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高粘度物料灌装机的研究 摘要 近几年，伴随着我国经济的不断增长，我国润滑脂产量也在持续增长。 润滑脂作为商品，它的包装是不可缺少的一个重要环节。而包装质量好坏的 一个重要因素就是灌装精度的高低。目前国内外的灌装机种类繁多，但主要 是针对低粘度、或是饮料等产品的灌装，对于高粘度物料的灌装机研究开发 比较少。本文在分析了国内外润滑脂灌装机的基础上，为了适应市场需求， 改善润滑脂的包装质量，提高灌装精度，根据与兰州化工集团润滑脂生产分 厂的意向合作科研项目展开了对高粘度物料灌装机的研究，并建立了三维实 体模型，为以后的样机的试制打下了基础。课题主要从以下几个方面对皂基 脂灌装机进行了研究： 在皂基脂灌装机的整体结构设计中，分析了皂基脂物料本身的特性。由 于皂基脂属于高粘度物料，为了提高物料的灌装精度及灌装速度，课题设计 中采用了压力法灌装，定量方式为定容式，并根据实际需求，选定了相关的 设计参数。 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。课题中主要从润滑脂的粘度、温度与表面张力等关系入手，分 析了润滑脂的粘度、表面张力随温度变化的趋势，并测定了相应的试验数据， 数据表明润滑脂的粘度与表面张力受温度的影响较大，并将这些离散的数据 点通过线性回归以及最小二乘法建立了润滑脂的粘度与温度，温度与表面张 力，表面张力与口径的关系，最终优化了灌装阀的口径尺寸。 在灌装阀和活塞泵的设计中，采用了旋转阀与计量缸组合的方式进行定 量灌装，同时也分析了灌装阀的密封设计，从材料的选择，到密封结构的优 化都进行了系统的研究，最终选择了合适的材料和合理的密封结构，从而有 效地避免了由于密封不当所引起的泄露问题，进一步提高了灌装的精度。 在虚拟样机设计中，采用p r o e 对皂基脂灌装进行了三维实体建模，并 对重要部件一计量缸进行了有限元分析，从而验证了设计参数的合理性。 在灌装过程中，采用全气动控制，满足包装时的防燃防爆要求，并分析 了气动灌装原理。为了防止物料在灌装过程中，温度有太大的波动，进而引 起物料的粘度、密度等一系列参数的变化，影响物料的灌装精度，因此在课 题的设计中加入了恒温控制装置。在本次设计中，采用d s l 6 2 0 温控器作为 核心控制，从而保证了恒温灌装的要求，对灌装精度有很大改善。 随着润滑脂等高粘度产品的不断增加，高粘度物料灌装机的研究对我国 包装机械的发展具有很大的现实意义。 关键词：灌装机，精度，粘度，皂基脂 n r e s e a r c ho fm g h s c o s i t ye 儿l i n g 姒c 日姗 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eg r e a s ep r o d u c t i o ng r o w sc o n t i n u o u s l y t h eg r e a s ea s c o m m o d i t i e s ，i ti sa ni m p o r t a n tp r o c e s sf o ri t sp a c k a g e a n dt h ef i l l i n gp r e c i s i o n i st h ew a yo fm e a s u r i n gt h ep a c k a g eq u a l i t y t h e r ea r em a n yk i n d so ff i l l i n g m a c h i n e sa th o m ea n da b r o a d ，h o w e v e r ，t h e s em a c h i n e sa r em a i n l yf o rt h el o w v i s c o s i t ym a t e r i a lo rt h eb e v e r a g e ，t h er e s e a r c ho nt h eh i 曲v i s c o s i t ym a t e r i a l cs f i l l i n gm a c h i n ei sv e r yl i t t l e a s 内rt h i sr e a s o n ，i no r d e rt oa d a p tt ot h em a r k e t n e e da n di m p r o v et h eg r e a s ep a c k a g eq u a l i t y , w ed e v e l o pak i n do f g r e a s ef i l l i n g m a c h i n eb a s e do nt h ep r e s e n tf i l l i n gm a c h i n ea th o m ea n da b r o a d t h r o u g ht h e c o n t r a c tw i t ht h eg r e a s eb r a n c ho fl a nz h o uc h e m i c a lc o m p a n y , w ee s t a b l i s h t h e3 dm