灌裝生產線灌裝閥的設計[三維UG]灌裝機械【含圖紙】

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編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 液體灌裝生產線上灌裝閥的設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923821 學生姓名： 杭建國 指導教師： 何雪明 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 液體灌裝生 產線上灌裝閥的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所 取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注 引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其 他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 97 學 號： 0923821 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 液體灌裝生產線上灌裝閥的設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 在現(xiàn)代灌裝廠中，灌裝機和灌裝閥已經(jīng)成為了一個廠的命脈。一 個高效率高精度的灌裝閥可以為一個灌裝長帶來強大的活力。灌裝 閥的設計需要了解灌裝生產工藝的各項需求，且設計到不少專業(yè)知 識。此設計難度中等，設計量合適，可以很大程度提升學生的專業(yè)水 準。隨著技術的發(fā)展，生活水準的提高，灌裝技術在未來必將發(fā)揮出 巨大的作用。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 能 夠詳細的了解灌裝生產線的灌裝工序，熟悉灌裝的每一步的過 程，以及各部件的功效； 詳細 的了解灌裝機的全局機構和布置； 詳細 的了解灌裝機的傳動機構，以及撥瓶機構的傳動機構； 詳細 的了解灌裝閥工作的原理，灌裝閥的組成，以及灌裝閥工作時 的各個步驟； 四、接受任務學生： 機械 97 班 姓名 杭建國 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所 所長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 本論文設計是對液體灌裝生產線灌裝閥的設計，以及液體的灌裝方法在旋轉灌裝機 上的布置與安排。該液體灌裝閥的結構是閥體的上部有進液口，閥的下部有出液口，且 出口與灌裝頭部位有著密封裝置，通過擠壓力與密封裝置接觸，閥體上部設有排氣管， 該排氣管的一端從閥體內部穿過之后伸出液體出口與灌裝頭連接在一起而另外一端則伸 出液體與外部聯(lián)通從而排除氣體，在液體灌裝閥導通是閥體的上部進液口與下部出液口 會形成一個液體通道使得液體可以從此通道進入瓶體，灌裝頭的最大尺寸與大于液道的 最大尺寸，和滑動體的外徑對齊，可以避免灌裝過程中液體沖擊力形成大量泡沫等對灌 裝精度和效率的影響，在排氣通道在安裝壓緊螺母處設有螺紋,用來安裝壓緊螺母 ，閥 可以通過調節(jié)螺母和壓緊螺母調節(jié)彈簧的張力和閥體尺寸，用來調節(jié)灌裝過程中一些小 的光裝誤差，本發(fā)明在于灌裝完成后能及時停止灌裝,灌裝精度高,節(jié)約能源,應用廣泛， 效率高，且液體灌裝閥結構簡單。 關鍵詞：排氣管；彈簧；布置；彈性低壓件 IV Abstract In this the sis, the layout and arrangement of the liquid filling production line filling valve design, and liquid filling rotary filling machine. The structure of the liquid filling valve is the upper part of the valve body to the lower part of the liquid inlet valve in the liquid outlet, and exports and filling the first part has a sealing device through the squeeze pressure with sealing device contact, the upper part of the valve body set exhaust pipes, one end of the exhaust pipe extending from the valve body inside through the liquid outlet and filling heads connected together and the other end extending liquid with an external Unicom thus excluding gas, liquid filling valve is turned on. the valve element of an upper liquid inlet and a lower liquid outlet will form a liquid passage such that the liquid from the channel into the outer diameter of the bottle body, the maximum size