灌装生产线灌装阀的设计【带UG三维】【12张图纸】【优秀】
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灌装生产线灌装阀的设计
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大圆锥齿轮-A1 3.dwg
大带轮-A2 2.dwg
大齿轮-A1.dwg
小圆锥齿轮-A2.dwg
小带轮-A4.dwg
小齿轮-A1 2.dwg
总装配图-A0.dwg
拨杆-A3.dwg
灌装生产线灌装阀的设计开题报告.doc
灌装生产线灌装阀的设计说明书.doc
灌装阀-A1 1.dwg
行星拨片-A3 1.dwg
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摘 要
本论文设计是对液体灌装生产线灌装阀的设计，以及液体的灌装方法在旋转灌装机上的布置与安排。该液体灌装阀的结构是阀体的上部有进液口，阀的下部有出液口，且出口与灌装头部位有着密封装置，通过挤压力与密封装置接触，阀体上部设有排气管，该排气管的一端从阀体内部穿过之后伸出液体出口与灌装头连接在一起而另外一端则伸出液体与外部联通从而排除气体，在液体灌装阀导通是阀体的上部进液口与下部出液口会形成一个液体通道使得液体可以从此通道进入瓶体，灌装头的最大尺寸与大于液道的最大尺寸，和滑动体的外径对齐，可以避免灌装过程中液体冲击力形成大量泡沫等对灌装精度和效率的影响，在排气通道在安装压紧螺母处设有螺纹,用来安装压紧螺母 ，阀可以通过调节螺母和压紧螺母调节弹簧的张力和阀体尺寸，用来调节灌装过程中一些小的光装误差，本发明在于灌装完成后能及时停止灌装,灌装精度高,节约能源,应用广泛，效率高，且液体灌装阀结构简单。
关键词：排气管；弹簧；布置；弹性低压件
目 录
摘 要III
AbstractIV
目 录V
1 绪论1
1.1 本课题的研究内容和意义1
1.2 国内外的发展概况1
1.3 本课题应达到的要求2
2 灌装生产线整体结构设计3
2.1 方案的选取3
2.1.1 直线型灌装机3
2.1.2 旋转型灌装机3
2.1.3 自动化灌装机4
2.2 生产线各机构的设计5
2.2.1 灌装的供瓶机构5
2.2.2 灌装的供料机构6
2.2.3 灌装阀的升降机构7
2.3 本章小结8
3 罐装的基本原理和灌装阀的分析与设计9
3.1 罐装的基本原理9
3.1.1 灌装的基本方法9
3.1.2 定量方法12
3.2 灌装阀的分析与设计14
3.2.1 灌装阀的工作原理14
3.2.2 阀的各部分的设计与计算14
3.2.3 灌装时间的计算和过程16
3.2.4 灌装阀密封材料的选择19
3.2.5 灌装阀门启动结构设计与分类20
3.2.6 灌装阀弹簧的分析与设计21
3.3 本章小结30
4 灌装过程的调整及机器存在的问题31
4.1 灌装过程的调节31
4.1.1 料缸液位的调整31
4.1.2 灌装量的调整31
4.1.3 转速的调整31
4.1.4 机器存在的主要问题32
5 电气控制阀和调试维护33
5.1 电气的控制33
5.2 主要制动过程33
5.3 简单的生产线运动控制33
5.4 设备调试与维护33
5.4.1 整机要求33
5.4.2 灌装阀的调试与维护33
5.4.3 安全操作规则34
6 结论与展望35
6.1 结论35
6.2 展望35
致 谢36
参考文献37
附录38
等压法灌装供料机构图38
压力法供料机构38
1 绪论
对于灌装机的主要主成部分灌装阀来说，缺少了灌装阀自动灌装生产线就无法运转工作，且一个灌装阀的好坏决定了这个灌装生产线上运作的效率，它需要根据灌装工艺的要求以最快的速度联通或者切断与储液箱的联系，保证灌装工作的顺利的进行，且由于不同的液体的物理化学性质并不是相同的，故而导致了灌装工艺的不同，因此所使用的阀体也并不相同，不同的灌装使用不同得阀体。诸如饮料，酒类，液体化妆品之类。
为了能够更好地实现灌装生产线的自动化，提高瓶装生产线的效率，解决自动化灌装生产的各种问题，保证产品的质量，特进行本课题关于液体灌装生产线灌装阀的设计研究。
1.1 本课题的研究内容和意义
随着科学技术的日益发展与进步，人们的生活水平也是逐步的提高，由以前小农社会的自给自足发展到由大型公司生产人们去购买的商品经济，而在此过程中由于人口基数的增大同时还伴随着人工成本的增加，自动化的生产需求已迫在眉睫。
为了满足国内的消费需求弥补国内生产力的不足，我国从上世纪八十年代开始每年都要进口大量的饮料、奶类制品以及酒类等包装机械，至今引进的势头仍然是呈现上涨势头。这些机械大部分是高速自动化的生产线，可靠性比较强，产量高，相当的部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使中国饮料、奶类制品以及酒类企业包装水平得以与发达的国家同步发展。与此同时，中国的包装机械的生产也取得了长足进步，部分灌装、封口一体设备已经达到了较高水平，包括塑料饮料瓶、酸奶杯、无菌包装等成型设备以及贴标机在内的包装生产线的水平也得到了相当程度的提升，基本可以满足中型企业的需要，部分已经可以替代进口设备，并且出口量逐年提高，灌装阀作为灌装机中不可缺少的部分，应用十分广泛，每年使用量相当巨大，国内在灌装速度和精度上和国际水平还存在着一定的差距，因此对灌装阀重新研究设计若是可以取得成功将大大推动中国包装机械行业的发展，提高包装行业在国际中的低位。
1.3 本课题应达到的要求
鉴于饮料酒类一类的以及化妆品等生活用品已在人们的生活中占有越来越大的比例，从而大大的带动了灌装行业的迅速发展。
故而在对灌装阀设计的过程中我们应该立足于当代现实情况，要能够满足自动化的生产且拥有一定的效率，同时在设计产品的过程中要全面的了解灌装的原理以及各过程的详细步骤，对于各部件的功能需要详细的了解，在保证产品的功能的基础之上尽量提高生产的效率，考虑灌装阀在灌装整体中的作用，对灌装机的全局整体机构和布置进行考虑，合理的对灌装阀进行布置以达到更高的生产效率。
- 内容简介：
-
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： 液体灌装生产线上灌装阀的设计液体灌装生产线上灌装阀的设计 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 书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 液体灌装生产线上灌装阀的设计 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： 0923821 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无无锡锡太太湖湖学学院院信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业毕毕 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、题目液体灌装生产线上灌装阀的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 在现代灌装厂中，灌装机和灌装阀已经成为了一个厂的命脉。一个高效率高精度的灌装阀可以为一个灌装长带来强大的活力。灌装阀的设计需要了解灌装生产工艺的各项需求，且设计到不少专业知识。此设计难度中等，设计量合适，可以很大程度提升学生的专业水准。随着技术的发展，生活水准的提高，灌装技术在未来必将发挥出巨大的作用。 