及依靠自重的真空阀中,气相压力差基本上为零 (不考虑排气道的阻力 ),在依靠压差灌装的真空阀中,气相压力差应大于零,若提高灌装速度应取大值,但必须保证灌装时贮液箱内的液料及瓶内顶隙处的余液不被真空泵抽走 ;另一项是孔口截面上的位压头 Δ Z,它除了受控制液位高度定量还是定量杯定量的影响外 (控制液位高度定量时为常数,定量杯定量时随定量杯内液位的变化而变化 ),
P
主要取决于贮液箱内自由液面至灌装阀孔口截面间的高度 (取孔口截面为计算基准面,即 =0),
假如贮液箱内液料高度为,灌装嘴口至瓶底的高度为,并令,显然,当 一定,β越大,越大,生产能力则越高,实验证明,在
β=5和 α>1的情况下,可得到最大生产能力,在 β>10
的情况下,采用定量杯的灌装可以近似认为属于液位恒定,由此可见,采用小截面的定量杯对提高生产能力更为有利 。
z1
z0
H1
H2z
H
H
H
1
1
1
2
,
H1
z1
z1
③ 灌装时间的计算灌装的水力过程包括稳定的管嘴自由出流,不稳定的管嘴自由出流和不稳定的管嘴淹没出流等,下面针对每种情况分别讨论灌装时间的计算方法 。
1)稳定的管嘴自由出流如图 4.35所示,由于流经管嘴孔口的液料流量恒定不变即 Vs为常量,所以灌装时间为,
(4-12)
式中,V—每瓶所需灌装液料的容积 ;
—孔口出流的液料体积流量 。
t VV
s
Vs
由式可见,只有增大 Vs才能提高灌装机的生产能力,
而 Vs的增加,又在于三个参数 C、,和 Y,但在增大三个参数的同时,应考虑到 C,Y的增大将导致液料流速的提高,这将有害于灌装的稳定进行,而的提高除应考虑瓶口尺寸的限制外,在按液位高度定量的结构中,还应考虑当液位升至回气管后,能否在孔口截面上截断液流,以便保证定量精度。
2)不稳定的管嘴自由出流如图 4.36所示,由于孔口截面上的位压头是变化的,
流经该截面的液料是变量,即 Vs是的函数 。 当定量杯内液料降至任意位置时,流经管嘴孔口的液料瞬时流量为：
(4-13)
A0
A0
V CA g P z F dzds2 ( )
式中,F—定量杯的截面积 ;
dz—定量杯液料高度的微小增量 ;
dτ—对应于增量 F·dz的时间式中负号表明定量杯内液料高度是随时间增长而减少的,由此可得,
(4-14)
定量杯内液料全部注入瓶内所需灌液时间应为,
(4-15)
式中,—从管嘴孔口至定量杯内充满液料时的高度 ;
—从管嘴孔口至定量杯内流完液料时的高度 。
d F dz
CA g P z
0 2 ( )?
F d z
CA P z
F
CA g
P z P z
z
z
0
0
1 2
2
21
2
( )
( )
z1
z2
假如定量杯的截面积 A不是常数而是变数,那么,可以由随高度变化的函数关系 A=A(z)代入积分式求得,
也可以由图解析法来解决,首先画出定量杯的三视图,然后沿定量杯高度方向用若干水平截面将其分割,计 算 出 定 量 杯 被 分 割 的 每 个 部 分 的 容积,再近似取灌装每份容量时所对应的孔口截面上的平均有效压头就为该部分不变的有效压头,则灌装每份容量所需时间应为,
(4-16)
因此,可以求得流完定量杯内液料所需的时间为,
(4-17)
只要将定量杯分割的分数ｎ取得足够大,就可以使计算能获得足够的精确度。
nVVV L21、
Y Y Yn1 2,?
1 1
0 1
2 2
0 2 02 2 2
VCA gY VCA gY VCA gYn n
n
,,,?
