机械毕业设计（论文）-稠厚物料灌装机构【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 稠厚物料灌装机构稠厚物料灌装机构 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 稠厚物料灌 装机构 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果， 其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致 谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体 已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 97 学 号： 0923836 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院无锡太湖学院 信 机 系系 机械工程及自动化 专业专业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 稠厚物料灌装机构 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 随着市场经济的发展，包装工业在国民经济中所占的比重和作用越来越大， 为了提高劳动生产率，降低生产成本，改善生产环境，提高商品档次，从而增强 商品的市场竞争力，而有了这个课题。 21 世纪末，随着生产流通日益现代化，产品包装正以崭新的面貌崛起，受到人们 普遍重视在食品、轻工、纺织、化工、医药，电子，仪表和兵器等工业部门，已经 不同程度地形成了包装连续化，自动化的生产过程。 。这也是检验自己四年专业 知识的同时也提高了自己的学习能力。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 阅读外文资料翻译与所学专业或课题相关的文献 3000 字左右，语句通顺， 流畅，精确； 了解稠厚物料灌装机构装置的工作原理。 根据加工产品和加工要求，拟定分析设备装置设计方案。 II 绘制整套三维模型图，零件图，装配图。 用 UG 进行造型与装配。 撰写论文，要求符合本科论文的格式要求，语言简洁，流畅，层次分明，上机 时数不少于 200 小时，整个毕业设计过程中的技术工作严谨，灵活，工作要有主 动性，计算方法，计算的程序，计算结果，论文要正确。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 97 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 液料物料（简称液料）灌入包装容器的装置叫做灌装机或灌装设备。液料依自重即能灌 入包装容器如油、酒、果汁、牛奶、酱油、墨水、糖浆、农药等；也有的需要借助外界压力 才能灌入包装容器，如番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等。对于低粘度液料，根据是否溶解有二 氧化碳气体而分为含气和不含气两类。对于含气液料，习惯上将不含酒精成分的，如汽水， 可口可乐、矿泉水等，称为软饮料，而将含有酒精成分的分为如啤酒，汽酒、香槟酒等称为 硬饮料。液料包装容器主要有玻璃瓶、金属灌，以及用塑料或柔性复合材料制成的各种杯、 管、瓶、袋等。在我国目前仍广泛采用玻璃瓶装各类液料。这是因为，玻璃原料资源丰富、 成本低、化学稳定性好、贮存期长，无毒、易清洗，可回收使用，尤其适合包装高档商品。 而其主要缺点则是较重、破碎率高、搬运不便。因此，今后宜大力发展轻量瓶及液料软包装。 采用铝质二片罐和铝质瓶虽能较好地克服玻璃瓶所在的缺点，但是它制造工艺复杂，成本高， 在国内暂时难以迅速推广。至于塑料容器，如聚氯乙烯瓶，因含有毒性的氯乙烯单体，不宜 用作食品包装容器，而聚乙烯或聚丙烯容器因其阻气性较差，也不宜灌装含气的和易氧化液 料。现今，正致力于研制新型包装材料，如聚酯瓶、共挤复合瓶、复合包装盒等。 采用机械化的灌装方法不仅可以提高劳动生产率，减少产品损失，保证包装质量而且还可减 少生产环境和被灌装液料的相互污染。 关键字关键字： 灌装；番茄；机械化 IV Abstract Liquid material (or liquid) device into containers called filling machine and filling equipment. The liquid material according to the weight can be poured into containers such as oil, wine, fruit juice, milk, soy sauce, ink, syrup, pesticide; others need the help of outside pressure can be poured into containers, such as tomato sauce, minced meat, toothpaste, balsam. For low viscosity liquid material, according to whether the dissolved carbon dioxide gas into gas and free gas two. With the gas liquid, habits, non-alcoholic ingredients, such as Coca Cola, soft drinks, mineral water, known as soft drinks, and