o d e lb yp r o e ，s oi ti st h eb a s eo f m a k i n gp r o t o t y p e w er e s e a r c ht 1 1 e 1 v i s c o s i t yf i l l i n gm a c h i n em a i n l y t h ef o l l o w i n gasnlgnv i s c o s i t yt i l l i n gm a c h i n em a i n l yo nt h ef o l l o w i n ga s o e c t s ： o nt h ea s p e c to fd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo ff i l l i n g s y s t e m ，t h ea r t i c l e a n a l y z e st h eg r e a s ec h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s et h es o a pb a s e dg r e a s ei sah i g h v i s c o s i t ym a t e r i a l ，i no r d e rt oi m p r o v et h ef i l l i n gp r e c i s i o na n di n c r e a s et h e f i l l i n gs p e e d ，w ea d o p tt h ep r e s s u r ef i l l i n gm e t h o da n du s ec o n s t a n tv o l u m et o m e a s u r et h en e e d i n gv o l u m e a n dc h o o s em er e l e v a n t d e s i g np a r a m e t e r s a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ln e e d o nt h ea s p e c to f c h o o s i n gt h ev a l v ec a l i b e r ，i no r d e rt op r e v e n tt h em a t e r i a l d r o p p i n gf r o mt h ev a l v e ，i tj sn e c e s s a r yt oc h o o s ea nr e a s o n a b l ev a l v ed i a m e t e r r h lh t sa r t i c l ea n a l y z e st h ec u r v eo fg r e a s ev i s c o s i t ya n dt h et e m p e r a t u r e ，a n d m e a s u r et h er e l e v a n tt e s t i n gd a t ad u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s n ed a t as h o w s t h a t t h ev i s c o s i t ya n dt h es u r f a c e t e n s i o na r ei n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r eg r e a t l y t h e n t h r o u g hl i n e a r i t yr e g r e s s i o na n dl e a s e s q u a r e sm e t h o dt od e a lw i mt h e d i s c r e t et e s t i n gd a t a ，a n dt h e nb u i l du pt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h eg r e a s e v i s c o s i t y ，t h eg r e a s et e m p e r a t u r ea n dt h eg r e a s es u r f a c et e n s i o n ，t h ef i l l i n gv a l v e c a l i b e ri so p t i m i z e db yt h i sr e l a t i o na tl a s t o nt h ea s p e c to fd e s i g n i n gt h ef i l l i n gv a l v ea n dt h ep i s t o np u m p ，t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e st h em e t h o do f c o m b i n i n gt h er o t a t i o nv a l v ew i t