【文章內(nèi)容簡介】 行業(yè)快速發(fā)展的需求，并積極參與國際競爭，就必須打破“小而散”的行業(yè)態(tài)勢，在“高精尖”的方向上不斷前進。業(yè)內(nèi)人士認為，未來液體灌裝藥瓶灌裝機運動方案設(shè)計 4 機將配合產(chǎn)業(yè)自動化趨勢，在技術(shù)發(fā)展上朝著機械功能多元化，結(jié)構(gòu)設(shè)計標準化、模組化，控制智能化，結(jié)構(gòu)高精度化等幾個方向發(fā)展液體。因此灌裝機的發(fā)展為食品、藥品的現(xiàn)代化加工和大批量生產(chǎn)提供了必要的保證。 從而再一次證明了液體灌裝機的發(fā)展市場潛力巨大。 本章小結(jié) 本章簡單介紹了本課題研究的提出背景、目的及意義 ， 在對灌裝機的發(fā)展歷史進行回顧時，并分析了目前國內(nèi)外灌裝機的發(fā)展現(xiàn)狀， 使讀者對本課題有了初步的了解，同時知道了 灌裝機的需求，以及國內(nèi)外對改技術(shù)的掌握程度，灌裝機 的需求和其應(yīng)用方向體現(xiàn)了它的重要性，說明我們的研究價值，也體現(xiàn)它能給社會帶來的貢獻和作用。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 灌裝機的 設(shè)計 分析 灌裝機的 結(jié)構(gòu) 與簡介 液體灌裝機是一種采用一定機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)基本罐裝動作，配以電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)整個過程的協(xié)調(diào)進行，實現(xiàn)高效率，高精度的自動化設(shè)備。 由于液體灌裝機械 功能要求不同，包含的范圍廣泛，所以 液體灌裝機械的種類繁多， 通常會有以下幾種分類。 液體灌裝機按灌裝原理可分為常壓灌裝機，壓力灌裝機和真空灌裝機。 按灌裝操作類型可分為全自動液體灌裝機和半自動液體灌裝機 。 按灌裝種類可分為稀釋液體灌裝機濃型液體灌裝機和油類灌裝機等 。 壓蓋機采用壓力灌裝方法，是在高于大氣壓力下進行灌裝，貯液缸內(nèi)的壓力高于瓶中的壓力，液體靠壓差流入瓶內(nèi)。其用途廣，可用于各種液體的灌裝；可調(diào)節(jié)性好，通過調(diào)節(jié)可用于不同大小的瓶類容器的灌裝；自動化程度高，動作協(xié)調(diào)，從瓶子的輸入 到灌裝完畢的輸出的一系列動作無須人工的干預(yù)；灌裝周期短，生產(chǎn)效率高。它集頂塞、旋塞、送塞、 壓塞、灌裝功能于一體。 目前國內(nèi) 灌裝機絕大部分采用的是氣缸活塞機構(gòu)。這種機構(gòu)的主要精度取決于氣缸的制造加工精度，而就現(xiàn)階段的加工技術(shù)很難達到很高精度， 在灌 裝過程中氣缸與活塞之間很容易吸入空 氣，影響灌 裝精度。這種灌裝機工作原理： 通過氣缸的前后運動帶動料缸內(nèi)的活塞作往復(fù)運動，實現(xiàn)吸料、灌 裝 ， 灌裝工藝路線基本上是： 打開啟動開關(guān)，氣體進入氣缸后腔，隨著氣體增多壓強增大，推動活塞 向前運動，從而使灌 裝將液通過出料接頭內(nèi)的單向閥進入出料軟管，然后順流到待裝空瓶。相反，當返程開關(guān)啟動，活塞向后運動，壓強減小 ，進料單向閥打 開，供料裝置里的液體在大氣壓的作用下進入進料管，隨后在進入入料缸。 如圖 21 所示，為全自動活塞式灌 裝機。 圖 21 藥瓶 灌裝機 灌裝機類型 及其 選擇 前面我們已經(jīng)介紹了灌裝機的一般分類方法，按照原理可以分為常壓、壓力、真空灌藥瓶灌裝機運動方案設(shè)計 6 裝機等。 按灌裝瓶的主要運動形式分類 ： （ 1） 旋轉(zhuǎn)型灌裝機 一般是由履帶將待灌裝瓶由傳送系統(tǒng) 送入灌裝機進瓶機構(gòu)， 罐裝機構(gòu)中間有一個 圓盤轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺上面有多個工位對應(yīng)灌裝、定量、封裝。帶灌 裝瓶進入罐裝機構(gòu)會隨著轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺進入不同工位最后送走 。 (2) 直線型灌裝機 灌裝瓶沿著平直的直線運動，進行成排灌裝。凡送來一排空瓶由推瓶板向前推送一次，到送至灌液管的下方時 ，閥門打開進行灌裝，間歇進行操作。 (3) 凸輪式灌裝機 由電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸 上分別安裝了不同的功能的凸輪，由于每個凸輪按照不同的路線設(shè)計了 外輪廓，只要把正確分配凸輪的安裝位置及其夾角就可以實現(xiàn)一連串的灌 裝、封裝功能。當主軸在伺服電機的帶動下帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪滾子機構(gòu)運動帶動連桿上下往復(fù)運動，最后經(jīng)過一些其他機構(gòu)實現(xiàn) 整個灌裝機運行。 方案比較： 旋轉(zhuǎn)型灌裝機在食品、飲料行業(yè)應(yīng)用最廣泛，如汽水、果汁、啤酒、牛奶的灌裝， 此機主要由流體輸送、容器輸送、灌裝閥、大轉(zhuǎn)盤、傳動系統(tǒng)、機體、自控等部分所組成，其中灌裝閥是保證灌裝機能否正常工作的關(guān)鍵。 直線型灌裝機，制造方便，但占地面積比較大，而且是間歇運動，生產(chǎn)能力的提高也受到一定限制， 因此一般只用于無 氣 液料類的灌裝，局限性較大。 凸輪式灌裝機相對前兩者結(jié)構(gòu)原理比較簡單，運行穩(wěn)妥可靠，維護成本低。所以根據(jù)原始數(shù)據(jù)及灌裝要求，選擇凸輪式灌裝機比較合理。 灌裝方法的選擇 計算各種液體產(chǎn)品的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì) 均不相同，在灌裝過程中，為了使產(chǎn)品的特性保持不變，必須采用不同的灌裝方法。一般灌裝機常采用 下列幾種灌裝方法： （ 1） 常壓法 常壓法也稱純重力法，即在常壓下，液料依靠自重流進包裝容器內(nèi)。大部分能自由流動的不含氣液料都可用此法灌裝，例如白酒、果酒、牛奶、果醬、醋等。 （ 2） 等壓法 等壓法也稱壓力重力式灌裝法，即在高于大氣壓的條件下，首先對包裝容器充氣，使之形成與貯液箱內(nèi)相等的氣壓，然后再依靠被灌液料的自重流進包裝容器內(nèi)。這種方法普遍用于含氣飲料，如啤酒、汽水、汽酒等的灌裝。采用此種方法灌裝，可以減少這類產(chǎn)品中所含二氧化碳的損失，并能防止灌裝過程中過量起泡而影響產(chǎn)品質(zhì)量和定量精度。 （ 3） 真空法 是在低于大氣壓的條件下進行灌裝的，可按兩種方式進行： 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 （ 4） 壓差真空式 即貯液箱內(nèi)處于常壓，只對包裝容器抽氣使之形成真空，液料依靠貯液箱與待灌容器間的壓差作用產(chǎn)生流動而完成灌裝，國內(nèi)此種方法較 常用。 （ 5） 重力真空式 即貯液箱內(nèi)處于真空，包裝容器首先抽氣使之形成與貯液箱內(nèi)相等的真空，隨后液料依靠自重流進包裝容器內(nèi)，因結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，國內(nèi)較少用。真空法灌裝應(yīng)用面較廣，它即適用于灌裝粘度稍大的液體物料，如油類、糖漿等，也適用于灌裝含維生素的液體物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶內(nèi)形成真空就意味著減少了液料與空氣的接觸，延長了產(chǎn)品的保質(zhì)期，真空法還適用于灌裝有毒的物料，如如農(nóng)藥等， 以減少毒性氣體的外溢，改善勞動條件。 （ 6） 壓力法 利用機械壓力或氣壓，將被灌物料擠入包裝容器內(nèi)，這種方法主要用于灌裝粘度較大的稠性物料，例如灌裝番茄醬、肉糜、牙膏、香脂等，有時也可用于汽水一類軟飲料的灌裝，這時靠汽水本身的氣壓直接灌入未經(jīng)充氣等壓的瓶內(nèi)，從而提高了灌裝速度，形成的泡沫因汽水中無膠體尚易消失，對灌裝質(zhì)量有一定影響，但不算太大。 （ 7） 虹吸法 利用虹吸原理完成灌裝的方法。此種方法出現(xiàn)最早，人們最容易接受，原理比較簡單，現(xiàn)在很少使用。 上述幾種灌裝方法的正確選擇， 除考慮液體本身的工藝性能如粘度、重度、含氣性、揮發(fā)性外，還必須考慮產(chǎn)品的工藝要求、灌 裝機的機械結(jié)構(gòu)等綜合因素。對于一般不含氣的食用液料如瓶裝牛奶、瓶裝酒類等，可以采用常壓法，亦可采用真空法，為了減少灌裝時液料中的含氧氣量，以便延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，采用較大的真空度的真空法更有利。 