alcohol component is divided into such as beer, champagne, sparkling wine, called hard drinks. Liquid packaging container glass bottles, metal irrigation, and a variety of cup, made of plastic or flexible composite tubes, bottles, bags etc In China is still widely used in glass bottles of various liquid materials. This is because, glass raw materials rich in resources, low cost, good chemical stability, long storage period, non-toxic, easy to clean, recyclable use, especially suitable for luxury goods packaging. But its main drawback is heavy, high crushing rate, inconvenient transportation. Therefore, in the future to develop light weight and liquid soft package. The use of aluminium two cans and aluminum bottle can effectively overcome the shortcomings of glass bottles, but its complicated manufacturing process, high cost, the temporarily difficult to spread quickly. As for the plastic containers, such as bottles for PVC, vinyl chloride monomer containing toxic, should not be used for food packaging containers, and polyethylene or polypropylene containers for its gas resistance is poor, not filling gas and easy oxidation liquid. Today, is committed to the development of new packaging materials, such as polyester bottle, bottle, co-extrusion composite packaging box. The filling mechanical method not only can improve labor productivity, reduce product loss, ensure mutual pollution packing quality but also reduce the production environment and is filling the liquid material. Keywords: tomato； paste ；machine V 目目 录录 摘 要III AbstractIV 目 录.V 1 绪论.1 1.1 本课题研究的内容和意义.1 1.2 国内外的发展概况2 1.3 本课题应达到的要求3 2 总体方案设计.4 2.1 主要组成结构4 2.2 主要技术参数5 2.3 工作原理与工作过程概述5 2.3.1 稠厚物料灌装机的工作原理.5 2.3.2 稠厚物料灌装机的主要工作过程8 3 灌装和基本参数计算.11 3.1 灌装11 3.2 灌装机的总体结构.11 3.1.1 灌装方法.11 3.1.2 定量方法.13 3.1.3 灌装机基本参数计算13 3.1.4 阀端孔口流量计算16 4 关键零部件.18 4.1 阀门的启闭形式.18 4.2 活塞行程调节装置.22 5、灌装机密封、清洗、润滑24 5.1 灌装机的密封.24 5.2 关键零部件的密封24 5.3 灌装机的清洗.24 5.4 灌装机的润滑25 6 结论与展望.27 6.1 结论27 6.2 不足之处及未来展望.27 致谢.29 参考文献30 附录.31 稠厚物料灌装机构 1 1 绪论绪论 1.1 本课题研究的内容和意义本课题研究的内容和意义 近 50 几年来，随着生不断促进扩大再生产化、世界化，包装机械正在以非常新的面孔口 崛起，得到广大老百姓极大的片偏爱。 现在包装机械的基本含义：对不一样产量的物品，选用某一样有安全性、装饰性的机械 包装物料或容器的包装，而且要运用合理的科技手段进行包装工作，以满足应该达到的产量 量和质量，另外想法改善外部的工作结构，降低机械的包装成本，从而在流通领域零售领域 的一段过程可以非常轻松储存搬运，以防物品品破损变坏，不破坏环境，不断促进扩大再生 产促进增加再生产便于应用和回收废料，有大市场，广开市场，不断促进扩大再生产促进扩 大再生产。 无论国内国外，包装机械工作已经涉及到世界各种行业，面广量大，对老百姓的生活、 国家贸易国家建设都带来特别大的影响，甚至在现在老百姓生活中出现了过去特别难以想象 的新情况:没有经包装机械销售的商品变的越来越少，并且机械包装上的不好往往会使好的 产品得不到好的销售。所以这样说，在未来，要是没有特别世界化的机械包装就没有商品的 生产和销售，可是要是没有先进工科的和科学先进技术的快发展，也不可能出现特别高质量 现代化机械包装。 