of the filling head with larger than the maximum size of the fluid channel, and the sliding body alignment can to avoid the process of filling the hydraulic force the formation of a large number of foam filling accuracy and efficiency, is installed in the exhaust channel compression nut at a thread, used to install the compression nut, the valve can be pressed by adjusting nut and nut to adjust the spring tension and body size, is used to adjust the process of filling some small light mounting error, the present invention is that after completion of the filling time to stop filling, high precision filling, energy conservation, widely used, high efficiency and liquid filling valve structure is simple. Keywords: sliding body; The exhaust; Decorate; low pressure of Elastic V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 本課題的研究內容和意義 ...................................................................................................1 1.2 國內外的發(fā)展概況 ...............................................................................................................1 1.3 本課題應達到的要求 ...........................................................................................................2 2 灌裝生產線整體結構設計 .........................................................................................................3 2.1 方案的選取 ...........................................................................................................................3 2.1.1 直線型灌裝機 ................................................................................................................3 2.1.2 旋轉型灌裝機 ................................................................................................................3 2.1.3 自動化灌裝機 ................................................................................................................4 2.2 生產線各機構的設計 ...........................................................................................................5 2.2.1 灌裝的供瓶機構 ............................................................................................................5 2.2.2 灌裝的供料機構 ............................................................................................................6 2.2.3 灌裝閥的升降機構 ........................................................................................................7 2.3 本章小結 ...............................................................................................................................8 3 罐裝的基本原理和灌裝閥的分析與設計 .................................................................................9 3.1 罐裝的基本原理 ...................................................................................................................9 3.1.1 灌裝的基本方法 ............................................................................................................9 3.1.2 定量方法 ..........................................................................................................................12 3.2 灌裝閥的分析與設計 .........................................................................................................14 3.2.1 灌裝閥的工作原理 ......................................................................................................14 3.2.2 閥的各部分的設計與計算 ..........................................................................................14 3.2.3 灌裝時間的計算和過程 ..............................................................................................16 3.2.4 灌裝閥密封材料的選擇 ..............................................................................................19 3.2.5 灌裝閥門啟動結構設計與分類 ..................................................................................20 3.2.6 灌裝閥彈簧的分析與設計 ..........................................................................................21 3.3 本章小結 .............................................................................................................................30 4 灌裝過程的調整及機器存在的問題 .......................................................................................31 4.1 灌裝過程的調節(jié) .................................................................................................................31 4.1.1 料缸液位的調整 ..........................................................................................................31 4.1.2 灌裝量的調整 ..............................................................................................................31 4.1.3 轉速的調整 ..................................................................................................................31 4.1.4 機器存在的主要問題 ..................................................................................................32 5 電氣控制閥和調試維護 ...........................................................................................................33 5.1 電氣的控制 .........................................................................................................................33 VI 5.2 主要制動過程 .....................................................................................................................33 5.3 簡單的生產線運動控制 .....................................................................................................33 5.4 設備調試與維護 .................................................................................................................33 5.4.1 整機要求 ......................................................................................................................33 5.4.2 灌裝閥的調試與維護 ..................................................................................................33 5.4.3 安全操作規(guī)則 ..............................................................................................................34 6 結論與展望 ...............................................................................................................................35 6.1 結論 .....................................................................................................................................35 6.2 展望 .....................................................................................................................................35 致 謝 ...........................................................................................................................................36 參考文獻 .......................................................................................................................................37 附錄 ...............................................................................................................................................38 等壓法灌裝供料機構圖 ............................................................................................................38 壓力法供料機構 ........................................................................................................................38 液體灌裝生產線灌裝閥的設計 1 1 緒論 對于灌裝機的主要主成部分灌裝閥來說，缺少了灌裝閥自動灌裝生產線就無法運轉 工作，且一個灌裝閥的好壞決定了這個灌裝生產線上運作的效率，它需要根據(jù)灌裝工藝 的要求以最快的速度聯(lián)通或者切斷與儲液箱的聯(lián)系，保證灌裝工作的順利的進行，且由 于不同的液體的物理化學性質并不是相同的，故而導致了灌裝工藝的不同，因此所使用 的閥體也并不相同，不同的灌裝使用不同得閥體。諸如飲料，酒類，液體化妝品之類。 為了能夠更好地實現(xiàn)灌裝生產線的自動化，提高瓶裝生產線的效率，解決自動化灌 裝生產的各種問題，保證產品的質量，特進行本課題關于液體灌裝生產線灌裝閥的設計 研究。 1.1 本課題的研究內容和意義 隨著科學技術的日益發(fā)展與進步，人們的生活水平也是逐步的提高，由以前小農社 會的自給自足發(fā)展到由大型公司生產人們去購買的商品經(jīng)濟，而在此過程中由于人口基 數(shù)的增大同時還伴隨著人工成本的增加，自動化的生產需求已迫在眉睫。 為了滿足國內的消費需求彌補國內生產力的不足，我國從上世紀八十年代開始每年 都要進口大量的飲料、奶類制品以及酒類等包裝機械，至今引進的勢頭仍然是呈現(xiàn)上漲 勢頭。這些機械大部分是高速自動化的生產線，可靠性比較強，產量高，相當?shù)牟糠衷O 備是當今世界最為先進的機型。這些生產線的引進，使中國飲料、奶類制品以及酒類企 業(yè)包裝水平得以與發(fā)達的國家同步發(fā)展。與此同時，中國的包裝機械的生產也取得了長 足進步，部分灌裝、封口一體設備已經(jīng)達到了較高水平，包括塑料飲料瓶、酸奶杯、無 菌包裝等成型設備以及貼標機在內的包裝生產線的水平也得到了相當程度的提升，基本 可以滿足中型企業(yè)的需要，部分已經(jīng)可以替代進口設備，并且出口量逐年提高，灌裝閥 作為灌裝機中不可缺少的部分，應用十分廣泛，每年使用量相當巨大，國內在灌裝速度 和精度上和國際水平還存在著一定的差距，因此對灌裝閥重新研究設計若是可以取得成 功將大大推動中國包裝機械行業(yè)的發(fā)展，提高包裝行業(yè)在國際中的低位。 