1 2
0 1
1
2? n
i
ii
n
CA g
V
Y
3)由液位高度定量的不稳定管嘴淹没出流如图 4.36所示,整个灌装时间应包括淹没管咀前,后两部分时间的和,即,前段为稳定的自由出流,其灌装时间的 τ'的计算方法前面己述 ;后段为不稳定的管咀淹没出流,由于孔口截面上的静压头是变化的,流经该截面的液料流量是变量,即 Vs是 Δp/γ的函数 (Δp指贮液箱自由液面与管咀孔口截面间的压力差 )。
当液料在瓶内淹没管咀孔口高度为 h时,其瞬时流量为,
(4-18)
式中,P1—贮液箱内气相空间的压力；
P0—灌装瓶内气相空间的压力；
F0—待灌瓶内腔的截面积；
dh—瓶内液料高度的微小增量
V CA g z P P h F dhds2 1 1 0 0[ ( ) ]
对于瓶的内腔截面积 A:一般瓶体部分为截面积不变的圆柱体,而瓶颈部分的截面积随瓶的高度而变化,
因此,灌液时间也应分两部分来求积分,瓶颈部分的积分值可以由函数关系 A0＝ f(h)(一般可近似认为是圆台体 )代入直接求出,也可以用上述类似的线图解析法求得 。
从开始淹没管咀孔口至瓶内灌满定量液料为止所需灌液时间应为,
(4-19)
F dh
CA g P z h
F dh
CA g P z hh
hh 0
0 1
0
0 1
0 2 2[ ( )] [ ( )]
2
2
1
2
0
0
1 1
0 1
F
CA g
P z P z h
CA g
V
P z h
i
i
i
n
[ ( ) ]
( )
式中,Δp'—贮液箱与灌装瓶内气相的压力差；
h'—瓶体部分离开管嘴孔口的最高高度
h“—颈部分灌满定量液料后离开管嘴孔口 的最高高度
hi—对应于瓶颈部分所分割的容积 Vi中液料离开管嘴孔口的平均高度 。
4)由定量杯定量的不稳定管咀淹没出流如图 4.38所示,同样,整个罐装时间应包括淹没管嘴前,后两部分时间的和,即 。 前段为不稳定的自由出流,其灌装时间 τ'的计算方法前面己述,后段为不稳定的管嘴淹没出流,由于孔口截面上的位压头和静压头均是变化的,流经该截面的液料流量当然也是变量,即 Vs是 Δz和 Δp/γ的函数 。
当液料在瓶内淹没管嘴孔口高度 h时,相应定量杯的液料高度为 z,这时流经管嘴孔口的瞬时流量为,
(4-20)
欲解上式必须首先求出两个变量 h和 z的关系 。
因 (4-21)
式中,F—定量杯和横截面积 ;
F0—瓶内腔的横截面积 。
两边积分解得,
(4-22)
V CA g z P P h F dhds0 1 0 02 [ ( ) ]
F d z F dh0
z FF h C0
积分常数 可由初始条件求得,当液料刚刚淹没管嘴口,即 h=0时,相应定量杯内液料高度为,
故 。 又设定量杯内充满液料时离开管嘴孔口的距离为,管嘴孔口离开瓶底的距离为,由式
(4-22)可求得 。
在上述瞬时流量公式中,将变量 Z用变量 h转换后可得,
(4-23)
同样,要按瓶体部分及瓶颈部分两段来积分,得到开始淹没管嘴孔口至瓶内灌满定量液料为止所需的灌装时间为,
C
z
C z
z1h2
z z FF h1 0 2
V CA g P FF h z h F dhds0 0 02 [ ( )]
(4-24)
(4-24)
F dh
CA g P z FF h
F dh
CA g P z FF h
h
hh 0
0
0
0
0
0
0
2 1 2 1[ ( ) ] [ ( ) ]
2
1 2
1
1
2
1
0
0
0
0
0 01
F
CA
F
F
g
P
z
P
z
F
F
h
CA g
V
P
z
F
F
h
i
i
i
n
( )
[ ( ) ]
( )
④ 充气或抽气时间的计算对于常压法,其灌装时间即为灌液时间,而对于等压法或真空法,其灌装所需时间应为灌液时间与充气或抽气时间两项之和。
1)充气等压时间当空瓶上升至灌装阀的瓶口帽接触并密封时,瓶内的空气由常压充气至与贮液箱液面上的气压相等,
以流体力学可知,这一过程是容器内 (即贮液箱内气相空间 )的气体经收缩形管嘴的外射流动,因为充气的气道在灌装的内部,而充气的时间又很短,故可把充气过程近似看成是没有摩擦损失的绝热过程 (或叫等熵过程 )。
由气体绝热过程方程式可知
(4-25)
式中,P0—充气前瓶内的气压 (即为大气压 );
P V P Vk k0 0 1 1?