迄今，一些技术特别发达的国家，在食品，医药，轻工，化工，纺织，电子，仪表， 和兵器工业部门，已经在很大程度不同的构成了由物料加工处理，中间生产加工和产品机械 包装三大重大基本所构成的包装连续不断化和自动生产化生产的过程，有的还将包装材料加 工，包装的容器成型以及包装机械成品储存都连接起来构成特别高的流水作业生产线，另外， 为使包装机械成品更好地融进市场，大多数配有自动化的仓库，并采用了集装箱的运输。 特别的事实显示，能让包装机械的生产化和电动化，尤其实现具有高度灵活性（或称 柔性）的自动化包装线，不仅体现了现代生产的发展动向，同时也获得巨大的经济效益。 1、能增加花色品种，改善产品质量，加强市场竞争能力。 现代机械包装所能完成的劳动动已经特别大远远超出了简单地仿照老百姓的动作，甚至 可以说在许多场所用巧和的机械老大方法包装出来的产品，不论在样式，质地精度等方面， 大部分是是人工操作没有办法取胜和相当的。随着产品的不一样化，这各方面越来越受到了 老百姓的看中。另一方面，用机械手代替人手，就足以最大限度地避免操作人员同产品直接 接触时可能产生的感染，从而保证食品、药物的清洁卫生和金属制品防锈防蚀。 2、能改善劳动条件，避免污染危害环境。 对有剧毒、刺激性的、低温、潮湿性的、爆炸、发射性的，以及必须放置在暗室中的物 品，实现了包装的机械化和自动化，便可大大改善操作条件，避免污染危害环境。至于对需 要进行长期、频繁、重复的以及其他笨重的包装工作，如能实现机械化自动化，则能大大减 轻体力劳动强度，增进工人健康和提高生产效率。 3、能节约原材料、减少浪费、降低成本。 有些粉末、液体物料在手工包装过程中容易发生逸散，起泡，飞溅现象，若改为机械包 无锡太湖学院学士学位论文 2 装则会大大减少损失。 4、能提高生产效率，加速产品的不断更新 机械包装的生产能力往往比手工包装提高几倍，几十倍，无疑将是更好的适应市场的实 无锡太湖学院学士学位论文 2 际需要，合理安排劳动力，为社会创造更多财富。 由此可见，实现包装机械化和建立现代包装工业，乃是关系到国家长远规划的一件大事， 也是搞好社会主义四个现代化的一项重要内容。 包装机械的主要特点及发展方向：包装机械给有关行业提供必备的技术装备，以完成所 要求的产品包装工艺过程，为了对包装机械的产生和发展找出规律性认识并制定适当的政策， 有必要深入了解它的一些特点。大学时光，悄然逝去。在这几年年中，我不仅学到了自己需 要的知识，同时也提高了自己的能力。但是，学到的很多东西毕竟仅仅都是书本上的理论知 识，显然和实际有很大的差距。通过这次的毕业设计，我可以将自己所学到的理论知识更好 的与实际相结合起来，从中能够锻炼我的思维能力，同时也是对这些年所学知识的一个综合 的运用，同时也为将来要从事的职业打下良好的基础。 毕业设计同样也是大学四年最关键的一个教育环节，在这次毕业设计中，我要能够灵活、 系统地运用所学知识，提高自己分析问题、解决问题的能力，培养认真、严谨的学习作风和 吃苦耐劳、一丝不苟、严谨的治学态度。同时，也使自己更加熟练的掌握如何查阅国内为有 关的技术资料和文献，从中学会调查、收集、整理比较有价值的资料，在保留同类产品优点 的同时，运用新技术、新工艺、新资料、新材料、大胆创新，以弥补同类产品的不足之处， 使产品趋于更合理、更先进、更优化、更具有使用价值和良好的经济效益。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 包装机械工业的展望：在世界范围内包装机械工业发展的历史相对比较短些，科学技术 相对发达的欧美各国大体上是本世纪初叶起步的，及至 50 年代发展的更快。由于社会上积 极推动和有力配合，终于逐步地建立起包装材料、包装印刷、包装机械等生产部门与之相适 应的科研，设计、情报、教育、学术，管理等组织架构，从而形成了独立完整的包装工业体 系，且在整个国家经济中占重要地位。 根据近几年统计资料得知，这些国家包装工业的总产值大约占国民经济总产值的 2%左 右；其中包装机械占比不大，但是它的发展迅猛。 美国的包装工业发展比较早，门类齐全，基础扎实，水平很高，仅就包装机械制造业而 论，实力相当雄厚，其品种与总产值均据世界首位。由于国内以实现了工业现代化，自选市 场蓬勃兴起，客观上要求包装机械沿着自动化发展，并将电子及其他技术广泛应用。 日本的包装工业大体上是从第二次世界大战结束后才开始发展起来的。因善于引进、模 仿、创新、经营，仅用十余年时间就奠定了初步基础。如今，日本以建立起独立的包装工业 体系 德国的包装机械工业也非常的发达，现拥有几家堪称世界在最大规模的包装机械 制造厂，其包装机械工业仅次于美国，但每年出口总额却比其他国家摇摇领先。还值得强调 的是，它同意大利、法国、瑞典、瑞士等国一样，能够密切结合本国的具体条件实现按机种 的专业化生产，以利于充分发挥各自的优势研制高效能的新型包装机来加强实力竞争。例如 德国药品、酒类、日用化品包装机都受到国际青睐。 中国也有着悠久的包装历史。我国劳动人民对包装的发展曾做出许多杰出的贡献特别是 防腐包装，防震包装和礼品包装更带有民族传统特色，一直延续至今。可是中国包装起步较 稠厚物料灌装机构 3 晚，解放前只有少数啤酒厂、汽水厂、罐头厂、卷烟厂才配备一些包装机械，到了五十年代 开始引进仿照，形成小规模的生产能力。进入 70 年代，主要由于对外贸易的促进带动了整 个行业向自成体系方向的发展。 1980 年中国技术协会成立，不就包装总公司也诞生。此后，在国内举办了包装展览会， 学术研讨会，还出版了我国有史以来第一步包装年鉴，及其他包装书刊，这一切标志着中国 开创一个崭新的包装历史时期。 