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第十章装料和包装设备第一节液体灌装机液体物料充填是将液体产品装入瓶、罐、桶等包装容器内的操作，习惯称为灌装。在现代生产中要灌装的液体物料种类很多，范围甚广，物理化学性质各不相同，有食品、饮料、调味品、化学洗涤用品、化工原料、医药、农药甚至液体危险品等，因此其灌装的方法也差别很大。其中主要影响因素是液体的黏度，其次是液体内是否溶有气体等。因此选用灌装设备时首先要考虑物料的粘度，一般将液体物料按黏度可分为三类：流体、半流体和黏滞流体。①流体靠自身重力可按一定速度在管道内自由流动的液体，这种液体流动性较好，如牛奶、矿泉水、果汁饮料、酒、酱油等。②半流体除靠自身重力外，还需加上外力才能在管道内流动的液体，这种液体流动性较差，如番茄酱、稀奶油、发乳等。③黏滞流体靠自身重力不能流动，必须借助外力作用才能流动的液体，如洗发膏、牙膏、果酱、糨糊等。灌装机结构比较复杂，主要由包装容器供送装置、灌装液料供送装置、灌装液料的定量机构和灌装阀等组成。包装容器供送系统的任务是将待灌装容器按规定的速度、间距和状态进入到包装工位，其内容属机械装置。灌装液料供送装置的任务是将液体物料输送到储液箱中。主要包括储液槽、泵、管道和液位控制器组成，其内容属流体输送装置。本节对灌装液料的定量机构和灌装阀等做简要介绍。一、灌装液料的定量方法常用的灌装液料定量方法有液位控制定量法、定量杯定量法、定量泵定量法和电子式计量法。根据液料的性质不同，所选的定量法和定量机构也不相同。1．液位控制定量法这种方法采用控制灌装容器内液位的高度来达到预定的灌装量，其工作原理如图10-1所示。开始灌装时，瓶子上升顶开橡皮垫，使滑套和灌装头之间出现间隙，液体流人瓶内，瓶内气体经排气管排至储液箱中。当瓶内液面达到排气管口时，气体不再排出，液料继续流入瓶内，瓶内气体被压缩，根据连通器的原理，瓶内液料沿排气管一直上升到与储液箱液面水平，则停止进液。当瓶子下降脱离橡皮垫时，弹簧使灌装头与滑套封闭，排气管内液料流入瓶内，完成一次灌装。只要调节排气管伸入瓶内的高度，就可以改变灌装量。该机构结构简单，但是定量精度稍差，因定量精度直接受瓶子容积精度和瓶口密封度的影响。1(a)灌装前(b)灌装时(c)灌装后图10-1液位控制定量法工作原理1-排气管；2-支架；3-紧固螺母；4-弹簧；5-橡皮垫；6-滑套；7-灌装头；8-调节螺母；9-储液箱2．定量杯定量法这种方法是先将液体物料注入定量杯内，然后再由定量杯将液体物料注入包装容器内。它的工作原理如图10-2所示。在待灌瓶进入灌装工位前，定量杯浸入储液箱中，液料充满定量杯。随着待灌瓶上升，瓶嘴将灌装头、进液管和定量杯一起抬起，使定量杯上口超出储液箱的液面。此时，进液管隔板两边的上孔和下孔均与阀体中的中间槽相通，使定量杯内的液料由定量调节管流人瓶内，瓶内气体由透气孔排出。当定量杯内液料下降至调节管的上口端面时，整个灌装过程结束。只要调节定量调节管在定量杯内的高度，或者更换定量杯，就可以改变灌装量。此法不适用于灌装含气液体，因为定量杯在储液箱内上下运动，使气体产生气泡，从而影响灌装定量精度。(a)灌装前(b)灌装时图10-2定量杯定量法工作原理1-定量杯；2-定量调节管；3-阀体；4-紧固螺母；5-密封圈；6-进液管；7-弹簧；8-灌装头；9-透气孔；10-下孔；ll-隔板；2l2-上孔；l3-中间槽；14-储液箱3．定量泵定量法这种灌装方法是先将黏稠液料用机械压力注人活塞缸内定量，再注入到包装容器内的。每次灌装量等于活塞缸内液料的容积。定量泵定量法工作原理如图10-3所示。当托瓶台带瓶子上升，灌装管嘴进入瓶内，同时活塞杆下降，接通进液流路，液料进入活塞缸内完成液料的计量，如图10-3(a)所示。然后三向阀回转换向，切断进液流路，同时打开充填流路，活塞杆上行，将活塞缸内液料推入瓶内，进行灌装工作，如图10-3(b)所示。当活塞上升到活塞缸昀上面时，灌装结束。