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福建体彩网全自动液体灌装机控制系统的设计与研究
- 2020-10-27 22:33-

  灌装生产线概念设计全自动液体灌装机的使用和需求日益增长,已经逐步代替手工灌装或半自动灌装, 并将发展成为液体灌装行业所必备的设备。目前,市场上对全自液体灌装机没有明确的 定义和划分,大多只对能进行自动计量或某部分机构能实现自动控制就定义其为全自动 灌装机,这种定义不完全,不能真正的对全自动液体灌装机进行定义。 2.1 液体灌装基本原理 灌装就是将一定量的液体物料注入到包装容器中的过程IUl。这种液体物料主要是指 具有低粘度的可流动型液体物料,如酒类、汽水、果汁等。它们可以依靠自重以一定速 度流入到包装容器中。另外还可灌装一些中等粘稠液体物料和一些高粘度物料,福建体彩网如果酱、 油脂,牙膏及黄油等。对这些物料的灌装依靠重力是不能使其按要求流动的,因此需要 施加一定的压力将其挤入或压入到包装容器中。由于液体种类很多,其性能不一,如粘 度、起沫性、含气性、挥发性等各不相同,所以采用的灌装方法不一样,其次液料的包 装容器也不同,有玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等,所以,依据不同的包装容器、 包装物料及不同的灌装工艺,灌装机的灌装方法也是不相同的。 2.2 液体灌装方式 由于液体物料性能不同,灌装方式多种多样。根据灌装压力的不同可分为常压灌装、 压力灌装、等压灌装、负压灌装等旧。 2.2.1 常压灌装 常压灌装,又称重力灌装,即在常压下,利用液体自身的重力将其灌入包装容器内, 其整个系统处于敞开状态下工作,该灌装方法是最原始的灌装方法。至今仍被用在流动 性很好的液体灌装中,这各方法比较适用于流动性好、不含气、不易挥发的液体中。如 矿泉水、白酒、酱油、牛奶等。 2.2.2 负压灌装 负压灌装是先将包装容器抽气形成负压,再将液体物料灌入包装容器内【13J。这种灌 装方法不但能提高灌装速度,而且能减少包装容器内残存的空气,防止液体物料氧化变 质,可延长产品的保存期。此外,还能限制毒性液体的逸散,并可以避免灌装有裂纹或 缺口的容器,减少浪费,适用于不含气体,且怕接触空气而氧化变质的粘度稍大的液体物料,以及有毒的液体物料。如果汁、果酱、糖浆、油类、农药、药水等。这种灌装分 为二种形式ml,一是重力式负压灌装,即贮液缸与包装容器具有相等的真空度,液体是 在真空等压状态下以重力流动方式完成灌装的;二是压差式负压灌装,即包装容器的真 空度大于贮液缸的真空度(贮液缸处于常压状态、只对包装容器抽气),液体是在压差状 态下完成灌装的。重力负压灌装是低线kPa)下的重力灌装。其灌装方法基本与 重力灌装相同,但比重力灌装速度快,可以避免灌装有裂纹或有缺口的容器,还可以防 止液体的滴漏。压差式负压灌装(纯真空灌装),灌装系统内的压力应低于大气压力。灌 装阀密封块抵住容器的同时开启阀门,由于与真空室相通的容器内处于真空,液体可被 迅速抽进容器中,直至灌装到预定液位。最后会有相当量的液体被抽到排出管中,进入 溢流槽后被回收再循环。纯真空灌装的线kPa。真空法可提高灌装 速度,减少产品与空气的接触,有利于延长产品的保存期,其全封闭状态还限制了产品 中有效成分的逸散。压差式负压灌装尤其适用于不宜多暴露于空气中的含维生素的液料, 如蔬菜汁、果汁以及有毒的液体(如农药、化学药水)等【1s】。 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。. 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。 2.2.3 等压灌装 等压灌装,即先向包装容器内充气,使容器内压力与贮液缸内压力相等,再将贮液 缸的液体物料灌入包装容器内。等压灌装又称压力重力灌装、气体压力灌装。