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： 能够详细的了解灌装生产线的灌装工序，熟悉灌装的每一步的过程，以及各部件的功效； 详细的了解灌装机的全局机构和布置； 详细的了解灌装机的传动机构，以及拨瓶机构的传动机构； 详细的了解灌装阀工作的原理，灌装阀的组成，以及灌装阀工作时的各个步骤； I四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 97 班班 姓名姓名 杭建国 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学科组组长研究所所长所长签名签名 系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日II摘摘 要要本论文设计是对液体灌装生产线灌装阀的设计，以及液体的灌装方法在旋转灌装机上的布置与安排。该液体灌装阀的结构是阀体的上部有进液口，阀的下部有出液口，且出口与灌装头部位有着密封装置，通过挤压力与密封装置接触，阀体上部设有排气管，该排气管的一端从阀体内部穿过之后伸出液体出口与灌装头连接在一起而另外一端则伸出液体与外部联通从而排除气体，在液体灌装阀导通是阀体的上部进液口与下部出液口会形成一个液体通道使得液体可以从此通道进入瓶体，灌装头的最大尺寸与大于液道的最大尺寸，和滑动体的外径对齐，可以避免灌装过程中液体冲击力形成大量泡沫等对灌装精度和效率的影响，在排气通道在安装压紧螺母处设有螺纹,用来安装压紧螺母 ，阀可以通过调节螺母和压紧螺母调节弹簧的张力和阀体尺寸，用来调节灌装过程中一些小的光装误差，本发明在于灌装完成后能及时停止灌装,灌装精度高,节约能源,应用广泛，效率高，且液体灌装阀结构简单。关键词：关键词：排气管；弹簧；布置；弹性低压件IIIAbstractIn 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目目 录录摘 要.IIIABSTRACT.IV目 录 .V1 绪论.11.1 本课题的研究内容和意义.11.2 国内外的发展概况.11.3 本课题应达到的要求.22 灌装生产线整体结构设计.32.1 方案的选取.32.1.1 直线型灌装机.32.1.2 旋转型灌装机.32.1.3 自动化灌装机.42.2 生产线各机构的设计.52.2.1 灌装的供瓶机构.52.2.2 灌装的供料机构.62.2.3 灌装阀的升降机构.72.3 本章小结.83 罐装的基本原理和灌装阀的分析与设计.93.1 罐装的基本原理.93.1.1 灌装的基本方法.93.1.2 定量方法.123.2 灌装阀的分析与设计.143.2.1 灌装阀的工作原理.143.2.2 阀的各部分的设计与计算.143.2.3 灌装时间的计算和过程.163.2.4 灌装阀密封材料的选择.193.2.5 灌装阀门启动结构设计与分类.203.2.6 灌装阀弹簧的分析与设计.213.3 本章小结.304 灌装过程的调整及机器存在的问题.314.1 灌装过程的调节.314.1.1 料缸液位的调整.314.1.2 灌装量的调整.314.1.3 转速的调整.314.1.4 机器存在的主要问题.325 电气控制阀和调试维护.335.1 电气的控制.33I5.2 主要制动过程.335.3 简单的生产线运动控制.335.4 设备调试与维护.335.4.1 整机要求.335.4.2 灌装阀的调试与维护.335.4.3 安全操作规则.346 结论与展望.356.1 结论.356.2 展望.35致 谢.36参考文献.37附录.38等压法灌装供料机构图.38压力法供料机构.38无锡太湖学院学士学位论文01 绪论绪论对于灌装机的主要主成部分灌装阀来说，缺少了灌装阀自动灌装生产线就无法运转工作，且一个灌装阀的好坏决定了这个灌装生产线上运作的效率，它需要根据灌装工艺的要求以最快的速度联通或者切断与储液箱的联系，保证灌装工作的顺利的进行，且由于不同的液体的物理化学性质并不是相同的，故而导致了灌装工艺的不同，因此所使用的阀体也并不相同，不同的灌装使用不同得阀体。诸如饮料，酒类，液体化妆品之类。为了能够更好地实现灌装生产线的自动化，提高瓶装生产线的效率，解决自动化灌装生产的各种问题，保证产品的质量，特进行本课题关于液体灌装生产线灌装阀的设计研究。1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义随着科学技术的日益发展与进步，人们的生活水平也是逐步的提高，由以前小农社会的自给自足发展到由大型公司生产人们去购买的商品经济，而在此过程中由于人口基数的增大同时还伴随着人工成本的增加，自动化的生产需求已迫在眉睫。为了满足国内的消费需求弥补国内生产力的不足，我国从上世纪八十年代开始每年都要进口大量的饮料、奶类制品以及酒类等包装机械，至今引进的势头仍然是呈现上涨势头。这些机械大部分是高速自动化的生产线，可靠性比较强，产量高，相当的部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使中国饮料、奶类制品以及酒类企业包装水平得以与发达的国家同步发展。与此同时，中国的包装机械的生产也取得了长足进步，部分灌装、封口一体设备已经达到了较高水平，包括塑料饮料瓶、酸奶杯、无菌包装等成型设备以及贴标机在内的包装生产线的水平也得到了相当程度的提升，基本可以满足中型企业的需要，部分已经可以替代进口设备，并且出口量逐年提高，灌装阀作为灌装机中不可缺少的部分，应用十分广泛，每年使用量相当巨大，国内在灌装速度和精度上和国际水平还存在着一定的差距，因此对灌装阀重新研究设计若是可以取得成功将大大推动中国包装机械行业的发展，提高包装行业在国际中的低位。1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况生活水平的不断提高不光改变着人们的生活习惯，同时也在使得人们对于产品的质量提出更高的要求。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,此种方法不仅人工成本高，效率低下同时卫生质量方面也存在严重的缺陷。而在人们的日常生活中像需要灌装后使用的液态生活必须品占用非常之大的比例，例如牛奶、酒类、生活日用调料、化妆品、农用化学药剂等等！而为了保证这些产品能够进行安全卫生的大规模生产，我们就必须大力发展自动化灌装生产！大约在 1880 年美国以 Horix、Kiefer 和 U.S.BottLers 为主的几家公司开始着手于研究容器灌装的机械装置。世界第一台用于商业行业的灌装机是由 Kiefer 公司制造；在 1920 年Horix 公司首次制造出了重力灌装机。这家公司至今仍在生产灌装机,这几家公司于 20 世纪出喀什着手于研究回转式灌装机，其中纯真空灌装机是由 U.S 公司制造的.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,北京、上海、江苏、深圳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,我国许多家仿制了液体灌装生产线灌装阀的设计1不少灌装线,初步解决了灌装生产的落后面貌,但我国的灌装机械的发展与国际上先进的水平差距仍然很大。为此,我国应根据自己的国情,吸收国外的先进技术,设计和生产出具有先进水平的灌装机,其发展趋势向高效化、自动化、节能化发展,力图采用新技术、新材料,如计算机辅助设计、微机控制等,开创一代新型灌装机。灌装阀作为灌装机的重要组成部分，决定着一台灌装机的性能和整条灌装生产线的效率，在我国灌装阀无论从质量还是外观上都与发达国家有很大的差距，造成产品差的原因在于采用的设计理论，设计手段与设计方法，制造技术，检测手段的落后，另外，国内配套设备的基础件不稳定，对产品质量也有较大的影响，而我国包装行业在飞速发展，急需对现有的阀进行改进和创新。1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求鉴于饮料酒类一类的以及化妆品等生活用品已在人们的生活中占有越来越大的比例，从而大大的带动了灌装行业的迅速发展。故而在对灌装阀设计的过程中我们应该立足于当代现实情况，要能够满足自动化的生产且拥有一定的效率，同时在设计产品的过程中要全面的了解灌装的原理以及各过程的详细步骤，对于各部件的功能需要详细的了解，在保证产品的功能的基础之上尽量提高生产的效率，考虑灌装阀在灌装整体中的作用，对灌装机的全局整体机构和布置进行考虑，合理的对灌装阀进行布置以达到更高的生产效率。