1.2 國內外的發(fā)展概況 生活水平的不斷提高不光改變著人們的生活習慣，同時也在使得人們對于產品的質 量提出更高的要求。十九世紀末二十世紀初以前,通常使用水罐、水杓進行人工灌裝或直 接將容器浸入液料中進行灌裝,此種方法不僅人工成本高，效率低下同時衛(wèi)生質量方面也 存在嚴重的缺陷。而在人們的日常生活中像需要灌裝后使用的液態(tài)生活必須品占用非常 之大的比例，例如牛奶、酒類、生活日用調料、化妝品、農用化學藥劑等等！而為了保 證這些產品能夠進行安全衛(wèi)生的大規(guī)模生產，我們就必須大力發(fā)展自動化灌裝生產！大 約在 1880 年美國以 Horix、Kiefer 和 U.S.BottLers 為主的幾家公司開始著手于研究容器灌 裝的機械裝置。世界第一臺用于商業(yè)行業(yè)的灌裝機是由 Kiefer 公司制造；在 1920 年 Horix 公司首次制造出了重力灌裝機。這家公司至今仍在生產灌裝機,這幾家公司于 20 世 紀出喀什著手于研究回轉式灌裝機，其中純真空灌裝機是由 U.S 公司制造的.我國在解放 前幾乎沒有灌裝機械,灌裝生產絕大部分處于手工操作,非常落后。70 年代初,北京、上海、 江蘇、深圳等地引進三十多條灌裝線,其中有西德 Seitz 廠產品、意大利 Simonazi 公司、 美國 Merer 公司、日本三菱公司,另外還有許多羅馬尼亞灌裝線。隨后,我國許多家仿制了 無錫太湖學院學士學位論文 2 不少灌裝線,初步解決了灌裝生產的落后面貌,但我國的灌裝機械的發(fā)展與國際上先進的 水平差距仍然很大。為此,我國應根據(jù)自己的國情,吸收國外的先進技術,設計和生產出具 有先進水平的灌裝機,其發(fā)展趨勢向高效化、自動化、節(jié)能化發(fā)展,力圖采用新技術、新 材料,如計算機輔助設計、微機控制等,開創(chuàng)一代新型灌裝機。灌裝閥作為灌裝機的重要 組成部分，決定著一臺灌裝機的性能和整條灌裝生產線的效率，在我國灌裝閥無論從質 量還是外觀上都與發(fā)達國家有很大的差距，造成產品差的原因在于采用的設計理論，設 計手段與設計方法，制造技術，檢測手段的落后，另外，國內配套設備的基礎件不穩(wěn)定， 對產品質量也有較大的影響，而我國包裝行業(yè)在飛速發(fā)展，急需對現(xiàn)有的閥進行改進和 創(chuàng)新。 1.3 本課題應達到的要求 鑒于飲料酒類一類的以及化妝品等生活用品已在人們的生活中占有越來越大的比例， 從而大大的帶動了灌裝行業(yè)的迅速發(fā)展。 故而在對灌裝閥設計的過程中我們應該立足于當代現(xiàn)實情況，要能夠滿足自動化的 生產且擁有一定的效率，同時在設計產品的過程中要全面的了解灌裝的原理以及各過程 的詳細步驟，對于各部件的功能需要詳細的了解，在保證產品的功能的基礎之上盡量提 高生產的效率，考慮灌裝閥在灌裝整體中的作用，對灌裝機的全局整體機構和布置進行 考慮，合理的對灌裝閥進行布置以達到更高的生產效率。 灌裝生產線上灌裝閥的設計 3 2 灌裝生產線整體結構設計 2.1 方案的選取 灌裝生產線上按照灌裝的類型的不同可以分為三種灌裝機。 2.1.1 直線型灌裝機 圖 2.1 直線型灌裝機工作原理圖 定量灌裝，上蓋，將瓶蓋擰緊，貼商標，待裝盒裝箱， 1推瓶板，2限位撥，3、11、13傳送帶，4傳送盤，5瓶子，6上蓋機構，7料斗， 8擰緊機構，9商標盒，10漿糊盒，12，推料板，14儲液箱，15灌裝管 由原理示意圖 2.1 可以清晰的看出來灌裝瓶沿著平直的直線運動,進行成排灌裝。每 送來的空瓶由著推瓶板向著前方推送，直至灌液口得下方此時閥門打開對瓶子進行灌裝， 此操作為間歇操作。這種類型的灌裝機結構相對比較簡單制造方便，但是相對的占地面 積較大而且由于是間歇運動在一定程度上生產的效率也就被限制了，一次一般只用于無 氣液料雷得灌裝，局限性較大。 2.1.2 旋轉型灌裝機 通過送系統(tǒng)將待灌瓶（或者人工）送入灌裝機的進瓶機構，通過灌裝機的轉盤帶動 主立軸旋轉運動可進行連續(xù)的灌裝，轉動近三分之二周時瓶子可灌滿，然后轉盤將瓶子 送入壓蓋機進行壓蓋，而此次所設計的閥體就是用于此類灌裝機，圖 2.2,2.3 為此灌裝機 的工作原理圖。圖 2.4 為本設計實體圖。 圖 2.2 旋轉灌裝機展開示意圖 圖 2.3 旋轉灌裝機俯視圖 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖 2.4 旋轉灌裝機實體圖 這種類型的灌裝機在食品，飲料行業(yè)有著相當廣泛的應用，諸如我們平常的日常生 活用品像汽水，果汁，啤酒等飲品的灌裝均由此類灌裝機進行灌裝。此機主要由流體輸 送、容器輸送、灌裝閥、大轉盤、傳送系統(tǒng)、機體、以及控制等各部分組成，而灌裝閥 是保證此灌裝機能否正常且效率工作的關鍵。 2.1.3 自動化灌裝機 自動化灌裝機可分為：聯(lián)合自動機和單機自動機也就是可以包括連續(xù)進行洗瓶、灌 裝、壓蓋、貼標、裝等一系列的工序。自動灌裝采用機械傳動控制為主的最普遍。另外 開可以按灌裝方法、關閉裝置及定量裝置等多種分類方法，具體的可見表 2.1。 表 2-1 自動灌裝機分類表 序號 分類型式 型式、技術特性、灌裝方法 1 按自動化程度分 手工灌裝機 半自動灌 裝機 單元自動灌裝機 液體包裝聯(lián)合自動機 2 按機械結構分 單排式 多排式 旋轉式 旋轉式 3 按灌裝方法分 在液位高度不 變的壓力灌裝 變液位的 壓力下灌 裝 真空灌裝 在壓力下灌裝 4 按關閉裝置分 旋塞式 閥門式 滑閥式 氣閥式 5 按定量裝置分 定量杯定量 液位高度 定量 定量泵定量 安瓶定量 灌裝生產線上灌裝閥的設計 5 2.2 生產線各機構的設計 2.2.1 灌裝的供瓶機構 在灌裝生產線上自動供瓶機構已經(jīng)取代了由人工進行的手動供瓶，而供瓶機構大致 可以分為分件供送螺桿機構和撥盤式等限機構。 