新式灌装机的设计与工程分析

摘要

在科学技术日益发展的今天，灌装行业越来越受到人们的关注。灌装行业的发展直接影响到液体灌装的精度，精准的灌装量不仅体现了灌装机械的发展水平，也是对消费者权益的一种保护。

本次设计的灌装机主要适应用矿泉水、果汁以及纯净水等无气液体的灌装，它具有操作简单、成本低廉及可批量生产等特点，可适用于一些中小企业的灌装生产。它的主要机构有一下几个：供料装置、供瓶装置、托瓶机构、瓶高调节装置以及灌装阀，此外，它的正常运转还需要靠传动系统的带动。它基本的设计方案是：灌装整体布局是呈立式、旋转型，由洗瓶器出来的瓶子通过传送带传送给供瓶装置，由它分瓶、送瓶给托瓶机构；灌装机的液箱内安装有灌装阀，阀头的喇叭口对准了每一个待灌瓶，液箱内的液体由供料装置供给，液体经供料装置供到液箱中，再通过灌装阀流入每一个空瓶内；待瓶灌满后，再由供瓶装置的星形拨轮拨到传送带然后传送出，运送到下一个工序。

本文从灌装机的基本理论、基本工作原理、基本工作结构以及传动部分的设计上作了阐述，并利用UG软件绘制三维图，从而更直观的反应整体效果。

关键词：灌装机；灌装阀；星形拨轮；传动装置；

Abstract

Today, with the development of science and technology , the filling industry has been paid more and more attention. The development of filling industry directly affects the accuracy of liquid filling ,the filling precision not only reflects the development level of the filling machine, but also is a kind of protection of the rights and interests of consumers.

The design of the filling machine is mainly adapted to use for mineral water, fruit juice and water without liquid filling of gas.It has the advantages of simple operation, low cost and mass production characteristics .The filling production can be applied to some small and medium- sized enterprises of filling production. It has some main institutions,such as feeding device, the bottle supply device, bottle table institutions, the bottle of high regulator device and the filling valve. In addition, its function also needs to be driven by the drive system.The following is its basic design scheme . Its overall mechanism is vertical and rotary. The bottle which comes from washing device conveys through the conveyor belt transmission to the bottle supply device.The device can let the bottle be separated,and then send these bottles to bottle table institutions;The liquid filling valve is installed in the cabinet, and its valve head is admitted to each bottling. The liquid in the liquid box is supplied by feeding device,and then it is delivered through the filling valve to each empty bottle. After the bottle is filled, the installation of the star dial wheel deliver -ed them to the conveyor belt and then sent to the next working procedure.

This article describes the basic theory, working principle, structure and transmission part of the filling machine. The use of UG software renders 3D visual effects by drawing its 3D graph.

Key words:filling machine; filling valve; star thumbwheel; transmission device

目录

摘要.............................................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................................... II 目录............................................................................................................................................ V 1 绪论 (1)

1.1本课题的设计内容和意义 (1)

1.2本课题的国内外发展概况 (1)

1.3本课题应达到的要求 (2)

2液体灌装机主体机构的方案设计 (3)

2.1灌装机的概述 (3)

2.1.1 液体灌装机的分类 (3)

2.1.2 液体灌装机的选择原则 (5)

2.1.3 灌装的基本方法 (6)

2.2灌装机的总体方案 (7)

2.3灌装机的供料装置 (7)

2.4灌装机的供瓶装置 (8)

2.4.1 螺旋限位装置 (8)

2.4.2 星形拨瓶轮装置 (8)

2.5灌装机的托瓶机构 (9)

2.6灌装机的灌装阀 (10)

2.6.1灌装阀的定量方法 (10)

2.6.2 灌装阀的灌装原理 (12)

2.6.3 灌装阀的密封 (13)

3 灌装机传动部分的设计计算 (14)

3.1电动机的选择 (14)

3.2减速器的选择 (15)

3.3带传动的设计 (15)

3.4中心轴的设计 (18)

