《灌裝機(jī)械》PPT課件.ppt

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1、4.4 灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì),六、灌裝裝置基本參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （一）灌裝機(jī)的工藝計(jì)算 （二）閥端孔口流量的計(jì)算 （三）灌裝時(shí)間的計(jì)算 （四）充氣和抽氣時(shí)間的計(jì)算 (五) 生產(chǎn)能力的計(jì)算,七、機(jī)械計(jì)算,一）灌裝機(jī)的工藝計(jì)算 1.輸液部分計(jì)算 液體產(chǎn)品從貯液槽送往貯液箱的輸液管一般為圓管,因此尺寸的確定就是合理選擇圓管的內(nèi)徑和壁厚。 圓管內(nèi)徑的確定 設(shè)輸液管的內(nèi)徑為 ,其截面積為 ,液體在 管內(nèi)流動(dòng)的速度為: , 為流經(jīng)管道任一截面上液料的體積流量 那么,輸液管的內(nèi)徑為: (4-1),又 (4-2),式中: 重量流量.指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道 任一橫截面 的液料重量;kg/s 液體產(chǎn)品的密度;kg/m3 G每

2、瓶灌裝液料的重量;kg/pc 灌裝的最大生產(chǎn)能力,pcs/h。,流速u一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取,這是因?yàn)榱魉僭龃?管徑則小,雖使材料消耗和基建投資減少,但增大了流體的動(dòng)力消耗,又使操作費(fèi)用提高,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況參考表4.2選取,根據(jù)體積流量V及u流速代入公式計(jì)算所等于的管徑,還必須根據(jù)工程手冊(cè)中查取的規(guī)格圓整。 圓管壁厚 一般根據(jù)管子的耐壓和耐腐蝕等情況,按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選定壁厚。 高位貯液槽安裝高度或液料輸送泵的功率計(jì)算 要在單位時(shí)間內(nèi)供給灌裝機(jī)貯液箱一定量的液料,其能量可以來(lái)自高位貯液槽的位能,也可以來(lái)自輸入泵的機(jī)械能,究竟需要多少能量呢？,這可由流體力學(xué)中能量守恒的柏努利方程式來(lái)求解,一般

3、先取供料開(kāi)始及終了的兩個(gè)截面作為分析面,即取液槽的自由液面作為1-1液面,取灌裝面貯液箱中進(jìn)液管口作為2-2截面,然后列出兩截面間的柏努利方程式: (4-3),為損失壓頭,它包括直管阻力損失 及局部阻力損失 之和,其計(jì)算方法可查閱流體力學(xué)的有關(guān)資料。,式中:Z 為位壓頭;,為靜壓頭;,為動(dòng)壓頭,其中為動(dòng)能修正系數(shù),層流時(shí)=2,紊流時(shí)1,計(jì)算開(kāi)始時(shí),一般可先假定1,最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果可再進(jìn)行驗(yàn)算、修正;,He 為泵的壓頭,它指單位重量的液料通過(guò)泵后獲得的能量;,例1,有一臺(tái)等壓法灌裝機(jī)，其最大生產(chǎn)能力Qmax=15000 pcs/h，每瓶的液料質(zhì)量G = 0.5kg/pc。液料密度=0.99610

4、3kg/m3,黏度=0.89410-3Pa.s,儲(chǔ)液箱內(nèi)的氣體表壓強(qiáng)P2=98.0665kPa，輸液管采用無(wú)縫鋼管38mm4mm，截面積A=707mm2，總長(zhǎng)L=20m，管路上需安裝2到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭，2個(gè)球心閥，為了保證灌裝機(jī)正常工作，確定：,1）若采用高位槽供料（雙點(diǎn)劃線），該槽對(duì)儲(chǔ)液箱進(jìn)液管出口截面的安裝高度； 2）若采用輸液泵供料（實(shí)線），而且儲(chǔ)液池液面低于儲(chǔ)液箱進(jìn)液管出口截面Z2=3m，該泵所需的軸功率（效率=0.7）,解：1）求高位槽的安裝高度Z1 設(shè)高位槽的自由液面為1-1，儲(chǔ)液箱進(jìn)液管出口為2-2，可列出相應(yīng)的伯努利方程式,高位槽液面與大氣接觸，按表壓計(jì)算，P1=0，故,高位槽液