无锡太湖学院学士学位论文22 灌装生产线整体结构设计灌装生产线整体结构设计2.1 方案的选取方案的选取 灌装生产线上按照灌装的类型的不同可以分为三种灌装机。2.1.1 直线型灌装机直线型灌装机图 2.1 直线型灌装机工作原理图定量灌装，上盖，将瓶盖拧紧，贴商标，待装盒装箱，1推瓶板，2限位拨，3、11、13传送带，4传送盘，5瓶子，6上盖机构，7料斗，8拧紧机构，9商标盒，10浆糊盒，12，推料板，14储液箱，15灌装管由原理示意图 2.1 可以清晰的看出来灌装瓶沿着平直的直线运动,进行成排灌装。每送来的空瓶由着推瓶板向着前方推送，直至灌液口得下方此时阀门打开对瓶子进行灌装，此操作为间歇操作。这种类型的灌装机结构相对比较简单制造方便，但是相对的占地面积较大而且由于是间歇运动在一定程度上生产的效率也就被限制了，一次一般只用于无气液料雷得灌装，局限性较大。2.1.2 旋转型灌装机旋转型灌装机通过送系统将待灌瓶（或者人工）送入灌装机的进瓶机构，通过灌装机的转盘带动主立轴旋转运动可进行连续的灌装，转动近三分之二周时瓶子可灌满，然后转盘将瓶子送入压盖机进行压盖，而此次所设计的阀体就是用于此类灌装机，图 2.2,2.3 为此灌装机的工作原理图。图 2.4 为本设计实体图。图 2.2 旋转灌装机展开示意图 图 2.3 旋转灌装机俯视图灌装生产线上灌装阀的设计3图 2.4 旋转灌装机实体图这种类型的灌装机在食品，饮料行业有着相当广泛的应用，诸如我们平常的日常生活用品像汽水，果汁，啤酒等饮品的灌装均由此类灌装机进行灌装。此机主要由流体输送、容器输送、灌装阀、大转盘、传送系统、机体、以及控制等各部分组成，而灌装阀是保证此灌装机能否正常且效率工作的关键。2.1.3 自动化灌装机自动化灌装机自动化灌装机可分为：联合自动机和单机自动机也就是可以包括连续进行洗瓶、灌装、压盖、贴标、装等一系列的工序。自动灌装采用机械传动控制为主的最普遍。另外开可以按灌装方法、关闭装置及定量装置等多种分类方法，具体的可见表 2.1。表 2-1 自动灌装机分类表序号 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瓶定量无锡太湖学院学士学位论文42.2 生产线各机构的设计产线各机构的设计2.2.1 灌装的供瓶机构灌装的供瓶机构在灌装生产线上自动供瓶机构已经取代了由人工进行的手动供瓶，而供瓶机构大致可以分为分件供送螺杆机构和拨盘式等限机构。 分件供送螺杆机构如下图2.5为分件供送螺旋机构的运转示意图：图 2.5 分件供送螺杆机构此分件供送螺杆机构是整个灌装机的重要部件，其结构的好坏以及是否合理直接影响到整个灌装机能否正常进行灌装和生产的效率。所以设计中应在满足被供送瓶罐的外形尺寸，星型拨轮节距及生产能力等的条件下合理的确定螺杆的直径以及长度螺旋线旋向及组合形式、螺旋槽轴向剖面几何形状和星型拨轮尺廓曲线，进而校核瓶罐受螺杠、导向板、输送带等综合作用能否达到给定的速度和间距，减轻冲击、震动、卡滞现象，实现平稳可靠运动。分件供送螺杆机构的工作原理为：由曲齿传动带动螺旋棒的旋转，当瓶子输送进入输送链带后，由于螺旋棒的作用，使得瓶子形成以一定的间隔依次地排送，然后再经过拨瓶轮进入托瓶台，从而进行灌装。 花盘式限位机构如图 2.6 为花盘式限位机构由传送机构。图 2.6 定数量供给的花盘限位装置1输送带，2花盘轮，3棘轮，,4棘爪摆杆,5凸轮,6摆盘,7销子,8推板,9开关灌装生产线上灌装阀的设计5将待灌装的瓶罐送至花盘轮，经花盘轮分隔装置直接到传送装置端头。当最前端的瓶罐到达指定位置时可碰触到电开关 9，使推板 8 立即将要求数量的一排瓶或罐横向推进一个距离。推板 8 行进中驱动摆盘 6,使之逆时针转动,但凸轮 5 及棘爪摆杆 4 不动,推板8 行进到与摆盘 6 脱离接触时,摆盘 6 受弹簧作用而恢复到原位。2.2.2 灌装的供料机构灌装的供料机构使用泵体及输液管将灌装液由贮液槽输入贮液箱再由贮液箱经灌装阀输入待灌容器中，此过程即为整个灌装体系的传送系统。对于不同的灌装方法有着不同的传送供料系统。作为灌装系统的重要组成部分，供料机构的设计对灌装速度和精度起着至关重要的影响。根据机构的不同科大致的将供料机构分为四大类： 常压法灌装的液料供送机构作为在常压下进行灌装的系统，此系统较为简单。泵体将液体抽出通过输液管送进灌装机的贮液箱，用浮子来对贮液箱内的液面高度进行控制是液面保持基本的恒定，液体再经由灌装阀注入待装的空瓶罐中。 真空法灌装的液料供送装置真空法灌装系统形式较多结构复杂，根据灌装方式的不同可将其分为两种类型：一种是将瓶子内部气体抽空利用压强差进行灌装。另外一种是将贮液箱和瓶子均抽空气体液体依靠其自身难保重力完成灌装。因为真空灌装供料系统结构较为复杂且与本设计并没有太大联系在此就不做太详细的介绍。 等压法灌装的液料供料机构此原理图于附录图 1.进液总管 3 与灌装机顶部的输入头 9 互相连通，在输入头的下端有着六根供液管 14 与待装瓶罐 12 互相连通。打开运行阀 5，通过透明管体 4 观察进液的压力，当压力不足使得液体流动缓慢或压力过高使得液体冲出均需调节使得压力平衡，待压力正常方可打开乳液总阀 16 进行灌装！无菌压缩气管 1 分叉为了两路，其中气管 12将液体输入待灌装瓶罐，它经过输入头直接与环形的待灌装器皿相互连通，其作用是在灌装之前对器皿内充压，此作用可预防液体在进入器皿内时由于突然的降压从而冒泡。该管上截止阀 8 在进液总阀 10 打开后需要关闭，另一路平衡气管 11 以输入头接到高液浮泡 17 上的充气阀 15，从而达到控制待灌装器皿内部液位高度的目的。当液压高于气压会导致液面太高，此时高位浮泡立即上升打开充气阀 15，将无菌的空气压缩进入器皿，以补足气压从而保证了液体能够稳定的进入器皿，而当液压低于气压时导致液面下降，此时低位液浮泡 7 下降，打开放气阀 13 是的器皿内部的部分气体得以释放。气压的降低是的进液增多，保证了液面基本处于稳定的状态大致位于视镜 9 的中部。 压力法灌装的液料供送机构附录图 2 是此方法的灌装供料简图。它由四个组要部分组成分别是稳压装置，旋塞阀，推料活塞以及填充器。由于物料是通过泵体或者人工装入贮液箱内部，因此在灌装的时可能会产生压力的不稳定从而产生定量误差，为了提高灌装的精度可以采用稳压装置来稳定供料压力。供料泵体将物料送至管 14，稳压活塞 15 位于三通管的上端经过减压调整后的压缩空气进入气缸 19，形成对稳压活塞的一定的压力，稳压活塞杆 19 上的感应板通过感应三通无锡太湖学院学士学位论文6管内出料压力的增加与减少来上升或者下降，于此同时上、下无触点开关则发出信号控制料泵运转或者停转。因此保证了供料的压力始终保持稳定。保证了灌装的质量。同时为了防止物料的滴漏,在充填器底部特意安装一只有孔道的滚柱 1,当旋转阀来回摆动时,带动凸轮 3 也一起来回摆动, 从而使顶杆 2 上下串动,压迫滚柱 1 实现快速启闭,提高了灌装精度。2.2.3 灌装阀的升降机构灌装阀的升降机构在一般的旋转型灌装机中，为了满足灌装的需要必须把瓶子通过升降机构进行升降与灌装阀配合在瓶子升降的过程中完成灌装。这种升瓶机构的结构比较简单,但是工作可靠性差,如果灌装机运转过程中出现故障,瓶子沿着滑道上升,很容易将瓶子挤坏,对瓶子质量要求很高,特别是瓶颈不能弯曲,瓶子被推上瓶托时,要求位置准确,在工作中,缓冲弹簧也容易失效,需要经常更换。为了克服这个问题在本次设计中采取了使灌装阀进行升降的机构。其结构工作原理图由图 2.7 及图 2.8 所示。图 2.7 灌装阀的升降机构图 2.8 灌装阀的升降机构轨道示意图图中可以看出灌装阀通过贮液箱盖上的轨道由轨道对灌装阀进行挤使得阀体下降，在下降的时候阀体的出液口进入瓶口，瓶口顶住出液口的滑套使得滑套上升与排气管分灌装生产线上灌装阀的设计7离形成间隙，液体通过此间隙进入瓶子。如图 2.9 所示意。 图 2.9 瓶子与灌装阀配合液体流入瓶子此种结构可以更快的进行灌装提高灌装效率，但是此结构在灌装阀和贮液箱的结合处需求很高的密封性能，若是密封性能不足会造成液体在一定程度上的泄露。