ht h e i i i c o m p u t a t i o nv a t ，a tt h es a m et i m e ，i ta l s oa n a l y z e st h es e a ld e s i g no ft h ef i l l i n g v a l v e ，f r o mc h o o s i n gt h ef i l l i n gv a l v em a t e r i a lt ot h ed e s i g no f s e a ls t r u c t u r e ， t h i se s s a ya n a l y z e st h e ma l ls y s t e m i c a l l y ，t h e nc h o o s e t h es u i t a b l em a t e r i a la n d t h er e a s o n a b l es e a ls t r u c t u r e ，t h u si tc a no v e r c o m et h el e a kp r o b l e m d u et ot h e i n a p p r o p r i a t es e a l t h ef i l l i n gp r e c i s i o ni si m p r o v e db yt h i sw a y w h e nd e s i g n i n gt h ev i r t u a lm a c h i n e ，w eu s ep r o et oe s t a b l i s ht h ef i l l i n g m a c h i n e3 dm o d e l ，a n du s ea n s y st oa n a l y z et h ei m p o r t a n t p a r t t h u sa p p r o v e t h ed e s i g np a r a m e t e ri sr e a s o n a b l e d u r i n gt h ef i l l i n gp r o c e s s ，t h i sa r t i c l ea d o p t st h ep n e u m a t i cc o n t r o l ，t h u s i tc a np r e v e n tb u ma n db u r s td u r i n g f i l l i n g a l s ot h i sm a c h i n ea d o p t st h e c o n s t a n th i g ht e m p e r a t u r ef i l l i n gt op r e v e n tt h e f i l l i n gt e m p e r a t u r ef l u c t u a t e h i g h l y ，s oi ft h ef i l l i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t h ev i s c o s i t y ，t h ed e n s i t ya n do t h e r p a r a m e t e r so ft h ef i l l i n gm a t e r i a la l lc h a n g e ，a n dt h i sw i l li m p a c tt h ef i l l i n g p r e c i s i o nb a d l y t h u st h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ed e v i c ei sn e c e s s a r yf o rt h ef i l l i n g s y s t e m i nt h i se s s a y , w ei n t r o d u c et h ed s16 2 0t h e r m o s t a ta st h ec o r ec o n t r 0 1 ， t h ef i l l i n go fh i g hc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei s g u a r a n t e e da c c o r d i n g l y , t h ef i l l i n g p r e c i s i o ni si m p r o v e d w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h eg r e a s ep r o d u c t i o ni n c r e a s i n g i ti sa n 1 m p o r t a n ta c t u a lm e a n l n gf o ro u rc o u n t r yp a c k a g em a c h i n eo nr e s e a r c ho f h i g h v i s c o s i t yf i l l i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：f