【文章內容簡介】 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)內人士認為，未來液體灌裝藥瓶灌裝機運動方案設計 4 機將配合產業(yè)自動化趨勢，在技術發(fā)展上朝著機械功能多元化，結構設計標準化、模組化，控制智能化，結構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 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，以及國內外對改技術的掌握程度，灌裝機 的需求和其應用方向體現(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。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 灌裝機的 設計 分析 灌裝機的 結構 與簡介 液體灌裝機是一種采用一定機械結構實現(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)調進行，實現(xiàn)高效率，高精度的自動化設備。 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，貯液缸內的壓力高于瓶中的壓力，液體靠壓差流入瓶內。其用途廣，可用于各種液體的灌裝；可調節(jié)性好，通過調節(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，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；灌裝周期短，生產效率高。它集頂塞、旋塞、送塞、 壓塞、灌裝功能于一體。 目前國內 灌裝機絕大部分采用的是氣缸活塞機構。這種機構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的活塞作往復運動，實現(xiàn)吸料、灌 裝 ， 灌裝工藝路線基本上是： 打開啟動開關，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計 6 裝機等。 按灌裝瓶的主要運動形式分類 ： （ 1） 旋轉型灌裝機 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， 罐裝機構中間有一個 圓盤轉臺，轉臺上面有多個工位對應灌裝、定量、封裝。帶灌 裝瓶進入罐裝機構會隨著轉動的轉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，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動，凸輪滾子機構運動帶動連桿上下往復運動，最后經過一些其他機構實現(xiàn) 整個灌裝機運行。 方案比較： 旋轉型灌裝機在食品、飲料行業(yè)應用最廣泛，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構原理比較簡單，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 計算各種液體產品的物理性質和化學性質 均不相同，在灌裝過程中，為了使產品的特性保持不變，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。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相等的氣壓，然后再依靠被灌液料的自重流進包裝容器內。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品質量和定量精度。 （ 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： 上海理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 （ 4） 壓差真空式 即貯液箱內處于常壓，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生流動而完成灌裝，國內此種方法較 常用。 （ 5） 重力真空式 即貯液箱內處于真空，包裝容器首先抽氣使之形成與貯液箱內相等的真空，隨后液料依靠自重流進包裝容器內，因結構較復雜，國內較少用。真空法灌裝應用面較廣，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，瓶內形成真空就意味著減少了液料與空氣的接觸，延長了產品的保質期，真空法還適用于灌裝有毒的物料，如如農藥等， 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，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充氣等壓的瓶內，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，還必須考慮產品的工藝要求、灌 裝機的機械結構等綜合因素。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，以便延長產品的保質期，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品的成本有著直接的關系，同時也影響產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，所以機器的結構比較復雜， 適用于比較重、經常變化的固體物料，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 機構比較簡單，一般不需電路配合。液體產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腔容積，故習慣稱它為“以瓶定量”。該方法結構比較簡單，不需要輔助設備，使用方便，但對于要求定量準確度高的產品不宜采用，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，若從機械結構看，第一種顯然最為簡單，因此，它自然得到廣泛應用，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泵（或直接由高位槽）及輸液管將液體產品輸入貯液箱，再由貯液箱經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 此法是在常壓下灌裝的，因此灌裝系統(tǒng)較為簡單。液體產品由高位槽或泵經輸液管送進灌裝機的貯液箱，貯液箱內的流體產品再經過灌裝閥的開關進入待灌容器中。 （ 2） 真空法灌裝的液料供送裝置 真空法灌裝系統(tǒng)結構較復雜，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：這種結構不僅使貯液箱與真空室分開，而且另設一個液位控制箱，真空箱 也不止一個。 ④ 三室：真空分配箱雖然結構上比較復雜，但卻使真空灌裝機的結構緊湊了，且利于提高灌裝生產能力和工作可靠性。 等壓法灌裝的液料供料機構 ， 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，單缸結構增加上海理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 液料的揮發(fā)面，不適合灌裝液料；而三缸和多缸的結構過于復雜 ，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性質各不相同，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，使得瓶子內部成負壓，液體在壓差和重力的雙重作用下，流入瓶內。真空法可提高灌裝速度，減少產品與空氣的接觸，有利于延長產品的保質期，其全封閉狀態(tài)還限制了產品中有效成分的溢散。 驅動方式的選擇 周期性循環(huán)操作的三足式離心機，在各個操作階段中，轉速是不同的，通常在 200~800轉 /分的轉速下加料，在 1000~1500 轉 /分的高速下進行離心分離，而在 30~100 轉 /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，為了適應離心分離的要求，時 其在最有利的轉速下工作，則要求傳動裝置能實現(xiàn)連續(xù)、平滑的無級調速。 多速電動機驅動， 多速電動機結構簡單、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，所以相應的調速也只能是有級的，而且變速范圍也很小。應用同步轉速為 750~1500 轉 /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動方式。 （ 1） 主 副電動機驅動： 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。副電動機則為一減速電動機。通常在主、副電動機之間間，設置一個超越離合結構。這樣既可實現(xiàn)主、副電動機分別在高、低速下驅動同一轉鼓，而又不互相干擾。 此種驅動方式的特點是應用普通電動機，可實現(xiàn)發(fā)幅度的變速，但這種調速仍是有級的，且減速、離合結構的制造安裝也較復雜。 （ 2） 交流變頻調速： 其只要工作結構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連接、平滑地進行，因此變頻調速是一種無級調速。 藥瓶灌裝機運動方案設計 10 此種驅動方式的特點是：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備運作時就不是很經濟性，所以只有當同時控制多臺設備運作時，才顯得比較經濟劃算。 （ 3） 直流電動機調速： 直流電動機可控硅調速是一種無級調速。其特點是：調速范圍廣、調速精確、運轉穩(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速裝置，在國內外均有系列產品定型生產，通用性強。 由于多速電動機相應的調速只能是有級的，而且變速范圍很小 。主 副電動機驅動調速仍是