分件供送螺桿機構 如下圖2.5為分件供送螺旋機構的運轉示意圖： 圖 2.5 分件供送螺桿機構 此分件供送螺桿機構是整個灌裝機的重要部件，其結構的好壞以及是否合理直接影 響到整個灌裝機能否正常進行灌裝和生產的效率。所以設計中應在滿足被供送瓶罐的外 形尺寸，星型撥輪節(jié)距及生產能力等的條件下合理的確定螺桿的直徑以及長度螺旋線旋 向及組合形式、螺旋槽軸向剖面幾何形狀和星型撥輪尺廓曲線，進而校核瓶罐受螺杠、 導向板、輸送帶等綜合作用能否達到給定的速度和間距，減輕沖擊、震動、卡滯現(xiàn)象， 實現(xiàn)平穩(wěn)可靠運動。 分件供送螺桿機構的工作原理為：由曲齒傳動帶動螺旋棒的旋轉，當瓶子輸送進入 輸送鏈帶后，由于螺旋棒的作用，使得瓶子形成以一定的間隔依次地排送，然后再經(jīng)過 撥瓶輪進入托瓶臺，從而進行灌裝。 花盤式限位機構 如圖 2.6 為花盤式限位機構由傳送機構。 圖 2.6 定數(shù)量供給的花盤限位裝置 1輸送帶，2花盤輪，3棘輪，,4棘爪擺桿,5凸輪, 6擺盤,7銷子,8推板,9開關 無錫太湖學院學士學位論文 6 將待灌裝的瓶罐送至花盤輪，經(jīng)花盤輪分隔裝置直接到傳送裝置端頭。當最前端的 瓶罐到達指定位置時可碰觸到電開關 9，使推板 8 立即將要求數(shù)量的一排瓶或罐橫向推進 一個距離。推板 8 行進中驅動擺盤 6,使之逆時針轉動,但凸輪 5 及棘爪擺桿 4 不動,推板 8 行進到與擺盤 6 脫離接觸時,擺盤 6 受彈簧作用而恢復到原位。 2.2.2 灌裝的供料機構 使用泵體及輸液管將灌裝液由貯液槽輸入貯液箱再由貯液箱經(jīng)灌裝閥輸入待灌容器 中，此過程即為整個灌裝體系的傳送系統(tǒng)。對于不同的灌裝方法有著不同的傳送供料系 統(tǒng)。作為灌裝系統(tǒng)的重要組成部分，供料機構的設計對灌裝速度和精度起著至關重要的 影響。根據(jù)機構的不同科大致的將供料機構分為四大類： 常壓法灌裝的液料供送機構 作為在常壓下進行灌裝的系統(tǒng)，此系統(tǒng)較為簡單。泵體將液體抽出通過輸液管送進 灌裝機的貯液箱，用浮子來對貯液箱內的液面高度進行控制是液面保持基本的恒定，液 體再經(jīng)由灌裝閥注入待裝的空瓶罐中。 真空法灌裝的液料供送裝置 真空法灌裝系統(tǒng)形式較多結構復雜，根據(jù)灌裝方式的不同可將其分為兩種類型：一 種是將瓶子內部氣體抽空利用壓強差進行灌裝。另外一種是將貯液箱和瓶子均抽空氣體 液體依靠其自身難保重力完成灌裝。因為真空灌裝供料系統(tǒng)結構較為復雜且與本設計并 沒有太大聯(lián)系在此就不做太詳細的介紹。 等壓法灌裝的液料供料機構 此原理圖于附錄圖 1.進液總管 3 與灌裝機頂部的輸入頭 9 互相連通，在輸入頭的下 端有著六根供液管 14 與待裝瓶罐 12 互相連通。打開運行閥 5，通過透明管體 4 觀察進液 的壓力，當壓力不足使得液體流動緩慢或壓力過高使得液體沖出均需調節(jié)使得壓力平衡， 待壓力正常方可打開乳液總閥 16 進行灌裝！無菌壓縮氣管 1 分叉為了兩路，其中氣管 12 將液體輸入待灌裝瓶罐，它經(jīng)過輸入頭直接與環(huán)形的待灌裝器皿相互連通，其作用是在 灌裝之前對器皿內充壓，此作用可預防液體在進入器皿內時由于突然的降壓從而冒泡。 該管上截止閥 8 在進液總閥 10 打開后需要關閉，另一路平衡氣管 11 以輸入頭接到高液 浮泡 17 上的充氣閥 15，從而達到控制待灌裝器皿內部液位高度的目的。 當液壓高于氣壓會導致液面太高，此時高位浮泡立即上升打開充氣閥 15，將無菌的 空氣壓縮進入器皿，以補足氣壓從而保證了液體能夠穩(wěn)定的進入器皿，而當液壓低于氣 壓時導致液面下降，此時低位液浮泡 7 下降，打開放氣閥 13 是的器皿內部的部分氣體得 以釋放。氣壓的降低是的進液增多，保證了液面基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)大致位于視鏡 9 的 中部。 壓力法灌裝的液料供送機構 附錄圖 2 是此方法的灌裝供料簡圖。它由四個組要部分組成分別是穩(wěn)壓裝置，旋塞 閥，推料活塞以及填充器。 由于物料是通過泵體或者人工裝入貯液箱內部，因此在灌裝的時可能會產生壓力的 不穩(wěn)定從而產生定量誤差，為了提高灌裝的精度可以采用穩(wěn)壓裝置來穩(wěn)定供料壓力。 供料泵體將物料送至管 14，穩(wěn)壓活塞 15 位于三通管的上端經(jīng)過減壓調整后的壓縮空 氣進入氣缸 19，形成對穩(wěn)壓活塞的一定的壓力，穩(wěn)壓活塞桿 19 上的感應板通過感應三通 灌裝生產線上灌裝閥的設計 7 管內出料壓力的增加與減少來上升或者下降，于此同時上、下無觸點開關則發(fā)出信號控 制料泵運轉或者停轉。因此保證了供料的壓力始終保持穩(wěn)定。 保證了灌裝的質量。同時為了防止物料的滴漏,在充填器底部特意安裝一只有孔道的 滾柱 1,當旋轉閥來回擺動時,帶動凸輪 3 也一起來回擺動, 從而使頂桿 2 上下串動,壓迫 滾柱 1 實現(xiàn)快速啟閉,提高了灌裝精度。 2.2.3 灌裝閥的升降機構 在一般的旋轉型灌裝機中，為了滿足灌裝的需要必須把瓶子通過升降機構進行升降 與灌裝閥配合在瓶子升降的過程中完成灌裝。這種升瓶機構的結構比較簡單,但是工作可 靠性差,如果灌裝機運轉過程中出現(xiàn)故障,瓶子沿著滑道上升,很容易將瓶子擠壞,對瓶子 質量要求很高,特別是瓶頸不能彎曲,瓶子被推上瓶托時,要求位置準確,在工作中,緩沖彈 簧也容易失效,需要經(jīng)常更換。 