P1—充气后瓶内气压 (即为贮液箱内压力 );
V0— 瓶内原有气体的气压 (即空瓶的容积 );
V1—瓶内气压增高至时,原有气体被压缩成的容积 ;
k—绝热指数,对于空气 k=1.4。
由上式可求得,
(4-26)
因此,对于一只瓶所补充进入空气容积为,ΔV=V0-V,
充气等压所需时间,
(4-27)
P1
V P VP
k
k1 0 0
1
g
s
V
W?
1
式中,—瓶内气压增高至 P1时,瓶内气体的重度,由绝热过程方程式可知
—向瓶内充气过程中,流经气道孔口截面上的气体平均重量流量 。
显然,气体的重量流量 Ws是一个变量,这是因为瓶内气压是由 P0不断变化为 P1的,随着瓶内瞬时气压 的不同,Ws也就有不同的瞬时值,即 Ws是 的函数,
根据气体绝热过程的柏努利方程式,列出贮液箱气道孔口截面的能量方程,
(4-28)
1
1 1
0
1/
0( )
P
P
k
Ws
P0
P0
k
k
P u
g
k
k
P u
g
1 2 1 2
1
1
1
2
0
0
0
2
式中,为贮液箱气相空间的气体流速,可近似认为 为瓶内瞬时气压为 P0'时瓶内空气的重量及灌装阀气道孔口的气体流速,由式可求得,
(4-29)
令 称为压力比,因此,气体经孔口射出的重量流量为,
(4-30)
式中,ｆ g—灌装阀气道孔口的截面积 。
u1
u u1 0 00,?,
u gkk P PP
k
k0 1
1
0
1
12
1 1? [ ( ) ]
PP0
1
W V f u f gkk PS s g g K
k
k
0 0 0 1 1 1
12
1 1
由式可做出 Ws—β线图,如图 4.34所示,图中 称为临界压力比,由 可求得
。对于空气 =0.53,对应
Wkp为极限喷射量。图中虚曲线是根据上面公式计算绘制的,实际上,由实验测得,当 β< 时,气流将为超音速,这时流量保持 Wkp
不变,故应为过 M点的一条水平线。
kp
dW
d S 0
kp? ( )2 1 1k
k
k
kp
kp 图 4.34 流量与压力比曲线由 Ws—β曲线图经过定积分,就可求出充气过程中的气体平均重量流量为,
(4-31)
式中,
应该说明,以上计算忽略了气道阻力的影响,计算中又取的平均重量流量,故存在一定误差,根据实验条件,
有人建议取充气等压时间为 0.5～ 1秒左右 。
W
W d W W dS kp kp S
kp?
m i n
m a x
m a x m i n
m i n
m a x
m a x m i n
( )
max m i n,pp PP1
1
0
1
1
2)抽气真空时间对于真空法灌装而言,灌液前瓶内要形成一定的真空度,气压必须由原有的 P0降低为 P1,则瓶内原有空气的体积 V1将膨胀部分的气体不断被抽走,温度基本保持不变,因此这一过程可以近似看成是等温过程,由气体等温过程方程式求得,
(4-32)
体积增大部分的空气即为必须抽走的空气量,所以抽气真空的时间应为,
(4-33)
V V PP1 0 0
1
g
S S S
V V
W
P
P V
P
P V
W
V PP
W?
