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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 液體灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923821 學(xué)生姓名： 杭建國 指導(dǎo)教師： 何雪明 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 液體灌裝生 產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所 取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注 引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)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(xué) 號： 0923821 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目液體灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)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(shè)計需要了解灌裝生產(chǎn)工藝的各項需求，且設(shè)計到不少專業(yè) 知識。此設(shè)計難度中等，設(shè)計量合適，可以很大程度提升學(xué)生的專 業(yè)水準(zhǔn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，生活水準(zhǔn)的提高，灌裝技術(shù)在未來必將 發(fā)揮出巨大的作用。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： 能夠詳細的了解灌裝生產(chǎn)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(gòu)和布置； 詳細的了解灌裝機的傳動機構(gòu)，以及撥瓶機構(gòu)的傳動機構(gòu)； 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(wù)學(xué)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(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)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(shè)計是對液體灌裝生產(chǎn)線灌裝閥的設(shè)計，以及液體的灌裝方法在旋轉(zhuǎn)灌裝機 上的布置與安排。該液體灌裝閥的結(jié)構(gòu)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(shè)有排氣管， 該排氣管的一端從閥體內(nèi)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(dǎo)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(shè)有螺紋,用來安裝壓緊螺母 ，閥 可以通過調(diào)節(jié)螺母和壓緊螺母調(diào)節(jié)彈簧的張力和閥體尺寸，用來調(diào)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(yīng)用廣泛， 效率高，且液體灌裝閥結(jié)構(gòu)簡單。 關(guān)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(nèi)容和意義 .1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 .1 1.3 本課題應(yīng)達到的要求 .2 2 灌裝生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)型灌裝機 .3 2.1.3 自動化灌裝機 .4 2.2 生產(chǎn)線各機構(gòu)的設(shè)計 .5 2.2.1 灌裝的供瓶機構(gòu) .5 2.2.2 灌裝的供料機構(gòu) .6 2.2.3 灌裝閥的升降機構(gòu) .7 2.3 本章小結(jié) .8 3 罐裝的基本原理和灌裝閥的分析與設(shè)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(shè)計 .14 3.2.1 灌裝閥的工作原理 .14 3.2.2 閥的各部分的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計與分類 .20 3.2.6 灌裝閥彈簧的分析與設(shè)計 .21 3.3 本章小結(jié) .30 4 灌裝過程的調(diào)整及機器存在的問題 .31 4.1 灌裝過程的調(diào)節(jié) .31 4.1.1 料缸液位的調(diào)整 .31 4.1.2 灌裝量的調(diào)整 .31 4.1.3 轉(zhuǎn)速的調(diào)整 .31 4.1.4 機器存在的主要問題 .32 5 電氣控制閥和調(diào)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(chǎn)線運動控制 .33 5.4 設(shè)備調(diào)試與維護 .33 5.4.1 整機要求 .33 5.4.2 灌裝閥的調(diào)試與維護 .33 5.4.3 安全操作規(guī)則 .34 6 結(jié)論與展望 .35 6.1 結(jié)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(gòu)圖 .38 壓力法供料機構(gòu) .38 液體灌裝生產(chǎn)線灌裝閥的設(shè)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(chǎn)線就無法運轉(zhuǎn) 工作，且一個灌裝閥的好壞決定了這個灌裝生產(chǎn)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(xué)性質(zhì)并不是相同的，故而導(dǎo)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(chǎn)線的自動化，提高瓶裝生產(chǎn)線的效率，解決自動化灌 裝生產(chǎn)的各種問題，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，特進行本課題關(guān)于液體灌裝生產(chǎn)線灌裝閥的設(shè)計 研究。 