所以我們采用的是真空法。 液料定量方法的選擇 準確的定量灌裝不但與產(chǎn)品的成本有著直接的關(guān)系，同時也影響產(chǎn)品在消費者心中的信譽。包裝物品的定量一般有重量定量和容積定量兩種。重量定量由于要增添秤等計量衡器，所以機器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 適用于比較重、經(jīng)常變化的固體物料，且往往要配置一套電路用以機電配合；容積定量機器的定量 機構(gòu)比較簡單，一般不需電路配合。液體產(chǎn)品一般易采用容積式定量，常見的有如下三種方法： （ 1） 控制液位高度定量法 這種方法是通過控制被灌容器中液位的高度以達到定量灌裝的目的。因為每次灌裝的液料 容積等于一定高度的瓶子內(nèi)腔容積，故習(xí)慣稱它為“以瓶定量”。該方法結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要輔助設(shè)備，使用方便，但對于要求定量準確度高的產(chǎn)品不宜采用，因為瓶子的容積精度直接影響灌裝量的精度。對于這種定量方法，若改變每次的灌裝量，則只需排氣藥瓶灌裝機運動方案設(shè)計 8 管嘴進入瓶中的位置。 （ 2） 定量杯定量法 這種方法是先將液體注入定量杯中進行定量，然后再將計量的液體注入待灌瓶中，因此，每次灌裝的容積等于定量杯的容積。 （ 3） 定量泵定量法 這是一種采用壓力法灌裝的定量方法，一般 由動力控制活塞往復(fù)運動，將物料從貯料缸吸入活塞缸，然后再壓入灌裝容器中，由此每次灌裝物料的容積用活塞往復(fù)運動的行程來控制。 比較上述三種定量方法，從定量精度來看，第一種方法由于直接受到瓶子容積精度以及瓶口密封程度的影響，其定量精度不及后二種方法高，若從機械結(jié)構(gòu)看，第一種顯然最為簡單，因此，它自然得到廣泛應(yīng)用，所以選擇第一種。 液料供 送裝置的選擇 灌裝液料由貯液槽經(jīng)泵（或直接由高位槽）及輸液管將液體產(chǎn)品輸入貯液箱，再由貯液箱經(jīng)灌裝閥輸入待灌容器中，這就形成了整個灌裝液料的供送系統(tǒng)。對于等壓法、真空法有時還需對貯液箱充氣或抽氣。由此可見，不同的灌裝方法就應(yīng)有不同的供料系統(tǒng)。下面只對常壓法灌裝的液料供送機構(gòu)和真空法灌裝的液料供送裝置介紹做以比較： （ 1） 常壓法灌裝的液料供送機構(gòu) 此法是在常壓下灌裝的，因此灌裝系統(tǒng)較為簡單。液體產(chǎn)品由高位槽或泵經(jīng)輸液管送進灌裝機的貯液箱，貯液箱內(nèi)的流體產(chǎn)品再經(jīng)過灌裝閥的開關(guān)進入待灌容器中。 （ 2） 真空法灌裝的液料供送裝置 真空法灌裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，形式較多，但根據(jù)其采用灌裝方式不同，大體可分兩種類型：一種方式是在待灌瓶和貯液箱中都建立真空 ，而液體是靠自重產(chǎn)生流動而灌裝的；另一種方式是在瓶中建立真空，靠壓差完成灌裝。真空法灌裝機的供料系統(tǒng)可有單室、雙室、三室等多種形式， 單室屬于前一種真空法灌裝，其余屬于后一種方法。 ① 單室：這是一種真空室與貯液箱合為一室的供料系統(tǒng)。 ② 雙室：這是由貯液箱和真空室按照上下布局組成的供料裝置。 ③ 多室：這種結(jié)構(gòu)不僅使貯液箱與真空室分開，而且另設(shè)一個液位控制箱，真空箱 也不止一個。 ④ 三室：真空分配箱雖然結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，但卻使真空灌裝機的結(jié)構(gòu)緊湊了，且利于提高灌裝生產(chǎn)能力和工作可靠性。 等壓法灌裝的液料供料機構(gòu) ， 液箱系一個矩形切面的環(huán)形液缸，在環(huán)形液缸的下面裝有很多個灌裝閥，分別與環(huán)形液缸底面的孔口相連，以便把液體從貯液箱內(nèi)裝進待灌瓶中。 以上幾種方法做以比較，因為所選擇的灌裝方法為真空法，所以真空法灌裝的液料供送裝置。單缸真空閥的開啟需要兩次升瓶才能完成，故易出現(xiàn)磨損漏溢的問題，單缸結(jié)構(gòu)增加上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 液料的揮發(fā)面，不適合灌裝液料；而三缸和多缸的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜 ，所以選擇雙缸。 