3.4.1 中心轴的材料 (18)

3.4.2 中心轴的安装 (19)

3.4.3 中心轴的结构尺寸 (20)

3.4.4 中心轴的计算 (21)

3.4.5 轴上键的选择 (23)

3.5中心轴齿轮的设计 (24)

3.5.1 齿轮的材料 (24)

3.5.2 齿轮的计算 (25)

3.6锥齿轮的设计计算 (30)

3.7本章小结 (35)

4 灌装机的设备调试与维护 (36)

4.1设备调试 (36)

4.2设备维护 (36)

5 结论与展望 (38)

5.1结论 (38)

5.2不足之处及未来展望 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

新式灌装机的设计与工程分析

1 绪论

1.1 本课题的设计内容和意义

食品包装是生产生活中必不可少的一个环节，其中液体饮料的灌装占据了很大一块市场。它在人们的生活中占据的地位的提高，也带动了灌装机械的发展。灌装机作为液体包装的主要设备，它的研究水平近年来也随着科技的发展，也有了很大的提高。

近半个多世纪以来，随着人们生产与流通日益社会化、现代化，灌装行业正以崭新的面貌为人们所重视。在国内外，灌装产业已涉及各行各业，对人们生活、国家经济以及国防建设都有深刻的影响，甚至在现实生活中出现了过去难以想象的新场景，灌装机的出现使液体的灌装过程更加方便、快捷，更加自动化。

我国饮料、乳品、啤酒市场得到长期发展的同时也带动了包装机械业的飞速发展。自从上世纪80年代开始，中国每年都要进口大量的饮料、乳品和啤酒包装机械，至今引进的势头仍然是有增无减。这些机械大多是高速自动化生产线，可靠性强，产量高，部分设备是当今世界最为先进的机型。这些生产线的引进，使中国部分饮料、乳品和啤酒企业的包装水平得以与发达国家同步发展。目前，品包装机械的产值在300亿元人民币左右，而每年进口的食品包装机械约10亿美元。其中饮料、乳品和啤酒包装机械占有相当大的比重[1]。

灌装是食品生产中重要的环节，而矿泉水及其他无气液体饮料在人们的生活中占据了重要的地位，从而也带动了灌装机械的发展。本设计是针对矿泉水、果汁等无气饮料的灌装设备的设计，它的主体部分包括6大部分：供料装置、灌装阀、托瓶机构、供瓶装置、瓶高调节装置以及进出瓶装置，其中进出瓶装置又包括进瓶螺旋限位装置、进瓶拨轮装置以及出瓶拨轮装置。除主体部分外，还有传动部分，本设计主要对进出瓶装置以及传动部分的计算及校核，使之能够符合工作要求，满足生产需要。

大量事实表明，实现灌装行业的机械化和自动化，尤其是实现高度灵活的自动包装线，不仅体现了现代生产的发展方向，同时也可以获得巨大的经济利益。

(a)能增加品种花色，提高产品质量，增强市场的竞争能力；

(b)能改善劳动条件，降低环境污染，改善生活质量；

(c)能节约材料，降低成本，增加材料的利用率；

(d)能提高生产效率，加速产品的不断更新换代。

1.2 本课题的国内外发展概况

灌装方法的产生源自于人类开始采用容器盛装液体以后。19世纪末到20世纪初之前，人们通常使用水罐或水杓的方法进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装。大约在1980年，美国的Horix、Kiefer和U.S.BottLers等三家公司开始制造容器灌装的机械装置。第一台商业型灌装机是由美国一家名为Kiefer公司制造的，Horix公司也在1920年首次制造了一款重力灌装机，被用于灌装番茄酱，时至今日这家公司仍生产灌装机。20年代初这几家公司着手生产回转式灌装机，其中U.S公司制造纯真空灌装机。20世纪以来，灌装机械工业迅速发展，那时灌装的速度取决于人工将瓶子对准灌装阀，等待瓶子灌完所需的时

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间。今天，回转式自动灌装机的生产能力己达每分钟2000瓶。