5、面較大，流速u1甚小，可忽略不計(jì)，故,取截面2-2為計(jì)算基準(zhǔn)，故,再根據(jù)已知條件，依次求得：,為求管子損失壓頭h，需先算出雷諾準(zhǔn)數(shù),由于Re2320，可知液料在管內(nèi)是紊流的，流動(dòng)修正系數(shù)可取=1.另外，取管的絕對(duì)粗糙度=0.2，查表得摩擦系數(shù)=0.035，則直管阻力損失壓頭,又查表得標(biāo)準(zhǔn)彎頭阻力系數(shù) 1=0.75，球心閥全開(kāi)時(shí)阻力系數(shù)4=1.若各安裝兩個(gè)彎頭和球心閥，則局部阻力損失壓頭,代入相關(guān)值得：,可見(jiàn)，本例中所需高位槽的液位太高，不便應(yīng)用。,2）求輸出泵所需的軸功率N 設(shè)儲(chǔ)液池的自由液面為1-1，儲(chǔ)液箱仍為2-2,取z1=0，z2=3m,代入有關(guān)值，可得泵壓頭,則輸液泵所需的軸功率,管路

6、上多了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎頭，故損失壓頭,（二）閥端孔口流量的計(jì)算 液料經(jīng)灌裝閥端孔口的體積流量，表示為,A0孔口的流通面積，m2,u0孔口的液料流速，m/s,（二） 液料流量的計(jì)算 經(jīng)過(guò)灌裝閥孔口出流的液料體積流量為： (4-1) 式中: 孔中截面上液料的流速; 孔口中液道口的截面積。 液料流速 可以由孔口截面及貯液箱(或定量杯)中自由液面間列柏努利方程式求得。 (4-2),式中: 為灌裝時(shí)貯液箱自由液面的液料流速根據(jù)液體流動(dòng)的連續(xù)性方程式,可將 折算成 ,而阻力損失h也可寫(xiě)成用 表達(dá)的一般形式,則上式可改寫(xiě)成為：,(4-3) (4-4) 式中: 貯液箱(或定量杯)自由液面的面積; 貯液箱(或定量杯)

7、自由溢面的速度折算系數(shù),對(duì)于貯液箱情況,因自由面積較大故可取 ; 從由自液面至灌裝嘴口截面之間，因通流截面積不同各段流道的速度折數(shù)系數(shù); 各段直管阻力系數(shù)之和; 各種局部阻力系數(shù)之和。,由此,可求得孔口截面上液料的流速為 (4-5) 因此,經(jīng)孔口出流的液料流量為: (4-6) 式中: C灌裝閥中液道的流量系數(shù); Y孔口截面上的有效壓頭(包括靜壓頭與位壓頭)。,由上式可見(jiàn),液料體積流量主要是三個(gè)參數(shù)的函數(shù),這三個(gè)參數(shù)為：(1)液道流量系數(shù)C, (2)孔口截面積 , (3)孔口截面上有效壓頭。,(三)灌裝時(shí)間的計(jì)算 1. 灌裝的水利過(guò)程 根據(jù)水利學(xué)知識(shí),液料由貯液箱或定量杯經(jīng)過(guò)灌裝閥流入待灌瓶?jī)?nèi),

8、這一過(guò)程應(yīng)該看成是液體的管嘴出流,按照定量方法和灌轉(zhuǎn)閥的嘴口伸入瓶?jī)?nèi)位置的不同,又可分成以下幾種情況:,圖4.30 高度定量 圖4.31 高度定量 圖4.32 定量杯定量 圖4.33 定量杯定量 短管灌裝 長(zhǎng)管灌裝 短管灌裝 長(zhǎng)管灌裝,定量方法和灌裝閥管口伸至瓶?jī)?nèi)位置的不同對(duì)灌裝時(shí)間影響亦不同 控制液位定量的短管灌液過(guò)程 控制液位定量的長(zhǎng)管灌液過(guò)程 定量杯定量的短管灌液過(guò)程 定量杯定量的長(zhǎng)管灌液過(guò)程,1.控制液位定量的短管灌液過(guò)程,若管口伸至瓶頸部分，儲(chǔ)液箱內(nèi)液位保持不變，儲(chǔ)液箱和待灌瓶?jī)?nèi)壓力也基本不變，則該灌裝過(guò)程屬于穩(wěn)定的管口自由出流，亦即液料體積流量V是常量。,設(shè)料瓶的定量灌液容積為V0