0 1 0 0
1
0
0
0
1
0 0 0
1
0
1( ) ( ) ( )
式中,为真空泵平均分配在每头灌装阀上的抽气速率 。
它应由真空泵的抽气速率 Ws减去真空系统的泄漏量 以及液料中溶解空气逸出量,再除以灌装机的头数而求得,即,
真空系统由于设备和管道连接不严密,单位时间内被漏入的空气量一般可由表 4.4估算,
WS
WS
WS WS?
W W W WaS S S S
被灌装液料中原来所溶解的空气,由于抽成一定真空,溶解量则有所减少,简单估算时,
可参考每立方米水中溶解
2.5× 10 千克空气来计算,因此,单位时间内由液料中逸出的空气量应为,
=2.5× 10 × Q× V (4-35）
式中,Q—灌装机的生产能力；
V—每瓶液料定量灌装的容积。
2
WS?
2
表 4.4 真空系统的空气渗入量真空度
（ mmHg）
空 气 渗 漏 量
（ kg/h）
200~375
125~200
75~125
25~75
13.6~18.0
11.3~13.6
9.1~11.3
4.5~9.1
设计时,亦可先假定每只瓶在抽气真空阶段所需的时间,然后根据上面几个公式反过来估算真空泵的抽气速率,待泵选定后,尚需校核瓶在进液回气阶段能否保证瓶内始终维持己形成的真空度 P,这就要求被灌入液料所逐步占据的瓶内容积的空气必须及时抽走,即要求,
(4-36)
式中,V—为每瓶液料定量灌装的容积,粗略计算时可以取 V=V0。
假若不能满足上面不等式,则需重新选择 Ws或者设法改变 τ
W V
V PP
S?
1
0
1
0
3.生产能力的计算旋转型的自动灌装机的生产能力可用下式计算,
Q=60an (4-37)
式中,Q—生产能力 (瓶 /小时 );
a—灌装机头数 ;
n—灌装台的转速 (转 /分 )。
由式 (4-37)可见,要提高灌装机的生产能力就必须增大头数 a和转速 n。如果采用增大灌装机的头数 a
来提高生产率,那么,灌装机的旋转台直径也要相应增大,这不仅使机器庞大,
而且在旋转台转速一定的情况下,还必须考虑离心力的影响,即瓶托上的瓶子在尚末升瓶压紧灌装阀之前以及在灌满液料降瓶离开灌装阀之后,其绕立轴旋转时产生的离心力都必须小于瓶子与瓶托之间的摩擦力,否则瓶子将会被抛出托瓶台,从而影响正常操作,由此可得灌装头中心到立轴中心的距离,必须满足下列不等式,
(4-38)
式中,f—瓶与托瓶台间的摩擦系数 。
R gfn? 900 2 2?