近很多年来中国政府采用一系列特别好的政策，以前有很好计划的再造以前遗留下来的 特别旧的机械设备，并且采用引来研发相陪合的方法，慢慢提高中国机械包装的生产质量， 使广大老百姓人幸福的是通过整个机械行业大整合，以获得非常好的成绩，至今全国已出现 一大批机械包装制造研发企业和科教、设计院、生产单位。新研发出来的有一些机器有的开 始面向国外出口。 并且的国家教育部已经明确说了，将机械包装工程专业列入全国高等教育教科书，为正 规培养本科包装专业专门人才创造特别好的条件。 今后运用的系统工程观点，进一步统筹规划，分工发展食品、农副产品、还须抓好包装 材料加工与成型机械、包装检测装置以及包装机基础件的生产，并且充分利用现有条件全面 开展产品的系列化，零部件的通用化和标准化工作，以加速包装机械跟新换代的步伐。 然而从全局看，我的包装工业同国际的先进水平相比依然存在着明显的差距，而且是国 民经济中较为薄落的环节。为尽快改变这种面貌。 1.3 本课题应达到的要求本课题应达到的要求 坚持从细节出发，在不断纠错中前进，本课题中主要解决的问题是对灌装阀材料的选 择，对数据的整合，对所需零件的选择，对图纸的设计，三维图的整理，一步一步做，不怕 出错，在老师指导下一定可以顺利完成，不仅使加工的零件尺寸精度达到图纸要求，这个课 题不仅仅是一次毕业设计，更是人生的一段宝贵财富，通过这次设计，在对自己四年专业知 识检验的同时也对自己未来的人生发展有重要的意义，做到独立思考，勤奋努力，通过这次 毕业设计，更要做好总结，对未来的发展起到了很重要的借鉴作用，最后希望自己通过这次 设计能顺利毕业，拿到学位，对自己学生时代画上一个圆满的句号确定设计方案，确定灌装 阀的技术参数，电机参数的确定，灌装速度，灌装精度，活塞行程调节装置如何调整长度， 在选择灌装阀口径方面，为了防止滴料，提高灌装精度，合理地设计了灌装阀口径，输液管 尺寸的确定从储液槽到到灌装机贮液箱的的输液管路一般均用圆管敷设。设计时，首先要合 理选择它的内径和壁厚，圆管壁厚一般根据它的耐压和耐腐蚀等条件，按标准规格选定，其 次还有灌装阀的设计，自由度的计算，平面四杆机构的设计与选择，以及运用，另外设计的 重要任务是使得灌装阀口径能够优化，不要影响灌装的精度。定量的方法有 3 种定量的方法， 其他相关的说明，用二维完成装配图，用 UG 三维完成部分零件图，相关参数的优化。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 主要组成结构主要组成结构 图 2.1（稠厚物料灌装机构） 稠厚物料灌装机构用于软质稠厚物料（如肉糜等）的压力定力灌装。物料由供料泵通过 管道送来，经稳压装置恒压控制后通过管道送来，经稳压装置恒压控制后通过灌装旋塞的定 量和通道变换，由充填阀灌入包装容器。灌装量可通过活塞行程装置调整。 灌装精度：+-0.30% 灌装速度：100 灌/分 灌装量：0-500 克 液体物料灌入包装容器内的装置称为灌装机或灌装设备。 液料以自身的粘度的不同，有的借助自重既能灌入包装容器，如油、酒、果汁、牛奶、 酱油、墨水、糖浆、农药等，也有的需要借助外界压力才能灌入包装容器，如番茄酱，肉糜， 牙膏，香脂等等。对于低粘度液料，根据是否溶解有二氧化碳气体分为含气和不含气两类。 对于含气液料习惯上将不含酒精成分的，如汽水，矿产水、可口可乐等，称为饮料而将含有 酒精成分的，如啤酒、汽酒、香槟酒等，称为硬饮料。 液体包装容器主要有玻璃瓶、金属灌，以及用塑料或柔性复合材料制成的各种环、管、 瓶、袋等。我国目前仍广泛应用玻璃灌装各类液料。这是因为，玻璃原料资源丰富，成本低， 化学稳定性好，储藏期长，无毒、易清洗，可回收使用，尤其适合储藏高档商品。而主要缺 稠厚物料灌装机构 5 点就是则较重破碎率高，搬运不便。因此，今后宜大力发展轻量瓶及液料软包装。采用铝制 二片灌和铝制瓶虽能较好的克服玻璃所存在的缺点，但是它制造工艺复杂，成本高，在国内 暂时还难以迅速推广。 采用机械化灌装的方法不仅可以提高生产效率，减少产品损失，保证包装质量，而且还 可减少生产环境与被灌装液料的相互污染。 它整体上有活塞行程调节装置，定量灌装阀、充填阀。 2.2 主要技术参数主要技术参数 表 2-1 主要参数表 2.3 工作原理与工作过程概述工作原理与工作过程概述 2.3.1 稠厚物料灌装机的工作原理 稠厚物料灌装机用于软质稠厚物料（如肉糜等）的压力定量灌装。物料由供料泵通过 管道送来，经稳压装置恒压控制后通过管道送来，经稳压装置恒压控制后通过灌装旋塞的定 量和通道来变换，由充填阀灌入包装容器。灌装量可通过活塞行程调节装置调整。第一幅图 是摇杆机构，图中由液压缸带动杆的移动导致摇杆摆动致使滑块进行滑动，滑块就在图中相 当于齿条，再由齿条带动齿轮进行转动，在看第二幅图中由于通过活塞 5 往复移动和旋塞 8 的下部通道送出。其进出过程是交替进行的。灌装量受活塞往复进行控制，旋塞 8 的下部通 道送出。其进出过程是交替进行的。灌装量受活塞往复控制的，旋塞 8 的转动则受齿条 2 控 制。由于旋塞是竖着的，所以侧隙均匀，操作稳定。物料由上部阀进来， 项目参数 生产率（kg/h）420 灌装的容积（ ）L1.75 灌装的产量（kg）24 物料的粘度（Pa ）s 3 30 10 机器的大小(mm) 1096 773 500 圆管内径(mm)30 阀端口流量（m/s）10 电机（W）1.75 物料的密度(KG/ ) 3 m 3 1.30 10 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 2.2(定量灌装图 1) 上部的阀口与这个活塞缸对接，此时那个下部阀是被旋塞套给封住，物料不能从下面的阀出 来，这个整个过程就如同下图所示，这个过程就收相当于物料从上部阀进来，正好旋转到上 部阀与活塞缸对口，物料进去，而正好旋塞套转到下部阀口，套住了，物料不能下去，然后 挤压把活塞缸的物料挤出来，此时再转动活塞缸与下部阀口对接，而旋塞套把上部阀口关闭， 如此依次循环下去。 