i l l i n gm a c h i n e ，p r e c i s i o n ，v i s c o s i t y , s o a p b a s e dg r e a s e i v 高粘度物料灌装机的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：碴囟鱼 e l 期： 2 q q 髫生f ，2 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亟包叠导师签名： 高粘度物料灌装机的研究 1 绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题是根据陕西科技大学与兰州化工集团润滑脂生产分厂的意向合作科研项目展 开的研究。目前中国润滑脂工业已经建成润滑脂产品品种齐全、产量满足国内市场供应 要求、生产工艺和设备满足生产需要、产品标准及分析试验方法标准基本配套的润滑脂 工业体系，因此在工业、农业、交通运输、国防工业等部门中发挥着越来越重要的作用， 为国民经济的发展做出了贡献。 皂基润滑脂是以各种高分子脂肪酸金属皂稠化，基础油所得到的润滑脂。常见的单 皂基润滑脂有钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂、钡基润滑脂、铝基润滑脂等。此 外还有混合皂基润滑脂。皂基润滑脂的使用面最广，因此产量也最大。皂基脂在国民经 济中却占有很重要的地位，它起着维护各种机械设备的正常运转，减少摩擦磨损，延长 机械设备使用寿命等十分重要的作用。我国润滑脂产量的发展是与我国国民经济的持续、 高速发展相适应的，产量增长是必然的。根据最新的统计，中国的润滑脂产量已接近包 括美国、加拿大在内的北美地区的产量，为日本的3 倍，已经成为世界上名副其实的润滑 脂生产和消费大国。由于近年来，我国经济一直保持着快速强劲的发展势头，作为国家 支柱产业的钢铁工业和汽车工业发展迅猛，这在很大程度上也促进了国内对润滑脂消费 的需求1 1 - 3 1 。 然而润滑脂作为商品，它的包装是不可缺少的一个重要环节。一般来说，一种商品 的包装应满足以下几个要求： ( 1 ) 保护商品，在流通( 运输) 和储存时不受污损或因泄露而污染环境。 ( 2 ) 方便使用，对不同的使用场合要有与之相适应的包装型式和合理的容积，为用户 使用方便，包装容器要轻便、坚固并方便运输，还要考虑它的经济性。 ( 3 ) 装潢美观、标志鲜明、醒目、具有宣传的效用。 世界各国在不断地扩大润滑脂产品应用领域和提高产品质量的同时，也适时地改进 包装型式以适应发展的需要。润滑脂品种繁多，应用广泛，从工矿企业到家庭民用，所 以它的包装型式必须多样化。从已经标准化的各类型如2 0 0 l 2 0 l 的大、中、小桶的不同 材质的容器到容量仅为1 3 - 1 4 m l 、专门为小型仪器和家庭使用的挤压式塑料软管，包装 型式各异，装潢不断更新。润滑脂包装技术受到润滑脂制造商和销售商的普遍重视而得 到不断的改进和发展。但由于润滑脂产品物料粘稠，流动性差，不易分装等特点，使得 润滑脂包装以手工为主，操作步骤较多，中间还需要搬运，不但需要人工多，包装周期 长，而且包装效果也不佳1 4 1 。 陕西科技大学硕士学位论文 灌装机是将液体产品按预定量注到包装容器内的机器。灌装设备的使用，可以降低 劳动强度，减少操作环境污染，降低油品损耗，达到节能和提高经济效益的作用。灌装 精度是灌装机的重要指标之一，它是指灌入包装容器内的实际数量值与要求数量值的误 差范围。灌装精度低，允许的误差范围大，容易产生灌装不足或灌装过量。灌装不足会 损害消费者的利益，也影响企业的信誉；灌装过量会增大成本，影响企业的经济效益。 虽然目前国内外的灌装机种类很多，但由于国外设备比较昂贵，国内设备的灌装精度不 高等原因，一直影响着润滑脂的包装质量。而目前市场上对中小型桶装润滑脂的需求量 在不断地增加，为适应市场的需求，扩大经营，保证生产，本着节约成本的原则，开发 研制出适合高粘度桶装物料的灌装机的是十分必要的。 1 2 国内外发展现状及趋势 1 2 1 国外包装机械现状及发展趋势 国外包装机械发展水平较高的国家主要是美国、德国、日本、意大利和英国。而德 国的包装机械在设计、制造及技术性能等方面则居于领先地位。最著名的是德国克朗斯 公司( k r o n s e ) ，中国知名的啤酒企业都进口过他们的设备。 在润滑脂灌装机方面，目前润滑脂的包装趋向小型化。国外对小容积的软包装已使 用全自动包装机，采用气动传动，微机控制，灌装线与润滑脂储罐连接，连续完成计量、 充填、封口、打印生产日期及装箱等工序，有的生产厂是使用半自动化灌装机械，两种 生产效率均很高。对于小容积半自动及自动灌装机是由润滑脂储罐或包装机储脂罐经泵 输送至灌装嘴向容器中灌装，用压缩空气( 0 4 m p a ) 作为动力操作。a mb r o s e 公司生产 的p f 一5 ，p f 一9 b 这2 种半自动灌装机的性能如下：p f 一5 灌装机的灌装速度2 0 l 桶为6 8 桶m i n ，4 l 桶为1 4 - 1 6 桶m i n ；p f 一9 b 型可以灌装0 2 - - 4 l 的容器，灌装速度0 2 l 桶为3 0 3 5 桶m i n ，1 l 桶为2 5 - 3 0 桶m i n ，4 l 桶为1 6 - - - 1 8 桶m i n ，准确度为正负1 0 9 。