在瓶托带动瓶子下降脱离灌装嘴时，进行下一个工作循环，如图10-3(c)所示。图10-3定量泵定量法工作原理1-三向阀；2-液体充填流路；3-灌装管嘴；4-活塞杆；5-活塞；6-活塞缸；7-进液流路；8-储液箱4．电子式计量法电子计量法是现代计量方法，工作原理如图10-4所示。在灌装阀中有两个大小不同的液道，液体通过液道。由负载传感器随时地边灌装液体边测量液体质量，当充填的液体接近规定的充填量时，灌装阀则可转成小流量的回路，因而灌装量精度非常高。另外，在灌装液体前，显示器清零，容器质量有测定偏差，则重新定值，对灌装量毫无影响。这种装置的灌装阀结构简单，不会因滑动部位的摩擦而产生粉尘，无液体和气体滞留，易清洗；当灌装量改变时，只要变更数据开关的给定值，即可瞬时实现，较易实现生产的集中管理。3图10-4电子计量法工作原理1-进液管；2灌装阀；3-负载传感器；4-控制器；5-定制器；6-显示、鉴定器二、灌装阀将储液箱中的液料充填到包装容器内的机构称为灌装阀。它是储液箱、气室、包装容器间液料的通道。主要由阀体、阀端、阀门、密封元件、开闭件等组成。(1)根据阀门的数目区分。灌装阀的阀体结构有单阀型、双阀型和多阀型。①单阀型灌装阀。只有一个气阀或液阀的灌装阀称为单阀型灌装阀。如常压灌装阀的气道始终处于开启状态，所以只需一个液阀；压差式负压灌装法，省去了一个液阀，只有气阀。单阀型灌装阀的结构如图10-5所示。工作时，当瓶子上升至瓶口与灌装阀6紧密贴合时，定量杯5在凸轮2的作用下上升，并将定量杯提出液面。这时，负压系统接通，抽出瓶内的空气。在定量杯液面常压和瓶内负压之间压差的作用下，定量杯内液料被吸人瓶内，然后瓶子和定量杯5分别下降复位。此时负压仍接通，灌装管口内余液被吸入管内，不产生滴漏现象。该装置适用于灌装农药。图10-5单阀型灌装阀结构简图1一吸料管；2-凸轮；3-储液箱；4-计量调整块；5-定量杯；6-灌装阀；6．1-瓶套；6．2-密封垫圈；6．3-螺钉；6．4-螺母；6．5-套管；6．6-真空引进管；6．7-垫片；6．8-灌装芯；6．9-锁紧螺帽；6．10-接管头②双阀型灌装阀。既有液阀又有气阀的灌装阀称为双阀型灌装阀。如重力式负压法灌装装置中，有一个气阀和一个液阀；机械压力灌装法灌装装置中有两个液阀。负压法双阀型灌装阀的结构如图10-6所示。4图10-6负压法双阀型灌装阀结构简图1-瓶套；2-橡胶密封圈；3-紧固螺钉；4-螺母；5—套筒；6-阀头芯；7-真空引进管；8-垫片；9-锁紧螺母；l0-接管头；ll-料管③多阀型灌装阀。有液阀、气阀、回气阀的阀体结构称为多阀型灌装阀。如等压法灌装阀中有液阀、充气阀、回气阀、压力释放阀、清洗阀等。(2)根据阀门启闭的运动形式区分。灌装阀有单移阀、旋转阀、多移阀、气动膜阀。①单移阀。阀体中只有一个可动部件，它相对于不动部件做往复一次的直线运动。根据可动部件开闭液道的方法又可进一步分为：柱面式单移阀，这种阀门是利用轴向移动的阀件切换在圆柱面上的孔道来切换液体通路的。端面式单移阀，这种阀门是利用阀件端面来启闭液体通路的。它的结构如图10-7所示。阀蝶1在灌装过程中是固定不动的，当瓶子上升时，瓶口顶住橡胶垫圈2后再上升一段距离，使阀芯4和阀蝶脱开，液料流入瓶内。灌装完后料瓶下降，弹簧5、6的力使阀芯复位，阀芯和阀蝶锥面紧密结合，灌装就停止。这种阀适用于广口玻璃瓶和马口铁罐等容器的灌装。5图10-7端面式单移阀结构简图1-阀蝶；2-橡胶垫圈；3-垫片；4-阀芯；5-弹簧；6-弹簧；7-阀套②旋转阀。阀体中可动部件相对不动部件在开闭阀门时做往复一次或多次的旋转或摆动，在摆动两极限位置，由可动部件上的孔眼是否对准不动部件上的孔眼来实现液体通道的开闭。图10-8是锥式旋转阀的结构简图。该阀在旋塞9的不同方位上开有三个通孔，其左端装有凸轮转柄，控制灌装阀按灌装程序动作。其程序是：第一步，当瓶子上升到与密封圈l4接触后，凸轮转柄l受到第一组碰块拨动，进气管4与瓶内接通，储液箱上部带有压力的气体进入瓶内，使瓶内气压与储液箱上部的气压相等。