稠厚物料灌装机构 7 图 2.3(阀相似)图 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.4（定量灌装图 2） 这个是个摇杆机构，由气缸带动摇杆摆动从而带动连杆，使那个滑块即齿条进行移动， 从而带动齿轮转动。 2.3.2 稠厚物料灌装机的主要工作过程 活塞行程调节装置是一种具有可移支点的曲柄摇杆机构。当带有心轴的螺帽 3 被锥齿 轮 1 通过螺杆 2 带动向下移动时，活塞轴 6 的轴向位移量逐渐加大，即活塞行程增加；反之， 则位移量逐渐加大，即活塞行程增加；反之，则位移量逐渐减小，即活塞行程减少。在曲柄 带动摇杆 7 摆动时，由于活塞轴 6 的轴心线只能轴向来回移动，所以摇杆 7 除了绕螺帽 3 上 心轴回转外，摇杆 7 的两侧还沿滑块 4 的两侧作上下滑动。 稠厚物料灌装机构 9 图 2.5（活塞行程调节装置 1） 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 2.6(活塞行程调节装置 2) 1、锥齿轮 2、螺杆 3、螺帽 4、滑块 5、轴套 6、活塞轴 7、摇杆 8、连杆 由曲柄带动连杆，这个锥齿轮转动带动螺杆向下移动，调整活塞杆的行程大小来改变灌装的 多，完成整个过程。 稠厚物料灌装机构 11 3 灌装和基本参数计算灌装和基本参数计算 3.1 灌装灌装 将液料灌入包装容器内的装置称为灌装机或灌装设备。 液料依自身粘度的不同，有的借助自身的重力既能灌入机械包装容器内，如油，酒、果 汁、酱油、墨水、糖浆、农药等；也有的需借助外界压力才能灌入包装容器，如番茄酱，肉 糜，牙膏，香脂等。对于低粘度液料，根据是否溶解有二氧化碳气体而分为含气和不含气两 类。对于含气液料，习惯上将不含酒精成分的，如汽水、矿泉水、可口可乐等，称为软饮料， 而将含有酒精成分的，如啤酒、汽酒、香槟酒等，称为硬饮料。 液料包装容器主要有玻璃瓶、金属灌，以及用塑料或柔性复合材料制成的各种杯、管、 瓶、袋等。在我国目前还是广泛采用玻璃瓶灌装各类饮料。这是因为，玻璃原料资源丰富、 成本低、化学稳定性好、贮藏期长，无毒，易清洗，可回收使用，尤其适合包装高档商品。 而其主要缺点则是是较重，破碎率高，搬运不便。因此，今后宜大力发展轻量瓶及液料软包 装。采用铝质瓶虽能较好的克服玻璃瓶所存在的缺点，但是它的制造工艺复杂，成本高， ， 在国内暂时难以迅速推广。至于塑料容器，如聚氯乙烯，因含有聚氯乙烯单体，不宜用作食 品包装容器，而聚乙烯或聚丙烯容器因其阻气性差，也不宜灌装含气的和易氧化的液料。现 今，正致力于研制新型的包装材料，如聚酯瓶、共挤复合瓶、复合包装盒等。 采用机械化的灌装方法不仅可以提高劳动生产率，减少产品损失，保证包装质量，而且 还可减少生产环境与被灌装液料的相互污染。 同时灌装机属于包装机械范畴，它的种类繁多，结构复杂。但通过对其工作原理和结构 性能的分析，基本都由八个部分组成的，又称为包装机械的八大组要素。它们是机身、控制 系统、动力机和传动、成品输送机、主传送系统、被包装物品的计量、包装材料的整理与供、 包装执行机构。 3.2 灌装机的总体结构灌装机的总体结构 根据包装容器的传送形式，灌装机可分为“直线型”，和“旋转型”两种。前者，包装容器 沿直线做周期性的间歇移动，在停歇时完成灌装，而后者，包装容器绕圆周做等速回转运动， 同时进行灌装。 3.1.1 灌装方法 由于液料的物理化学性质各有差异，在灌装时，有着不同的灌装要求。液料由贮液装置 （通常称为贮液箱）灌入包装容器常采用如下几种方法。 1、常压法灌装 常压法灌装是在大气压力下，直接依靠被灌装液料的自重流入包装容器内。常压灌装工 艺过程为：1）进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被排出；2）停止进液，即容 器内液料达到定量要求时，进液自动停止；3）排出余液，即排出器管中的残液，该过程对 排气至贮液箱上部气室的那些结构是必需的。 常压法主要用于灌装低不含气的液料，如奶、白颜色的酒、酱油、药水等。 无锡太湖学院学士学位论文 12 2、等压的方法法灌装 等压的方法灌装利用贮液的箱体上部气室的压缩了空气，给容器内充气，使它们两个内 部的压力几乎相等，然后正在被灌装的液料靠自己重力流入这个包装容器内部。等压法灌装 的工艺为：1)充气的等压；2）进液的回气 3）停止了进液 4）释放里面压力；即释放瓶颈内 残留的压缩的气体至大气体内，以免瓶内突然降压引起大量冒泡，影响包装质量和定量精度。 等压法适用于含气体饮料，如啤酒、汽水等的灌装，以利于其中所含气体 CO2 的损失。 3、真空法灌装 真空法灌装是在低于大气压力条件下进行灌装。它有两种基本方式：一种是差压真空式， 让贮液箱内部处于常压状态，而只对包装容器内部抽气，使其形成一定的真空度，液料依靠 容器内的压力差，流入包装容器并完成灌装；另一种是重力真空室，让贮液箱和包装容器都 接近相等的真空状态，液料靠自重流入该容器内。目前，国内常用差压真空式，它结构简单， 工作可靠。 真空法灌装的工艺过程为：1）瓶抽真空；2）进液排气；3）停止进液；4）余液回流， 即排气管中的残液经真空回流至贮液箱内。 真空法适用于灌装黏度稍大些的液料（如油类、糖浆等） ，含维生素的液料如蔬菜汁、 果子汁和等有毒的液料（如农药等） 。此法不但能提高灌装速度而且能减少液料和容器内残 存空气的接触和作用，故有利于延长某些产品的保存期，此外，还能限制毒性气体和液体的 逸散，从而改善操作条件，但对灌装含有芳香性气体的酒类却是不适宜的，因为会增加酒香 的损失。 4、虹吸法灌装 虹吸法灌装时应用虹吸原理使液料经虹吸管由贮液箱被吸入容器，直至两者液位相等为 止。