p r e m e r 公 司生产的f i l p a cp c p c c 型半自动灌装机还配有混合罐，搅拌器，便于润滑脂的灌装。这 类机械有不同的型号，可灌装5 - - 一3 0 0 0 m l 容量不同的容器，灌装速度为3 5 - - 6 桶m i n 。意 大利0 c m e 公司4 升塑料桶全自动称重式灌装机，从油品灌装到外纸箱包装一次完成，灌装 精度为正负0 5 克，生产能力每小时7 0 0 箱至7 5 0 箱，生产效率提高了1 0 倍以上。 在灌装机械设备方面，美国，德国，日本，意大利和英国的制造水平相对较高，其 设备呈现出新的发展动向。 ( 1 ) 技术含量高，工艺流程自动化程度越来越高，全线的自动控制水平高和全线效率 高，在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。集机、电、 气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。目前自动化技术在包装生产线中己占5 0 以上，大量使用了电脑设计和机电一体化控制，目的是提高生产率，提高设备的柔性和 灵活性，增加机械手以完成复杂的包装动作( 模拟手工包装) 。每个机械手均由单独的 2 高粘度物料灌装机的研究 电脑控制，摄像机监视包装动作并将信息反馈到电脑以调整动作幅度，保证包装的高质 量。同时对包装材质及厚度有自动识别功能，再由电脑计算后去控制机械动作，完全是 个“自适应 系统，保证系统在最优状态下工作。 ( 2 ) 提高生产效率，降低工艺流程成本，最大限度地满足生产要求。德国的啤酒饮料 灌装设备目前已达1 2 万瓶h ，香烟包装机达至i 1 2 0 0 0 支m i n 。高速设备一旦出现故障，损 失也同样惊人，所以高速设备一定要有故障分析系统( 自诊断系统) ，并能自行排除故 障使生产率得以提高。 ( 3 ) 适应产品变化，功能多，设计具有好的柔性和灵活性。为适应竞争需要，产品更 新换代的周期越来越短，有的产品甚至一季一变，而产量都很大。包装机械的寿命远大 于产品的寿命周期，所以某些包装机械要能适应产品的变化，只能以柔性和灵活性来适 应，包括量的灵活，构造的灵活和供货的灵活。构造可以采用单元模块化，供货灵活是 指一机可实现多种包装组合，设多个进料口及不同形式包装，再组合到一个中包装。 ( 4 ) 成套供应能力强。如一条饮料灌装线，有2 0 0 多个微电脑件，1 0 0 多种控制软件， 灌装封盖部分又是两套组合，其他部分共用，总体效果是1 2 0 0 0 0 瓶h 的生产线。一个供 货商可以为用户进行工程设计、安装、调试，最后交用户验收。 ( 5 ) 包装机械设计普遍使用仿真设计技术，把各种机器单元以数据库形式存入计算 机，把图纸数字化后输人计算机，由计算机自动合成三维模型；再把实际生产时的指标 和数据、可能发生的故障等输入计算机。计算机三维模型即可仿照实际工作情况进行操 作，演示出生产能力、废品率、生产环节的匹配、生产线瓶颈在何处等，还可以根据用 户的意见进行修改模型知道用户满意。采用计算机仿真技术后，大大缩短了包装机械的 设计周期和新产品的开发周期。 ( 6 ) 结构简单化，灌装机械结构趋于简单合理。灌装机械制造商都在致力于产品结构 的简单化，零部件数量在减少，设备可靠性在提高，成本降低，操作维修更加方便【5 ，6 1 。 1 2 2 国内包装机械现状及发展趋势 快速发展的食品及工业品加工业，需要大量高品质的包装机械，同时也给包装机械 制造行业带来了商机。据有关部门报道，2 0 0 5 年我国食品机械及包装工业的产值已经达 蛰 4 4 0 亿元，年均增长率达1 2 。业内人士指出，当前我国食品包装机械市场发展呈现以 下特点。 ( 1 ) 技术含量日益增加，我国现有的一些包装机械产品技术含量不高，但已呈现出将 先进技术应用在包装机械上的趋势，如远距离遥控技术、步进电机技术、自动柔性补偿 技术、激光切割技术、信息处理技术等。 ( 2 ) 市场日趋垄断化，目前我国除了瓦楞纸箱包装机械和些小型包装机有一定规模 和优势外，其他一些成套包装生产线，如液体灌装、饮料包装、无菌包装、香烟包装等 3 陕西科技大学硕士学位论文 生产线几乎不成体系和规模。随着国外企业进入我国市场，国内一些无竞争力的包装机 械企业将被国外企业收购、兼并或破产，并且垄断范围逐渐从香烟、饮料的包装机械产 品扩大到其他包装机械产品。 ( 3 ) 零部件生产专业化，包装机械零部件生产专业化是发展的必然趋势，很多零部件 不再由包装机械厂生产，而是由一些通用的标准件厂生产，某些特殊的零部件由高度专 业化的生产厂家生产。 而我国的灌装机制造业在2 0 世纪6 0 年代以前几乎是空白，在润滑脂的生产中，对 物料的灌装大多采用手工操作。这一过程中，工人在台称上预调好所需包装重量，当灌 装到所需重量时，台称杠杆弹起，工人关闭阀门。这全凭他们的反应和经验，由于不同 工人操作的熟练程度以及操作精度的不同，造成的灌装重量不同，误差较大，并且增大 工人手工操作的劳动强度，效率也较低。直到1 9 6 7 年我国才开始研究和生产灌装机械。