灌装阀的设计
灌装阀的设计
灌装机
将液体产品充填到包装容器内的机器通常称为灌装机，它有多种分类方法。如表2.1-1所示。
表2.1-1 灌装机分类表
常压灌装机
在常压下将液体产品充填到包装容器内的机器称为常压灌装机。它的主要部件是：瓶的升降机构，灌装阀和传动装置。
常压罐装的基本原理
常压法也称纯重力法，即在常压下，液料依靠自重流进包装容器内，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，其主要工作过程为：进液回气 → 停止进液 → 排除余液。具体就是：
(1) 进液并排气，液料灌入容器内，同时将容器内的空气自排气管排出；
(2) 到达定量停止进液，容器内液料达到定量要求后，自动停止灌装；
(3) 排除余液，将进入排气管内的残液排除，为下一次灌装进液排气做好准备。
常压法主要用于黏度不大、不含二氧化碳、不散发不良气味的液体产品的灌装，例如白酒、果酒、牛奶、酱油、醋等。
灌装阀
灌装阀是自动灌装机执行机构的主体部件，它的功能在于根据灌装工艺要求，以最快的速度沟通或切断贮液箱、气室和灌装容器之间流体流动的通道，保证灌装工艺过程的顺利进行。
不同类型的液料其物理化学性质各不相同，因此对灌装工艺要求存在差异形成了对阀的不同要求。
等压灌装阀由装在液体缸体上的灌装头、阀座、灌装阀缸体、排气阀体、排气阀、开关阀、阀塞、提升机构、拨叉、连接件组成，用在瓶装的酒类、饮料类的灌装，在灌装阀缸体和阀塞的作用下灌装速度快，根据灌装容积大小设计出灌装阀缸体上部的液体流通孔的高低位置，保证了灌装误差小。总体来说灌装阀可分为三部分：一是由若干个流道开关(或称阀门)元件所组成的阀体；二是与灌装容器直接接触的阀端；三是受外界管制以启闭阀门及阀门关闭后防止漏液、漏气的密封结构等。
2.2.1阀体结构
完成上述灌装工艺要求的灌装头有多种形式，根据阀中可动构件相对于不动构件的运动形式，主要可分为三种类型:单移阀、旋转阀和多移阀。
2.2.2 阀端结构
根据气体和液料进出瓶子的不同状况，灌装阀阀端的气液道布置方法可以分为两类:一类是中心管灌液，环隙回气；另一类是环隙灌液，中心管回气，前者即所谓长管灌装阀，而后者则称为短管灌装阀。
(1) 长管阀的结构特点:在灌装过程中，灌装嘴口伸入到接近瓶底的部位，灌装过程分为两个阶段:第一阶段为液料尚末到达灌装嘴口之前，属于管嘴自由出流:第二阶段在液料开始淹没灌装嘴口之后，属于管嘴淹没出流。而第二过程占灌装过程的绝大部分，此阶段中液料仅表面一层和背压气体接触，减少了氧气在液料中的溶解，但由于灌装管径受瓶口尺寸与自身结构限制，灌装流通截面较小，灌装时流量偏低。
(2) 短管阀的结构特点:在灌装过程中，灌装嘴口伸入到瓶颈部位，灌装的水力过程完全是稳定的管嘴自由出流。在回气管上均装有分散罩，使灌装过程形成沿壁流。由于灌装管呈环隙状，浸润周边和液道截面相对圆形管大，对液流阻力相应减小，灌装易控制，呈稳定的层流。
(3) 控制瓶内液位高度的定量方法:在设计阀端结构时还应注意使液门尽量靠近瓶口，以便瓶内液料升至回气管之后，瓶径处气体能在较小空间内尽快被压缩，尽早达到气压平衡，同时要求出液口截面不能过大，以便液料能很快被截流，保证定量精度。
2.2.3 阀门的启闭结构
目前灌装机的阀门开闭结构一般采用下列几种形式:
(1)由升瓶机构进行控制。它可控制阀体中可动部分产生轴向直线移动，因此，对于单移阀及多移阀中的气阀，均可采用升瓶机构，通过待灌瓶的升降来开闭，对于机械式多移阀中的液阀亦可采用升瓶机构分两次升瓶法来控制打开，这种形式无需另外增加控制机构，且能保证无瓶不灌装，但在多移阀中，要由下面的升瓶机构首先打开位于上端的气阀，结构上尚需精心设计。