此法适合灌装黏度不含气的液料，结构简单，但灌装速度较低。 5、压力法灌装 压力法灌装是借助机械或气液压等装置控制活塞往复运动，将黏度较大的液料从贮料缸 吸入活塞缸内，然后再强制压入待灌容器中。这种方法有时也用于汽水之类的软饮料的灌装， 由于其中不含胶体物质，形成泡沫易于消失，故可依靠本身所具有的气力直接灌入未经预先 充气的瓶内，从而大大提高了灌装速度。 在选择灌装方法时除应考虑液料本身的特性（粘度，密度、含气性、挥发性）以外，还 必须认真分析产品的工艺要求以及灌装机械设备的结构和运转情况。 以啤酒为例，它的主要灌装工艺要求，一是保证足够的二氧化碳含量，二是降低含氧量， 为了避免在杀害毒菌和储藏的期间与酒杯中某些还原性物质相凑合而能改变酒的味道，严重 的导致变质。 所以，在灌装液体过程当中，按规定维持特别稳定的压力及温度，为了防止引发冲击而 形成了大的涡流。理论知识以及现实表明，在酒中所含有又经过发酵生产的二氧化碳的数量 是跟着大的压力变小或温度上升而变小。 稠厚物料灌装机构 13 同时，在灌装过程中，还要求设法减少液料与空气的接触，并尽量消除瓶颈残留空气的 影响（为减少加热杀菌时的爆瓶率，通常规定瓶颈所留空隙的容积最好不少于 3%） 。为此， 有时在灌装结束后，还一道用二氧化碳或其他惰性气体置换瓶颈空气的工序，或者在灌装刚 一结束时用敲击法或高压无菌水冲击法致使产生泡沫，以驱逐瓶颈空气，紧接着即进行压盖 封口。另外，鉴于在灌装过程中，啤酒与空气的接触主要来自瓶内以及贮液箱内留存的空气 故也可通过改进灌装工艺和机械结构来降低酒中的含氧量。例如，在灌装前先抽去瓶内空气 的 90%左右，然后充入二氧化碳使其等压，此法称为真空等压法，但这势必会增加动力和二 氧化碳的消耗。或者将贮液箱与气室分开，另设充气室和排气室，即有单室改变为三室。这 样，贮液箱内充满液料，与空气脱离接触，瓶内排出的空气也不混入贮液箱，而被引入单独 设置的低压气箱内，从而可适当提高排气和灌装速度，即减少酒与空气的接触作用时间。此 法称为等压-差压法。根据实际情况测定，对于原氧含量为 0.25 到 0.3ppm 的啤酒。采用单室 结构进行灌装，含氧量大约增加 1ppm,而采用预抽真空或三室结构进行灌装，则大约增加 0.2ppm。 3.1.2 定量方法 液料定量多用容积式定量法，大体上有如下三种。 1、控制液位定量法： 此法是通过灌装时控制被灌容器（如瓶子）的液位来达到定量值得。习惯上称为“以 定量法”。 2、定量杯定量法 此法是将液料先注入定量杯中，然后再进行灌装。若不考虑滴液等损失则每次灌装的液 料容积应与定量杯的相应容积相等。 3、定量泵定量法 此法是采用机械压力灌装的一种定量方法。每次灌装物料的容积与活塞往复运动的行程 成正比。 比较上述三种定量方法，不难了解，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，其定量精度差，但结构简单，至今乃被广泛采用。 实际上，选择定量方法首先应考虑产品所要求的定量精度。而定量精度与产品有关，越 是名贵的产品，其计量误差应取得越小。我国对番茄酱等灌头食品，要求其重量误差不超过 +-3%；对 640ml 啤酒要求其容量误差不超过+-10ml（有的国家为+-3ml 左右） ；对高档的瓶 装酒类，要求其液位误差不超过+-1.5mm. 此外，选择定量方法还要考虑液料本身的工艺性。例如，对于含气饮料的灌装，若采用 定量杯定量法，贮液箱内的泡沫反倒有可能降低定量精度。因此，在这种情况下，一般以采 用控制液位的定量法较为适宜。 无锡太湖学院学士学位论文 14 3.1.3 灌装机基本参数计算灌装机基本参数计算 3.1.3.1 输送管路的的计算输送管路的的计算 1、输液管尺寸的确定 从储液槽到到灌装机贮液箱的的输液管路一般均用圆管敷设。设计时，首先要合理选择 它的内径和壁厚。 2、圆管内径 设输液管的内径为 d(m),截面积为 A（m） ，液料在管内的流速为 u（m）,体积流量为 V（） ，由于 A= （3.1） 2 4 d u= （3.2） V A 由上面两个式子可得 d=(m)= =0.05m 4V 4 0.00098125 0.5 其中该管的内径为 0.05 米 可见，欲求 d 必先 V 及 u。为此，又设： W管内质量流量（kg/s） P液料密度（kg/） 3 m 3 (/ )ms 每瓶灌装液料的质量（kg/pc.） b G 灌装机的生产能力（pcs/h） max Q 逐写出 V= （3.3） W max 3600 b G Q 3 (/ )ms 则算出=10 kg/pc.， =459.2016pcs/h b G max Q 在流量保持定值的条件下，虽然提高流速会使管径和设备投资费用都相应减少，但往 往要增加输送液料所需的动力和操作费用。因此，设计时因根据具体情况参考表适当取流速， 这个表查书包装机械原理与设计,根据流量流速代入式算出管径，必须参照现有的圆管规格 圆整至标准值。 3.圆管壁厚 稠厚物料灌装机构 15 圆管壁厚一般根据它的耐压和耐腐蚀等条件，按标准规格选定。 1.储液槽安装高度或输液泵功率的确定 要在单位时间内给灌装机贮液箱输送一定数量的液料，必须借助高位槽或输液泵作动 力源。为合理确定储液槽的安装高度或输液泵的功率，应运用能量守恒定律，亦即流体力学 的伯努利方程式求解。为此，取输液管路的始端及两个截面作为基准， ，令储液槽的自由液 面和贮液箱的输液管出口，进而列出统一的伯努利方程式。 （3.4） 2 1122 1122 . 22 pvp ZHeZh gggg 式中，Z 为位压头； 为静压头（P 为流体压强） ；为动压头（层 p g 0 1() i KK 流时取动能修正系数 a=2,紊流时取 a=1） ；HE=为泵压头（即单位质量的液料通过泵所获得的 能量） ；为损失压头（包括直管阻力损失与局部阻力损失之和） ，此算法可查有关资料。