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 隨著科學(xué)技術(shù)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(nóng)社 會的自給自足發(fā)展到由大型公司生產(chǎn)人們?nèi)ベ徺I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(chǎn)需求已迫在眉睫。 為了滿足國內(nèi)的消費需求彌補國內(nèi)生產(chǎn)力的不足，我國從上世紀(jì)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(chǎn)線，可靠性比較強，產(chǎn)量高，相當(dāng)?shù)牟糠衷O(shè) 備是當(dāng)今世界最為先進的機型。這些生產(chǎn)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(chǎn)也取得了長 足進步，部分灌裝、封口一體設(shè)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(shè)備以及貼標(biāo)機在內(nèi)的包裝生產(chǎn)線的水平也得到了相當(dāng)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(shè)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(yīng)用十分廣泛，每年使用量相當(dāng)巨大，國內(nèi)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(shè)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(nèi)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(xí)慣，同時也在使得人們對于產(chǎn)品的質(zhì) 量提出更高的要求。十九世紀(jì)末二十世紀(jì)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(zhì)量方面也 存在嚴(yán)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(diào)料、化妝品、農(nóng)用化學(xué)藥劑等等！而為了保 證這些產(chǎn)品能夠進行安全衛(wèi)生的大規(guī)模生產(chǎn)，我們就必須大力發(fā)展自動化灌裝生產(chǎn)！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(chǎn)灌裝機,這幾家公司于 20 世 紀(jì)出喀什著手于研究回轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 不少灌裝線,初步解決了灌裝生產(chǎn)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(yīng)根據(jù)自己的國情,吸收國外的先進技術(shù),設(shè)計和生產(chǎn)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(shù)、新 材料,如計算機輔助設(shè)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(chǎn)線的效率，在我國灌裝閥無論從質(zhì) 量還是外觀上都與發(fā)達國家有很大的差距，造成產(chǎn)品差的原因在于采用的設(shè)計理論，設(shè) 計手段與設(shè)計方法，制造技術(shù)，檢測手段的落后，另外，國內(nèi)配套設(shè)備的基礎(chǔ)件不穩(wěn)定， 對產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)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(shè)計的過程中我們應(yīng)該立足于當(dāng)代現(xiàn)實情況，要能夠滿足自動化的 生產(chǎn)且擁有一定的效率，同時在設(shè)計產(chǎn)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(chǎn)品的功能的基礎(chǔ)之上盡量提 高生產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)效率。 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 3 2 灌裝生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 方案的選取 灌裝生產(chǎn)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(biāo)，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(gòu)，7料斗， 8擰緊機構(gòu)，9商標(biāo)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhuǎn)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(gòu)，通過灌裝機的轉(zhuǎn)盤帶動 主立軸旋轉(zhuǎn)運動可進行連續(xù)的灌裝，轉(zhuǎn)動近三分之二周時瓶子可灌滿，然后轉(zhuǎn)盤將瓶子 送入壓蓋機進行壓蓋，而此次所設(shè)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(shè)計實體圖。 