对瓶子质量要求很高,特别是瓶颈不能弯曲,瓶子被推上瓶托时,要求位置准确,在工作中,缓冲弹簧也容易失效,需要经常更换。因此,这种结构适用于小型的半自动化的不含气体的液料灌装机中。对于灌装阀升降机构的要求是：迅速、运行平稳、安全可靠、住起额。在设计时应根据灌装机的具体要求进行具体的分析，选择合理可靠，经济实惠的结构。2.3 本章小结本章小结在本章我们主要介绍了如何堆灌装机进行选取，以及旋转式灌装机生产线上的各重要的相关机构的基本功能以及它所实现的运动，通过此章的介绍我们可以对灌装生产线有一定的基本的认识与了解，能够做出进一步的设计改进。无锡太湖学院学士学位论文83 罐装的基本原理和灌装阀的分析与设计罐装的基本原理和灌装阀的分析与设计3.1 罐装的基本原理罐装的基本原理3.1.1 灌装的基本方法灌装的基本方法由于各种液体的化学物理性质的不同，为了在灌装不同的液体是保证罐装的安全以及效率必然要设计不同的灌装工艺，从而导致了灌装方法必然不同的结果。在此我们选取一般灌装机常采用的几种灌装方法进行介绍：(1) 等压法等压法等压法灌装是利用贮液箱上部气室里的压缩空气，给包装容器进行充气，使二者的压力接近于相等，然后灌装液料靠自重自行流入该容器内的灌装方法。等压灌装的工艺过程为：(一)充气等压。(二)进液回气。(三)停止进液。(四)释放压力，即将瓶内的残留空气释放至大气，以此来避免瓶内因为突然降压而引起大量冒泡，从而影响到包装质量和定量精度。等压法灌装适用于含气饮料，如啤酒、汽水等的灌装，可减少其中所含二氧化碳的损失。图 3.1 等压灌装工作状态(2) 常压法常压法常压法也称纯重力法,即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的灌装方法。常压灌装的工艺过程为：(一)进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被排出。(二)停止进液，即容器内的液料达到定量要求时，进液自动停止。(三)排除余液，即排除气管中的残液。灌装生产线上灌装阀的设计9图 3.2 常压阀灌装工作状态(3) 真空法真空法所谓真空灌装是指灌装过程是在处于地狱大气压力下进行的，可分为两种真空灌装方式： 重力真空式此方法是让贮液箱内处于真空的环境，然后对包装容器抽气让其内的气压与贮液箱处于几乎相等的真空环境，此时液料通过自身的重力流进包装容器之中。此方法拥有适合灌装年度较大、延长罐装产品保质期、在灌装有毒物能够不让毒气挥发保护工人的身体健康等优点。但是由于结构比较复杂制造技术较高，国内的应用推广较少。图 3.3 重力真空灌装示意图 压差真空式此法是让让贮液箱内部处于常压状态，只对包装容器内部抽气，使其形成一定的真空度，液料依靠两容器内的压力差，流入包装容器并完成灌装。由于其设备结构简单，方法可靠所以国内大部分采取此法进行灌装。(4) 虹吸法虹吸法虹吸法是利用虹吸原理使液料从贮液箱经由虹吸管被吸入容器内，直至两个的液位无锡太湖学院学士学位论文10相等。此方法在早起就已出现，由于其原理设备标胶简单所以为人们所容易接受，但由于其效率的低下已经不适应在科学日益发展自动化普及的现代化社使用。图 3.4 虹吸法灌装及供料示意图1虹吸管，2浮子，3灌装阀，4灌装头，5贮液杯，6贮液箱，7进液阀，8进液管(5) 压力法压力法压力灌装是借助机械或气液压等装置控制活塞往复运动，将粘度较高的液料从料缸吸入活塞缸内，然后再强制压入待灌容器中的。此方法主要应用在灌装粘度较大的物质，比如牙膏，番茄酱等。也可用于汽水一类的灌装由于是气压直接把汽水压入瓶内所以灌装速度在一定的程度上得到提高，但由于汽水本身不含有胶质物质，易形成泡沫消失，所以对于灌装质量有一定的影响。图 3.5 压力阀灌装原理在选用上述几种灌装方法的时候我们除了需要考虑也比本身的性质如粘度、挥发性等之外还必须考虑产品的工艺要求，灌装机、灌装阀的结构等综合的因素。只有在星河的考虑了各种因素之后，我们才能更好的设计出一个合理的加工工艺以及选择合理且效灌装生产线上灌装阀的设计11率的灌装方法。3.1.2 定量方法定量方法灌装的时候不光需要考虑罐装的效率也不光是灌装机能够运行便可以说灌装已经可以顺利的进行。在考虑这些东西的时候我们还必须考虑如何准确的定量灌装，因为准确的定量灌装不但影响着生产的成本，同时也在无形之中影响着消费者对此产品的评价。包装物品通常采取重量定量和容积定量两种方法。鉴于我们在此讨论的是液体产品的灌装定量方法所以我们对容积定量进行讨论。常见的容积定量有如下四种方法：(1) 定量杯定量法定量杯定量法定量杯定量是指将所需灌装的液料注入定量杯中，然后再进行灌装。由于是在定量杯中进行过准确的定量所以只要在途中没有滴液损失，那么每次灌装的液料应当等同于定量杯中所定量的容积。若是需要改变灌装量只需要改变调节管在定量杯中的高度或者更换定量杯即可。此方法由于经过定量杯准确定量故精度较高。图 3.6 定量杯工作示意图(2) 控制液位定量法控制液位定量法控制液定量法是通过灌装时控制被灌容器的液位来达到定量值的，因为每次灌装的液料容积等于一定高度的瓶子内腔容积，习惯上称为“以瓶定量法” 。 当瓶内液位升至排气管口时，气体不再能排出，随着液料的继续灌入，瓶颈部分的残留气体被压缩，当其与管口内截面上的静压力达到平衡时，则瓶内液位保持不变，而排气管内的液体高度与贮液箱液位高度相等。可见，每次灌装液料的容积等于一定高度的瓶子内腔容积。要改变灌装量，只需改变排气管口伸入瓶内的位置即可。这种方法，设备结构简单，应用广泛。但因为瓶子的容积精度直接影响灌装量的精度，所以对于要求定量准确度高的产品不宜采用。无锡太湖学院学士学位论文12图 3.7 控制液位定量示意图(3) 定量泵定量法定量泵定量法定量泵定量是采用机械压力罐装的一种方法，每次灌装物料的容积与活塞往复运动的行程成正比。要改变灌装量，只需调节活塞的行程。图3.8定量泵工作示意图(4) 电子式计量法电子式计量法灌装阀中有两个大小不同的液道，液体通过液道时，由负载传感器随时地边灌装边测量液体的重量，当充填的液体接近规定的充填量时，灌装阀则转换成小流量回路，因而灌装精度高。另外，在灌装液体前，显示器清零，容器重量有测定偏差，则重新定值，对灌装量无影响。灌装生产线上灌装阀的设计13图 3.9 电子式计量法示意图对上述四种定量方法进行对比，我们可以发现从定量精度上考虑定量杯定量精度较高，但其结构精度远比控制液面定量复杂所以其成本也就较高。所以在实际应用时我们应该考虑各方面的因素，选择做合适的定量方法。3.2 灌装阀的分析与设计灌装阀的分析与设计3.2.1 灌装阀的工作原理灌装阀的工作原理灌装阀是液箱、气室（包括充气室、排气室、真空室）和灌装容器这三者之间的流体通路开关，而且根据灌装工艺要求，能进行相应的灌装。不同的灌装方法通常需要选用不同的灌装阀。显然，灌装阀是关系到灌装生产线能否精准高效运作的关键部件。图 3.10 详细的显示了灌装阀的工作原理其中(a)为非灌装位置(b)为灌装位置。（a）非灌装位置图 （b）灌装位置图图 3.10 灌装阀工作原理图1排气管，2上调节螺母，3灌装阀身，4上固定螺母，5弹簧，6固定螺母，7下调节螺母，8滑套，9橡胶垫如图所示为本设计灌装阀的工作原理，当滑套 8 上的橡皮垫与瓶口接触时灌装阀下降导致滑套 8 上升，灌装头 9 与滑套出现间隙，液体从该间隙流入瓶内，当液体逐渐上升与排气管的下部接触时，气体将不能排除，此时液体继续进入瓶子导致排气管的下部孔口完全被淹没，此时瓶内空气无法排除导致气体被压缩，当瓶内的气压与贮液箱内的无锡太湖学院学士学位论文14气压互相平衡时液料就会沿着排气管上升到与贮液箱内液体相平的高度，然后灌装阀上升弹簧 5 保证了灌装头与滑套间的重新闭合。排气管内的液体滴到瓶子。3.2.2 阀的各部分的设计与计算阀的各部分的设计与计算(1) 阀端结构的设计分析阀端结构的设计分析阀体的阀端的气液道德布置根据气体和液体进出瓶子状况的不同的情况，大致可分为两类：一类是利用环隙进行回气，而中心管来灌装液体。另外一种则是利用灌装阀的环隙灌装液体而中心管回气。前者属于长管灌装阀，后者则是短管灌装阀。