这种灌装 方法只适用于含气饮料,如啤酒、汽水、香槟等。 2.2.4 压力灌装 压力灌装,是借助外界压力将液体物料压入包装容器。外界压力有机械压力、气压、 液压等。压力灌装主要适用于粘度较大,流动性较差的薪稠物料的灌装,可以提高灌装 速度。压力法灌装与真空法正好相反,灌装密封系统处于高于大气压力的状态中,将正压力加于产品上。压力法对于不能抽真空的产品是很理想的,如酒精类饮料(酒精含量会 随真空度增加减少),热饮料(90。C 的果汁,抽真空可引起液料迅速蒸发),如果采用常压 灌装液管道比较细,阻力大,效率低,为了提高灌装速度,可采用压力灌装等。压力法 可在产品和排气两端保持高于大气压的压力,且产品端压力更高,这样的系统有利于控 制某些饮料保持较高的二氧化碳含量。 2.2.5 虹吸法 利用虹吸原理完成的灌装方、法【161。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,即采用真空一等压法,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,即采用等压一压 2.3影响灌装的因素 被灌装的液体物料涉及面很广、种类很多,其物理、化学性质差异很大,因此,对 灌装的要求也各不相同。影响灌装的主要因素是液体的粘度,其次是液体内是否溶有气 体、固体颗粒等。 一般液体按粘度可分为三类I,71: 第一类为流体: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,流动性好的稀薄液体物 料,如酒类、果汁、牛奶、酱油等。这些物料粘度小、流动性好,在管道中流动阻力小, 对灌装设备要求也小。 第二类为半流体: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, 粘度范围为100.-一1000厘泊,其属于流动性比较差的粘稠液体物料,如番茄酱、油脂等 物料,这些物料在容器和管道中流动时阻力比较大,一般需要施加一定的压力才能达到 预定要求。 粘滞流体:产品粘度超过10000 厘泊的液流动性差的粘糊状液体物科(IlI,需要借助 比较大的外力才能使其流动。如:果酱、牙膏、浆糊、高粘度油脂等物料。这些物料一 般在小的管道中很难流动,必须施加外力才能推动其流动。因此,这类物料在包装中对 设备有较高的要求。 另外,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(如白 酒、矿泉水等)和含气(如啤酒、汽酒、香槟、汽水等)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,所以灌装时,要对这些 因素加以控制。 2.4 灌装的定量方法 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。 2.4.1 液位控制定量法 每一种包装容器,多是按同一模具制造,其容积、形状的差别很小,如果容器内液 位相同,那液料的量也相同,这就好似按液位定量的原理【91。是由插入容器中排气管的 高低控制的,当液料注入容器,其内气体便由排气管逸出,当液位升至排气管口时,形 成液封,气体再不能排出,灌装停止。这样可以控制每一个包装容器内的液位均相同。 若要改变灌装量,只需调整排气管位置的高低即可。这是目前应用最广泛的定量方法, 适用于粘度小的液体物料。 2.4.2 定量杯定量法 定量杯定量法是采用一个所需定量容积的定量杯、先将液体料注入定量杯,然后将 杯内液料灌装进容器,从而完成定量灌装,若不考虑定量杯内残液的损失,则每次灌装 的液料应与定量杯的容积相等。要改变每次的灌装量,可更换定量杯,或改变调节管在 定量杯中的高度。这种定量方法,由于采用同一定量杯定量,故定量精度较高,它适用 于粘度小的液料定量。