圖 2.2 旋轉(zhuǎn)灌裝機展開示意圖 圖 2.3 旋轉(zhuǎn)灌裝機俯視圖 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 圖 2.4 旋轉(zhuǎn)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(dāng)廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)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(biāo)、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(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)分 單排式 多排式 旋轉(zhuǎn)式 旋轉(zhuǎn)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(guān)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(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 5 2.2 生產(chǎn)線各機構(gòu)的設(shè)計 2.2.1 灌裝的供瓶機構(gòu) 在灌裝生產(chǎn)線上自動供瓶機構(gòu)已經(jīng)取代了由人工進行的手動供瓶，而供瓶機構(gòu)大致 可以分為分件供送螺桿機構(gòu)和撥盤式等限機構(gòu)。 分件供送螺桿機構(gòu) 如下圖2.5為分件供送螺旋機構(gòu)的運轉(zhuǎn)示意圖： 圖 2.5 分件供送螺桿機構(gòu) 此分件供送螺桿機構(gòu)是整個灌裝機的重要部件，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)的效率。所以設(shè)計中應(yīng)在滿足被供送瓶罐的外 形尺寸，星型撥輪節(jié)距及生產(chǎn)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(dǎo)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(gòu)的工作原理為：由曲齒傳動帶動螺旋棒的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)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(gòu) 如圖 2.6 為花盤式限位機構(gòu)由傳送機構(gòu)。 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(guān) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)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(dāng)最前端的 瓶罐到達指定位置時可碰觸到電開關(guān) 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(qū)動擺盤 6,使之逆時針轉(zhuǎn)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(fù)到原位。 2.2.2 灌裝的供料機構(gòu) 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(gòu)的設(shè)計對灌裝速度和精度起著至關(guān)重要的 影響。根據(jù)機構(gòu)的不同科大致的將供料機構(gòu)分為四大類： 常壓法灌裝的液料供送機構(gòu) 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(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且與本設(shè)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(gòu) 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(dāng)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(diào)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(nèi)充壓，此作用可預(yù)防液體在進入器皿內(nèi)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(guān)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(nèi)部液位高度的目的。 當(dāng)液壓高于氣壓會導(dǎo)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(dāng)液壓低于氣 壓時導(dǎo)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(nèi)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(gòu) 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(nèi)部，因此在灌裝的時可能會產(chǎn)生壓力的 不穩(wěn)定從而產(chǎn)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(diào)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(yīng)板通過感應(yīng)三通 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 7 管內(nèi)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(guān)則發(fā)出信號控 制料泵運轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)。