9、（m3），則所需灌液時(shí)間,可見(jiàn)，提高生產(chǎn)能力關(guān)鍵在于提高體積流量，為此，應(yīng)設(shè)法增加C、P、Z1和A0幾個(gè)參數(shù)。但是，增加C、P、Z1尚應(yīng)考慮液流過(guò)快，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的灌液過(guò)程；而增加A0也應(yīng)考慮瓶?jī)?nèi)液面超過(guò)回氣管口能及時(shí)達(dá)到定量的精度。,2.控制液位定量的長(zhǎng)管灌液過(guò)程,若管口接近瓶底，其灌液過(guò)程分兩步進(jìn)行：在液面尚未接觸管口之前，屬于穩(wěn)定的管口自由出流，此灌液時(shí)間t1 參閱前面公式計(jì)算。而當(dāng)液面淹沒(méi)管口后，因作用在管口上部的靜壓頭隨著瓶?jī)?nèi)液位的逐漸上升而增強(qiáng)，屬于不穩(wěn)定的管口淹沒(méi)出流，即孔口的截面靜壓頭是液料體積充量V的函數(shù)。,設(shè)瓶子內(nèi)腔截面積為Fb（m3），當(dāng)液料淹沒(méi)管口的高度為h時(shí)，可得瞬時(shí)t

10、的體積流量近似計(jì)算式,對(duì)于瓶的內(nèi)腔截面積：一般瓶體部分為截面積不變（令為Fb1）的圓柱體,而瓶頸部分的截面積（令為Fb2）隨瓶的高度而變化,因此,灌液時(shí)間也應(yīng)分兩部分來(lái)求積分 從開(kāi)始淹沒(méi)管咀孔口至瓶?jī)?nèi)灌滿定量液料為止所需灌液時(shí)間應(yīng)為:,式中，h瓶體部分離開(kāi)管口的最大高度； h-瓶頸部分灌裝定量液料后離開(kāi)管口的最大高度； hi-將瓶頸部分分割成n段，對(duì)容積為Vi（=Fb2dh）的第i段液料離開(kāi)管口的高度；,3.定量杯定量的短管灌液過(guò)程,若管口伸至瓶頸部分，隨著定量杯內(nèi)液位逐漸降低，液體流速也會(huì)相應(yīng)減慢，故此灌液過(guò)程應(yīng)屬于不穩(wěn)定的管嘴自由出流，即液料體積流量V是變量，它是孔口截面壓頭的函數(shù)。 當(dāng)定

11、量杯內(nèi)液料降至任意位置時(shí),流經(jīng)管嘴孔口的液料瞬時(shí)流量,式中: F0定量杯的截面積; dz定量杯液料高度的微小增量; dt對(duì)應(yīng)于增量F0dz的時(shí)間 式中負(fù)號(hào)表明定量杯內(nèi)液料高度是隨時(shí)間增長(zhǎng)而減少的,式中：Z1從管嘴孔口至定量杯內(nèi)充滿液料時(shí)的高度; Z2 從管嘴孔口至定量杯內(nèi)流完液料時(shí)的高度。,將上式轉(zhuǎn)換為：,定量杯內(nèi)液料全部注入瓶?jī)?nèi)所需灌液時(shí)間應(yīng)為:,假如定量杯的截面積A0不是常數(shù)而是變數(shù),那么,可以由隨高度變化的函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=A(z)代入積分式求得,也可以由圖解析法來(lái)解決:首先畫(huà)出定量杯的三視圖,然后沿定量杯高度方向用若干水平截面將其分割,計(jì)算出定量杯被分割的每個(gè)部分的容積 ,再近似取灌裝每份容

12、量時(shí)所對(duì)應(yīng)的孔口截面上的平均有效壓頭就為該部分不變的有效壓頭 ,則灌裝每份容量所需時(shí)間應(yīng)為: (4-11) 因此,可以求得流完定量杯內(nèi)液料所需的時(shí)間為: (4-12) 只要將定量杯分割的分?jǐn)?shù)取得足夠大,就可以使計(jì)算能獲得足夠的精確度。,4.定量杯定量的長(zhǎng)管灌液過(guò)程,若管口接近瓶底，那么，此灌裝過(guò)程也可分兩步進(jìn)行計(jì)算：整個(gè)罐裝時(shí)間應(yīng)包括淹沒(méi)管嘴前、后兩部分時(shí)間的和。 當(dāng)灌入瓶?jī)?nèi)液料尚未淹沒(méi)管口之前，屬于不穩(wěn)定的管口自由出流,其灌裝時(shí)間t1，其計(jì)算方法前面己述； 當(dāng)液料淹沒(méi)管口之后，屬于不穩(wěn)定的管嘴淹沒(méi)出流,即液料流量V是孔口截面上的位壓頭和靜壓頭的函數(shù),所需的灌液時(shí)間為t2。,當(dāng)液料在瓶?jī)?nèi)淹沒(méi)管