2.4.3 定量泵定量法 定量泵是一种往复式活塞泵,活塞作直线往复运动,每运动一次,便把活塞运动行 程相对应的容腔内的液料推送到包装容器中去。要调节一次的灌装量,只需调节活塞的 行程。定量泵定量,定量精度高,误差一般可达2%以下例;应用范围大,可适用多种液 料,不但能灌装粘度低的液料,而且是粘度高的液料的主要灌装方法;且结构简单,使 用方便。 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lO 毫升,国外为3 毫升【2ll。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%1221,越是名贵的产品,显然其误差应越小。 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。 2.5 灌装机的设计计算 液体产品从贮液槽送往灌装用的包装容器一般用的是圆形管道,因此管道尺寸的确 定就需要合理选择圆管的内径和壁厚。 2.5.1 圆管内径的确定 设输液管的内径为d,其截面积为A=秆/4,液体在管内流动的速度为:S=V/A, V为流经管道任意截面上液料的体积流量,那么,输液管的内径为: d=(4V/rcS)1 陀(2.1) (2-2)式中:W一重量流量:指单位时间内流经管道任意横截面的液料重量; 旷液体产品的密度; 一每瓶灌装液料的重量;Qmax 一灌装的最大生产能力。 流速S 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 况选取,根据体积流量V及S流速代入公式计算所等于的管径,还必须根据工程手册中 查取的规格圆管。 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。 2.5.2 液料输送的功率计算 要在单位时间内供给灌装容器一定量的液料,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A液面,取灌装面贮液箱中进液管121 作为B截面,然后列出两截面间的柏努利方 程式【冽: 为位压头、P一为静压头、au2/29 为动压头,其中a 为动能修正系数,层流时a=2, 紊流时昨1。计算开始时,一般可先假定昨l,最后根据计算结果可再进行验算、修正、 Hc 为泵的压头,它指单位重量的液料通过泵后获得的能量、Σ hf 为损失压头,它包括直 管阻力损失hf 及局部阻力损失hj 之和,其计算方法可查阅流体力学的有关资料。 2.5.3 灌装时间的计算 液体灌装的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 淹没出流等鲫,下面针对每种情况分别讨论灌装时间的计算方法。 稳定的管嘴自由出流,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: (2-4)式中:V.一每瓶所需灌装液料的容积; Vs—孔口出流的液料体积流量。 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,又与液体的截 面积~和导管中液体的压力有关,因此在增大孔口出流液料体积流量的同时,应考虑到 压力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,而舢的增大除应考虑 瓶口尺寸的限制外,在按照液位高度定量的结构中,还应考虑到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。 lO 2.5.4生产能力的计算 旋转型的自动灌装机的生产能力可用式:Q=a*rl 进行计算。 一生产能力(瓶/分钟);卜灌装机头数; 卜灌装台的转速(转/分)。从上式可见,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 在未被灌装阀压下前或在灌满液料灌装完成灌装阀离开之后,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。 