因此保證了供料的壓力始終保持穩(wěn)定。 保證了灌裝的質(zhì)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(dāng)旋轉(zhuǎn)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(gòu) 在一般的旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)比較簡單,但是工作可 靠性差,如果灌裝機運轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhǔn)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(shè)計中采取了使灌裝閥進行升降的機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)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(gòu) 圖 2.8 灌裝閥的升降機構(gòu)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(xué)院學(xué)士學(xué)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(jié)構(gòu)可以更快的進行灌裝提高灌裝效率，但是此結(jié)構(gòu)在灌裝閥和貯液箱的結(jié)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(zhì) 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(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(gòu)的要求是：迅速、運行平穩(wěn)、安全可靠、住起額。在設(shè)計時應(yīng) 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(jié)構(gòu)。 2.3 本章小結(jié) 在本章我們主要介紹了如何堆灌裝機進行選取，以及旋轉(zhuǎn)式灌裝機生產(chǎn)線上的各重 要的相關(guān)機構(gòu)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(chǎn)線 有一定的基本的認(rèn)識與了解，能夠做出進一步的設(shè)計改進。 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 9 3 罐裝的基本原理和灌裝閥的分析與設(shè)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(xué)物理性質(zhì)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(shè)計不同的灌裝工藝，從而導(dǎo)致了灌裝方法必然不同的結(jié)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(nèi)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(nèi)的殘 留空氣釋放至大氣，以此來避免瓶內(nèi)因為突然降壓而引起大量冒泡，從而影響到包裝質(zhì) 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(nèi)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(nèi)的空氣被排 出。(二)停止進液，即容器內(nèi)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(xué)院學(xué)士學(xué)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(nèi)處于真空的環(huán)境，然后對包裝容器抽氣讓其內(nèi)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(chǎn)品保質(zhì)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜制造技術(shù)較高，國內(nèi)的應(yīng)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(nèi)部處于常壓狀態(tài)，只對包裝容器內(nèi)部抽氣，使其形成一定的真 空度，液料依靠兩容器內(nèi)的壓力差，流入包裝容器并完成灌裝。由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單， 方法可靠所以國內(nèi)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(nèi)，直至兩個的液位 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 11 相等。此方法在早起就已出現(xiàn)，由于其原理設(shè)備標(biāo)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(yīng)在科學(xué)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(fù)運動，將粘度較高的液料從料缸 吸入活塞缸內(nèi)，然后再強制壓入待灌容器中的。