如果采用增大立轴的转速 n来提高生产率,那么,
除同样需要考虑离心力的影响外,主要的还需考虑灌装时间的影响,当 n值提高,但液料灌装速度没有提高而与 n值不相适应时,瓶子在 旋转台上转动一周的时间内并末能灌满,没有达到定量要求,生产循环也因此受到破坏。
立轴旋转一周即灌装机完成一个工作循环所需时间为,
T＝ 60/n (4-39)
在完成一个工作循环的时间内必须包括下列几个部分,
(4-40)T T T T T T T1 2 2 3 3 4
如图 4.35所示,其中 T1为进出瓶之间的无瓶区所占去的时间,无瓶区的大小由进瓶,出瓶拔轮的结构所决定,显然,拔轮取得越大,进出瓶越稳,但所占无瓶区的角度相应也要增大 。 T2,为升瓶,降瓶所占去的时间,它们除应考虑升瓶前,降瓶后尚需稍为稳定的时间外,同时还应考虑升降瓶凸轮所允许的压力角,参照机械原理的有关知识,瓶托上升时为工作行程,许用压力角推荐为 [α]≤30° 。 瓶托下降时为空行程,许用压力角
[α]≤70° 。
T2
图 4.35 旋转型灌装机的工作循环图由此可见,圆柱凸轮的半径越大,升降行程越短,升降瓶区在转盘上所占的角度就可越小,但随着升降瓶凸轮半径的减小,在满足一定压力角的情况下,升降瓶区所占角度增大,经济效果不一定有利,另外,
在选择灌装阀的阀端结构时,采用短管法当然较之采用长管法可减少升降瓶的行程,从而减少升降瓶区 。 T3,T3′为开阀,关阀区所占的时间,这与灌装阀的结构形式和开闭方法有关系,例如,一般旋转阀较之移动阀开启所需时间长些,利用固定挡块开闭较之利用瓶子本身升降开闭所需时间长些,根据一般阀的生产情况,有人建议这段时间为 0.5~1秒左右 。
T4为灌装区所占时间,它必须保证定量灌装足够的需要 。
因此,确定立轴转速 n的关键是必须保证转盘上灌装区所占时间 T4大于工艺上所需时间,即满足不等式,
(4-41)
式中,它在常压法,等压法,真空法下的不同计算方法上面均己叙述,设计时,可以先根据确定的操作条件及阀的结构计算得出,再由上述不等式确定 T4,然后根据结构及其它条件确定转盘上灌装区所占角度,从而可以求得立轴转速 n应为,
(4-42)
T p4
p l g
p
4
n T T
p
60 6 64
4
4
对于定量杯定量法的灌装,确定立轴转速 n还必须保证充满定量杯所需的时间,在转盘上,一般要求在开阀前,关阀后这段区间内完成,即要求满足不等式,
(4-43)
式中,为充满定量杯工艺上所需的时间,它可采用下式计算,
(4-44)
式中,D—定量杯的直径 ;
H—定量杯的高度 ;
T T T f1 2 2
f
f
DH
u gu
( )
2
2
5
u—定量杯由液面沉下的速度 ;
g—重力加速度 ;
η—比例系数 。
u值由控制定量杯沉降的凸轮曲线所决定,η值由图 4.36
中查得,它与 u值和液料的粘度有关 。
图 4.36 定量杯充满时间的校正系数曲线二,机械计算在自动灌装机设计中,必须合理选择电动机功率,以保证灌装机的正常运转 。 同时,也将根据灌装机功率的大小,进行灌装机零部件 (如立轴,传动齿轮等 )的设计,如果电动机功率选择得过小,将会影响机器的使用性能或电动机长时间超负荷工作而容易发热烧坏,如果选择过大,将使机器笨重,浪费材料,增加机器成本,并且也不能发挥电机应有效能 。
1.功率的计算灌装所需功率与它的结构及工作过程有关,由于功率损失因素是十分复杂的,故难以用分析法进行精确计算,故采用对一些主要功率损失因素进行分析计算,然后迭加再乘以一个系数,近似求得灌装机功率,一般情况下,灌装机的启动功率为最大,启动时,功率主要消耗在以下几方面 。
1)启动液缸功率启动液缸功率即为使贮液箱,贮液箱内液料,旋转台等绕立轴旋转的另部件由静止到达工作转速所消耗的功率 。
由理论力学可知,使物体由静止到达角速度为 ω时,
消耗的功应等于物体所获得的动能,整个转盘以角速度 ω绕立轴转动的动能为,
(4-45)
式中,∑J—整个转盘对于立轴的转动惯量；
ω—角速度 。
A J12 2?