(2) 由固定挡块进行控制。它可控制阀体中可动部分产生回转摆动或径向、轴向的直线移动，因此，对旋转阀一般均采用灌装机转盘旋转轨道旁的固定挡块来控制阀门的开闭；对于压力法的单移阀也可采用固定挡块来控制；对于多移阀中压力释放等径向移动的阀门，亦要采用固定挡板来控制。为了防止无瓶时液阀仍然打开出现漏液，有时就需另外采用气动、电动或机械的自控方法；一但升瓶台无瓶时，则要使固定挡块对相应的灌装阀失去控制，避免产生漏液现象。
2.2.4 阀门的密封结构
由于灌装阀是安装在流体通路上的开关，保证不向外漏气和漏液是十分重要的。因此在阀门开闭处的接触面，可动部分相对于不动部分的运动面，以及安装于贮液箱上的接合面和压紧于瓶口上的接触面等都有一个选择何种密封防漏的结构问题，但大致可归纳为平面及圆柱面间的两大类问题。
(1) 接触平面的密封。在灌装阀中一般采用密封材料进行压紧密封，这种密封形式容易保证防漏，只需改变压紧力就能改变密封力以及磨损后的重新密封，故使用寿命较长，安全可靠。
(2) 相对运动圆柱面的密封。在灌装阀中一般采用密封材料进行自封型密封，所谓自封型密封是将密封材料于压紧时形成适当的预压紧量，借助于材料的反弹力压紧密封面而起密封作用的。这种密封形式运动磨损后容易产生泄漏。假若预紧力过大，又要增加运动过程中的摩擦阻力，相应的也就增加了磨损的速度，泄漏后只得更换密封材料。
灌装液料由贮液槽经泵(或直接由高位槽)及输液管将液体产品输入贮液箱， 再由贮液箱经灌装阀输入待灌容器中，这就形成了整个灌装液料的供送系统。对于等压法、真空法有时还需对贮液箱充气或抽气。由此可见，不同的灌装方法就应有不同的供料系统。
2.3 常压灌装阀设计与选择
不同类型的液料其物理化学性质各不相同，因此对灌装工艺要求存在差异形成了对阀的不同要求。这里我们设计的是广口瓶用的灌装阀，它是滑阀式灌装阀的一种。滑阀式灌装阀属于端面式单移阀。
阀体中有一件可动部分，它相对于不动部分开闭阀时作往返一次的直线移动，根据可动部分移动前后开闭流体通路的方法又可分成两种：端面式和柱面式。其中端面式单移阀是利用移动块的端面来开闭流体通路的。如图2。3-1所示。
图2.3-1 端面式单移阀结构原理图
1-托瓶台，2-待灌容器，3-固定阀蝶，
4-橡皮活门，5-滑套，6-弹簧，7-橡皮外套，
8-螺母，9-贮液箱，10-阀座，11-螺母，12-回气管
如图2.3-1所示，是一个端面式灌装阀的结构图。它可用于马口铁罐、广口玻璃瓶的灌装。阀座10借助螺母8固定在贮液箱9上，阀蝶3用螺纹连接于阀座10上，并用螺母11吊紧，弹簧6保证橡皮活门4与固定阀蝶3间的密封，橡皮外套7同样起密封防漏作用。升瓶后在活门4与阀蝶3间形成液门进行灌装。
2.4 灌装阀基本参数的设计计算
2.4.1 课程设计任务书要求
1.设计常压灌装阀，要求有与之关零件；
2.设计常压灌装零件；
3.常压灌阀装能满足灌装的工艺要求；
4.储液箱内液体深度约；
5.灌装时间为7秒；
6.灌装的容器为
7.常压灌装阀的材料选择、安装等
2.4.2 根据任务书的要求计算液体体积流量
由于流经管嘴孔口的液料流量恒定不变即V0为常量,所以灌装时间为:
式中: V — 孔口出流的液料体积流量；
V0 — 每瓶所需灌装液料的容积。
由任务书可知：t = 7s ， V0 = 350ml 故可得
2.4.3 输液管尺寸的确定
液体产品从贮液槽送往贮液箱的输液管一般为圆管,因此尺寸的确定就是合理选择圆管的内径和壁厚。设计时，我们选圆管直径为d=26mm，则圆管的截面积
2.4.4 阀端孔口流量的计算
液料经灌装阀端孔口的体积流量为V，
1.17
式中: C — 灌装阀中液道的流量系数；
A0 — 孔口流通面积；
H — 孔口截面上的有效压头(包括静压头与位压头)。
(1) 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值恒小于1。通常C的值用实验法测定，根据多台灌装机的测定，对灌装低黏度的酒类一般可取C=0.5左右，这里取C=0.5。