此方法主要應(yīng)用在灌裝粘度較大的物質(zhì)， 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(nèi)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(zhì)物質(zhì)，易形成泡沫消失， 所以對于灌裝質(zhì)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(zhì)如粘度、揮發(fā)性 等之外還必須考慮產(chǎn)品的工藝要求，灌裝機、灌裝閥的結(jié)構(gòu)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(shè)計出一個合理的加工工藝以及選擇合理且效 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)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(zhǔn)確的定量灌裝，因為準(zhǔn)確 的定量灌裝不但影響著生產(chǎn)的成本，同時也在無形之中影響著消費者對此產(chǎn)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(chǎn)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(zhǔn)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(yīng)當(dāng)?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(diào)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(zhǔn)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(nèi)腔容積，習(xí)慣上稱為“以瓶定量法” 。 當(dāng)瓶內(nèi)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(dāng) 其與管口內(nèi)截面上的靜壓力達到平衡時，則瓶內(nèi)液位保持不變，而排氣管內(nèi)的液體高度 與貯液箱液位高度相等?？梢姡看喂嘌b液料的容積等于一定高度的瓶子內(nèi)腔容積。要 改變灌裝量，只需改變排氣管口伸入瓶內(nèi)的位置即可。這種方法，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)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(zhǔn)確度高的產(chǎn) 品不宜采用。 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)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(fù)運動 的行程成正比。要改變灌裝量，只需調(diào)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(fù)載傳感器隨時地邊灌裝邊 測量液體的重量，當(dāng)充填的液體接近規(guī)定的充填量時，灌裝閥則轉(zhuǎn)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(xué)院學(xué)士學(xué)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(jié)構(gòu)精度遠比控制液面定量復(fù)雜所以其成本也就較高。所以在實際應(yīng)用時我們 應(yīng)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(shè)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(guān)，而且根據(jù)灌裝工藝要求，能進行相應(yīng)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(guān)系到灌裝生產(chǎn)線能否精準(zhǔn)高效運作的關(guān)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(diào)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(diào)節(jié)螺母，8滑套，9橡膠墊 如圖所示為本設(shè)計灌裝閥的工作原理，當(dāng)滑套 8 上的橡皮墊與瓶口接觸時灌裝閥下 降導(dǎo)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(nèi)，當(dāng)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(dǎo)致排氣管的下部 孔口完全被淹沒，此時瓶內(nèi)空氣無法排除導(dǎo)致氣體被壓縮，當(dāng)瓶內(nèi)的氣壓與貯液箱內(nèi)的 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)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(nèi)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(nèi)的液體滴到瓶子。 3.2.2 閥的各部分的設(shè)計與計算 (1) 閥端結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計閥體的時候應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計的限制以及瓶口大小的 限制，導(dǎo)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(shè)計的 時候應(yīng)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(shè)計的過大。 