13、嘴孔口高度h時(shí),相應(yīng)定量杯的液料高度為z,這時(shí)流經(jīng)管嘴孔口的瞬時(shí)流量為: 欲解上式,必須首先求出兩個(gè)變量h和z的關(guān)系。 因 式中: F0定量杯和橫截面積; Fb瓶?jī)?nèi)腔的橫截面積。 兩邊積分解得:,積分常數(shù)C可由初始條件求得,當(dāng)液料剛剛淹沒(méi)管嘴口,即h=0時(shí),相應(yīng)定量杯內(nèi)液料高度為Z， 故C = Z 又設(shè)定量杯內(nèi)充滿液料時(shí)液面距管口的距離為Z1,管嘴口離開(kāi)瓶底的距離為h2,由前式可求得 在上述瞬時(shí)流量公式中,將變量Z用變量h轉(zhuǎn)換后可得: 同樣,要按瓶體部分及瓶頸部分兩段來(lái)積分,得到開(kāi)始淹沒(méi)管嘴孔口至瓶?jī)?nèi)灌滿定量液料為止所需的灌裝時(shí)間為:,同理，每瓶所需的灌液時(shí)間：t = t1 + t2,（四）充

14、氣和抽氣時(shí)間的計(jì)算 對(duì)于常壓法，灌裝所需的時(shí)間即為灌液時(shí)間。 對(duì)于等壓法和真空法，其灌裝所需時(shí)間則應(yīng)是灌液時(shí)間與充氣或抽氣時(shí)間之和。 1.充氣時(shí)間 當(dāng)空瓶上升至灌裝閥的瓶口帽接觸并密封時(shí),瓶?jī)?nèi)的空氣由常壓充氣至與貯液箱液面上的氣壓相等,以流體力學(xué)可知,這一過(guò)程是容器內(nèi)(即貯液箱內(nèi)氣相空間)的氣體經(jīng)收縮形管嘴的外射流動(dòng),因?yàn)槌錃獾臍獾涝诠嘌b的內(nèi)部,而充氣的時(shí)間又很短,故可把充氣過(guò)程近似看成是沒(méi)有摩擦損失的絕熱過(guò)程(或叫等熵過(guò)程)。由氣體絕熱過(guò)程方程式可求充氣后瓶?jī)?nèi)原有氣體的壓縮容積,一只瓶所補(bǔ)充進(jìn)的空氣容積為:V=Vb-V1,充氣等壓所需時(shí)間:,式中: P0充氣前瓶?jī)?nèi)的氣壓(即為大氣壓); P1

15、充氣后瓶?jī)?nèi)氣壓(即為貯液箱內(nèi)壓力); Vb 瓶?jī)?nèi)原有氣體的體積(即空瓶的容積); V1瓶?jī)?nèi)氣壓增高至?xí)r,原有氣體被壓縮成的容積; k絕熱指數(shù),對(duì)于空氣k=1.4。,瓶?jī)?nèi)氣壓增高至P1時(shí),瓶?jī)?nèi)氣體的密度,由絕熱過(guò)程方程式可知,0、1 對(duì)應(yīng)于氣壓P0、P1時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體的密度，kg/m3; Wg向瓶?jī)?nèi)充氣過(guò)程中,流經(jīng)氣道孔口截面上的氣體平均質(zhì)量流量，kg/s,瓶?jī)?nèi)氣壓是由P0不斷變化為P1的,隨著瓶?jī)?nèi)瞬時(shí)氣壓的不同,Wg也就有不同的瞬時(shí)值,即Wg是個(gè)變量。 根據(jù)氣體絕熱過(guò)程的柏努利方程式,列出貯液箱氣道孔口截面的能量方程:,式中: u1-貯液箱氣相空間的氣體流速,可近似認(rèn)為 u1= 0； Pot,0

