1、四川理工学院毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 随着市场经济的完善和发展，商品流通的深度和广度进一步扩大，包装工业在国民经济中的作用和地位越来越高。根据各国经济发展水平不同，包装工业的产值通常占国民生产总值的 1.5%-2.2%。经济越发达，包装工业所占的比重就越大。灌装机就是包装机械的一种。建国以后，我国陆续建立了一些灌装设备生产厂，但主要是一些小型设备，技术落后。八十年代初，国家开始积极引进国外先进灌装技术，当时灌装技术主要掌握在少数国有企业手中。随着改革开放的推进，一些原来从事机床、农机制造的企业也转到灌装设备的开发制造上，从业 厂商逐渐增多。 我国的灌装设备主要是应用在酒业、饮料的灌
2、装上，从灌装原理上大体可分为负压灌装机、常压灌装机、等压灌装机、定量灌装机 、料位灌装机等几种类型。但是目前各个设备生产厂家的灌装机在灌装能力、效率、适宜瓶型范围及自动化程度等方面各有优缺点，不同程度地制约着产品包装质量和生产率。 目前，灌装机呈现出新的发展动向，主要为：（ 1）多功能。同一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的热灌装；均可进行玻璃瓶与聚酯瓶的灌装。（ 2）高速度、高产量。碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000 灌 /分 ，非碳酸饮料灌装速度最高达 1500 灌 /分。（ 3）技术含量高、可靠性高、计量精确。 啤酒作为一种口味独特的风味饮料，深受广大老百
3、姓的喜欢，近年来由于受酿酒原材料涨价的影响，啤酒的酿造成本随之增高，而啤酒的市场竞争越来越激烈，啤酒生产厂家为了争夺啤酒的市场份额，一方面对啤酒的销售价格不敢轻易提价，一方面内部加强管理努力消化原材料涨价带来的负面影响。啤酒灌装机是啤酒包装生产线的核心设备，啤酒灌装过程中出现的冒酒、灌不满、液位偏高或偏低、增氧量和瓶颈空气超出标准等现象，都会直接导致酒损的增加，从而增加了啤酒的包装成 本，因此，灌装机灌装效果和机械本身的性能的好坏直接影响到企业的经济效益，所以，希望通过对灌装机的设计，能更好的发挥出灌装机的使用性能，提高生产率和机械自身的性能，使之能运行更加稳定、计量更加准确、使用更加方便、尽
4、可能的减小噪音等等。 第二章 总体方案设计 2 第二章 总体方案设计 2.1 确定功能与应用范围 用途：灌装瓶装啤酒。 规格：灌装瓶容量为 640Lm，空瓶为 670Lm。 灌装方式： 常 压式灌装。 常 压式灌装 ，是在大气压下直接靠被灌液料的自重流入包装容器内的灌装方式。常 压式灌装 的工艺过程为： A. 进液排气，即液料进入容器，同时容器内的空气被 排出。 B. 停止进液，即容器内的液料达到定量要求时，进液自动停止。 C. 排除余液，即排除管道中的残余液料。 设计要求：对灌装机进行优化改进，在生产率、可靠性、使用寿命和噪声等方面都应有明显改进。 2.2 工艺分析 2.2.1 确定机械类型
5、 2.2.1.1 工位 啤酒生产批量大，灌装机工作动作多，故选用多工位灌装机。 2.2.1.2 运动形式 灌装机分为直线型和旋转型 2 种，而啤酒灌装机都是采用旋转型灌装机进行 灌装，且是连续型灌装工作方式，故采用旋转型连续灌装机。 2.2.2 确定 灌 装程序，工位数 2.2.2.1 灌装程序 啤酒空瓶 由进瓶机构传送至升降瓶机构上，升降瓶机构控制瓶子升降，升瓶灌装完成后，降瓶由拨瓶机构传送出去。 即进瓶 升瓶 灌装 降瓶 出瓶。 2.2.2.2 工位数 由于啤酒灌装是大批量生产，所以要求工位数多，在结构合理且提高生产效率的基础上采用多的工位，故选用 24 工位。 2.2.3 对执行构件的运
6、动要求 2.2.3.1 啤酒瓶升降机构 对于 旋转 型灌装机，通常是借助 分件供送螺 杆将瓶子按所要求的状态、间距、四川理工学院毕业设计（论文） 3 速度逐个而连续地供送到 灌装 机的托瓶 台上。 并 由 托瓶机构将其升起 使 瓶 口 与灌装头紧密接触而进行 灌装。 待 灌 装过 程完成后下降复位。 托瓶机构 固定在导向板上。 托瓶机构主要有机械式、气动式、机械与气动组合式等 三 种结构形式。 对于旋转型啤酒灌装机来说，应尽量结构简单，经济实惠，便与维护，所以宜选择机械式托瓶机构。 2.2.3.2 灌装阀 灌装阀是对啤酒进行灌装的关键装置，所以对其结构要精心设计。 灌装阀应固定在储液箱下部，其