(2) 孔口流通面积A0 在瓶口尺寸允许的情况下应尽量取较大的A0值，并尽量增大该截面的浸润周边长度，以减少雷诺准数，从而使液料流动更稳定。这里A0＜5.31×10-4 m2 ,假设A0 = 400mm2
(3) 孔口截面压头H 它包含两项，一个是孔口截面的静压头，它除受自由出流或淹没出流的影响外，更重要的是取决于储液箱和待灌装瓶内的气压差，另一个是孔口截面的位压头，它除受定量方法的影响外，更重要的是取决于储液箱内自由液面对灌装阀端孔截面的高度。这里H =400+350=750mm。
综合以上可得:
＞5.31×10-4 mm2
2.4.5 生产能力的计算
旋转型的自动灌装机的生产能力可用下式计算：
Q=60jn
式中: Q—生产能力(瓶/小时)；
j —灌装机头数；
n—灌装台的转速(转/分)。
由上式可知，要提高灌装机的生产能力就必须增大头数j和转速n。如果采用增大灌装机的头数j来提高生产率，那么灌装机的旋转台直径也要相应增大，这不仅使机器庞大，而且在旋转台转速一定的情况下，还必须考虑离心力的影响，即瓶托上的瓶子在尚末升瓶压紧灌装阀之前以及在灌满液料降瓶离开灌装阀之后，其绕立轴旋转时产生的离心力都必须小于瓶子与瓶托之间的摩擦力，否则瓶子将会被抛出托瓶台，从而影响正常操作，由此可得灌装头中心到立轴中心的距离，必须满足下列不等式：
式中: f—瓶与托瓶台间的摩擦系数。
如果采用增大立轴的转速n来提高生产率，那么，除同样需要考虑离心力的影响外，主要的还需考虑灌装时间的影响，当n值提高，但液料灌装速度没有提高而与n值不相适应时，瓶子在旋转台上转动一周的时间内并末能灌满，没有达到定量要求，生产循环也因此受到破坏。立轴旋转一周即灌装机完成一个工作循环所需时间为:
T＝60/n
在完成一个工作循环的时间内必须包括下列几个部分:
图2.4.5-1 旋转型灌装机的工作循环图
如图2.4.5-1所示，其中T1为进出瓶之间的无瓶区所占去的时间，无瓶区的大小由进瓶、出瓶拔轮的结构所决定，显然，拔轮取得越大，进出瓶越稳，但所占无瓶区的角度相应也要增大。T2为升瓶、降瓶所占去的时间，它们除应考虑升瓶前、降瓶后尚需稍为稳定的时间外，同时还应考虑升降瓶凸轮所允许的压力角，参照机械原理的有关知识，瓶托上升时为工作行程，许用压力角推荐为[α]≤30°。瓶托下降时为空行程，许用压力角[α]≤70°。
2.4.6 灌装机主轴的计算
旋转型灌装机的主轴是重要的零件之一，它用A4、A5碳素钢及30、35、40、45优质钢制造。在必要时，可在其表面上镀以金属保护层或用不锈钢制造也有用铸铁或铸钢制造的。
旋转型灌装机的轴，主要是受扭或除了受扭外还受有轴向力，按其主要是受扭来计算直径:
式中: M扭—轴某断面上所承受最大扭矩；
N—灌装机所需最大功率(轴所传递功率)；
n—灌装机转速。
三、设计结果
这里我们设计的是广口瓶用的滑阀式灌装阀。如图3-1所示：
图3-1滑阀式灌装阀
其工作原理是：橡胶套1在灌装过程中是固定不动的，当料瓶上升时，瓶口顶住橡胶垫圈2后再继续上升一段距离，则使橡胶套1脱开，液料流入瓶内；当料瓶下降后，弹簧5和6的弹簧力使阀芯4复位，阀芯与橡胶套锥面紧密贴合，灌装随即停止。在阀芯上开有气槽，灌装时瓶内空气由气槽逸出。
四、参考文献
(1) 高 德. 包装机械设计.北京：化学工业出版社，2006
(2) 许林成. 包装机械学. 长沙：湖南大学出版社，1989
(3) 马喜川. 包装机械概论. 北京：印刷工业出版社，1998
(4) 孙风兰. 食品包装机械学. 哈尔滨：黑龙江科技出版社, 1990
(5) 许林成. 包装机械原理与设计. 上海：上海科学技术出版社，1988
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