16、t,uot分別為某瞬時(shí)t，瓶?jī)?nèi)瞬時(shí)氣壓為P0t時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣的密度及灌裝閥氣道管口的氣體流速.,由上式可求得:,令瞬時(shí)壓力比為：,氣道管口的截面積為Ag，則氣體經(jīng)管口的瞬時(shí)質(zhì)量流量為:,氣體絕熱過(guò)程流量與壓力比曲線,由上式可做出 Wgt線圖。右圖。圖中r稱為臨界壓力比,由 dWgt/d = 0 可求得,對(duì)于空氣r =0.53,對(duì)應(yīng) Wgr為臨界噴射量。,圖中虛曲線是根據(jù)上面公式計(jì)算繪制的,實(shí)際上,由實(shí)驗(yàn)測(cè)得,當(dāng) r時(shí),氣流將為超音速,這時(shí)流量保持不變, Wgr 為過(guò)M點(diǎn)的一條水平線。,由 Wgt曲線圖經(jīng)過(guò)定積分,就可求出充氣過(guò)程中的氣體平均重量流量為:,應(yīng)該說(shuō)明,以上計(jì)算忽略了灌裝閥氣道阻力的影響

17、,計(jì)算中又取的平均質(zhì)量流量,故存在一定誤差,根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,有人建議，等壓法灌裝，取充氣等壓時(shí)間為0.51秒左右。,式中，,2.抽氣時(shí)間 對(duì)于真空法灌裝而言,灌液前瓶?jī)?nèi)要形成一定的真空度,氣壓必須由原有的P0降低為P1,則瓶?jī)?nèi)原有空氣的體積Vb膨脹為V1。將膨脹部分的氣體不斷被抽走,溫度基本保持不變,因此這一過(guò)程可以近似看成是等溫過(guò)程,由氣體等溫過(guò)程方程式求得:,體積增大部分的空氣即為必須抽走的空氣量,所以抽氣時(shí)間應(yīng)為:,式中:Wg-在單位時(shí)間內(nèi)為使空瓶形成一定真空度而平均分配在每只灌裝閥上的抽氣量，kg/s。,為確定 Wg，設(shè)全機(jī)的灌裝頭數(shù)為 j，真空系統(tǒng)由于有關(guān)裝置和連接不嚴(yán)密而造成的空氣滲

18、入量為W（kg/s），被灌液料原來(lái)所溶解的空氣因減壓而引起的逸出量為W（kg/s），則單位時(shí)間內(nèi)真空泵的抽氣量（或稱抽氣速率）,對(duì)于W值，一般可參照右表選取。,真空系統(tǒng)的空氣滲入量,被灌裝液料中原來(lái)所溶解的空氣,由于抽成一定真空,溶解量則有所減少,簡(jiǎn)單估算時(shí),可參考（標(biāo)準(zhǔn)氣壓和20C）每立方米水中溶解2.510-2千克空氣來(lái)計(jì)算,因此,單位時(shí)間內(nèi)由液料中逸出的空氣量應(yīng)為:,Q灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力；pcs/h,設(shè)計(jì)時(shí),亦可先假定每只瓶在抽氣真空階段所需的時(shí)間,然后根據(jù)上面幾個(gè)公式反過(guò)來(lái)估算真空泵的抽氣速率,待泵選定后,尚需校核瓶在進(jìn)液回氣階段能否保證瓶?jī)?nèi)始終維持己形成的真空度P1,這就要求被灌入液料

19、所逐步占據(jù)的瓶?jī)?nèi)容積的空氣必須及時(shí)抽走, 即要求: 式中: Vb為每瓶液料定量灌裝的容積，tl灌液時(shí)間 假若不能滿足上面不等式,則需重新選擇 Wg或者設(shè)法改變 tl,例2,某真空灌裝機(jī)的灌裝頭數(shù)為30，要求在0.5s對(duì)0.5L的瓶子抽氣達(dá)到真空度0.5mH2O (1mH2O = 9.8Pa)。若每瓶的灌液時(shí)間為8.5s，灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力為6000 pcs/h，已知在標(biāo)準(zhǔn)氣壓 （約等于10mH2O）下，空氣密度為1.183 kg/m3，確定：試求真空泵的抽氣量。,解：首先求單位時(shí)間內(nèi)分配給每一灌裝閥的抽氣量，,而,可見(jiàn)，Wg Wg，不符合要求，為此，應(yīng)重新調(diào)整有關(guān)參數(shù)。 若取 Wg = Wg =