h 4.求高位槽的安装高度 1 z (3.5) 22 1 10.40.45 17.628.1 2 p Zh gg 高位槽液面与大气接触，按表压计算，=0，故=0 1 p 1 p g 高位槽液面较大，流速甚小，可以不计，故=0 1 1 2g 取一段截面作为计算基准，故=0 2 Z 根据其他条件，依次可求得 3 2 3 98.0665 10 10.04 0.996 109.80665 p g max 2 33 0.5 15000 2.96/ 36003600 0.996 10707 10 b G Q m s A 22 2 2.96 0.45 22 9.80665 m g 为求管子损失压头，需先计算出雷偌准数h 由于2320，可知液料在管内是紊流的，动能修正系数可取=1.另外，若取管R 无锡太湖学院学士学位论文 16 子绝对粗糙=0.2，则直管损失压头为 (3.6) 2 20 0.0350.4510.5 20.03 l hm dg 若各安装两个弯头和球心阀，则局部阻力损失压头 =7.1m (3.7) 2 2 1234 (22) 2 h g (2 0.752 6.40.5 1) 0.45 , 17.6hhh 代入有关值 (3.8) 22 1 10.40.45 17.628.1 2 p Zh gg 可见，本例所需高位槽的液位太高，不便应用。 2求所需泵的的轴功率 N 设储液池自由液面，管路上又多了一个标准弯头，故损失压头 (3.9) 2 , 1 17.60.75 0.4518.0 2 hh g 代入可得泵压头 m (3.10) 2 , 2 2 3 10.040.45 18.031.5 2 e P Hzh gg 则输液泵所需轴功率 N= (3.11) e H W max 3600 eb HGQ 31.5 0.5 15000 0.92 3600 0.7 kw 3.1.4 阀端孔口流量计算阀端孔口流量计算 液料体积流量 V 主要取决于三个参数：通道流速系数 Q,孔口流通面积 A0,及孔口 截面压头 H,，现分别讨论如下; 1）通道流速系数 Q 液料经灌装阀通道所受阻力越小，Q 值越大，但它恒小于 1. 通常，q 值用实验法测定，也可用计算法近似确定。若已知灌装阀的结构及操作条件。 通过查表便能一一找出各段阻力系数。不过，阀中各部位的局部阻力不仅难以准确求出， 而且相互之间又容易产生干扰，结果使系数有所降低，应予修正。一般建议取修正系数 0。77-0.87。这样，经修正后的流速系数 为便于应用起见，在表中列出了在 20 度时几种代表性食用油的主要特性参数，供参 考。 此外，也可用实验方法确定流速系数。具体做法是：先参照现有同类型灌装机的运转条 稠厚物料灌装机构 17 件，测定 A0HV 各值（V 最好由测定的灌装时间间接计算） 。然后再按式求出 Q 值。根 据多台灌装机的测定，对灌装低粘度的酒类，一般可取 Q=0.5 左右。 （2）孔口流通面积 A0 在瓶口尺寸允许的条件下应尽量取较大的 A0 值，并应尽量增大该截面的浸润周边长度， 以减小雷偌准数，从而使液料流动更加稳定。 （3）孔口截面压头 H 它包括两项，一个是孔口截面静压头，它除受自由出流或淹没出流的影响外，更重 要的是取决于贮液箱和待灌瓶内的气压差。另一个是孔口截面的位压头，它除受定量方 法的影响外，更重要的是取决于贮液箱内自由液面对阀端的口截面的向上高度 h。 无锡太湖学院学士学位论文 18 4 关键零部件关键零部件 灌装阀是贮液的箱体、气体室内（有充气的室、有排气的室、有真空的室等等）和灌 装的容器三个它们之间的流动液体通路的开关，看到灌装液体的工艺的规定，且按照顺序对 有关的通路开关进行切换。为了方便讨论，现在灌装阀大致划分成三个大的部分：一个是有 许多个流道的开关（或者称为阀门）元器件所组成的阀的体；二个是通过与灌装的容器直接 开始靠到的阀的端口；三个是受到外面控制用来启闭阀门关闭后防止了漏液、密封结构。 4.1 阀门的启闭形式阀门的启闭形式 为实现阀门的启闭，阀体中每一个阀门都由不动部分（如阀座）与可动构件相对于不动 部分（如阀座）与可动部分（如阀芯、旋塞、阀盖等）组成。根据可动构件相对于不动构件 的运动形式，大体上可将阀体归为以下几种主要类型： 1、单移阀 阀体中含有可动构件，启闭时它相对于不动构件只作一次往复轴向移动。显然，这种阀 属于单阀型，根据可动构件启闭流体通路的方式可分为端面式和柱面式两种： 2、 旋转阀 在阀门启闭时，阀体的可动构件相对不动构件作旋转或摆动，按其流道孔眼的对合 和错开来达到通道的的切换。作为相对旋转或摆动的配合面大致有以下几种形式。 （1）圆柱或圆锥式将旋柄转动一定角度，就能通过旋塞交替地启闭阀座上的液路和气 路。由于旋塞与阀座的配合表面易磨损产生泄漏现象，故多呈圆锥状，并用压簧压紧予以补 偿。弹簧压力可调，以利于控制旋柄的工作阻力。 为减少泄漏损失和污染环境，不论是圆柱式或圆锥式旋转阀，多适用于粘度较高液料的 灌装。 下面结合图所示的牙膏灌装机采用圆柱式旋转阀进行讨论。 稠厚物料灌装机构 19 图 4.1(圆柱式旋转阀) 1- 凸轮，2-齿条齿轮机构，3-活塞筒，4-料槽，5-下料管，6-牙膏管，7-活塞，8-套 圈，9-杠杆，10-摇杆，11-凸轮机构 活塞筒 3 的摆动由凸轮 1 控制的齿条齿轮机构 2 驱动来实现。活塞筒上开有呈一定夹 角的 A,B 两个圆孔。当空 A 顺时针摆动到与料槽 4 相通时，下料管与 B 孔隔断，活塞 7 在 凸轮导杆机构 11 的作用下后退，将牙膏引入活塞筒内。接着活塞筒逆时针摆回，将料槽的 底口与 A 孔隔断，下料管 5 与 B 孔相通。其时，活塞向前推进，将牙膏压入牙膏管 6 内。 倘若牙膏管出现空缺，则因未顶起下料管的套圈 8，从而不能迫使杠杆 9 与摇杆 10 互相钩 合，以致杆杆及其所连接的活塞暂时处于停歇状态，牙膏也就不会外流。 