两种阀体各有弊端与优势，因此我们在设计阀体的时候应该根据我们所需要的工艺来进行选择。 长管灌装阀的特点此阀在罐装的过程之中，灌装入液口伸入到接近瓶底的部位，在此时罐装的液体从入液口进入瓶子，初始时液体从管口自由流出，经过一段时间之后随着页面的渐渐地升高灌装口逐渐被液体淹没，此后的灌装都属于淹没流出。而淹没流出的过程占有灌装过程中的绝大部分的时间。此过程中被灌装的液面仅仅表面与空气接触，大幅度的减少了氧气在液体中的溶解程度。但是此方法由于受到自身的结构设计的限制以及瓶口大小的限制，导致了灌装的流通截面较小，这样就会在灌装时的流速较低，效率低下。 短管灌装阀的特点短管灌装阀在灌装的过程中，将灌装嘴口伸入瓶颈部分，灌装液料自管嘴稳定自由的流出。由于回气管上都装有分散罩，所以在灌装的过程中会形成沿壁流。因为灌装管是呈现环隙的状态，所以相对圆形管而言就比较大，所以液体的阻力就相对的较小，使得灌装稳定易于控制。此外为了保证在液料升至回气管之后，瓶颈出的气体能够很快的被压缩，在设计的时候应该注意使进液口尽量的靠近瓶口，这样瓶口处的空间较小方便于气体的压缩，同时为了保证罐装的精度，方便截流，进液口不能设计的过大。在本设计中采取的是短管设计阀的方案，图 3.11 为其实体示意图。图 3.11 短管灌装阀示意图(2) 阀的受力分析阀的受力分析灌装时液体由灌装阀流进待灌瓶时，液体在灌装阀内部受重力作用，做自由落体的运动，当进入瓶子时液体会对灌装头形成一定的冲击，此冲击受到灌装头的大小、液体的流速等各因素的影响，为了减少冲击对阀体带来的影响减少由于冲击带来的灌装精度的不准确，我们在设计阀体的时候需要对此进行精确且详细的计算和设计合理的方案。为了能够得到最安全的数据我们选择在瓶口将滑套顶至最高位的时候计算，因为此时液体对阀端口的冲击力是最大，只要我们将设计的安全数据以此为参考那么我们将可灌装生产线上灌装阀的设计15以保证灌装的精准以及安全。如图 3.12 所示为灌装时进液的示意图，根据能量守恒定律我们可以知道液体的流速在开启的那一刻由速度 0 慢慢的增大，由公式：0V (3.1)221mvgh (3.2)ATVVdAmaF图 3.12 灌装阀进液示意图根据上述公式我们可以推导出灌装时阀端所受的最大冲击力，为了避免此冲击力对灌装所产生的影响，可以采取适当的措施来避免。通常可以减小灌装阀阀口的大小、减小管道的直径来达到减小流量的目的、在阀中可设置缓冲装置、将灌装头改为橡胶来减小冲击力等方法。3.2.3 灌装时间的计算和过程灌装时间的计算和过程(1) 罐装的水利工程罐装的水利工程液料的灌装的时间决定了一个灌装生产线的生产效率，而根据液料的灌装的时间我们可以逆推出主轴与副轴的转速以及齿轮的模数齿数等等。所以灌装时间的计算是设计灌装阀里重要的一部分。通过水利学知识，我们可以清楚地知道液料由贮液箱进入待灌瓶内的这一段过程应该看成是液体自管嘴流出。而根据定量方法的和嘴口伸入瓶内的位置的不同又可以将此过程看成以下几种情况： 液位高度定量方法若是灌装的管嘴伸入到瓶颈部位，由于贮液箱内液面上的企业和待灌瓶内的气压基本上处于一个相似的值，同时贮液箱内的液位保持大致的稳定，这些因素确保了液体流动速度基本保持不变。此时液体自管嘴自由稳定的流出。其原理如图 A 所示。根据控制液位高度定量法，若果灌装头伸入到瓶子底部那么灌装的时候液面在尚未达到灌装头之前属于稳定的管嘴自由流出，当液面高出进液口时，由于作用在嘴口上的静压力随着瓶内的液料的上升而产生变化，此段过程属于不稳定的过程。如图 B 所示。无锡太湖学院学士学位论文16 图A高度定量管管灌装 图B高度定量长管灌装图 3.13 液位高度定量法 定量杯定量法根据定量杯的定量方法同样可分为两部分，一部分是灌装嘴伸入瓶颈部分，另一部分是灌装嘴伸入瓶底部分。当灌装嘴伸入瓶颈部分，由于定量杯内的液位在馆长的过程中逐渐的变化，因此液体流动速度也随时间变化，此时罐装的过程属于不稳定的管嘴自由流出的现象。如图 C。同样若是管嘴伸入瓶子的底部时与液位高度相同属于不稳定的管嘴自由流出的情况。此情况下的灌装可以减小自由流出的冲击力，使得罐装的时候比较稳定，但是由于出液的不稳定此时一直都是不稳定的淹没流出。简图 3.14D。目前基本采用的是环隙进液，以及让液体沿着瓶壁流入的方法，此法不仅可以减少液体对灌装头的冲击，也能是的灌装更为稳定。 图 C 定量杯定量短管灌装 图 D 定量杯定量长管灌装图 3.14 定量杯定量灌装生产线上灌装阀的设计17 稳定管嘴自由流出过灌装阀孔口流出的液体体积量为： (3.3) 00AuV (3.4)gPzgCAV102式中：孔中截面上液料的流速；0u 孔口中液道口的截面积；0A C灌装阀中液道的流速系数； 不稳定管嘴自由流出如图 3.15 C 所示由于孔口截面上的位压力是变化的,流经该截面的液料是变量。当定量杯内液料降至任意位置时,流经管嘴孔口的液料瞬时流量为： (3.5)ddzFgPzgCAV102式中：F定量杯的截面积；定量杯液料高度的微小增量；zd对应于增量 F的时间；dzd式中的负号可以看出来定量杯中的液体高度是随着时间的增长而减少的，由此可以得出： (3.6)zgpgCAdzFd20定量杯中的液体全部灌装到瓶子中所需的时间： (3.7)210022221zgPzgPgCAFzgpgCAdzFzz式中：从管嘴孔至定量杯内充满液料时的高度；1z 从管嘴孔至定量杯内流完液料时的高度。2z(2) 液料流量的计算液料流量的计算液料的流速可以通过孔口截面及贮液箱(或定量杯)中自由液面间列柏努利方程式求得。 (3.8) fhgUPZgUPZ220002111在式中我们可以看出 u0灌装时贮液箱内的自由液面的流速根据液体流动而得到的连续性的方程式。为了更清楚的表达此方程式我们可以将 u1折算成 u0而其中的阻力损失h 我们也可将其用 u0来进行表达，故而气功师哦我们可以写成：无锡太湖学院学士学位论文18 (3.9)gukdLkguPZgAuAPZ2)(22)/(20200010011 (3.10)010120)(2 1)(1 PPZZgukkdLk式中:A1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2)0(AAk 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21)0(AAk 折数系数; 各段直管阻力系数之和;dLk 各种局部阻力系数之和。k由此,可求得孔口截面上液料的流速为 (3.11)(2)(11010110PPzzgkkdLku因此,经孔口出流的液料流量为: (3.12)gYCAAuV2000式中: C灌装阀中液道的流量系数,取值为 01 之间; 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,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 可通过计算来确定。当阀的结构及操作条件确定后,其各段阻力系数均可查表获得,对于环隙进液的阀端结构,可以参考缝隙流的有关公式,先求出液料在缝隙始、终两端的压力降 P,然后求出该段缝隙的能量损失 P/,最后再反算出该段缝隙的阻力系数为根。据各段阻力系数 及每段的速度折算系数 k,则guP2/2可采用阻力损失叠加原则求出各项之和。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 一般建议取0.770.87,由此:灌装生产线上灌装阀的设计19 (3.13)111kkdLkC在现实生活中为了计算时的方便，我们一般会将一些平常经常用到的流体进行实验然后将所的到的数据编辑成册，以方便在计算时直接查阅从而减少很多的自行计算时间。(3) 灌装时间的计算灌装时间的计算灌装的时间的计算在灌装设计过程中占有相当的一部分，灌装的液料自管嘴中自由稳定的流出。在此设计中我们采取的设计是稳定流出的方案。由于液料在阀口流出的速率设计固定的所以来表示。1V =8.57s (3.14)1VVT 式中: V每瓶所需灌装液料的容积; 孔口出流的液料体积流量1V在本次设计的过程中我们选取的是瓶装 600ml 的矿泉水，经计算我们的为 70ml/s1V故而我们可以的出我们的灌装速度大约为 8.57 秒每瓶。