20、 6.6110-5，則 tg 0.5s(約0.45s),其次，求單位時(shí)間內(nèi)真空泵的抽氣量，先分別求真空系統(tǒng)的空氣滲入量為W和減壓引起的逸出量為W,因真空度0.5mH2O相當(dāng)于36.78mmHg，查表，用內(nèi)插法得：,所以，單位時(shí)間內(nèi)真空泵的抽氣量為,按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，折算成,（五）生產(chǎn)能力的計(jì)算 旋轉(zhuǎn)型的自動(dòng)灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力可用下式計(jì)算: Q=60an Q生產(chǎn)能力(瓶/小時(shí)); a灌裝機(jī)頭數(shù);n灌裝臺(tái)的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)。 由上式可見(jiàn),要提高灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力就必須增大頭數(shù)a和轉(zhuǎn)速n。如果采用增大灌裝機(jī)的頭數(shù)a來(lái)提高生產(chǎn)率,那么,灌裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)直徑也要相應(yīng)增大,這不僅使機(jī)器龐大,而且在旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速一定的情況

21、下,還必須考慮離心力的影響,即瓶托上的瓶子在尚末升瓶壓緊灌裝閥之前以及在灌滿液料降瓶離開(kāi)灌裝閥之后,其繞立軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力都必須小于瓶子與瓶托之間的摩擦力,否則瓶子將會(huì)被拋出托瓶臺(tái),從而影響正常操作。,由此可得灌裝頭中心對(duì)主軸的半徑R必須滿足下列不等式: 式中: f瓶與托瓶臺(tái)間的摩擦系數(shù)。,如果采用增大立軸的轉(zhuǎn)速n來(lái)提高生產(chǎn)率,那么,除同樣需要考慮離心力的影響外,主要的還需考慮灌裝時(shí)間的影響。 當(dāng)n值提高,但液料灌裝速度沒(méi)有提高，而與n值不相適應(yīng)時(shí),瓶子在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間內(nèi)并末能灌滿,沒(méi)有達(dá)到定量要求,生產(chǎn)循環(huán)也因此受到破壞。 主軸旋轉(zhuǎn)一周即灌裝機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)所需時(shí)間為: T60

22、/n 在完成一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間內(nèi)必須包括下列幾個(gè)部分,如右圖所示。 1）T1為進(jìn)出瓶之間的無(wú)瓶區(qū)所占去的時(shí)間,無(wú)瓶區(qū)的大小由進(jìn)瓶、出瓶拔輪的結(jié)構(gòu)所決定,顯然,拔輪取得越大,進(jìn)出瓶越穩(wěn),但所占無(wú)瓶區(qū)的角度相應(yīng)也要增大。 2）T2和T2為升瓶、降瓶所占去的時(shí)間,它們除應(yīng)考慮升瓶前、降瓶后尚需稍為穩(wěn)定的時(shí)間外,同時(shí)還應(yīng)考慮升降瓶凸輪所允許的壓力角,參照機(jī)械原理的有關(guān)知識(shí),瓶托上升時(shí)為工作行程,許用壓力角推薦為30。瓶托下降時(shí)為空行程,許用壓力角70。,旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的工作循環(huán)圖,由此可見(jiàn),圓柱凸輪的半徑越大,升降行程越短,升降瓶區(qū)在轉(zhuǎn)盤(pán)上所占的角度就可越小,但隨著升降瓶凸輪半徑的減小,在滿足一定壓力角

23、的情況下,升降瓶區(qū)所占角度增大,經(jīng)濟(jì)效果不一定有利,另外,在選擇灌裝閥的閥端結(jié)構(gòu)時(shí),采用短管法當(dāng)然較之采用長(zhǎng)管法可減少升降瓶的行程,從而減少升降瓶區(qū)。 3）T3、T3為開(kāi)閥,關(guān)閥區(qū)所占的時(shí)間,這與灌裝閥的結(jié)構(gòu)形式和開(kāi)閉方法有關(guān)系,例如,一般旋轉(zhuǎn)閥較之移動(dòng)閥開(kāi)啟所需時(shí)間長(zhǎng)些,利用固定擋塊開(kāi)閉較之利用瓶子本身升降開(kāi)閉所需時(shí)間長(zhǎng)些,根據(jù)一般閥的生產(chǎn)情況,有人建議這段時(shí)間為0.51秒左右。,令灌裝區(qū)所占角度為4，則主軸轉(zhuǎn)速n應(yīng)為:,4)T4為灌裝區(qū)所占時(shí)間,它必須保證定量灌裝足夠的需要。 因此,確定主軸轉(zhuǎn)速n的關(guān)鍵是必須保證轉(zhuǎn)盤(pán)上灌裝區(qū)所占時(shí)間T4大于工藝上所需時(shí)間,即滿足不等式:,對(duì)等壓法或真空法，