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未能灌满,没有达到定量要求,生产循环 也因此受到破坏。 2.6 灌装机及其辅机的简介及分类 我国的灌装设备主要是应用在酒水、饮料的灌装上,从灌装原理上大体可分为负压 灌装机、常压灌装机、等压灌装机、定量灌装机、料位灌装机等几种类型1251。但是目前 各个设备生产厂家的灌装机在灌装能力、效率、适宜瓶型范围及自动化程度等方面各有 优缺点, 不同程度地制约着产品包装质量和生产率。目前, 灌装机呈现出新的发展动 主要为:多功能同一台设备,可进行多种饮料的灌装、可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。 高速度、高产量碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000 瓶/分【拍】,非碳酸饮料 灌装速度最高达1500 技术含量高、可靠性高、计量精确。因此,在灌装机及其辅机方面也不能简单的进行划分归类。不同的灌装方式配合不 同的进瓶方式和封盖方式,以及采用的自动化水平的高低将会成为以后灌装机的新类型, 而且,这些新的产品将会同时包含上述的所有功能。 2.7 本章小结 本章主要是围绕灌装的技术和影响灌装的方法进行讨论。液体灌装的方法很多,从 而使灌装机的样式也不尽相同。基本的灌装方法分为:常压灌装(也叫重力灌装)、负压灌装(或真空灌装)和压力灌装等。由于液体物料的粘度不同、性状不同,在灌装中必 须采用不同的灌装方法,对于~般的液体,流动性好、性态稳定、液体中不含气体,可 采用重力灌装方法进行灌装,而对于一些高粘度,流动性极差或半固态的液体,其灌装 时就必须采用压力灌装方法,靠重力就行不通。因此,在灌装时对不同的液体,应用先 了解其性能,然后再选择灌装方法。 12 灌装生产线机械部分设计按照灌装生产线的定义,全自动灌装生产线是由一系列机器或机构的组合,一般主 要包括以下几个部分:吹瓶机;洗瓶机(包括烘干机等);理瓶机;灌装机;封盖机;打 包机;传输及辅助设置等。下面就其中几个主要单元,理瓶机、灌装机、封盖机和传输 系统进行设计和讨论。这四个部分是组成全自动灌装生产线不少缺少的设备,它们之间 有工艺过程的先后顺序。一般的工艺工作关系为,干净的瓶子经烘烤后排放在理瓶机前, 经理瓶机对瓶子进行排序检测后送入输送设备,之后由传输设备将其依次送入灌装机、 封盖机,最后经传输设备将其送出进行包装,完成一个完整的工艺流程。其中理瓶机的 主要作用就是排放瓶子,它是后序工艺进行自动化控制的基础。 3.1 理瓶机设计 理瓶机按进瓶方式分有转盘进瓶、螺杆进瓶、拨盘进瓶等多种方式,各种进瓶方式 在原理上差别不大,各有各和优点,选择合理的进行方式,能够给自动化生产线带来更 好的平滑性。 3.1.1 转盘进瓶方式 转盘进瓶方式就是将上个工序出来的瓶子(干净的摆放无序的瓶子)用转盘作为传 送机构一个一个列队送到传送带上。简单的说其作用就是对瓶子进行整理、摆放作用, 为下一个工序理顺瓶子做好准备。转盘式理瓶机的工作原理如图3.1 所示。它由两个旋 转盘组成,两个旋转盘同步转动。从入口传输设备送来的瓶子被输送到理瓶机前,经过 与理瓶机切入被输出到理瓶机后端,并按一定的间隔、速度和方向传入到下一级输送带 上。理瓶机在中间的主要作用就是用来控制输出瓶子的间隔和速度。因此,在整个灌装 系统中,理瓶机的工作能力也会对整个自动化生产线起到影响作用,它直接影响灌装线 的运作速度。理瓶机的传送方式一般多为连续性转动,这种进瓶方式多用于连续式灌装 生产线。依据其原理图,容易发现,在进瓶端可能会出现两个或多个瓶子同时切入到两 个旋转盘的凹槽中,引起旋转盘的卡阻情况或瓶子碰撞等情况。