在本設(shè)計中采取的是短管設(shè)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(nèi)部受重力作用，做自由落體的 運動，當(dāng)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(zhǔn)確，我們在設(shè)計閥體的時候需要對此進行精確且詳細的計算和設(shè)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(shè)計的安全數(shù)據(jù)以此為參考那么我們將可 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 以保證灌裝的精準(zhǔn)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(dǎo)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(chǎn)生的影響，可以采取適當(dāng)?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(shè)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 液料的灌裝的時間決定了一個灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，而根據(jù)液料的灌裝的時間我 們可以逆推出主軸與副軸的轉(zhuǎn)速以及齒輪的模數(shù)齒數(shù)等等。所以灌裝時間的計算是設(shè)計 灌裝閥里重要的一部分。 通過水利學(xué)知識，我們可以清楚地知道液料由貯液箱進入待灌瓶內(nèi)的這一段過程應(yīng) 該看成是液體自管嘴流出。而根據(jù)定量方法的和嘴口伸入瓶內(nèi)的位置的不同又可以將此 過程看成以下幾種情況： 液位高度定量方法 若是灌裝的管嘴伸入到瓶頸部位，由于貯液箱內(nèi)液面上的企業(yè)和待灌瓶內(nèi)的氣壓基 本上處于一個相似的值，同時貯液箱內(nèi)的液位保持大致的穩(wěn)定，這些因素確保了液體流 動速度基本保持不變。此時液體自管嘴自由穩(wěn)定的流出。其原理如圖 A 所示。根據(jù)控制 液位高度定量法，若果灌裝頭伸入到瓶子底部那么灌裝的時候液面在尚未達到灌裝頭之 前屬于穩(wěn)定的管嘴自由流出，當(dāng)液面高出進液口時，由于作用在嘴口上的靜壓力隨著瓶 內(nèi)的液料的上升而產(chǎn)生變化，此段過程屬于不穩(wěn)定的過程。如圖 B 所示。 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 17 圖A高度定量管管灌裝 圖B高度定量長管灌裝 圖 3.13 液位高度定量法 定量杯定量法 根據(jù)定量杯的定量方法同樣可分為兩部分，一部分是灌裝嘴伸入瓶頸部分，另一部 分是灌裝嘴伸入瓶底部分。當(dāng)灌裝嘴伸入瓶頸部分，由于定量杯內(nèi)的液位在館長的過程 中逐漸的變化，因此液體流動速度也隨時間變化，此時罐裝的過程屬于不穩(wěn)定的管嘴自 由流出的現(xiàn)象。如圖 C。同樣若是管嘴伸入瓶子的底部時與液位高度相同屬于不穩(wěn)定的管 嘴自由流出的情況。此情況下的灌裝可以減小自由流出的沖擊力，使得罐裝的時候比較 穩(wěn)定，但是由于出液的不穩(wěn)定此時一直都是不穩(wěn)定的淹沒流出。簡圖 3.14D。目前基本采 用的是環(huán)隙進液，以及讓液體沿著瓶壁流入的方法，此法不僅可以減少液體對灌裝頭的 沖擊，也能是的灌裝更為穩(wěn)定。 圖 C 定量杯定量短管灌裝 圖 D 定量杯定量長管灌裝 圖 3.14 定量杯定量 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 穩(wěn)定管嘴自由流出 過灌裝閥孔口流出的液體體積量為： (3.3) 0AuV (3.4)gPzC12 式中： 孔中截面上液料的流速；0u 孔口中液道口的截面積；A C灌裝閥中液道的流速系數(shù)； 不穩(wěn)定管嘴自由流出 如圖 3.15 C 所示由于孔口截面上的位壓力是變化的,流經(jīng)該截面的液料是變量。當(dāng)定 量杯內(nèi)液料降至任意位置時,流經(jīng)管嘴孔口的液料瞬時流量為： (3.5)dzFgPzCAV102 式中：F定量杯的截面積； 定量杯液料高度的微小增量；zd 對應(yīng)于增量 F 的時間； zd 式中的負(fù)號可以看出來定量杯中的液體高度是隨著時間的增長而減少的，由此可以 得出： (3.6)zgpCAdFd20 定量杯中的液體全部灌裝到瓶子中所需的時間： (3.7) 2100 2221 zgPzFzgpCAdFz 式中： 從管嘴孔至定量杯內(nèi)充滿液料時的高度；1z 從管嘴孔至定量杯內(nèi)流完液料時的高度。2 (2) 液料流量的計算 液料的流速可以通過孔口截面及貯液箱(或定量杯)中自由液面間列柏努利方程式求 得。 (3.8) fhgUPZgZ220011 在式中我們可以看出 u0灌裝時貯液箱內(nèi)的自由液面的流速根據(jù)液體流動而得到的連 續(xù)性的方程式。為了更清楚的表達此方程式我們可以將 u1折算成 u0而其中的阻力損失 h 我們也可將其用 u0來進行表達，故而氣功師哦我們可以寫成： gkdLgPZgAPZ 2)(22)/( 000101 (3.9) 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 19 (3.10)010120)()(1 PZgukdLk 式中:A 1貯液箱(或定量杯)自由液面的面積; 貯液箱(或定量杯)自由溢面的速度折算系數(shù),對于貯液箱情況,因自由20Ak 面積較大故可取 ; 從由自液面至灌裝嘴口截面之間，因通流截面積不同各段流道的速度21)( 折數(shù)系數(shù); 各段直管阻力系數(shù)之和;dLk 各種局部阻力系數(shù)之和。 由此,可求得孔口截面上液料的流速為 (3.11)(2)(1 010110 PzgkdLku 因此,經(jīng)孔口出流的液料流量為: (3.12)gYCAuV200 式中: C灌裝閥中液道的流量系數(shù),取值為 01 之間; Y孔口截面上的有效壓頭(包括靜壓頭與位壓頭)。 由上式可見,液料體積流量主要是三個參數(shù)的函數(shù),這三個參數(shù)為：(1)液道量系數(shù) C,(2)孔口截面積 ,(3)孔口截面上有效壓頭 ,現(xiàn)分別討論如下: a.