24、可取,為便于設(shè)計(jì)，表列出了常用灌裝機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，供參考。,對(duì)于定量杯定量法的灌裝,確定主軸轉(zhuǎn)速n還必須保證充滿定量杯所需的時(shí)間,在轉(zhuǎn)盤(pán)上,一般要求在開(kāi)閥前、關(guān)閥后這段區(qū)間內(nèi)完成,即要求滿足不等式: 式中: t0為充滿定量杯工藝上所需的時(shí)間,它可采用下式計(jì)算: 式中: D定量杯的直徑;mm；H定量杯的有效高度;mm； u定量杯在儲(chǔ)液箱內(nèi)沉下的速度；g重力加速度；校正系數(shù)。 u值由控制定量杯沉降的凸輪曲線所決定,值由圖中查得,它與u值和液料的粘度有關(guān),定量杯充滿時(shí)間的校正系數(shù)曲線,例3,某臺(tái)等壓灌裝機(jī)，用來(lái)瓶裝640ml（空瓶容積為670ml）啤酒時(shí)，生產(chǎn)能力要求達(dá)到10000pcs/h，若采

25、用盤(pán)式旋轉(zhuǎn)閥及短管的閥端結(jié)構(gòu)，已知閥端孔口處氣管為9mm3mm，液道內(nèi)徑為13mm；轉(zhuǎn)盤(pán)上灌裝區(qū)角度為200；儲(chǔ)液箱內(nèi)氣體壓力為1.5表壓；空氣常壓狀態(tài)下的密度為1.183kg/m3；啤酒的密度為1.013103kg/m3，黏度為1.11410-3Pa.s，其余尺寸如圖所示。 試確定該機(jī)所需的頭數(shù)。,解：1）求充氣時(shí)間,對(duì)于空氣r =0.53,由,令,進(jìn)行換元積分，求得,求得充氣所需時(shí)間為,對(duì)于閥端孔口上面一段的環(huán)管，其長(zhǎng)度L1=50mm，當(dāng)量直徑,雷諾系數(shù)：,若取管子絕對(duì)粗糙度1=0.1，查表得1=0.062，則該段阻力系數(shù)：,對(duì)于儲(chǔ)液箱至灌裝閥間一段的直管，其長(zhǎng)度L2 = 740+ 60=

26、800 mm，管內(nèi)徑d2=20-23.5=13mm，速度折算系數(shù)K2=（A0/A2）20.52,雷諾系數(shù)Re2 4871,同樣取2=0.1，查表得2=0.045，則該段阻力系數(shù)：,對(duì)于灌裝閥閥體內(nèi)的阻力損失，近似看作是三個(gè)90彎頭，加上輸送管道的一個(gè)90彎頭，其阻力系數(shù)均為=0.75，則它們總的折算阻力系數(shù)為,因此，灌裝時(shí)間為：,求得流速系數(shù),2）求灌裝機(jī)頭數(shù) 灌裝區(qū)應(yīng)占時(shí)間：,考慮灌裝的穩(wěn)定，取T4=10s，求主軸轉(zhuǎn)速,因此，灌裝機(jī)所需頭數(shù)為：,七、機(jī)械計(jì)算 在自動(dòng)灌裝機(jī)設(shè)計(jì)中,必須合理選擇電動(dòng)機(jī)功率,以保證灌裝機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),也將根據(jù)灌裝機(jī)功率的大小,進(jìn)行灌裝機(jī)零部件(如主軸,傳動(dòng)齒輪