灌裝閥與灌裝工藝 灌裝閥是自動灌裝機執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行部件，它的功能在于根據(jù)灌裝工藝要求，以最快的速度溝通或切斷貯液箱、氣室和灌裝容器之間流體流動的通道，保證灌裝工藝過程的順利進行。 不同類型的液料其物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，因此對灌裝工藝要求存在差異形成了對閥的不同要求，不同的灌裝方法有不同的灌裝工藝過程。 （ 1） 常壓灌裝法的工藝過程是： 進液回氣；停止進液；排除余液。 （ 2） 等壓灌裝法的工藝過程為： 充氣等壓；進液回氣；停止進液。 （ 3） 真空灌裝法的工藝過程： 瓶內(nèi)抽真空；進液排氣；停止進液；余液回流。 因為采用的是真空灌裝法，所以選擇真空灌裝閥，利用 抽真空，使得瓶子內(nèi)部成負壓，液體在壓差和重力的雙重作用下，流入瓶內(nèi)。真空法可提高灌裝速度，減少產(chǎn)品與空氣的接觸，有利于延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，其全封閉狀態(tài)還限制了產(chǎn)品中有效成分的溢散。 驅(qū)動方式的選擇 周期性循環(huán)操作的三足式離心機，在各個操作階段中，轉(zhuǎn)速是不同的，通常在 200~800轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速下加料，在 1000~1500 轉(zhuǎn) /分的高速下進行離心分離，而在 30~100 轉(zhuǎn) /分的低速下進行刮料。因此要求傳動裝置能實現(xiàn)寬范圍的變速。 另外，為了適應(yīng)離心分離的要求，時 其在最有利的轉(zhuǎn)速下工作，則要求傳動裝置能實現(xiàn)連續(xù)、平滑的無級調(diào)速。 多速電動機驅(qū)動， 多速電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，操作也很方便，但由于繞組的磁極對數(shù)只能成對改變，所以相應(yīng)的調(diào)速也只能是有級的，而且變速范圍也很小。應(yīng)用同步轉(zhuǎn)速為 750~1500 轉(zhuǎn) /分的雙速電動機，因此常用這種電動機作為一種簡單易行的變速驅(qū)動方式。 （ 1） 主 副電動機驅(qū)動： 主電動機通常為雙速電動機，可拖動主機以中速或高速運轉(zhuǎn)。副電動機則為一減速電動機。通常在主、副電動機之間間，設(shè)置一個超越離合結(jié)構(gòu)。這樣既可實現(xiàn)主、副電動機分別在高、低速下驅(qū)動同一轉(zhuǎn)鼓，而又不互相干擾。 此種驅(qū)動方式的特點是應(yīng)用普通電動機，可實現(xiàn)發(fā)幅度的變速，但這種調(diào)速仍是有級的，且減速、離合結(jié)構(gòu)的制造安裝也較復(fù)雜。 （ 2） 交流變頻調(diào)速： 其只要工作結(jié)構(gòu)為一交流電動機及一套交流電源頻率變換裝置。由于頻率的變換可以在較寬范圍內(nèi)連接、平滑地進行，因此變頻調(diào)速是一種無級調(diào)速。 藥瓶灌裝機運動方案設(shè)計 10 此種驅(qū)動方式的特點是：啟動和制動平穩(wěn)可靠 ，噪音低，沒有滑動摩擦等易損零件。啟動效率高，制動時電力回收，節(jié)省電力。如采用防爆電機，可以用于防爆場合。但由于從經(jīng)濟性考慮，變頻裝置的成本較高，當用一臺變頻裝置控制一臺設(shè)備運作時就不是很經(jīng)濟性，所以只有當同時控制多臺設(shè)備運作時，才顯得比較經(jīng)濟劃算。 （ 3） 直流電動機調(diào)速： 直流電動機可控硅調(diào)速是一種無級調(diào)速。其特點是：調(diào)速范圍廣、調(diào)速精確、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠、過載能力高、反映快。并且與直流電動機配用的可控硅調(diào)速裝置，在國內(nèi)外均有系列產(chǎn)品定型生產(chǎn)，通用性強。 由于多速電動機相應(yīng)的調(diào)速只能是有級的，而且變速范圍很小 。主 副電動機驅(qū)動調(diào)速仍是