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，先后引入一些国外的灌装生产线，机械、轻工等领域的一些 企业在仿制和消化的基础上，开发了各种中小型灌装机械。2 0 世纪8 0 年代以后，我国 采用技术贸易相结合的方式，进口了大量的可靠性强，产量高的饮料、乳品和啤酒的高 速自动化生产线，部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使得中国 包装机械的生产有了很大的进步，但由于我国润滑脂工业发展比较晚，初期的包装以 2 0 0 l 铁桶为主。随着润滑脂品种增多，产量增大，各工业部门的需求增加，各工厂不断 地改进了包装形式。从6 0 年代起，各工厂为解决润滑脂的小容器包装，开始设计不同的 灌装方法，并取得一定的进展。有的工厂采用直接在润滑脂储罐( 或调和釜) 的循环管 路上安装定时或定量控制阀的办法进行2 5 , - 一5 k g 容器的灌装。 虽然我国的润滑脂灌装机已取得了一定了进展，但仍存在一些不足之处： ( 1 ) 由于控制阀设计不太合理，容易造成空气泄漏致使灌装定量精度差， ( 理论灌 装精度为3 ，实际达1 0 ) 。 ( 2 ) 灌装工艺设计的不合理，不能使物料保持恒定的流动状态及流速，影响灌装精 度。 ( 3 ) 搅龙及脂桶固定机构，提升机构等机械冲击大，造成元件磨损严重。 ( 4 ) 密封设计不合理，使得密封元件耐磨性差，元件寿命较短，容易造成泄漏。 ( 5 ) 灌装阀e l 径的设计不合理，容易产生滴料问题，不仅影响灌装质量，造成污染， 也影响灌装精度。 我国的灌装机械经历了仿制，引进技术，消化吸收，创新，自主开发的过程，虽然 技术进步及创新的速度很快，在不断的缩小与国外先进技术之间的差距，但对半流体灌 装技术，特别是高粘度半流体( 如润滑脂) 的灌装包装技术还有待于进一步完善p - 9 。 4 高粘度物料灌装机的研究 1 3 本课题的研究内容及技术难点 润滑脂灌装精度的高低直接影响着润滑脂的包装质量，因此计量精度是灌装机的一 个重要指标。根据与兰州化工集团润滑脂生产分厂的意向合作项目要求，我们要改变现 有的由人工称重定量灌装的现状。在经过大量的资料调研后，课题设计中决定采用定量 泵进行定量灌装，这样由机构进行定量，将比人工控制灌装量的精度有很大的改善。 分析国内外几种常用灌装机的结构及灌装工艺，对于小容积粘稠物料的灌装，宜采 用定容积灌装。常见的定容积罐装方法是灌装阀本身带有计量功能，当物料借助外力压 入灌装阀内，完成计量，灌装阀内的阀芯旋转，物料靠自重下落完成物料的灌装。这种 灌装方法的灌装速度较低，而且遇到较高的粘度的物料时，可能造成物料难以下落，灌 装精度也不高。本课题采用活塞泵定量控制灌装法，可以避免前述方法的缺陷，提高灌 装精度。 图1 - 1 所示为本次设计的灌装机的工作原理图。 图卜1 灌装机原理图 f i g 1 1p r i n c i p l ec h a r to f f i l l i n gm a c h i n e 根据兰州化工集团润滑脂分厂提供的要求，皂基脂在灌装过程中，连接管道直接接 到反应釜上，直接进入灌装部分，这样可以省去润滑脂的输送部分和加热装置。其工作 原理为先由活塞吸料经灌装阀到定量缸内，然后旋转阀旋转，在由活塞挤出物料，完成 灌装。其中在活塞的吸料过程中，有单缸和双缸两种形式。吸料和排料由一个气缸控制 的结构为单缸定量控制灌装，即气缸先进行吸料，然后再排料；吸料和排料分别由各自 的气缸控制的结构是双缸定量控制灌装，即一个气缸吸料，另一个气缸排料，这样两个 动作互不影响。双缸的灌装效率是单缸灌装效率的2 倍。根据厂方提出的要求，灌装生 产率为2 桶m i n ，因此本课题选择的是单缸定量灌装，这种设备结构简单，成本低，符 5 陕西科技大学硕士学位论文 合实际生产灌装的需要。 本课题主要设计内容就是皂基脂的灌装部分。从图中可知灌装机的主要组成部分就 是灌装阀和活塞泵，而灌装阀又是由阀座、阀芯及出料嘴等组成，活塞泵主要由计量缸、 活塞及计量气缸等组成。其主要工作原理就是当气缸带动活塞下移时，油脂从进口进入 计量缸，完成定量的工作；然后阀芯旋转9 0 。，气缸带动活塞上移，油脂从出料嘴流入 到灌装桶内，完成灌装的工作。 在本次的课题设计中主要研究内容及技术难点： ( 1 ) 灌装工艺及灌装方法的选择 在对灌装机进行设计时，要考虑所灌装的物性、灌装精度、包装容器的形状和容器 口径等因素。而在灌装粘度偏高的物料时，还要确定灌装温度，再测出该温度下物料的 粘度，然后确定是选用称重式常压灌装机还是容积式常压灌装机等。又因为物料粘度会 随温度的升高而降低，因此还要考虑是否采用加热灌装等。脂类灌装的适宜温度为7 5 , - - 1 0 5 ，灌装温度太低时，脂的流动性差，不易于灌装，而且会出现堵塞现象，影响灌装 速度；灌装的温度太高，物料的结构会被破坏，影响其物理属性及化学属性，因此灌装 温度的选择也是至关重要的。在课题设计中，由于灌装管道直接接到反应釜上，灌装温 度直接取决于物料从反应釜输送出来的温度，在实际生产中，从反应釜出来的温度为9 0 ，因此选定灌装为9 0 ，为了防止在灌装过程中温度有太大的变化，加了一个恒温控 制装置。 ( 2 ) 灌装阀口径的优化 为了防止物料滴漏，提高灌装精度，目前常用的方法是在灌装阀口处安装断料回抽 装置等，结构比较复杂。