因此在转盘方式进瓶设 计中必须在其外轮廓圆周上设计一个阻档板,以保证每次只能有一个瓶子与两个转轮的 凹槽相切。转盘进瓶的优点是,传输速度快,瓶子摆放整齐、间隔均匀等。但是也存在 着一定的缺点,转盘进瓶工作在高速时,由于拔盘的相对于瓶子的速度很高,在与瓶子 接触时会发生碰撞(接触之间会存在小的间隙),因此会出现碎瓶、缺瓶等现象,这就要 求必须有个检测装置对瓶子好坏进行判断。所以在设计中采用常规的转盘进瓶方式进行 10 图3.1 转盘进颓原理图 Fig3.1 Schematic diagram ofturntable bottle传输的同时,需要在转盘后方加了一个识别装置,由它负责对瓶子进行判断。判断的主 要以据为:瓶口完整、瓶身无裂纹、无碎瓶。以上判断不合格的,由机械手对其进行清 3.1.2螺杆进瓶方式 螺杆进瓶方式是将排列好的瓶子用螺杆(与转盘进瓶方式不同之处在于此)作为传送 机构将瓶子按一定的速度和间隔送出嘲。该种进瓶方式适用范围较广,无论是直线式灌 装机还是回转式灌装机大都采用螺杆进瓶的方式。螺杆进瓶也会出现碎瓶、缺瓶等现象, 这与螺杆本身的设计有关,如倾角大小、螺距长短、螺旋线形状等等,在进瓶时采取等 螺距以便于瓶子的平稳进入。为了加工及进瓶方便,设计时把进口端设计为锥形,螺纹 深度也由浅至深,便于瓶子能逐步平稳进入。一般螺杆设计并无问题,但碎瓶率、缺瓶 率却依然较高,原因有两种:经过传输设备送入的瓶子在进入理瓶机入口处,都有一个 向前的速度,在到达螺杆时瓶子的运动方向产生突变,冲击力很大,如果前面的瓶子没 有及时被螺杆带走,在螺杆处就易产生碎瓶现象;无论模制瓶还是管制瓶,瓶壁都比较 光滑,经过清洗烘干消毒后,瓶身的摩擦力迅速增加,由于摩擦力和冲击力的作用,进 瓶螺杆经过一段时间工作后温度升高,螺杆表面粘度增加,使瓶子爬行运动,产生粘瓶 现象,导致瓶子进不了螺旋槽并相互挤压,从而出现碎瓶、缺瓶现象。 14 11 3.1.3 转盘与螺杆相结合 转盘与螺杆相结合的进瓶方式是通过将两者的优点相结合而设计的一种进瓶方式。 其中最常用的是转盘与螺杆相结合进瓶。转盘与螺杆相结合的进瓶方式就是在螺杆之前 安装1 个转盘,由转盘将瓶送进螺杆后再由螺杆传送,如图3.2 所示。这种进瓶方式运 行平稳可靠,在送瓶过程中瓶子的接触压应力由转盘承担,瓶子进转盘所受应力比瓶子 进螺杆所受应力要小得多,有了螺杆的存在,进瓶处可留出充足的操作位置,既解决了 螺杆所受应力问题又解决了转盘的位置局限性。同时还起到理瓶作用,在进螺杆时瓶子 已经不再具有冲击力并逐一排好了队,自然就不容易出现碎瓶、缺瓶的现象了。因此, 从理论上讲这种进瓶方式的可靠性更高。 图3.2 转盘与螺杆结合进瓶原理图 Fig 3.2 Schematic diagram ofturntable bottle对于灌装机方面,为了提高灌装速度的常采用多头灌装设计,这就要求理瓶机要有 相应的速度,然而理瓶机一次只能传输一个瓶子,这就严重的制约了整个灌装生产线的 速度,为了解决这一矛盾,采用多个理瓶机同时进行传输工作来满足。本文采用两台理 瓶机共同工作来满足灌装机的需求。在两条传输线中间再设计一个旋转式理瓶机,其作 用主要是将来自两条线路的瓶子进行合并。由于理瓶机的速度限制,单台理瓶机不能满 足多头灌装机的速度要,因此需要多台理瓶子机共同工作来完成,这种设计方法可以适 应高速灌装传输速度的要求【2s1。 3.2 灌装机及其主要部件的设计 灌装机是整个灌装机构的主体部分,其主要由以下几个大的部分组成:灌装机构、 旋转机构、插、拔管机构。其中灌装机构和旋转机构是该机的主体部件,其它所有机构、 辅件均安装在这上面。 12 3.2.1 灌装机灌装部件的设计 灌装机灌装部分设计,按照灌装方式的不同,灌装机在结构上也有一定的差异。首 先我们以容器杯定量方法进行研究。这种灌装方法是通过一个固定容积的计量杯作为计 量器件。