灌装阀的设计应该注意的 确定灌装阀体的结构的分布 按照阀门的启闭种类（有单移、多移或者旋转），从而指导阀体的可运动的部分和不运动动 部分的结构的分布，并且相对的物体运动面上之间的密封种类。相比可以说，移动的阀特别 是端面上的结构上较易出现弹簧的压紧的密封情况，流道的截面积越大，弯路就会越少，各 个零部件的结构也会变的比较不复杂，非常有助于提升灌装的速度并且非常方便清洁。但如 果零件数量特别多，并且密封的弹簧如果没有效果，灌装液体就非常难进行灌装了。而旋转 阀，通常是用固定的挡块（或控制气缸）来实现机械的启闭，零件的数目越少，有一定的可 无锡太湖学院学士学位论文 20 靠性，但是很难保证破瓶不灌液体，外部局部也变的非常复杂，所以应用的不够广泛。 3、 根据阀端的结构布局。 根据灌装液料的工艺要求来确定长管和短管的阀端结构，欲保证定量精度及稳定出流等，必 须合理布置阀端的某些结构要素。 4、 确定启闭阀门的结构形式 根据阀门在阀体中所处的位置及其启闭形式，适当选择阀门启闭结构。 5、绘制结构草图 考虑到设备生产能力、容器尺寸、贮液箱内液位高度以及防止液道出现空穴、液料不稳定出 流等不正常现象，要妥善选择液道、液门的出流截面尺寸和出流速度，以及出液门至贮液箱 自由液面的大致高度。修正阀的总体尺寸为绘制草图创造必要条件。 6、计算流道基本参数 由初定的结构尺寸，再准确计算灌装阀出流截面的流速，使其形成稳定的层流。据此求得所 需的灌装时间，进而考虑灌装机的主轴转速及灌装区所占角度，校核并且修正所设计的阀是 否符合给定的生产能力，只有满足了这些要求才能最后灌装阀的结构尺寸，绘制图纸。我们 来研究这个阀结构图根据 B,C 所示，通过活塞 5 往复移动和旋塞 8 来回转动的密切配合，物 料间歇地从旋塞 8 的上部通道进入活塞缸 4，又经旋塞 8 的下部通道送出。其进出过程是交 替进行的。灌装量受活塞往复进行控制，旋塞 8 的转动受齿条 2 控制。 由于旋塞是竖着的，所以侧隙均匀，操作稳定。其中图 b 是由稠厚物料如番茄酱进入上 端阀口，此时正好旋转到上端阀口与活塞缸对接物料进入活塞缸内，而此时旋转使得下部阀 口关闭，然后再进行旋转上部阀口关闭，活塞缸与下部阀口对接，通过挤压进入下部阀口， 物料流出下部阀口。依次循环，其中上部阀口的直径通过设计可以知道是 70mm,下部阀口的 直径是 40mm,活塞缸的直径是 70 厘米。首先这个灌装阀口径是特别好的，粘度特别高的的 液体在流动的过程中所发生的摩擦力。其它的大小由物体的种类、所在温度、所在的浓度等 因素所决定的。要是灌装阀的口径特别的小，将会发生生塞的情况，而且影响了灌装的速度， 要是选择了灌装口径如果很大的话，如果灌装了完毕之后阀端口处出现滴的情况，所以它会 影响灌装的精度，而且会破坏环境，所以灌装阀的口径变的更加好，选好。液料的灌装将是 将物料从贮存缸中拿出来，通过管道内，按照一定的流速或流量流入包装容器的过程，管道 中的流体运动是依靠流入端与流出端压力差来实现的。即流入端压力必须大于流出端压力， 而且它的灌装压力是由气缸提供的。其次灌装阀的材料选择是，要考虑所灌装物料的性质 （如粘度），灌装工艺（如压力，温度），通常阀内件（阀芯、阀座和阀杆）材料的选择如 下： （1） 一般要是选用不锈钢（1Cr18Ni9,SUS302）；要求较高时选用铸奥氏体不锈钢 （SUS321）或其他不锈钢。 稠厚物料灌装机构 21 （2） 腐蚀性流体应根据种类，温度和压力，流体所含氧化剂、流速等选择合适的耐腐 蚀的材料。 （3） 流速大，冲刷严重时选择耐磨材料，如经热处理的 9Cr18,17-4ph、具有紧固氧化 层、韧质和疲劳强度大的铬钼钢，G6X 等。 灌装阀是各类灌装机中的关键装置，它是输送管道、活塞泵和灌装容器三者之间的流体 通路开关。根据灌装工艺的要求，能依次对有关通路进行切换，它的结构及工作原理是否合 理将直接影响灌装精度的高低。在进行物料灌装时，物料含有气体，或溶解有气体，就容易 产生气泡。 由上面的图可知该机构其实是摇杆机构简化的图如下面，由气缸带动摇杆的摆动，进 而使连杆移动导致滑块在机构上移动，通过平面自由度计算，由于在平面机构中，各构件只 做平面运动，所以每个自由构件具有个自由度。而每个平面低副（转动副和移动副）各提 供两个约束，每个平面高副只提供一个约束。设平面机构中共有个活动构件（机架不是活 动构件），在各构建尚未用运动副连接时，它们共有个自由度。而当各构件用运动副连 接后，设共有个低副和个高副，则它们将提供（）个约束，故机构自由度为 1 p h p 1 2 h pp （） (4.1)F3n 1 2 h pp 通过自由度计算是 。3 32 41F 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 4.2（机构图 1） 如图 C 所示当摆动角度为度时则齿条行走的距离是.，即它的齿轮转 过.这个是通过设计而得到的，其中连杆机构设计的问题是根据给定的要 求选定机构的型式，确定各构件的尺寸，同时还要满足结构条件（如要求存在曲柄，杆长比 恰当等） ，动力条件（如适当的传动角等）和运动连续条件等。 满足预定的连杆位置要求，即要求连杆能占据一有序系列的预定位置。故这类设计问题 要求机构能引导连杆按一定方位通过预定位置，因而又称为刚体引导问题。 满足预定的运动规律要求如要求两连架杆的转角能够满足预定的对应位移关系，或要求 在原动件运动规律一定的条件下，从动件能准确或近似地满足预定的运动规律要求（又称函 数生成问题） 。 满足预定的轨迹要求即要求在机构运动过程中，连杆上的某些点的轨迹能符合预定的轨 迹要求（简称轨迹生成问题） 。另外可以通过解析法来设计四杆机构。 这个是简化的图，可以简单的看出它由气缸带动曲柄摆动，由于曲柄摆动带动