3.2.4 灌装阀密封材料的选择灌装阀密封材料的选择对于一个阀体而言除了灌装的精度、和效率的高低而言。其的密封性的好坏也是关系到一个阀体的性能的关键。而在灌装阀的设计中其中阀口部分和与贮液箱接触部分是最为重要的部分。灌装阀的进液口部分是液体进入灌装瓶的部分，此处不光要受到流体的冲击，也要保持住不让液体泄露。如图 3.15.图 3.15 灌装阀出液口灌装阀与贮液箱的接口处也是需要进行密封的地方。若是此不为密封性能不好，将会造成贮液箱内的液料自此部位泄露，从而造成一定的成本的浪费，也会对及其形成一定的损害。如图 3.16。管口密封处无锡太湖学院学士学位论文20图 3.16 灌装阀与贮液箱的接口处此两处是灌装阀最容易发生泄露的地方，所以此两处的密封是十分重要的。所以在设计灌装头和滑套接触的部位，采用锥面，在滑套和灌装头上安装密封成通过弹簧提供压紧力进行密封。而在在阀与贮液箱的接触部位用锥面连接，在它们之间加上密封圈，通过压紧螺母提供压力，进行压紧。在阀门的设计中我们一般采取密封材料进行压紧密封，此种方法容易保证防漏，只需要改变当前的压紧力就可以使之重新密封，故而其中密封方式使用寿命较长，得到广泛的应用。而密封的材料则要根据不同的场合进行一些合理的计算以及选取。3.2.5 灌装阀门启动结构设计与分类灌装阀门启动结构设计与分类对于一个灌装阀而言若要完成罐装的过程，首先要完成的动作就是阀的开启与关闭，在本设计中采取的是灌装阀的升降，在阀体升降过程中，灌装阀会与瓶口接触，在阀体下降时瓶口使阀口处的滑套上升弹簧被压缩，此时灌装头与滑套之间会产生一个间隙，液料由此间隙进入待灌瓶，随着灌装机的旋转，阀体逐渐上升此时弹簧逐渐复原，滑套在弹簧的作用下逐渐下降直至与灌装头重新接触密封，此时液料停止进入瓶子。如图3.17 所示。进液口灌装阀与贮液箱接触处灌装生产线上灌装阀的设计21图 3.17 灌装阀开启闭合示意图此种形式的灌装阀的开启闭合方式无需另外增加控制机构,且能保证无瓶不灌装,且效率高，定量准确。3.2.6 灌装阀弹簧的分析与设计灌装阀弹簧的分析与设计灌装阀是灌装机中的重要部件，它是沟通贮液箱、气室和待灌瓶的通路开关。根据灌装的工艺的要求，其能够依次的对有关的通路进行切换，并且能够保证灌装阀不漏气不漏液。而灌装阀需要正常的工作，则离不开弹簧。其控制着灌装阀的开启以及闭合。在目前的工厂中常常采用的是弹簧阀，它拥有者灌装质量好、灌装压力较高，且当出现破瓶等故障的时候能够自行停止灌装，避免成本的浪费。所以对于此阀而言，弹簧的设计的好坏，弹性的是否合适都关系着官正过程能否树立的完成。本设计中的弹簧如图3.18 所示。图 3.18 弹簧弹簧作为一个经常伸缩的部件，应该具有经久不变的弹性，从而保证工作的稳定性。因此在对灌装阀进行设计时应该使其的工作范围保持在其的弹性极限变化范围之内。在这个范围内进行工作的弹簧，当受到载荷 F 时，弹簧会发生相应的变形，当所受的里取灌装阀开启灌装阀闭合无锡太湖学院学士学位论文22消时弹簧应当恢复原状。为了更好的表示弹簧工作时所受力产生的变形与力的关系，我们可以用一个受力分析图来表示，通过图我们可以直观的进行分析与计算。如图 3.19 为了表示灌装阀弹簧与载荷关系，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线关系，这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。图 3.19 圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线在图中弹簧在没有受到外力作用的时候，其自由长度是,一般的讲我们在安装一0H个弹簧的时候，我们通常会对其施加一个初预紧力，称其为这是最初的也是最小的载minF荷。在其的作用下弹簧被压缩到，此时其的变形量为。当弹簧受到最大的极限载1Hmin荷时，在该力的作用之下弹簧被压缩至极限，对应的弹簧长度为，此时的压maxFlimF3H缩变形量为，产生的应力极限为。limlim等节距的圆柱螺旋压缩弹簧的特性曲线是一条直线，即其值为一个常数，可用公式T(常数)，压缩弹簧的最小工作载荷为，对于通常取 .maxmaxminminFFminFminF=（0.10.5）.通常对有预应力的拉伸弹簧，为使具有预应力的拉minFmaxFminF0F0F伸弹簧开始变形时所需的初拉力。有预应力的拉应力的拉伸弹簧相当于有预变形 x。因而在同样的 F 作用力下，有预紧力的拉伸弹簧产生的变形要比没有预应力时小。弹簧在机构中的工作条件决定了其的最大的工作载荷，但是在设计中通常不使maxF其达到其的极限载荷，通常使其保持在=0.8。limFmaxFlimF灌装生产线上灌装阀的设计23图 3.20 圆柱螺旋弹簧的几何尺寸参数 在此次的设计中我们采取的是圆柱螺旋拉伸弹簧。我们选取中径为 44mm，外径2D为 48，当弹簧压缩变形量约为 8mm 时，压力=200N,压缩变形量为 20mm 时，压力D11F=400N。2F由工作条件弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第类弹簧来考虑。但在灌装阀比较重要，现在选用碳素弹簧钢丝级别选用 D，并由已知条件知中经 D=44mm，并根据大经D-D2=4mm，估取弹簧丝钢直径为 5.0mm。由表 3-2 暂选 B=1600mpa,则根据表 16-2 可知= 0.3*B=480mpa。根据表 3-2 C=8表 3-1 65Mn 弹簧钢丝强度极限级别钢丝直径 d/mmBCD5.0132015701470171015701810(1) 根据强度条件选取材料并确定其许用应力与变形根据强度条件选取材料并确定其许用应力与变形我们知道圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就下图3.21所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷 P 的情况进行分析。由图 3.21(图中弹簧的下部断去，末示出)可知，弹簧丝具有升角 ，故通过弹簧轴线的截面上，弹簧丝的截面 A-A 呈现椭圆形状，在该截面上作用着力 F 以及扭矩，因而弹簧丝的法向截面 B-B 上作用的力有横22DFT 向力 Fcos、轴向力 Fsin、弯矩 M=Tsin 及扭矩 T= Tcos。 由于弹簧的螺旋升角一般取为 =59，故 sin0；cos1(下图)，则截面 B-B 上的应力(下图 3.22)可以近似地取为： (3.15)CdFdDdFdFDdFTF21421416/2/4/22232无锡太湖学院学士学位论文24式中 C=D2/d 称之为旋绕比(或者弹簧指数)。为了使弹簧本身稳定，不致过于颤动和过软，C 值不能太大；但是为了避免弹簧丝在卷绕时受到强烈的弯曲，C 值又不应太小。故而 C值的范围为 416(表), 常用值为 58。图 3.21 圆柱螺旋压缩弹簧受力及应力分析表 3-2 常用的旋绕比值 C d/mm0.20.40.4511.12.22.567161842dDC 714512510494846为了方便计算，通常在上式中取 1+2C2C(因为当 C=416 时，2Cl，实质上就是略去了 p)，由于升角和曲率对弹簧丝的影响，应力在弹簧丝截面的中分布将如图c 中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的 m 点。通过实践课发现弹簧基本是由此点发生损坏。现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，用来考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响。则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为 (3.16)28dCFKKT式中补偿系数 K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算：=1.18 (3.17) CCCK615. 