7、安装轴线应该与啤酒瓶升降机构的轴线一 致，以便于啤酒瓶在升起过后能正确的对准灌装口进行灌装工作。 常压式灌装机的灌装阀也采用常压灌装阀，因灌装操作环境为常压状态，灌装过程简单，通常采用弹簧阀门式灌装阀 。 2.2.3.3 主轴 主轴是灌装机的动力传动轴。电机通过减速装置把动力传送到主轴上，主轴带动储液箱和导向板同步转动。 2.2.3.4 储液箱 储液箱位于主轴顶端，箱体下面在圆周方向配置灌装阀，箱体随主轴转动，带动灌装阀一起同步转动。 2.2.3.5 导向板 导向板的作用是固定托瓶机构，导向板和储液箱一样固定在主轴上，随主轴一起同步转动。 2.3 拟订主要技术参数 2.3.1 结构参数 结构参
8、数反映灌装机的结构特征和灌装物件的尺寸范围。如灌装机列数，包装工位，执行机构头数，主传送机构的回转直径或直线移距， 工作台面的宽度与高度，物件的输入高度，成品的输出高度等等。 2.3.2 运动参数 运动参数反映灌装机的生产能力和执行机构的工作速度，如主轴转速、物件供送速度、计量与充填速度等。 2.3.3 动力参数 动力参数反映执行机构的工作载荷和灌装机正常运转的能量消耗，如成型、第二章 总体方案设计 4 封口等执行机构的工作载荷，动力机的额定功率、额定扭矩和调速范围，气液压传动的工作压力和流量，以及为完成清洗、杀菌、热封等工序所需的水、汽、电和其他能源的消耗量，等等。 2.3.4 工艺参数 工
9、艺参数反映完成灌装工序所用的工艺方法及 其特性，如完成包装工序的有关温度、时间、压力、拉力、速度、真空度、计量精度等参数。 通过分析对比同一类型灌装机的不同设备的技术参数，无疑可以判断各个设备的性能优劣。而且用户在筹建生产车间或工厂之际，借此可根据各自的生产条件、规模与物料消耗情况，妥善配备各种设备并核算经营成本。 鉴于灌装机所完成的灌装工序、灌装物件、所用工艺方法、机器类型等种类繁多，各种灌装机主要技术参数的具体内容也互有差异，因此，拟定主要技木参数时，务必遵循基本准则按具体条件加以具体分析来解决。 众所周知，传动件的结构及其尺 寸等参数在很大程度上是根据动力参数设计计算的。所以，若动力参数
10、选择过大就会使动力机、传动件的结构尺寸相应增大，若过小又会使它们经常处于超负荷状态而难以维持正常工作，甚至损坏。 确定灌装机功率的方法有： A：类比法 通过调查研究、统计和分析比较同类型 灌 装机所需功率的状况 ，从而确定灌 装机功率。 B：实测法 选择同类型灌 装机或试制样 机， 测其动力机的输入功 率， 再依它的效率和转速计算输出功率和扭矩。考虑到被测的与 所 设计的 灌 装机有某些差 异， 应将实测结果加以适当修正 ， 作 为确定灌 装机功率的依据。 C：计算法 动力机的输出功率也可用下式粗略 计 算 ： P=P1 +P2 + Pi （ i=1， 2， .） （ 2-1） 也就是灌装机所
11、需功率等于个执行机构所需功率之和。 在总体方案设计阶段，有关的动力参数主要根据 前 两种 方 法粗略求算，待到零 部件设计完成后尚须做进一步的校核。采用计算法确定动力参数日前还不普四川理工学院毕业设计（论文） 5 遍，这主要是由于包装机的工作载 荷 大 都 难以精确 汁算，加之对执行机构的传动效率和惯性力的计算相当 麻烦， 以致把计算法仅作为确定动力参数的一种辅助手段。 第三章 旋转式灌装机的设计计算 6 第三章 旋转式灌装机的设计计算 3.1 电动机的选择 拟订 本次设计的灌装机是用来完成灌装空瓶容量为 670mL 的啤酒灌装，要求灌装量为 640mL。由此条件，经查阅相关旋转式灌装机的资料
12、，可得出以下参考数据： 灌装阀头数： 24头 灌装阀节距： 150mm 灌装区间角： a =193 灌装区占有率： 0.54 生产率： 7200Pcs/h 贮液箱半径： r= *2 150*24 =600 mm 参考类似型号灌装机工艺参数，现在先拟订灌装时间 Ta 为 9s，于是由灌装时间 Ta 的计算公式： Ta =n60 * 360a（ 3-1） n-主轴转速， r/min a -灌装区间角 得： n= Taa*360*60 =3.57 r/min （ 3-2） 拟订贮液箱在装有液料的时候的最大重量为 500kg，半径 r 为 600 mm，则角速度 为 ： =30n （ 3-3） =30