灌装机构采用的是压力灌装方法,即通过气缸带动灌装活塞进行对液体的吸入, 达到预设计量值后,经换向阀换向再由气缸推动活塞将液体挤出,以提高灌装速度。其 原理如图3.3 所示,容器杯计量灌装的工作过程如下:气缸1 上移,同时电磁阀3A.B 向导通,活塞2 随气缸l 一起运动,液体被吸入容器杯中,经D1 检测到达预设量活后 塞停止,AB向关闭吸入过程结束;气缸下移带动活塞下移,同时电磁阀3B.C 向打开, 液体被压入瓶中,经D2 检测BC 向关闭,灌装过程结束,一个完整的灌装过程完成。 图3.3 容器杯计量原理图 Fi93.3 Schematic diagram cupcontainer measurement 这种灌装方法的优点是,液体在灌装过程中不受外界条件的干扰,计量准确、灌装 速度快,应用范围大,特别适用于一些粘度较大的液体灌装。例如在批量生产中,灌装 量不受批次液体密度差别的影响,以体积计量主要的优点就是对于不同的液体,在灌装 中不必改变计量系统,计量准确。但这种灌装方法也存在不少缺点,灌装中在吸入和压 出过程中,液体冲击振荡比较大,动力元件气缸在高速工作中噪音大,而且容器杯计量 范围不好调节,对于体积随温度变化大的液体,容器杯计量就不能适用【冽。 第二种灌装方式还是压力灌装法,与前一种不同的是计量方法和液体驱动力的差异 16 13 而已。这种灌装是采用加压泵作为动力源,将灌装液体注入容器槽中,用流量计计量方法来进行灌装。其原理图如图3.4 所示,液体经过加压泵被注入到缓冲槽中,由于缓冲 槽与外界存在一定的压力差,当缓冲槽底部导管上的电磁阀打开后,液体流经流量计从 电磁阀流出,流量计对液体进行计量,计量完成后由流量计发出控制信号,使电磁阀关 闭完成灌装。这种计量方法的优点是灌装计量范围大、调整灵活,适合经常调整灌装量 的灌装系统。缺点是流量计及其附件成本高,控制系统复杂。 以上两种方法的工作原理基本相似,差别之处在于计量的方法不同。对于大型全自 动灌装机,由于其灌装适应范围大,因此,大型全自动液体灌装机一般都采用流量计计 量方法进行灌装设计。 大型灌装机的单个灌装头工作原理如上所述,可选择任何一种灌装形式。本文设计 的灌装机构设计采用旋转方式,由24 个灌装头组成塔式灌装机。对于前面讨论的两种灌 装方式,区别只是在计量方法上不同,其灌装原理基本相同,其余各部分基本上采用的 图3.4 流量计灌装原理图 Fig 3.4 Schematic diagram offlowmeter fiUer 是相同的设计方法,所以我们只选择其中一种方案进行讨论,下面以流量计计量方法进 行设计研究。 全自动液体灌装机采用24 头旋转式转动方法进行灌装。当传输设备将瓶子导入到灌 17 14 装机前,经过位置检测后,使旋转塔旋转一个瓶位以待下一个瓶子的进入。瓶子旋转塔底部托盘经定位检测到位后,由气缸推动插拔管机构将导流管插入瓶中,电磁阀打开, 开始灌装,计量完成后,电磁阀关闭,插拔管机构退出。由于选择的是连续灌装方式, 在第一个瓶子进行灌装过程中,第二个瓶子也开始按前一个瓶子的工作过程进行工作, 这样每一个灌装头按相同的工作方式周期性工作。 3.2.2 灌装机旋转机构的设计 旋转机构主要是由一大的旋转盘和主轴及支架组成,它是灌装机的主体,灌装头均 匀的分布在旋转盘的圆周上,并随同旋转盘一起转动。在旋转盘的底部安装了一台步进 电机,由它带动主轴转动,其转速由传输机进入灌装机之间的检测元件控制,也就灌装 机的转速受进瓶速度的影响。 3.2.3 插、拔管机构的设计 插、拔管机构是由一个气缸连同一根管子组成,在灌装过程中由气缸推动执行机构 将管子插入瓶子中或从瓶子中拔出。执行机构由一个滑块和--N 导轨组成,在灌装过程 中,当瓶子到达指定位置后,由气缸推动插、拔管机构将管子插入到瓶子底部,同时在 图3.5 灌装机图 Fig 3.5 Diagram fillingmachine 灌装中随着液面的上升,插、拔管机构逐渐上升,其动作速度由气缸的确定,最终在完 15 成灌装后将管子拔出。