我国在解放前夕几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作阶段，非常落后。之后的70年代初，上海、北京、广州、青岛、烟台等地引进三十多条灌装线，其中有西德Seitz厂、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，我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多家仿制了不少灌装线，初步改善了灌装生产的落后面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大[1]。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。

当今灌装机械制造水平的发展水平体现在灌装阀核心技术的发展水平上：从旧时重力灌装到如今先进的抽真空等压灌装、从以前平面阀密封结构到现在锥形阀密封结构。这些变化都体现了世界技术的进步与发展。我国灌装机械制造产业，经历了仿制、引进别国技术、消化吸收、自主创新、开发的过程，技术进步及创新开发的速度变快了，而且在不断缩小与国外先进技术之间的差距。

现代灌装技术的目标是追求自动化、高效、精确。精确的灌装量，灌装过程的高速、可靠，尽量小的液损，以及整条生产线的最优化控制，都由于电子技术的实际应用而成为可能。电子灌装阀灌装技术迅速发展是大势所趋。目前国外灌装机使用的电子阀有三种形式：探针式（液位传感器）电子阀、配置电磁流量计的电子阀、配置定量筒的电子阀。我国一些灌装设备制造厂也在开始研制适合中国国情的电子阀灌装机，但电子阀灌装机在我国的推广使用受到国产包装容器几何形状精度不高和电子器件水平的制约。

1.3 本课题应达到的要求

随着灌装机械竞争加剧，未来灌装行业将根据产业自动化趋势，朝着自主研发技术、高速包装机等方向进行，在技术发展上正朝着以下方向发展：

（1）机械功能多元化。工商业产品已趋向精致化及多元化，在大环境变化下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机各种方能适应市场需求。

（2）结构设计标准化、模组化。充分利用原有机型模组化设计，可在短时间内转换新机型。

（3）控制智能化。目前包装机械厂家普遍使用PLC动力负载控制器，虽然PLC弹性很大，但仍未具有电脑（含软件）所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能化、调整操作简单等条件，基于电脑的智能型仪器将成为食品包装控制器的新趋势。

（4）结构运动高精度化。结构设计及结构运动控制等事关包装机械性能的优劣，可通过马达、编码器及数字控制（NC）、动力负载控制（PLC）等高精密控制器来完成，并适度地做产品延伸，朝高科技产业的包装设备来研发[2]。

由于本课题是机械专业的毕业课题，而我国目前包装机械行业的发展空间比较的大，研究包装机械方面的课题对我们个人发展以社会进步都有积极意义，它能培养和锻炼学生综合能力。一方面巩固、增长我们的专业知识，提高我们综合运用知识的能力，为以后的生产工作积累宝贵的经验；另一方面也使我们能在自己的课题上有所发现，有所改进，从而进行创新，提出一些具有建设指导性的意见。

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2 液体灌装机主体机构的方案设计

2.1 灌装机的概述

灌装机广泛应用于食品工业中的矿泉水、啤酒和果汁饮料等产品的装填灌注，即将送来的空包装容器注满液体后，再分个运送出去。液体灌装机是液体包装生产线的核心设备．液体灌装过程中出现的冒泡、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，都会直接导致液损的增加，从而增加了液体的包装成本。因此，灌装机灌装效果的好坏直接影响到企业的经济效益。下面我们先了解一下液体灌装机的基本要求和工作原理．然后再对影响灌装效果的一些主要因素做分析。