第二步，凸轮转柄受碰块作用又转过一个角度，旋塞关闭进气管4，接通液体通道6和10及排气通道11，储液箱中液料在等压作用下依靠自重流入瓶内，瓶内气体通过排气管ll被压回储液箱液面上部。第三步，当瓶内液料上升到规定高度时，凸轮转柄受第三组碰块拨动，旋塞切断液体通道和排气通道，这时阀体下部的排气道和进气道通过旋塞锥体表面纵向孔道与大气接通，降低瓶内残留气体的压力。第四步，凸轮转柄受第四组碰块拨动，旋塞关闭所有通道，并切断与大气的通路。这种阀结构简单，但灌装质量差，无瓶时也装料。图10-8锥式螺旋阀结构简图1-凸轮转柄；2-螺母；3-弹簧；4-进气管；5-排气管；6-液道；7-阀体；8-进气管；9-旋塞；10-液道；ll-排气管；l2-接套；l3-定位罩；14-密封圈；15-液管；l6-灌装头③多移阀。阀体中有几个可动部件相对于不动部件在开闭时做多次往复直线移动或摆动，其结构如图10-9所示，其工作原理如下：充气等压。瓶托汽缸将瓶子提起，使灌装阀下面的对中罩22与瓶口对中，空瓶继续上升，瓶口胶垫21与阀座胶垫18密封，这时由于对中罩顶起下推杆17，通过跳珠16和上推6杆l4将气阀打开，使储液箱内气室的无菌压缩气体经气阀周围上的三个凹槽通人，经灌装阀中心孔道和回气管相通，进入空瓶内，使储液箱气压与瓶内气压达到平衡，完成充气等压过程。进液回气、完成灌装。储液箱和空瓶气压达到平衡后，气阀12上升，即解除气阀套11向下的压力，同时瓶内的气压增加了液阀9下端向上的压力，压缩液阀弹簧l0克服液阀自重和上面液体的压力，将液阀自动打开，储液箱内液体从气管l外部的环形道及分流圈19沿着瓶子内壁流下；同时瓶内气体从气管中心孔道及上部气门返回储液箱气室，完成进液回气过程。当瓶内液面超过气管管口一定高度时，便停止进液。这时固定在储液箱外圈支架上的控制凸轮(图中未画)碰撞关阀按钮5，使装在按钮末端上的跳珠l6向左移动，上推杆l4下降，同时关闭气阀和液阀完成灌装。排气卸压。灌装结束后，在瓶子送至压盖机前，须将瓶内气压缓慢减低，以免卸压时产生大量气泡，损失酒液而使定量不足。固定在储液箱外围支架上的控制凸轮打开排气阀4，使瓶颈部分残留的压缩气体从排气嘴2排出，完成排气卸压过程。排除余液。当瓶子随降瓶机构下降时，气管l中心孔道残留的余液全部流入瓶内。当下推杆降至下限位置时，由于关阀按钮5脱离固定凸轮的作用，使跳珠16在弹簧的作用下向左移位，使灌装阀恢复到初始位置，整个灌装过程结束。图10-9气动式多移阀结构简图1-气管；2-排气嘴；3-针阀；4-排气阀；5-关阀按钮；6-弹簧；7-阀座；8-液阀套；9-液阀；10-液阀弹簧；ll-气阀套；12-气阀；l3-推杆套；l4-上推杆；15-气阀弹簧；l6-跳珠；l7-下推杆；18-阀座胶垫；l9-分流圈；20-升瓶导杆；21-瓶口胶垫；22-对中罩；23-清洗护罩；24-拨爪；25-凸销该灌装阀工作时，必须在瓶内气压与储液箱气压相等时才能打开阀门进行灌装。当7灌装过程中出现缺瓶时，灌装阀门自动关闭不漏液，因此实现了无瓶不灌装，节省液料。更换气管l的长度可以调整瓶内液面的高度，达到不同灌装量的要求。三、液体灌装方法和设备1．常压灌装机常压灌装又称重力灌装。即在大气压力下，依靠液体自身的重力将其灌入包装容器内，其整个灌装系统处于敞开状态下。该灌装方法是昀古老的灌装方法，但至今仍是自由流动的液体物料昀简单、实用、精确的灌装方法。主要适用于不含气又不怕接触大气的低黏度的液体物料，如白酒、果酒、酱油、醋等。常压灌装将储液箱置于灌装容器的上方，液料泵送至储液箱，通过管路流向灌装阀，再靠自重流入包装容器。灌装过程如图9－10所示，当托瓶盘将空瓶向上托起时，空瓶口部与灌装阀下部的密封装置接触并压紧，将空瓶密封。空瓶继续上升即开启灌装阀，使储液箱中的液体物料靠自重流入瓶内；同时，瓶内的空气沿着排气管排到储液箱上部；当瓶内的液面上升到排气管后，排气管被液体阻塞，瓶内的空气