这样设计的目的主要在于,由于不是采用的真空灌装,在液体灌装过程中容器瓶中存在大量的气体,当高速流动的液体从瓶口流下时,使大量气体混入 其中,会在容器瓶内产生大量气泡影响灌装。采用插、拔管机构使导管插入瓶子底部, 这样在灌装时液体从瓶子底部逐渐上长,并始终保持导管口不露出液面以减少气体的混 入,保证灌装的稳定性,也避免了气体的污染。 整个灌装机设计的模拟图如图3.5 所示,图中最上边的容器为液体缓冲槽,缓冲槽 的作用主要是减少灌装过程中液体流速的冲击。24 支灌装管均匀的分布在缓冲槽底部的 圆周上,导管与流量计相连,这样设计是为了保证导管在每个瓶子交替灌装时始终充满 液体,不会对流量计造成气泡冲击,使计量准确,电磁阀设计在流量计的后方就是为了 这个目的。在灌装机灌装过程中,灌装机的速度对瓶子的位置也有影响,灌装机转速越 高,瓶子受到的离心力越大,瓶子就有被摔出的可能,因此,要保证瓶子底部与灌装机 底部托架之间有足够大的摩擦力。为了克服这个不足,在设计中在灌装机底部设计了一 个环型挡圈,由它阻挡瓶子使瓶子在高速旋转中不被摔出。 3.3 封盖机设计 封盖机的种类很多,按其封口方式不同主要分为以下两大类:压盖式和旋盖式。压 盖封口方式主要用于类似于啤酒灌装的封口方法,瓶子外壁上没有螺纹,封口时通过挤 压和收口将瓶盖压封在瓶口上,或是向普通的包装瓶中的第二层塑料盖,其只需简单的 压入瓶口中。这种封盖方式多用于啤酒类的灌装,其要求封盖速度快,瓶口能承受一定 的压力。旋盖封口主要用于类似于饮料类瓶型,瓶子外壁上和瓶盖内壁上匀有螺纹,在 封口时通过旋转方式将瓶盖拧在瓶口上,这种封口方式多用于饮料类灌装用的塑料瓶, 以及白酒类的封盖,其适用范围主要是瓶口强度较小,不能承受大的压力。 本文在设计时采用的是旋盖封口方法。旋盖封口广泛用于玻璃瓶或PET 瓶等螺纹 盖封口,这种封盖方法事先在瓶盖上加工出内螺纹,螺纹有单头或多头之分,单头螺纹 多用于药瓶、调料品等封口,多头螺纹使用的较为广泛130】。例如饮料、酒水类瓶子的封 口。这种封口是靠旋转封盖器,将盖旋转拧紧在容器口部。由于螺纹封盖具有封口快捷、 开启方便等优点,所以一些不含气的液料,诸如饮料、酒类、调味料、化妆品及药品、 婴儿食品等瓶装物品的封口大量采用螺纹盖封口。另外在大型的自动化灌装线上,旋转 封盖更利于流水线作业,它可以采取与灌装机进、出瓶相同的方式进行设计。旋盖机一 般与灌装机联动,并且作体机型设计,从而减小灌装至封盖的行程,使生产线结构更 为紧凑。 封盖机分为两个部分:即投盖机构和旋盖机构。灌装完成的瓶子经传输设备导出, 由投盖装置将盖子投放到瓶口,在下一个工艺过程中由旋盖装置将其拧紧。 19 16 3.3.1投盖机构的设计 投盖机的主要作用是将瓶盖有序的、准确的放入瓶口,为下一个工序旋盖做好准备。 从灌装机出来的瓶子通过输送设备传输到投盖机前,在经过投盖机时由瓶口将盖子带走, 而盖子则在其导轨上靠重力自动下滑来填补空缺。由于这种封盖方式采用的是多头螺纹 封口方式,所以在摆放过程中无需基准,只需将盖子垂直放置于瓶口正中即可。使得整 个机构设计比较简单。 3.3.2 旋盖机构的设计 为了适应现代包装机高速、高效和高可靠性生产的需要,在广泛吸收国内外先进机 型的基础上,设计了一种回转型旋盖机,其结构原理采用的是和灌装机相同的原理。它 采用多工位回转式结构,为了和灌装机保持有相同的灌装速度,也采用24 个封盖头进行 封盖。单个封盖的设计分为两个部分:一个是下压机构,在瓶子转入其正确的位置后, 下压头向下压住瓶盖并将其夹紧。第二个部分是拧紧机构,在瓶盖被夹紧后,旋盖机构 转动,使瓶盖在瓶口旋紧。在旋盖机中,保证旋盖松紧程度是采用磁耦合离合器来完成 的,它是由2 块镶有20 块磁铁的圆盘组成,磁铁平均分配在圆周上。上下圆盘之间设 有一个可调节距离的间隙,上下圆盘由磁力线联系起来,当上圆盘的主动轴旋转时,磁 力作用带动下圆盘运动,起到力的传递作用。