流量系數(shù) C: 它實際上就是液料流經(jīng)灌裝閥中液道所受的阻力損失系數(shù),顯然,閥中流道阻力越小, C 值越大,但 C 值永遠小于 1,流量系數(shù) C 可通過計算來確定。當(dāng)閥的結(jié)構(gòu)及操作條件確定 后,其各段阻力系數(shù)均可查表獲得,對于環(huán)隙進液的閥端結(jié)構(gòu),可以參考縫隙流的有關(guān)公式,先 求出液料在縫隙始、終兩端的壓力降 P,然后求出該段縫隙的能量損失 P/,最后再反算 出該段縫隙的阻力系數(shù)為 根。據(jù)各段阻力系數(shù) 及每段的速度折算系數(shù) k,則可guP2/ 采用阻力損失疊加原則求出各項之和。 但由于灌裝閥中各個局部阻力之間距離很近,在兩個阻力之間很難形成一段變流,由 于相互干擾的結(jié)果使流量系數(shù)降低,所以應(yīng)予以修正,其修正系數(shù) 一般建議取 0.770.87,由此: (3.13)11kdLkC 在現(xiàn)實生活中為了計算時的方便，我們一般會將一些平常經(jīng)常用到的流體進行實驗 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 然后將所的到的數(shù)據(jù)編輯成冊，以方便在計算時直接查閱從而減少很多的自行計算時間。 (3) 灌裝時間的計算 灌裝的時間的計算在灌裝設(shè)計過程中占有相當(dāng)?shù)囊徊糠?，灌裝的液料自管嘴中自由 穩(wěn)定的流出。在此設(shè)計中我們采取的設(shè)計是穩(wěn)定流出的方案。由于液料在閥口流出的速 率設(shè)計固定的所以 來表示。1V =8.57s (3.14)1VT 式中: V每瓶所需灌裝液料的容積; 孔口出流的液料體積流量1 在本次設(shè)計的過程中我們選取的是瓶裝 600ml 的礦泉水，經(jīng)計算我們的 為 70ml/s1V 故而我們可以的出我們的灌裝速度大約為 8.57 秒每瓶。 3.2.4 灌裝閥密封材料的選擇 對于一個閥體而言除了灌裝的精度、和效率的高低而言。其的密封性的好壞也是關(guān) 系到一個閥體的性能的關(guān)鍵。而在灌裝閥的設(shè)計中其中閥口部分和與貯液箱接觸部分是 最為重要的部分。 灌裝閥的進液口部分是液體進入灌裝瓶的部分，此處不光要受到流體的沖擊，也要 保持住不讓液體泄露。如圖 3.15. 圖 3.15 灌裝閥出液口 灌裝閥與貯液箱的接口處也是需要進行密封的地方。若是此不為密封性能不好，將 會造成貯液箱內(nèi)的液料自此部位泄露，從而造成一定的成本的浪費，也會對及其形成一 定的損害。如圖 3.16。 管口密封處 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 21 圖 3.16 灌裝閥與貯液箱的接口處 此兩處是灌裝閥最容易發(fā)生泄露的地方，所以此兩處的密封是十分重要的。所以在 設(shè)計灌裝頭和滑套接觸的部位，采用錐面，在滑套和灌裝頭上安裝密封成通過彈簧提供 壓緊力進行密封。而在在閥與貯液箱的接觸部位用錐面連接，在它們之間加上密封圈， 通過壓緊螺母提供壓力，進行壓緊。 在閥門的設(shè)計中我們一般采取密封材料進行壓緊密封，此種方法容易保證防漏，只 需要改變當(dāng)前的壓緊力就可以使之重新密封，故而其中密封方式使用壽命較長，得到廣 泛的應(yīng)用。而密封的材料則要根據(jù)不同的場合進行一些合理的計算以及選取。 3.2.5 灌裝閥門啟動結(jié)構(gòu)設(shè)計與分類 對于一個灌裝閥而言若要完成罐裝的過程，首先要完成的動作就是閥的開啟與關(guān)閉， 在本設(shè)計中采取的是灌裝閥的升降，在閥體升降過程中，灌裝閥會與瓶口接觸，在閥體 下降時瓶口使閥口處的滑套上升彈簧被壓縮，此時灌裝頭與滑套之間會產(chǎn)生一個間隙， 液料由此間隙進入待灌瓶，隨著灌裝機的旋轉(zhuǎn)，閥體逐漸上升此時彈簧逐漸復(fù)原，滑套 在彈簧的作用下逐漸下降直至與灌裝頭重新接觸密封，此時液料停止進入瓶子。如圖 3.17 所示。 進液口 灌裝閥與貯液 箱接觸處 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 3.17 灌裝閥開啟閉合示意圖 此種形式的灌裝閥的開啟閉合方式無需另外增加控制機構(gòu),且能保證無瓶不灌裝,且效 率高，定量準(zhǔn)確。 3.2.6 灌裝閥彈簧的分析與設(shè)計 灌裝閥是灌裝機中的重要部件，它是溝通貯液箱、氣室和待灌瓶的通路開關(guān)。根據(jù) 灌裝的工藝的要求，其能夠依次的對有關(guān)的通路進行切換，并且能夠保證灌裝閥不漏氣 不漏液。而灌裝閥需要正常的工作，則離不開彈簧。其控制著灌裝閥的開啟以及閉合。 在目前的工廠中常常采用的是彈簧閥，它擁有者灌裝質(zhì)量好、灌裝壓力較高，且當(dāng)出現(xiàn) 破瓶等故障的時候能夠自行停止灌裝，避免成本的浪費。所以對于此閥而言，彈簧的設(shè) 計的好壞，彈性的是否合適都關(guān)系著官正過程能否樹立的完成。本設(shè)計中的彈簧如圖 3.18 所示。 圖 3.18 彈簧 彈簧作為一個經(jīng)常伸縮的部件，應(yīng)該具有經(jīng)久不變的彈性，從而保證工作的穩(wěn)定性。 因此在對灌裝閥進行設(shè)計時應(yīng)該使其的工作范圍保持在其的彈性極限變化范圍之內(nèi)。在 這個范圍內(nèi)進行工作的彈簧，當(dāng)受到載荷 F 時，彈簧會發(fā)生相應(yīng)的變形，當(dāng)所受的里取 灌裝閥開啟 灌裝閥閉合 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 23 消時彈簧應(yīng)當(dāng)恢復(fù)原狀。為了更好的表示彈簧工作時所受力產(chǎn)生的變形與力的關(guān)系，我 們可以用一個受力分析圖來表示，通過圖我們可以直觀的進行分析與計算。如圖 3.19 為 了表示灌裝閥彈簧與載荷關(guān)系，取縱坐標(biāo)表示彈簧承受的載荷，橫坐標(biāo)表示彈簧的變形， 通常載荷和變形成直線關(guān)系，這種表示載荷與變形的關(guān)系的曲線稱為彈簧的特性曲線。 圖 3.19 圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線 在圖中彈簧在沒有受到外力作用的時候，其自由長度是 ,一般的講我們在安裝一0H 個彈簧的時候，我們通常會對其施加一個初預(yù)緊力，稱其為 這是最初的也是最小的載minF 荷。