本文是从皂基脂的粘度、温度、表面张力等方面着手，分析其 对灌装阀口径的影响，借助物料的表面张力来防止物料的滴漏，可以简化灌装阀机构。 由于皂基脂的粘度受温度影响很大，在一定的温度范围内，温度越高，脂的粘度就越低， 其流动性就越好，越易于灌装，但其表面张力就会降低，灌装完毕后在灌装嘴部分可能 产生滴油事故。因此通过建立以上几种关系的模型来优化灌装阀口径将是本课题的一个 重点和难点。 ( 3 ) 灌装阀及活塞泵的设计 对于高粘度物料的灌装来说，定量的方式常采用定容式或称重式。灌装大容器如 2 0 0 l 及2 0 l 提桶( 方便桶) 是采用称重( 用电子计重器执行) 半自动方式的机械；小容 器如0 5 1 o k g 或2 o k g 的灌装均采用容积式灌装机械。由于灌装阀是采用旋转阀结构， 对其加工工艺有比较高的要求，同时活塞泵的往复运动也对设计工艺提出了较高的要求。 ( 4 ) 灌装机精度分析 本课题中所设计的灌装机的主要结构就是灌装阀和活塞泵。 6 高粘度物料灌装机的研究 润滑脂的灌装工艺一般流程如下： 空桶整理一空桶进灌装工位一检测定位一灌装阀打开一开始灌装一计量装置计量一 灌装阀关闭一满桶出灌装工位 从上述的灌装工艺中可以看出，影响灌装精度主要是灌装阀部分和计量装置部分， 因此要针对这两个方面对其优化设计。而其难度主要是通过皂基脂的灌装温度，以及此 时皂基脂的粘度及表面张力之间的关系来优化灌装阀口径，以此来解决灌装滴料问题； 同时机构的精度及控制误差也会影响物料的灌装精度，因此本课题也从提高机构精度等 方面作了细致的研究。 ( 5 ) 灌装过程的控制 物料在进行灌装时，对其灌装动作的实现是有多种方法的，但由于皂基脂属于易燃 易爆产品，因此对控制元件也提出了较高的要求。本次设计中，采用了全气动控制原理， 控制过程简单且符合皂基脂灌装过程中对电气元件的控制要求。 ( 6 ) 虚拟样机的设计 利用p r o e 建立了灌装机主要部件的三维模型，完成了效果图及爆炸图的设计，为 试制真实样机打下了基础。 在进行本课题的研究过程中，主要技术难点就是如何借助物料的表面张力来防止滴 料问题的发生，以及如何建立物料的温度、粘度、表面张力与灌装口径的关系，目标函 数的建立是本课题研究的一个难点。另一个难点就是对灌装阀及活塞泵的优化设计，以 提高物料的灌装精度。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 皂基脂灌装机的结构设计 2 1 皂基脂的结构和性质 对物料进行灌装时，首先要了解所要灌装物料的性质，才能选择合适的灌装方法及 合理的灌装工艺。润滑脂的组成主要是基础油( 占7 0 9 0 ) 、稠化剂和添加剂。其分 类通常都是按稠化剂分类，如皂基润滑脂、烃基润滑脂、无机润滑脂和有机润滑脂等。 润滑脂在外力作用下，所表现出来的流动性是其另一个重要特点。当所受外力低于结构 骨架的强度极限时，只产生弹性变形而不流动。当所受外力达到或超过其强度极限时， 则润滑脂骨架破坏。 润滑脂属于固体胶体分散体系，其结构大体上可分为三个部分，稠化纤维组织，达 成网络结构，液体组分吸附在网络的结构。由于润滑脂属于脂体分散系，所以它具有一 系列胶体的性质，不同的纤维结构引起润滑脂不同的胶体特性和稠化能力；随着温度的 变化，体系的相状态和分散的结构随之改变，并使其出现相转变。因此它是一种介于液 体和固体之间的润滑材料，从一定意义上讲，它兼有二者的优点，在常温和静止状态下 润滑脂是一个塑性体，能够附着在摩擦表面上像固体一样不流动，在升高温度和运动状 态下，受到热的作用和机械作用，润滑脂变稀，能像液体一样润滑摩擦表面，当热的作 用和机械作用逐渐减少到消失时，润滑脂逐渐变稠乃至恢复到一定的粘度【- 0 1 。 2 2 灌装方式的确定 由于被灌装液料的物理化学性质和产品的销售质量要求不同，因此对灌装方法及灌 装工艺也就有不同的要求。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 气体等。液料由储料缸灌入包装容器，常用以下几种灌装方法。 ( 1 ) 常压法灌装 常压法灌装，又称重力灌装，是在大气压力下直接依靠被灌液料的自重流入包装容 器内的灌装方法，其整个灌装系统处于敞开的状态下工作。其中利用液面控制灌装的常 压灌装法的工艺过程为： 进液并排气一停止进液一排除余液 常压法主要用于灌装粘度不大、不含二氧化碳、不散发不良气味的液体品种的灌装， 如酱油、牛奶、白酒、醋等。其灌装特点是液位准确，设备简单，灌装速度较低。 ( 2 ) 等压法灌装 等压法灌装，是利用储液箱上部气室的压缩空气，先给包装容器充气，使二者的内部 压力接近相等，然后被灌装液料在此封闭系统中靠自重流入该容器内的灌装方法。等压 灌装的工艺过程为： 充气等压一进液回气一停止进液一释放压力 8 高粘度物料灌装机的研究 等压法适用于含气饮料，如啤酒、汽水等的灌装，可减少其中所含二氧化碳气的损 失，同时也可防止灌装过程中泛泡，保证包装计量准确。 ( 3 ) 真空法灌装 真空法灌装是在低于大气压力的条件下进行灌装的方法。即让储液箱内部处于常压 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。压差可使产品的流速高于等压法灌装。