不含气液体灌装机的基本要求：

1、产品在正常工作时，灌装头(阀)在非灌装位置不应有滴漏现象。

2、各管路应畅通，且不应有渗漏现象。

3、产品应达到额定生产能力，在正常工作时，瓶损率应不大于0.05%。

4、产品在正常工作时，灌装容量应不少于公称容量，灌装液位差应不大于 ±6mm。

5、灌装合格率应不小于98 %[3]。

液体灌装机是围绕灌装的工艺流程展开的，其工作原理是：从洗瓶机出来的洁净空瓶子由输瓶带送入灌装机的进瓶螺旋，由进瓶螺旋将挨个儿的瓶子以一定间距分开输送，再经进瓶拨瓶轮送至回转台上，使之在回转台上饶回转台中心轴回转。与此同时，液箱内的灌装阀的量杯上端和液箱出液口处阀高调节结构连接，它能随着导轨边旋转边上下运动，当瓶子进入回转台后，灌装阀的量杯沿导轨向下运动，从而使灌装阀的喇叭口紧压瓶口，使量杯中心导管接通，液体沿着导管流入瓶中。当瓶子旋转到一定位置时，量杯此时沿着导轨上升，上升到一定高度使得阀上的喇叭口与瓶口分离，导管被封死，液体不再下流，瓶子里的水也刚好灌至所需高度，然后再经由出瓶口处的拨瓶轮拨传送出去，流入下一步工序，这样便完成了整个灌装过程。

2.1.1 液体灌装机的分类

液体灌装机按灌装瓶的主要运动形式分类可分为以下：

（1）旋转型灌装机

图2.1 旋转型灌装机的俯视图

旋转型灌装机如图 2.1，空瓶经洗瓶机洗净后由输送带输入灌装机的瓶输送部分，待

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灌瓶由输送部分或人工送入灌装机进瓶机构，瓶子由灌装机转盘带动绕主立轴旋转运动进行连续灌装，转动近一周时瓶子己灌满，然后由转盘送入压盖机进行压盖，然后再由输送带输送成品。其中，瓶子在灌装过程中升降如图2.2。

图2.2 灌装机灌装过程展开示意图

这种灌装机在食品、饮料行业应用最广泛,如汽水、果汁、啤酒、牛奶等的灌装,此机主要由供料装置、供瓶系装置、灌装阀、托瓶机构、瓶高调节装置、传动系统、机体、自控等部分所组成,其中灌装阀是保证灌装机能否正常工作的关键[4]。这类灌装机相比于直线型灌装方式而言，在灌装速度精度上都有所提高，效率大大提高了。

（2）直线型灌装机

直线型灌装机的流程图如图2.3，待灌装的空瓶从上一步操作（一般是洗瓶机）沿直线由传送带传送,进行成排灌装，凡送来一排空瓶由推瓶板向前推送一次,到送至灌液管的下方时,阀门打开进行灌装,间歇进行操作。灌完的瓶子再由传送地运至下一步流程，最后包装成品后完成。

1-推瓶板2-限位拨盘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

图2.3 直线灌装机工作流程图

这种灌装机相对旋转型灌装机而言，它结构较为简单，制造方便，但体型比较大，而

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且做得是间歇运动，生产能力的提高有所限制，因此一般只用于无汽液料类的灌装，有很大的局限性，难以用作批量大规模生产。

（3)自动化灌装机

该类型可分为:单机自动机和联合自动机(可以包括连续进行洗瓶、灌装、压盖、贴标、装箱等工序)。自动灌装以采用机械传动控制为主的最普遍[4]。

此外,，还有自动化程度、机械结构及灌装方法等多种方法分类的，具体的详细内容见表2-1：

表2-1 灌装机的分类方法

2.1.2 液体灌装机的选择原则

灌装机的选择：合理选择灌装机是保证产品质量，提高经济效益的重要途径。一般来说，应密切联系生产实际，尽量选择质量好、效率高、结构简单、使用维修方便、体积小、重量轻的灌装机。灌装机知识在选择灌装机时，应遵循以下原则。

为生产工艺服务的原则。首先应根据灌装物料的性质（粘度、起泡性、挥发性、含气性等）选择适宜的灌装机，以满足生产工艺要求。例如对于芳香较浓的酒液，为避免挥发性芳香物质受到损失，一般应采用容杯式或常压灌装机；对于果汁类料液，为了减少与空气接触，保证产品质量，一般应采用真空加汁类灌装机。其次，应使灌装机的生产能力和前后工序的加工、包装机械的生产能力相匹配。