04414圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量 可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得: (3.18)GdnFCGdnFD34388式中：n弹簧的有效圈数；G弹簧材料切变模量，见前一节表。如以 Pmax 代替 P 则最大轴向变形量为：1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧： (3.19)GdnCF3maxmax82) 对于有预应力的拉伸弹簧：灌装生产线上灌装阀的设计25 (3.20)GdnCFF30maxmax8拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力 0值在下图3.22 的阴影区内选取。 初应力按下式计算： (3.21)KDdFO803使弹簧产生单位变形所需要的载荷kp 称之为弹簧刚度，即： (3.22)nDGdnCGdFkF343188 图 3.22 弹簧初应力的选择范围用来表现弹簧性能的主要参数之一就是弹簧刚度。它用于表示弹簧产生单位变形时所需的力，需要的力愈大，则刚度就愈大，则弹簧的弹力就愈大。但是由于影响到弹簧刚度的因素有很多，由于 kp 与 C 的三次方成反比，即 C 值很大程度影响着 kp 值。所以，合理地选择 C 值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp 还和 G、d、n 等相关值有关。所以在进行调整弹簧的刚度时，应对这些因素进行综合的考虑。(2) 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧设计圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧设计弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或者虽有一定的变化但变化平稳，且总的重复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷。在这些情况下，弹簧是按照静载强度来进行310设计的。 在设计时，一般来讲是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构的要求等因素来决定弹簧丝的直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。 具体设计方法和步骤如下:1)根据工作情况及具体条件选择材料，并且查其机械性能数据。2)选择旋绕比 C，通常可选取 C5-8（极限状态之下不小于 4 不大于 16），并且算出补偿系数 K 值。3)根据安装控件初设弹簧中径 D2，根据 C 值估算弹簧丝直径 d，并通过表查取弹簧丝的许用应力。无锡太湖学院学士学位论文264)试计算弹簧丝直径。d=4.48 (3.23) KCFdmax6 . 1必须注意，钢丝的许用应力决定于其 B，而 B 是随着钢丝的直径变化的,又因是按估取的 d 值查得 B 的 H 计算得来的，所以此时试算所得的 d 值，必须与原来估取的d 值相比较，如果两者相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径 d，并按 D2=Cd 以求出 ；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估 d 值，再查其而计算，代入上式进行试算，直至满意后才能计算 D2.计算出的 D2，值也要按表进行圆整。5)根据变形条件来求出弹簧的工作圈数有预应力的拉伸弹簧: (3.24)max30max8CFFGdn压缩弹簧或者无预应力的弹簧： (3.25)max3max8CFGdn 6) 求出弹簧的一系列的尺寸 D、D1、H0,并对安装要求等检查看其是否符合。如不符合，则应当改选相关的参数(例如 C 值)进行重新的设计。 7) 验算稳定性。对压缩弹簧来讲，如果其有着比较大的长度时，则受力后容易失去稳定性(如下图 a)，这在工作中是不允许存在的情况。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比 b=H0/D2 按下列情况选取：当两端固定时，取 b5.3;当一端固定，另一端自由转动时，取 b3.7；当两端自由转动时，取 bFmax (3.26)式中：Fc稳定时的临界载荷； Cu不稳定系数，从下图中查得； Fmax弹簧的最大工作载荷。 如 FmaxFc 时，要重新选取参数，改变 b 值，提高 Fc 值，使其大于 Fmax 值，以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能改变参数时，则应加装导杆(如上图 b)或导套(如灌装生产线上灌装阀的设计27上图 c)。导杆(导套)与弹簧间的间隙 c 值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选取。表 3-3 导杆与弹簧间的间隙中径D/mm510101818303050508080120120150间隙c/mm0.612345678)疲劳强度和静应力强度的验算。 疲劳强度验算下图所示为弹簧在变载荷作用下的应力变化状态。图中 H0 为弹 簧的自由长度，P1和 1 为安装载荷和预压变形量，P2 和 2 为工作时的最大载荷和最大变形量。当弹簧所受载荷在 P1 和 P2 之间不断循环变化时，则可得弹簧材料内部所产生的最大和最小循环切应力为： (3.27)23max8FdKD (3.28)13min8FdKD图 3.24 弹簧在变载荷作用下的应力变化状态对应于上述变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，应力循环次数 N时，疲劳强度安全系数计算值 Sca 及强度条件可按下式计算： (3.29)FcaSSmaxmin075. 0式中：0弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数 N，由下表(弹簧材料脉动循环剪切疲劳极限表)中查取；无锡太湖学院学士学位论文28SF弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧设计计算和材料机械性能数据精确性高时，取 SF=1.31.7；当精确性低时，取 SF=1.82.2。表 3-4 弹簧材料脉动循环剪切疲劳极限变载荷作用次数N410510610710Mpa/0B45. 0B35. 0B33. 0B3 . 0注：1）此表适用于高优质钢丝，不锈钢丝，铍青铜和硅青铜丝； 2）对喷丸处理的弹簧，表中数值可提高 20； 3）对于硅青铜，不锈钢丝，时的值可取；410N0B35. 04）表中为弹簧材料的拉伸强度极限，MPa。B 静应力强度计算静应力强度安全系数计算值的计算公式及强度条件为：caS (3.30)sscaSSmax式中为弹簧材料的剪切屈服极限,静强度的安全系数的选取与进行疲劳强度验算ssS时相同。 振动计算承受变载荷的圆柱螺旋弹簧常是在加载频率很高的情况下工作(如内燃机汽缸阀门弹簧)。为了避免引起弹簧的谐振而导致弹簧的破坏，需对弹簧进行振动验算，以保证其临界工作频率(即工作频率的许用值)远低于其基本自振频率。 (3.31)sFbmkf21式中：kp-弹簧的刚度，N/mm； ms-弹簧的质量，kg。 将 kp,ms 的关系式代入上式，并取 nn1 则 (3.32)aGnDdaDndnDGdfbcos9 . 8cos4/8/211212234式中各符号意义同前，见表。弹簧的基本自振频率 fb 应不低于其工作频率 fw 的 1520 倍，以避免引起严重的振动。即fb(1520)fw 或 fwfb/(1520) Hz但弹簧的工作频率一般是预先给定的，故当弹簧的基本自振频率不能满足上式时，应增大 kp 或减小 ms，重新进行设计。