对于小口容器、粘性 产品或大容量容器特别有利。但是真空法灌装系统需要一个溢流收集和产品再循环的装 置。快速灌装产生的泡沫必须通过溢流系统排除。真空法灌装的工艺过程为： 瓶内抽真空一进液排气一停止进液一余液回流 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散逸。真空法灌装适用于灌装那些粘度大一些的液 料，如油类、糖浆类、不宜多暴露于空气中的含维生素的饮料，如蔬菜汁、果汁以及有 毒的液体( 如农药、化学药水) 等。 ( 4 ) 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，将粘度较高的液料从储 料缸经过灌装阀吸入活塞缸内，然后再强制压入待灌容器中。压力法灌装适用于中等粘 度及高粘度的粘稠状物料的灌装。由于能够借助较大外力，故可大大提高灌装速度【l l ，1 2 1 。 由于皂基脂属于高粘度物料，需要借助外力才能将物料排出，通过比较以上几种主 要的灌装方法后，确定本次设计选择压力法灌装，这样不仅可以达到由机构定量灌装的 目的，改善人工称重灌装精度不易控制的不足，同时也可提高灌装生产率。 2 3 皂基脂灌装机的技术参数及结构设计 2 3 1 主要技术参数 根据与兰州化工集团润滑脂分厂的意向合作项目的要求，为了满足实际生产需要， 对皂基脂灌装机的主要技术参数应达到以下要求： 灌装量：0 9 l 5 三： 灌装精度：1 ； 物料粘度： 6 0 0 0 c p ； 灌装生产率：1 0 l m i n ； 2 3 2 灌装机的结构设计 本灌装机为容积式压力法灌装机，其中灌装精度是本机的最重要的质量性能指标， 要求灌装精度达到1 ( 拟定灌装量为5 l ) 。为了使灌装机整体结构不至于过大，在对 容积为5 l 的桶进行灌装时，采用2 次灌装的方式，即每次的灌装量为2 5 l 。分析国内外几 种压力容积式定量灌装机的结构，用固定凸轮滚轮驱动活塞杆的方法，由于传动链存在 9 陕西科技大学硕士学位论文 多处间隙而不可能达到高灌装精度的要求。经过调查研究，我们决定采用气缸驱动活塞， 这种结构形式简单，控制灵活，再加上控制灌装阀和活塞缸的加工精度就可以达到高精 度灌装要求，图2 1 所示为本灌装机的整体结构示意图。 4 5 1 进料口2 阀座3 阀芯4 出料嘴5 机架 6 气缸17 计量缸8 活塞9 连接板1 0 气缸2 图2 一l 灌装机整体结构图示意图 f i g 2 - 1s k e t c hs t r u c t u r ec h a r to ff i l l i n gm a c h i n e 从图中可以看出该灌装系统主要由阀体、旋转阀及出料嘴组成灌装阀，由定量缸、 气缸及活塞组成活塞泵，并由连接板将灌装阀和活塞泵连接起来。灌装量的调节可以通 过调节与活塞连接的活塞杆行程来实现。从图2 - 1 中可以看出，要提高物料的灌装精度， 要对灌装阀及活塞泵进行精确的设计。灌装阀设计中关键部件就是旋转阀及出料嘴结构 的设计；活塞泵设计中关键部件是活塞的设计及活塞的密封结构设计。通过对以上关键 部件的精确设计，可以改善机构误差对灌装精度的影响。由于润滑脂是半流体介质，其 流动性较差，所以传送过程压力损失较大。为了保证灌装过程中计量缸不产生过低的负 压，以致有空气漏入计量缸内，影响灌装精度，因此要设置一个润滑脂缓冲系统来满足 以上的技术要求。 该灌装机主要为灌装类似于皂基脂等高等粘度的半流体设计的，关键部件灌装阀的 1 0 高粘度物料灌装机的研究 结构较简单，灌装机构的精度高达0 3 ，如将灌装嘴略微改造即可适应类似洗发水等 的中等粘度液体的高精度灌装，所以该灌装机的设计较先进，应用范围很广。 2 4 灌装阀口径的优化 ( 1 ) 口径优化的重要性 粘度是流体在流动中所产生的内部摩擦阻力。其大小由物质的种类、温度、浓度等 因素决定。半流体是指粘度范围在1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 c p 的流体物料，而皂基脂加热后的粘度仍 在5 0 0 0 c p 左右，因此也属于半流体。这种物料的流动性较差，需要高温灌装。而在灌装 时常常因为灌装阀口径的选择不合理在灌装过程中经常出现各种问题。如灌装阀口径选 择的太小，容易出现堵塞现象，且影响灌装速度；若选择的口径太大，在灌装完毕后， 阀口处会出现滴漏现象，这不仅影响灌装精度，也会造成污染，因此灌装阀口径的尺寸 的优化就显得尤为重要。 ( 2 ) 目前防止滴料的手段及不足 在实际的灌装中，经常通过多次更换灌装阀的口径来探索和试验最佳的尺寸或采用 辅助机构( 如安装抽真空断料装置) 来解决粘稠物料的灌装问题。国内用于粘液断料的 机构有双泵平行布置、活塞同步运行机构。此机构在整个工作过程中两个活塞都同时前 后运动，对结构的刚度、强度都有较高的要求，结构尺寸较大，且断料效果差。另外一 种断料机构的结构是在出料口前装置一个小回抽泵，活塞的上下运动是由其下端的圆柱 凸轮控制，由于圆柱凸轮的升程一定，所以活塞的工作行程也确定，不能根据具体的物 料调整，断料的效果也不理想。还有一种断料机构是由主泵系统、辅泵系统组成。在主 泵旁边布置辅泵，通过调节辅泵后面的曲柄长短来控制活塞的行程，从而控制回抽量及 管道的回抽力。同时，由于出料嘴内径较小而三通体容积较大，当活塞回