為了克服這個問題在本次設計中采取了使灌裝閥進行升降的機構。其結構工作原理 圖由圖 2.7 及圖 2.8 所示。 圖 2.7 灌裝閥的升降機構 圖 2.8 灌裝閥的升降機構軌道示意圖 圖中可以看出灌裝閥通過貯液箱蓋上的軌道由軌道對灌裝閥進行擠使得閥體下降， 在下降的時候閥體的出液口進入瓶口，瓶口頂住出液口的滑套使得滑套上升與排氣管分 無錫太湖學院學士學位論文 8 離形成間隙，液體通過此間隙進入瓶子。如圖 2.9 所示意。 圖 2.9 瓶子與灌裝閥配合液體流入瓶子 此種結構可以更快的進行灌裝提高灌裝效率，但是此結構在灌裝閥和貯液箱的結合 處需求很高的密封性能，若是密封性能不足會造成液體在一定程度上的泄露。對瓶子質 量要求很高,特別是瓶頸不能彎曲,瓶子被推上瓶托時,要求位置準確,在工作中,緩沖彈簧 也容易失效,需要經(jīng)常更換。因此,這種結構適用于小型的半自動化的不含氣體的液料灌 裝機中。 對于灌裝閥升降機構的要求是：迅速、運行平穩(wěn)、安全可靠、住起額。在設計時應 根據(jù)灌裝機的具體要求進行具體的分析，選擇合理可靠，經(jīng)濟實惠的結構。 2.3 本章小結 在本章我們主要介紹了如何堆灌裝機進行選取，以及旋轉式灌裝機生產線上的各重 要的相關機構的基本功能以及它所實現(xiàn)的運動，通過此章的介紹我們可以對灌裝生產線 有一定的基本的認識與了解，能夠做出進一步的設計改進。 灌裝生產線上灌裝閥的設計 9 3 罐裝的基本原理和灌裝閥的分析與設計 3.1 罐裝的基本原理 3.1.1 灌裝的基本方法 由于各種液體的化學物理性質的不同，為了在灌裝不同的液體是保證罐裝的安全以 及效率必然要設計不同的灌裝工藝，從而導致了灌裝方法必然不同的結果。在此我們選 取一般灌裝機常采用的幾種灌裝方法進行介紹： (1) 等壓法 等壓法灌裝是利用貯液箱上部氣室里的壓縮空氣，給包裝容器進行充氣，使二者的 壓力接近于相等，然后灌裝液料靠自重自行流入該容器內的灌裝方法。等壓灌裝的工藝 過程為：(一)充氣等壓。(二)進液回氣。(三)停止進液。(四)釋放壓力，即將瓶內的殘 留空氣釋放至大氣，以此來避免瓶內因為突然降壓而引起大量冒泡，從而影響到包裝質 量和定量精度。等壓法灌裝適用于含氣飲料，如啤酒、汽水等的灌裝，可減少其中所含 二氧化碳的損失。 圖 3.1 等壓灌裝工作狀態(tài) (2) 常壓法 常壓法也稱純重力法,即灌裝是在大氣壓力下直接依靠被灌裝液料的自重流入包裝容 器內的灌裝方法。 常壓灌裝的工藝過程為：(一)進液排氣，即液料進入容器，同時容器內的空氣被排 出。(二)停止進液，即容器內的液料達到定量要求時，進液自動停止。(三)排除余液， 即排除氣管中的殘液。 無錫太湖學院學士學位論文 10 圖 3.2 常壓閥灌裝工作狀態(tài) (3) 真空法 所謂真空灌裝是指灌裝過程是在處于地獄大氣壓力下進行的，可分為兩種真空灌裝 方式： 重力真空式 此方法是讓貯液箱內處于真空的環(huán)境，然后對包裝容器抽氣讓其內的氣壓與貯液箱 處于幾乎相等的真空環(huán)境，此時液料通過自身的重力流進包裝容器之中。此方法擁有適 合灌裝年度較大、延長罐裝產品保質期、在灌裝有毒物能夠不讓毒氣揮發(fā)保護工人的身 體健康等優(yōu)點。但是由于結構比較復雜制造技術較高，國內的應用推廣較少。 圖 3.3 重力真空灌裝示意圖 壓差真空式 此法是讓讓貯液箱內部處于常壓狀態(tài)，只對包裝容器內部抽氣，使其形成一定的真 空度，液料依靠兩容器內的壓力差，流入包裝容器并完成灌裝。由于其設備結構簡單， 方法可靠所以國內大部分采取此法進行灌裝。 (4) 虹吸法 虹吸法是利用虹吸原理使液料從貯液箱經(jīng)由虹吸管被吸入容器內，直至兩個的液位 灌裝生產線上灌裝閥的設計 11 相等。此方法在早起就已出現(xiàn)，由于其原理設備標膠簡單所以為人們所容易接受，但由 于其效率的低下已經(jīng)不適應在科學日益發(fā)展自動化普及的現(xiàn)代化社使用。 圖 3.4 虹吸法灌裝及供料示意圖 1虹吸管，2浮子，3灌裝閥，4灌裝頭，5貯液杯， 6貯液箱，7進液閥，8進液管 (5) 壓力法 壓力灌裝是借助機械或氣液壓等裝置控制活塞往復運動，將粘度較高的液料從料缸 吸入活塞缸內，然后再強制壓入待灌容器中的。此方法主要應用在灌裝粘度較大的物質， 比如牙膏，番茄醬等。也可用于汽水一類的灌裝由于是氣壓直接把汽水壓入瓶內所以灌 裝速度在一定的程度上得到提高，但由于汽水本身不含有膠質物質，易形成泡沫消失， 所以對于灌裝質量有一定的影響。 圖 3.5 壓力閥灌裝原理 在選用上述幾種灌裝方法的時候我們除了需要考慮也比本身的性質如粘度、揮發(fā)性 等之外還必須考慮產品的工藝要求，灌裝機、灌裝閥的結構等綜合的因素。只有在星河 的考慮了各種因素之后，我們才能更好的設計出一個合理的加工工藝以及選擇合理且效 無錫太湖學院學士學位論文 12 率的灌裝方法。 3.1.2 定量方法 灌裝的時候不光需要考慮罐裝的效率也不光是灌裝機能夠運行便可以說灌裝已經(jīng)可 以順利的進行。在考慮這些東西的時候我們還必須考慮如何準確的定量灌裝，因為準確 的定量灌裝不但影響著生產的成本，同時也在無形之中影響著消費者對此產品的評價。 包裝物品通常采取重量定量和容積定量兩種方法。鑒于我們在此討論的是液體產品的灌 裝定量方法所以我們對容積定量進行討論。常見的容積定量有如下四種方法： (1) 定量杯定量法 定量杯定量是指將所需灌裝的液料注入定量杯中，然后再進行灌裝。由于是在定量 杯中進行過準確的定量所以只要在途中沒有滴液損失，那么每次灌裝的液料應當?shù)韧?定量杯中所定量的容積。若是需要改變灌裝量只需要改變調節(jié)管在定量杯中的高度或者 更換定量杯即可。此方法由于經(jīng)過定量杯準確定量故精度較高。 圖 3.6 定量杯工作示意圖 (2) 控制液位定量法 控制液定量法是通過灌裝時控制被灌容器的液位來達到定量值的，因為每次灌裝的 液料容積等于一定高度的瓶子內腔容積，習慣上稱為“以瓶定量法” 。 