10)进行弹簧的结构设计。11)绘制弹簧工作图。(3) 本设计弹簧的计算本设计弹簧的计算在此次的设计中我们采取的是圆柱螺旋拉伸弹簧。我们选取中径为 42mm，外径2D为 48，当弹簧压缩变形量约为 8mm 时，压力=200N,压缩变形量为 20mm 时，压力D11F灌装生产线上灌装阀的设计29=400N。2F由工作条件弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第类弹簧来考虑。但在灌装阀比较重要，现在选用碳素弹簧钢丝级别选用 D，并由已知条件知中经 D=42mm，并根据大经D-D2=6mm，估取弹簧丝钢直径为 6.0mm。由表 3-2 暂选 B=1600mpa,则根据表可知= 0.3*B=480mpa。根据表 3-2 C=7根据公式 =1.21 CCCK615. 04414=4.16 KCFdmax6 . 1改取 d=5mm,查得 B 不变，故而不变，取 D2=42mm，C=8 计算 k=1.18 于是可以得到以下数据：=4.48mm KCFdmax6 . 1D=D2+d=42+4.48=46.48mm48mm所得尺寸符合题限尺寸，合适。根据刚度条件，计算弹簧圈数 n由公式 =16.6N/mmmmNFFKF/8202004001212由表可得 G=80000Mpa,则弹簧圈数 n 为：23. 96 .1642848. 48000083434FkDGdn取 n=10，此时弹簧刚度为mmNKF/1936.18106 .1696.10验算：弹簧的初拉力：NKFFF2 .6786 .16200110初应力：MpaMpadCFK36.9448. 4422 .67818. 18330由图 3.25 可得当 C=7 初应力的推荐值为 47-135Mpa，故此应力合适。无锡太湖学院学士学位论文30图 3.25 弹簧初应力的选择范围极限工作应力：lim取=0.56则，limB=0.561600=896Mpalim极限工作载荷：NDKdF63818. 142889648. 414. 383lim3lim所设计的图如下所示：图 3.26 弹簧设计实体图3.3 本章小结本章小结在本章中我们介绍了灌装阀的基本原理，灌装方法，以及灌装阀的各部分零件的作用，通过这些介绍我们对灌装阀有了一个合理的认识，在本章中着重的介绍了灌装阀进行灌装的时间，并对其进行了一系列的计算。弹簧作为灌装阀里的重要部件，在本章里对其的进行了详细的分析与计算。通过本章可以能够详细的且深入的了解灌装阀的作用。并学会对其进行关键的设计。灌装生产线上灌装阀的设计314 灌装过程的调整及机器存在的问题灌装过程的调整及机器存在的问题4.1 灌装过程的调节灌装过程的调节根据使用情况和产品情况有时需要对机器进行调整,下面介绍几种常用的方法。4.1.1 料缸液位的调整料缸液位的调整因为灌装速度受到料液位的高低直接影响。若液位过低会导致一部分瓶子无法灌满,因此灌装机要求贮液箱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够基本保持不变,以便灌装能够稳定的进行。4.1.2 灌装量的调整灌装量的调整因为灌装机定量形式大多是用瓶来定量,若果对瓶子容量进行更改时,可以通过调节升降机构中活塞芯子的高低来实现,从而也就调整了灌装量。如果灌装定量形式是通过定量杯定量的,则通过将定量杯的容积进行改变。4.1.3 转速的调整转速的调整灌装机上常用的调速装置一般是机械无级调速的这里只讲一下三角皮带机械式无级调速原理: 如图 4.1 所示为皮带无级调速原理图。通过专用的三角宽胶带无级调速带,将二对锥盘联接起来,轴为主动轴,轴为从动轴,若从轴输入一个固定不变的转速 V 时,当转动手柄 1 通过齿轮,螺纹收紧锥盘迫使主动轮的作用半径增大,无级调速带的周长不变,则轴上二锥盘压缩弹簧,使二轴的作用半径小,轴的输出转速即可提高。无锡太湖学院学士学位论文32图 4.1 皮带无级调速原理图反之,当退开轴二锥盘,轴二锥盘在弹簧作用下收紧,则输出转速降低。这种无级调速器运转平稳,结构简单,但是调速范围小,随着负载变化,它的打滑率也随之变化,输出转速近似对称于输入转速变化。 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 24 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。4.1.4 机器存在的主要问题机器存在的主要问题此类旋转类灌装机具有结构紧凑,连续生产效率较高等优点,但还存在着如下问题:1)结构比较复杂,如它的灌装系统是比较复杂的,轻工机械发展的方向是力求结构简单、体积小、重量轻。2)传动机构庞大。如主轴采用了较大的轴承。3)成本太高。如酒缸采用不锈钢可铸铜等材料,增加了成本。4)加工要求高,特别是密封问题。5)另外,由于传动系统在主机的下方,带来了维修麻烦,同时由于主机的旋转运动,它的转速受到离心力大小的限制,也限制了生产能力的提高。灌装生产线上灌装阀的设计335 电气控制阀和调试维护电气控制阀和调试维护5.1 电气的控制电气的控制该机的电气部分由执行元件，控制元件和辅助元件等组成，各部分具体内容如下执行元件：主电机，输送带电机，清洗泵，供给泵等组成控制元件：可编程控制器（西门子 S7-200 CPU226）和变频器辅助元件：直流电源，数显表，变流接触器，空气开关，电位器，光电传感器，液位开关，电磁阀，按钮，指示灯，风扇等。5.2 主要制动过程主要制动过程本机的所有执行元件如电机，泵的启停和气缸的动作，均由 PLC 根据程序设定的要求几种控制。生产量的变化是有主电机和输送带电机的输出转速来确定的，而电机的转速速度是由各自变频器控制的。储液缸的液位，包装和瓶盖的有无，灌装阀的开启，同步信号的触发均由光电传感器来接收，并且传给 PLC，再由其根据程序控制各控制元件工作。用数显表显示当期的生产量，指示灯显示故障的位置。5.3 简单的生产线运动控制简单的生产线运动控制 I/Q 分配表和梯形如图：无锡太湖学院学士学位论文34图 5.1 I/Q 分配表和梯形图5.4 设备调试与维护设备调试与维护5.4.1 整机要求整机要求水泥地面平整，无需埋设地角栓，机器周围须有沟槽排水5.4.2 灌装阀的调试与维护灌装阀的调试与维护检查阀的弹簧和滑动部分是否能正常工作，看灌装头和阀与料箱接触的地方是否有渗漏。a操作及维修人员，必须熟悉本机和性能，严格按操作规程进行工作；b新机器安装后，必须进行严格的调试，合格后方可交付使用；c经常检查机器，及时排除故障，不得带病工作；d安全保护失灵后，应及时修复，不允许在无保护状态下开机生产；e各调整机构的调节和筋骨，应使用合适的工具，不准用非常方法剔打；f经常检查各密封部位及时发现问题；g进行冲洗和清洁工作时，不能用水充电器部分；h超过本机使用范围的瓶型不得使用；i根据机器运转工时，定时进行大、中、小修复；j新更换的备品配件必须符合设计图纸要求。5.4.3 安全操作规则安全操作规则 工作准备操作a.检查链道、拨轮、瓶托、料伐、压盖模等，亦消除杂物，打开蒸气阀向料缸加蒸汽，消毒 5 分钟；b.按规定向润滑部位加油；c.理盖器和溜槽须擦干净，瓶盖需干燥才能使用；d.点动主机检查运转是否正常，运转部位是否发热，是否缺油；e.开动磁性提升机和理盖器，检查是否供盖正常；f.打开调压阀向酒缸冲空气倍压，打开高位浮球管路闸阀，打开进料管闸阀24/kg cm向料缸供料，供料压力，到视镜中线；24.5/kg cmg.关闭倍压管路阀，只开启高位浮球管路闸阀，保持液球稳定；灌装生产线上灌装阀的设计35h.一切准备就绪，方可启动链道，接通吹盖气源开动主机。 工作进行中的操作a操作人员必须熟悉机器性能，工作是精力集中，坚守岗位；b及时停车，排除故障和破瓶；c及时排除重盖、残盖，溜槽要保持畅通；d随时留意运转中所出现的异常现象；e机器运转中不得随意调整，不得打开安全防护罩；f机器发生
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