假若启动时间为 则启动整个转盘由静止到角速度 ω所消耗的功率为,
(4-46)
式中,τ—启动时间,常取 0.5秒 。
2)克服升瓶机构的滚轮沿固定凸轮滚动时的工作阻力和摩擦力所需消耗的功率升瓶机构的滚轮沿固定凸轮水平区段滚动时的摩擦阻力为,
(4-47)
0
N A J102 204
2
P Z G G k fdD1 1 1 2 2( )
式中,Z1—水平区段内升瓶机构的数目 ;
G1—升瓶机构内弹簧的压缩力 ;
G2—升瓶机构及盛有液料瓶子的总重 ;
K—滚轮沿凸轮轨道的滚动摩擦系数 ;
f—采用滚动轴承做为滚轮,其轴承折合在轴上的摩擦系数 ;
d—滚动轴承中沿滚珠中心的圆周直径 ;
D—滚轮直径 。
升瓶机构的滚轮沿固定凸轮升瓶区段滚动时的摩擦阻力为,
(4-48)
式中,α—滑道升角 ;
G3—升瓶机构及空瓶的总重 。
升瓶机构的滚轮沿固定凸轮滚动时的工作阻力和摩擦阻力所消耗的功率,
(4-49)
式中,R—升瓶机构绕灌装机中心立轴的回转半径 。
P z G G tg k fdD2 2 1 2 2( )( )?
N P P R2 1 2102( )?
3)克服支承立轴的轴承摩擦阻力所需消耗的功率因立轴转速较低,采用滑动轴承较为适宜,由机械零件可知,
(4-50)
式中,Ｐ —作用在轴承上的动载荷 ;
f—摩擦系数,一般取 0.07－ 0.1;
D—推力轴承的最大直径 ;
D1—推力轴承的最小直径 。
N
f P D D f P D D
3
1
14
102 408?
( ) ( )
灌装机的启动功率为,
(4-51)
式中,—与传动系统效率因素有关的系数 。
2.电机的选择
1)对电机的要求在选择电机时,首先应考虑到生产情况对电机的要求,灌装机工作的环境比较潮湿,
并有些小量冲击 。 因此,要求电机有防潮及防震装置 (防震是次要的 ),并且要连续进行工作 。
N N N N
N
启总 总
1 2 3
总
2)功率选择电机功率的选择,以启动和连续生产时其中最大的功率为选择电机功率的依据,考虑到备用系数,电机功率应为
(4-52)
由于功率计算存在误差,更好的方法是通过试验确定功率,即对样机或类似的灌装机在规定的操作条件上采用瓦特计法进行测定 。
3） 用类比法选择电机在设计中往往可以采用这种方法来选择电机,到工厂及有关单位去搜集与所设计的灌装机类型、生产能力等条件相近的灌装机所采用的电机类型,功率大小等方面的有关资料,然后参考这些资料来选择所设计的灌装机的电机功率和类型。
N N电 启? (,~,)1 1 1 2
3.灌装机主轴的计算旋转型灌装机的主轴是重要的零件之一,它用 A4、
A5碳素钢及 30,35,40,45优质钢制造 。 在必要时,
可在其表面上镀以金属保护层或用不锈钢制造也有用铸铁或铸钢制造的 。
旋转型灌装机的轴,主要是受扭或除了受扭外还受有轴向力,按其主要是受扭来计算直径,
(4-53)
式中,—轴某断面上所承受最大扭矩 ;
N—灌装机所需最大功率 (轴所传递功率 );
n—灌装机转速 。
M Nn扭? 97400
M扭根据强度条件,
(4-54)
式中,—许用剪应力；
—抗扭截面模数 。
对于实心轴,
(4-55)
式中,D—空心轴的外径 ;
d—空心轴的内孔直径 。
故可按下式计算轴的直径,
对于实心轴,
MW kp扭扭
[ ]
[ ]?kp
W扭
W D dD扭0 2 1 4,( )
(4-56)
(4-57)
对于空心轴,
(4-58)
式中,—许用剪应力,根据实验结果和强度理论来确定,它与载荷的性质 (动还是静 )及应力集中等因素有关 。 一般对软钢取 250kg/cm ～ 1000kg/cm,
计算时可参考设计规范 。
MW M d kp扭扭扭
0 25 3,[ ]
d
M N
nkp kp
扭
0 2
97400
0 2
3 3
,[ ],( )
d N n
kp
974000 2 1 43,( )[ ]
[ ]?kp
22