當瓶內液位升至 排氣管口時，氣體不再能排出，隨著液料的繼續(xù)灌入，瓶頸部分的殘留氣體被壓縮，當 其與管口內截面上的靜壓力達到平衡時，則瓶內液位保持不變，而排氣管內的液體高度 與貯液箱液位高度相等?？梢?，每次灌裝液料的容積等于一定高度的瓶子內腔容積。要 改變灌裝量，只需改變排氣管口伸入瓶內的位置即可。這種方法，設備結構簡單，應用 廣泛。但因為瓶子的容積精度直接影響灌裝量的精度，所以對于要求定量準確度高的產 品不宜采用。 灌裝生產線上灌裝閥的設計 13 圖 3.7 控制液位定量示意圖 (3) 定量泵定量法 定量泵定量是采用機械壓力罐裝的一種方法，每次灌裝物料的容積與活塞往復運動 的行程成正比。要改變灌裝量，只需調節(jié)活塞的行程。 圖3.8定量泵工作示意圖 (4) 電子式計量法 灌裝閥中有兩個大小不同的液道，液體通過液道時，由負載傳感器隨時地邊灌裝邊 測量液體的重量，當充填的液體接近規(guī)定的充填量時，灌裝閥則轉換成小流量回路，因 而灌裝精度高。另外，在灌裝液體前，顯示器清零，容器重量有測定偏差，則重新定值， 對灌裝量無影響。 無錫太湖學院學士學位論文 14 圖 3.9 電子式計量法示意圖 對上述四種定量方法進行對比，我們可以發(fā)現(xiàn)從定量精度上考慮定量杯定量精度較 高，但其結構精度遠比控制液面定量復雜所以其成本也就較高。所以在實際應用時我們 應該考慮各方面的因素，選擇做合適的定量方法。 3.2 灌裝閥的分析與設計 3.2.1 灌裝閥的工作原理 灌裝閥是液箱、氣室（包括充氣室、排氣室、真空室）和灌裝容器這三者之間的流 體通路開關，而且根據(jù)灌裝工藝要求，能進行相應的灌裝。不同的灌裝方法通常需要選 用不同的灌裝閥。顯然，灌裝閥是關系到灌裝生產線能否精準高效運作的關鍵部件。 圖 3.10 詳細的顯示了灌裝閥的工作原理其中(a)為非灌裝位置(b)為灌裝位置。 （a）非灌裝位置圖 （b）灌裝位置圖 圖 3.10 灌裝閥工作原理圖 1排氣管，2上調節(jié)螺母，3灌裝閥身，4上固定螺母，5彈簧，6固定螺母， 7下調節(jié)螺母，8滑套，9橡膠墊 如圖所示為本設計灌裝閥的工作原理，當滑套 8 上的橡皮墊與瓶口接觸時灌裝閥下 降導致滑套 8 上升，灌裝頭 9 與滑套出現(xiàn)間隙，液體從該間隙流入瓶內，當液體逐漸上 升與排氣管的下部接觸時，氣體將不能排除，此時液體繼續(xù)進入瓶子導致排氣管的下部 孔口完全被淹沒，此時瓶內空氣無法排除導致氣體被壓縮，當瓶內的氣壓與貯液箱內的 灌裝生產線上灌裝閥的設計 15 氣壓互相平衡時液料就會沿著排氣管上升到與貯液箱內液體相平的高度，然后灌裝閥上 升彈簧 5 保證了灌裝頭與滑套間的重新閉合。排氣管內的液體滴到瓶子。 3.2.2 閥的各部分的設計與計算 (1) 閥端結構的設計分析 閥體的閥端的氣液道德布置根據(jù)氣體和液體進出瓶子狀況的不同的情況，大致可分 為兩類：一類是利用環(huán)隙進行回氣，而中心管來灌裝液體。另外一種則是利用灌裝閥的 環(huán)隙灌裝液體而中心管回氣。前者屬于長管灌裝閥，后者則是短管灌裝閥。兩種閥體各 有弊端與優(yōu)勢，因此我們在設計閥體的時候應該根據(jù)我們所需要的工藝來進行選擇。 長管灌裝閥的特點 此閥在罐裝的過程之中，灌裝入液口伸入到接近瓶底的部位，在此時罐裝的液體從 入液口進入瓶子，初始時液體從管口自由流出，經(jīng)過一段時間之后隨著頁面的漸漸地升 高灌裝口逐漸被液體淹沒，此后的灌裝都屬于淹沒流出。而淹沒流出的過程占有灌裝過 程中的絕大部分的時間。此過程中被灌裝的液面僅僅表面與空氣接觸，大幅度的減少了 氧氣在液體中的溶解程度。但是此方法由于受到自身的結構設計的限制以及瓶口大小的 限制，導致了灌裝的流通截面較小，這樣就會在灌裝時的流速較低，效率低下。 短管灌裝閥的特點 短管灌裝閥在灌裝的過程中，將灌裝嘴口伸入瓶頸部分，灌裝液料自管嘴穩(wěn)定自由 的流出。由于回氣管上都裝有分散罩，所以在灌裝的過程中會形成沿壁流。因為灌裝管 是呈現(xiàn)環(huán)隙的狀態(tài)，所以相對圓形管而言就比較大，所以液體的阻力就相對的較小，使 得灌裝穩(wěn)定易于控制。 此外為了保證在液料升至回氣管之后，瓶頸出的氣體能夠很快的被壓縮，在設計的 時候應該注意使進液口盡量的靠近瓶口，這樣瓶口處的空間較小方便于氣體的壓縮，同 時為了保證罐裝的精度，方便截流，進液口不能設計的過大。 在本設計中采取的是短管設計閥的方案，圖 3.11 為其實體示意圖。 圖 3.11 短管灌裝閥示意圖 (2) 閥的受力分析 灌裝時液體由灌裝閥流進待灌瓶時，液體在灌裝閥內部受重力作用，做自由落體的 運動，當進入瓶子時液體會對灌裝頭形成一定的沖擊，此沖擊受到灌裝頭的大小、液體 的流速等各因素的影響，為了減少沖擊對閥體帶來的影響減少由于沖擊帶來的灌裝精度 的不準確，我們在設計閥體的時候需要對此進行精確且詳細的計算和設計合理的方案。 為了能夠得到最安全的數(shù)據(jù)我們選擇在瓶口將滑套頂至最高位的時候計算，因為此 時液體對閥端口的沖擊力是最大，只要我們將設計的安全數(shù)據(jù)以此為參考那么我們將可 無錫太湖學院學士學位論文 16 以保證灌裝的精準以及安全。 如圖 3.12 所示為灌裝時進液的示意圖，根據(jù)能量守恒定律我們可以知道液體的流速 在開啟的那一刻由速度 0 慢慢的增大，由公式：0V (3.1)21mvgh (3.2)ATVdaF 圖 3.12 灌裝閥進液示意圖 根據(jù)上述公式我們可以推導出灌裝時閥端所受的最大沖擊力，為了避免此沖擊力對 灌裝所產生的影響，可以采取適當?shù)拇胧﹣肀苊?。通?？梢詼p小灌裝閥閥口的大小、減 小管道的直徑來達到減小流量的目的、在閥中可設置緩沖裝置、將灌裝頭改為橡膠來減 小沖擊力等方法。 3.2.3 灌裝時間的計算和過程 (1) 罐裝的水利工程