当上下圆盘问的空隙距离调整合适时,耦 合器的两部分基本保证相同的最大力矩,当旋盖头旋紧瓶盖后,瓶盖紧度的力矩则大于 磁力耦合力矩,离合器打滑,保证了既能旋紧瓶盖又不至于扭矩过大损坏瓶子或瓶盖】。 当需要改变旋盖的松紧程度时,只需要调整旋盖头的旋力,这时,只需松开固定套的内 六角紧定螺钉旋转连接套,然后改变固定套的高度进而改变磁耦合离合器中间隙的大小。 间隙小,扭矩大,反之扭矩小。当调好后,再将起固定作用的内六角紧定螺钉拧在连接 套的凹槽内,然后旋紧定位螺钉。它与以往旋盖机中应用的摩擦式离合器相比,有以下 优点:由于旋盖时两圆盘不接触,所以离合器没有磨损,且几乎无功率损耗,便于维护。 靠磁力线传递扭矩,离合器不会出现过热现象,这样便于提高工作转速。运转时,离合 器中传递的振动很少,使运转更加平稳。两圆盘的空隙用机械方式控制,调节简单、方 便且确定后不易变位。 3.4 辅助机械的设计及选取 辅助机械分为气源及其干燥设备和辅助传动设备。辅助传动部设备主要为步进电机 带动传输设备,步进电机和变频器由可编程控制器控制,以满足灌装中传输速度和灌装 速度相统一,所以在硬件上没有太多要求,只需要选择适合的硬件即可,其主要部分在 17 控制系统上。 3.4.1 空气压缩机组的工作过程 设计中采用的是两台空气压缩机交替工作。在设备上电开机后,系统首先对空缩机 的运行条件进行检查,当冷却水压力、空压机曲轴箱油压满足要求时,l#机启动,2# 机作为备用,其启动方式均采用Y_一起动方式,Y.一起动延时为6 秒。起动后,储 气罐开始充气,在储气罐压力达到设定值0.7MPa 时空缩机进气阀关闭,机器空运转。 当储气罐压力下降到0.65Mpa 时,进气阀打开,再次进行充气。由于故障等原因使储气 罐压力降到设定值0.55Mpa 群机处于停机状态,则2群机起动并正常运行,其运 行原理同1#机相同,继续对储气罐充气。在储气罐压力降到0.55Mpa 撑机处于停机状态,l#机起动并正常运行。与此同时,两台机器的正常运行时间均为12 小时, 也就是说,一台机器运行到12 小时时,无论其有无故障,或是储气罐压力是否低于 0.55Mpa,均要停机并启动另一台机器。 图3.6 气体干燥器工作原理图 Fig 3.6 Schematic diagram ofgas dryer 2l 18 3.4.2 气体干燥设备的工作原理 气体干燥系统的主要作用是去除压缩气体中的水分,起到干燥和净化的作用。气体 干燥系统的工作原理如图3.6 所示,开机后,A塔先做吸附运行,B塔做再生运行,在 设定的时序控制下,进气电磁阀A2 打开A1、Bl、B2 均关闭,压缩空气经 A2 进入储气缺罐,与此同时,在A2打开后,经延时10 秒B1 打开,用B塔中的残余 气体从上到下运动,将吸附剂中的小分从B1 阀带出,经消声器排空。其开启的10 间是进行B塔脱附工作。在A2打开后延时十分钟后B2 电磁阀打开,同时 A2 阀关闭, B塔进行充气,十秒后,A1 阀打开,A塔中剩余气体从上至下经 Al 消声器排出,并将A塔中水分带出,使A塔脱附,经延时十秒A1 阀关闭。此时,由于A塔中的 压力下降,B塔中的压力上长,梭阀C 将A排气口关闭,将B排气口打开。同理,在 B2 阀开启十分钟后,A2 阀打开,B2 阀关闭,延时十秒,Bl 阀打开,使 B塔进行脱附 运行。就这样两塔交替运行,进行对气体的干燥。 3.5 本章小结 本章主要是对灌装机的结构进行讨论研究的。其中分别以理瓶机、灌装机、封盖机 进行单独研究与设计。对各个独立装置的研讨,主要目的是为了更好的将这些装置组合 起来,充分发挥各组成部分的性能。例如文中提到的理瓶机,由于其进瓶方式为单一进 瓶,而灌装、封盖机等都采用的是多头并行工作,因此,理瓶机的速度将会制约整个自 动灌装机的速度,通过分析可采用多台理瓶机同时工作来解决这一问题。本章就是从这 个目的出发,研究讨论全自动灌装机的各组成部分,以提高灌装系统的合理化。