生产率高和产品质量好的原则。生产率的高低直接反映生产线的生产能力。所以生产率越高，其产生的经济效益越好。为了提高产品质量，应选择设备精度高、自动化程度也高的灌装机。但是设备的售价也相应提高，增大了产品的单位成本。因此在选择灌装机时，应结合生产工艺要求，对相关的因素进行综合考虑。

工艺范围宽的原则。灌装机的工艺范围是指其适应不同生产要求的能力。工艺范围越宽，越能提高设备的利用率，实现一机多用，即利用同一设备可以灌装多种物料和多种规格。因此为了适应酒水、饮料行业多品种、多规格的生产要求，应选择工艺范围尽可能宽的灌装机[5]。

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2.1.3 灌装的基本方法

灌装就是将一定量的液体注入到空包装容器中的流程。这种液体主要是指具有低粘度的可流动性液体，如酒类、汽水、果汁等。它们可以依据自身重力以一定速度流入到包装容器中。此外，灌装机也可灌装一些粘稠不大的液体和一些粘度很高的物料，如果酱、油脂、牙膏及黄油等等。这些物料，只依靠重力是不能使其灌装到包装容器内的，因此需要施以一定大小色的压力，依靠压力将其挤压到包装容器中。由于液体种类的多样性，其性能不一，如粘度、起沫性、含气性、挥发性等，所以采用不同的灌装方法；其次液体包装容器的多样性，如玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等，所以，灌装机选择合理的灌装方法应该根据不同的包装容器、包装物料及不同的灌装工艺。由于液体物料性能不同,我们常采用以下几种方法进行灌装：

(1)常压灌装

常压灌装，又叫重力灌装，即在常压状态下，利用液体本身的重力作用将使其自己流到灌装容器中，它整个工作系统是处于开放状态下，该灌装方法是最原始的灌装方法。至今仍被用在流动性很好的液体灌装中，这各方法比较适用于流动性好、不含气、不易挥发的液体中。如矿泉水、白酒、酱油、牛奶等。

(2)压力灌装

压力灌装，是借助外界压力将液体物料压入包装容器中。外界压力有机械压力、气压、液压等。压力灌装主要适用于粘度较大，流动性较差的薪酬物料的灌装，可以提高灌装速度。压力法灌装与真空法正好相反，灌装密封系统处于高于大气压力的状态中，将正压力加于产品上。压力法对于不能抽真空的产品是很理想的，如酒精类饮料(酒精含量会随真空度增加减少)，热饮料(90℃的果汁，抽真空可引起液料迅速蒸发)，如果采用常压灌装液管道比较细，阻力大，效率低，为了提高灌装速度，可采用压力灌装等。压力法可在产品和排气两端保持高于大气压的压力，且产品端压力更高，这样的系统有利于控制某些饮料保持较高的二氧化碳含量。

(3)等压灌装

等压灌装，即先向包装容器内充气，使容器内压力与贮液缸内压力相等，再将贮液

缸的液体物料灌入包装容器内。等压灌装又称压力重力灌装、气体压力灌装。这种灌装

方法只适用于含气饮料，如啤酒、汽水、香槟等。

(4)负压灌装

负压灌装是先将包装容器抽气形成负压，再将液体物料灌入包装容器内。这种灌装方法不但能提高灌装速度，而且能减少包装容器内残存的空气，防止液体物料氧化变质，可延长产品的保存期。此外，还能限制毒性液体的逸散，并可以避免灌装有裂纹或缺口的容器，减少浪费，适用于不含气体，且怕接触空气而氧化变质的粘度稍大的液体物料，以及有毒的液体物料。如果汁、果酱、糖浆、油类、农药、药水等[1]。

此外还有虹吸法，虹吸法灌装应用虹吸原理使液体料经虹吸管由储液箱被吸入容器，直至两者液位相等为止。此法适合灌装低粘度不含气的液料，设备结构简单，但灌装速度低。该方法出现最早，人们最容易接受，原理也比较简单，但现在很少使用。