页数：151页文件大小：1.99 MB来源： 包装机械设计ppt课件
本课件讲液体物料灌装机械，从灌装机分类与基本方法入手，展开常压、等压、真空与压力灌装的工艺过程，分析灌装阀的阀体、阀端、启闭与密封结构，讲解液料供送、供瓶与升瓶机构，并给出管径、灌装时间与生产能力的计算。
主要内容：本章要求掌握以下内容。
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、
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
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
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:
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,
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
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—
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。
表4.1 灌装机分类表：下表按五种分类依据列出灌装机的型式与技术特性。
| 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、安瓿定量 |
说明：原文第2项“旋转式、旋转式”重复，第5项“安瓶定量”按标准术语改为“安瓿定量”，均未改动原义，供核对原件。
第二节灌装的基本原理一、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.
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
真空法灌装应用面较广,
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。
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
因为每次灌装的液料容积等于一定高度的瓶子内腔容积,
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
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。
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
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、
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
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,
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,
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
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。
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,
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
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,
图4.10为一种简单的旋塞阀,只要控制旋柄3摆动
图4..11为盘式等压灌装啤酒、汽水的一种灌装机构。
阀座Ⅱ
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-
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
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
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,
图4.12
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
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
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
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,
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
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,
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,
为了防止无瓶时液阀仍然打开出现漏液,
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。
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。
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。
入酒总管3
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
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。
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
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
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,
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,
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,
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。
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,
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,
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
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
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,
从外观形式看,前端应设计呈截锥台形,
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,
合理确定螺旋线的组合形式、旋向及螺旋槽的基本参数。
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
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,
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,
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。
由于上滑筒与下滑筒间还可产生相对运动
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°
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,
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,
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。
它利用气
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、
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;
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,
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
调节时,首先松开锁紧螺母1,退出销轴2
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
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。
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。
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。
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。
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
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
如主轴采用了较大的轴承。
如酒缸采用不锈钢可铸铜等材料,增加了成本。
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。
又(4-2)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。
表4.2 液料（流体）输送常用流速范围：流速单位为 m/s，供输液管路设计选取。
| 流体类别及工作条件 | 流速（m/s） |
|---|---|
| 一般液体 | 1.5~3.0 |
| 粘度50cp液体（Φ25～Φ50） | 0.7~1.0 |
| 粘度100cp液体（Φ25～Φ50） | 0.5~0.7 |
| 粘度1000cp液体（Φ25～Φ50） | 0.16~0.25 |
| 低压气体 | 8~15 |
| 真空操作下的气体 | <10 |
| 中压蒸汽（10~40工业气压） | 20~40 |
| 压气机排出管（低压） | 20~30 |
| 往复泵吸入管（水一类液体） | 0.75~1.0 |
| 离心泵吸入管（水一类液体） | 1.5~2.0 |
| 鼓风机吸入管 | 10~15 |
| 粘度50cp液体（<Φ25） | 0.5~0.9 |
| 粘度100cp液体（<Φ25） | 0.3~0.6 |
| 粘度1000cp液体（<Φ25） | 0.1~0.2 |
| 液体自流速度（冷凝液） | 0.5 |
| 压强较高的气体 | 15~25 |
| 低压蒸汽（10工业气压） | 15~20 |
| 压气机吸气管 | 10~20 |
| 压气机排出管（高压） | 10~20 |
| 往复泵排出管（水一类液体） | 1.0~2.0 |
| 离心泵排出管（水一类液体） | 0.75~1.0 |
| 鼓风机排出管 | 15~20 |
说明：原表为双栏排版，本表按原文前后两组流体类别与其后流速数值的出现顺序配对还原，单位按教材通例记为 m/s，建议对照原课件核校。
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。
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,
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,
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,
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
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)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Σ
(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。
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)。
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
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。
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1.01271.01381.0130 1.02500.99301.01201.0290 1.5331.4491.4481.1402.8062.1601.790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23
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。
对于圆形孔口:
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Ｒe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。
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
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,
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。
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,
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:
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。
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)
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
(4-24)(4-24)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。
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)
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,
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:ｆg—灌装阀气道孔口的截面积。
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。
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。
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:
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。
表4.4真空系统的空气渗入量真空度（mmHg）空气渗漏量（kg/h）200~375125~20075~12525~7513.6~18.011.3~13.69.1~11.34.5~9.1
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。
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—
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)
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,
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
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)
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;
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
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,
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。
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。
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。
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。
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。
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—
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:
(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。
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