13、n 0.1n=0.1*3.57=0.357 rad/s 四川理工学院毕业设计（论文） 7 贮液箱上作用力 F 对主轴的力矩 Mz 为： Mz =F*Z （ 3-4） =m*g*r =500*9.8*1 =4900 N*m 再由功率： P= Mz * （ 3-5） 得： P= Mz * =4900*0.357 =1.6 Kw 由于旋转型灌装机主体是同其他机构连在一起构成灌装机组，包括进瓶机构、出瓶机构、升降瓶机构和压盖机，用同一台电动机提供动力，这样才能保证工作同步，所以经考察同类型机组，现拟订： 进瓶机构功率 P1为 1.2kw； 出瓶机构功率 P2为 0.6kw； 升降瓶机构功率 P3 为
14、0.5kw； 压盖机功率为 1.5kw。 由此根据式（ 1-1）可估算出灌装机组总功率 P： P=P1 +P2 + Pi =1.6+1.2+0.6+0.5+1.5 =5.4kw 所以，选择电动机型号为： Y132S-4型 额定功率 -5.5kw 额定转速 -1440r/min 额定转矩 -2.2 重 量 -68kg 第三章 旋转式灌装机的设计计算 8 3.2 灌装机输送管路计算 输送管路是连接贮液箱和啤酒瓶口之间的管道，开始灌装时，液料从输送管路口直接靠自重灌入瓶内。输液管路一般均用圆管，设计时，首先要合理选择它的内径和壁厚。 3.2.1 圆管内径 设输液管的内径为 d (m)，截面积为 A
15、(m2 )，液料在管内的流速为 u (m/s)，体积流量为 V (m3 /s)。 由于 ： A = 42d (3-6) u =AV(3-7) 故得： d = uV4 (3-8) 可见，欲求 d 必先 求 V 及 u 。为 此，又 设： W-管内质量流量（ kg/s） -液料密度（ kg/m3 ），取 0.996*103 kg/m3 Gb -每瓶灌装液料质量（ kg/Pc），取 Gb =0.5kg/Pc QMAX-灌装机最大生产能力（ Pcs/h） ,已知 QMAX=7200 Pcs/h u -液料在管内的流速 ，取 0.7 m/s 遂写出： V =W = *3600* maxQGb （ m3
16、/s） （ 3-9） = 103*996.0*3600 7200*5.0=1.004*103 m3 /s 四川理工学院毕业设计（论文） 9 将 V 和 u 带入式（ 3-8）中，得： d =uV4= 7.0*14.3 *004.1*4 10 3 =25 mm 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，设计时应根据具体情况选取流速。 计算出 圆管内径 后，必 须参照现有的圆管规格 圆 整至标 准值。 3.2.2 圆 管壁厚 圆 管的壁厚一般根据它的 耐 压和耐腐蚀等条件，按标准规格选 取。 选取圆管壁厚 2.5mm，故圆
17、管外径为 30mm。 第三章 旋转式灌装机的设计计算 10 3.3 灌装时间的确定 利用流体力学能量守恒定律，可计算出各类灌装阀的灌装时间，从理论上找出影响液料灌装速度时间的因素，以便设计出较合理的灌装机构从而提高灌装机生产率。 在前面已经介绍过灌装机有常压式、等压式、真空式、机械压力式四种。对啤酒类液体进行灌装时，阀门被打开后，也是靠自重流入容器的。因此，旋转式灌装机的灌装方式可分为常压式和等压式，但是一般都采 用常压式灌装，因为常压式灌装机结构简单，灌装方便且生产速度快，非常适合啤酒类大批量生产所要求的生产率，是啤酒灌装机的首选灌装方式。 本次设计拟采用定量杯式定量方式，首先将料液灌入定量
18、杯定量后再灌入包装容器中。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。要改变每次的灌装量，只需改变调节管在定量杯中的高度或更换定量杯。这种定量方式，机构结构简单、定量速度快，避免了瓶子本身的制造误差带来的影响，故定量精度高。 如图 3-1 所示， 图中定量杯的内腔直径为 D， 定量杯的计量 高度 为 H， 定量杯底部液孔直径 为 d。定量杯 上 液 面及 装 液容器 均受大气压作用。 因为对啤酒瓶的灌装容量为 640mL，所以定量杯的容量也应为 640mL。假设定量杯液面与进液管口的距离 H=100 mm，则定量杯直径 D=90 mm。 定量杯中的 液料流入容器 的过程其 液 位不断下降 ，直 到定量 杯 中的 液料 流完 ， 定量杯流 出 液料 的过程由于为非 稳 定性流动，其 流出液料 体积在各个相等 瞬时 的间隔是不等的 。随着定量杯液料 的不断 流 出其液位不断下降， 液料流出速度相应地随之减小。设在 dt 时间内从定量杯底孔 d 流出的液体体积为： dv1 =u*F*dt =e* 212 Hxg*F*dt =e* 42d * 212 Hxg*dt (3-10) 相同的 dt 时间内 ,定量杯中液料减少的体积为：