在其的作用下彈簧被壓縮到 ，此時其的變形量為 。當(dāng)彈簧受到最大的極限載1Hi 荷 時，在該力的作用之下彈簧被壓縮至極限， 對應(yīng)的彈簧長度為 ，此時的壓maxF li 3 縮變形量為 ，產(chǎn)生的應(yīng)力極限為 。lilim 等節(jié)距的圓柱螺旋壓縮彈簧的特性曲線是一條直線，即其值為一個常數(shù)，可用公式 T(常數(shù)) ，壓縮彈簧的最小工作載荷為 ，對于 通常取 .axin minFin =（0.10.5） .通常對有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧， ， 為使具有預(yù)應(yīng)力的拉miFmaxFi0 伸彈簧開始變形時所需的初拉力。有預(yù)應(yīng)力的拉應(yīng)力的拉伸彈簧相當(dāng)于有預(yù)變形 x。因而 在同樣的 F 作用力下，有預(yù)緊力的拉伸彈簧產(chǎn)生的變形要比沒有預(yù)應(yīng)力時小。 彈簧在機構(gòu)中的工作條件決定了其的最大的工作載荷 ，但是在設(shè)計中通常不使maxF 其達到其的極限載荷 ，通常使其保持在 =0.8 。limmaxli 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 3.20 圓柱螺旋彈簧的幾何尺寸參數(shù) 在此次的設(shè)計中我們采取的是圓柱螺旋拉伸彈簧。我們選取中徑 為 44mm，外徑2D 為 48，當(dāng)彈簧壓縮變形量 約為 8mm 時，壓力 =200N,壓縮變形量為 20mm 時，壓力D11F =400N。2F 由工作條件彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第類彈簧來考慮。但在灌裝閥比 較重要，現(xiàn)在選用碳素彈簧鋼絲級別選用 D，并由已知條件知中經(jīng) D=44mm，并根據(jù)大經(jīng) D-D2=4mm，估取彈簧絲鋼直徑為 5.0mm。由表 3-2 暫選 B=1600mpa,則根據(jù)表 16-2 可知 = 0.3*B=480mpa。根據(jù)表 3-2 C=8 表 3-1 65Mn 彈簧鋼絲強度極限 級別 鋼絲直徑 d/mm B C D 5.0 13201570 14701710 15701810 (1) 根據(jù)強度條件選取材料并確定其許用應(yīng)力與變形 我們知道圓柱螺旋彈簧受壓或受拉時，彈簧絲的受力情況是完全一樣的?，F(xiàn)就下圖 3.21所示的圓形截面彈簧絲的壓縮彈簧承受軸向載 荷 P 的情況進行分析。 由圖 3.21(圖中彈簧的下部斷去，末示出)可 知，彈簧絲具有升角 ，故通過彈簧軸線的截面上，彈簧絲的截面 A-A 呈現(xiàn)橢圓形狀， 在該截面上作用著力 F 以及扭矩 ，因而彈簧絲的法向截面 B-B 上作用的力有橫2DFT 向力 Fcos、軸向力 Fsin、彎矩 M=Tsin 及扭矩 T= Tcos。 由于彈簧的螺旋升 角一般取為 =59，故 sin0；cos1(下圖)，則截面 B-B 上的應(yīng)力(下圖 3.22)可以近 似地取為： (3.15)CdFDdFdFTF 2142146/24/32 灌裝生產(chǎn)線上灌裝閥的設(shè)計 25 式中 C=D2/d 稱之為旋繞比(或者彈簧指數(shù))。為了使彈簧本身穩(wěn)定，不致過于顫動和過軟， C 值不能太大；但是為了避免彈簧絲在卷繞時受到強烈的彎曲，C 值又不應(yīng)太小。故而 C 值的范圍為 416(表), 常用值為 58。 圖 3.21 圓柱螺旋壓縮彈簧受力及應(yīng)力分析 表 3-2 常用的旋繞比值 C d/mm 0.20.4 0.451 1.12.2 2.56 716 1842dDC 714 512 510 49 48 46 為了方便計算，通常在上式中取 1+2C2C(因為當(dāng) C=416 時，2Cl，實質(zhì)上就是 略去了 p)，由于升角和曲率對彈簧絲的影響，應(yīng)力在彈簧絲截面的中分布將如圖c 中的粗實線所示。由圖可知，最大應(yīng)力產(chǎn)生在彈簧絲 截面內(nèi)側(cè)的 m 點。通過實踐課發(fā)現(xiàn)彈簧基本是由此點發(fā)生損壞?，F(xiàn)引進一個補償系數(shù) K(或稱曲度系數(shù))，用來考慮彈簧絲的升角和曲率對彈簧絲中應(yīng)力的影響。則彈簧絲內(nèi)側(cè) 的最大應(yīng)力及強度條件可表示為 (3.16)28dCFKT 式中補償系數(shù) K，對于圓截面彈簧絲可按下式計算： =1.18 (3.17) 615.04 圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧受載后的軸向變形量 可根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于圓柱螺旋彈簧 變形量的公式求得: (3.18)GdnFCD 3438 式中：n彈簧的有效圈數(shù)； G彈簧材料切變模量，見前一節(jié)表。如以 Pmax 代 替 P 則最大軸向變形量為： 1) 對于壓縮彈簧和無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧： (3.19)GdnCF 3maxax8 2) 對于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧： 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 (3.20)GdnCF 30maxax8 拉伸彈簧的初拉力(或初應(yīng)力)取決于材料、彈簧絲直徑、彈簧旋繞比和加工方法。 用不需淬火的彈簧鋼絲制成的拉伸彈簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力時，各圈 間應(yīng) 有間隙。經(jīng)淬火的彈簧，沒有初拉力。當(dāng)選取初拉力時，推薦初應(yīng)力 0值在下圖 3.22 的陰影區(qū)內(nèi)選取。 初應(yīng)力按下式計算： (3.21)KDdFO803 使彈簧產(chǎn)生單位變形所需要的載荷 kp 稱之為彈簧剛度，即： (3.22)nGCF3