27、等)的設(shè)計(jì),如果電動(dòng)機(jī)功率選擇得過(guò)小,將會(huì)影響機(jī)器的使用性能或電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作而容易發(fā)熱燒壞,如果選擇過(guò)大,將使機(jī)器笨重,浪費(fèi)材料,增加機(jī)器成本,并且也不能發(fā)揮電機(jī)應(yīng)有效能。 1.功率的計(jì)算 灌裝所需功率與它的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程有關(guān),由于功率損失因素是十分復(fù)雜的,故難以用分析法進(jìn)行精確計(jì)算,故采用對(duì)一些主要功率損失因素進(jìn)行分析計(jì)算,然后迭加再乘以一個(gè)系數(shù),近似求得灌裝機(jī)功率,一般情況下,灌裝機(jī)的啟動(dòng)功率為最大,啟動(dòng)時(shí),功率主要消耗在以下幾方面。,1)啟動(dòng)液缸功率 啟動(dòng)液缸功率即為使貯液箱、貯液箱內(nèi)液料、旋轉(zhuǎn)臺(tái)等繞立軸旋轉(zhuǎn)的零部件由靜止到達(dá)工作轉(zhuǎn)速所消耗的功率。 由理論力學(xué)可知,使物體由靜止到

28、達(dá)角速度為時(shí),消耗的功應(yīng)等于物體所獲得的動(dòng)能,整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)以角速度繞立軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能為: 式中：J整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)于主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 角速度。,假若啟動(dòng)時(shí)間為 則啟動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)由靜止到角速度所消耗的功率為: 式中:t0啟動(dòng)時(shí)間, 常取0.5秒。 2)克服升瓶機(jī)構(gòu)的滾輪沿固定凸輪滾動(dòng)時(shí)的工作阻力和摩擦力所需消耗的功率 升瓶機(jī)構(gòu)的滾輪沿固定凸輪水平區(qū)段滾動(dòng)時(shí)的摩擦阻力為:,式中: Z1水平區(qū)段內(nèi)升瓶機(jī)構(gòu)的數(shù)目; G1升瓶機(jī)構(gòu)內(nèi)彈簧的壓縮力; G2升瓶機(jī)構(gòu)及盛有液料瓶子的總重; K滾輪沿凸輪軌道的滾動(dòng)摩擦系數(shù); f采用滾動(dòng)軸承做為滾輪,其軸承折合在軸上的摩擦系數(shù); d滾動(dòng)軸承中沿滾珠中心的圓周直徑; D滾輪直徑。

29、,升瓶機(jī)構(gòu)的滾輪沿固定凸輪升瓶區(qū)段滾動(dòng)時(shí)的摩擦阻力為: 式中:滑道升角; G3升瓶機(jī)構(gòu)及空瓶的總重。 升瓶機(jī)構(gòu)的滾輪沿固定凸輪滾動(dòng)時(shí)的工作阻力和摩擦阻力所消耗的功率: 式中: R升瓶機(jī)構(gòu)繞灌裝機(jī)中心立軸的回轉(zhuǎn)半徑。,3)克服支承立軸的軸承摩擦阻力所需消耗的功率 因立軸轉(zhuǎn)速較低,采用滑動(dòng)軸承較為適宜,由機(jī)械零件可知: 式中:作用在軸承上的動(dòng)載荷; f摩擦系數(shù),一般取0.070.1; D推力軸承的最大直徑; D1推力軸承的最小直徑。,灌裝機(jī)的啟動(dòng)功率為: (4-51) 式中: 與傳動(dòng)系統(tǒng)效率因素有關(guān)的系數(shù)。 2.電機(jī)的選擇 1)對(duì)電機(jī)的要求,在選擇電機(jī)時(shí),首先應(yīng)考慮到生產(chǎn)情況對(duì)電機(jī)的要求,灌裝機(jī)工

30、作的環(huán)境比較潮濕,并有些小量沖擊。因此,要求電機(jī)有防潮及防震裝置(防震是次要的),并且要連續(xù)進(jìn)行工作。,2)功率選擇 電機(jī)功率的選擇,以啟動(dòng)和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)其中最大的功率為選擇電機(jī)功率的依據(jù),考慮到備用系數(shù),電機(jī)功率應(yīng)為 由于功率計(jì)算存在誤差,更好的方法是通過(guò)試驗(yàn)確定功率,即對(duì)樣機(jī)或類似的灌裝機(jī)在規(guī)定的操作條件上采用瓦特計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。 3）用類比法選擇電機(jī) 在設(shè)計(jì)中往往可以采用這種方法來(lái)選擇電機(jī),到工廠及有關(guān)單位去搜集與所設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)類型、生產(chǎn)能力等條件相近的灌裝機(jī)所采用的電機(jī)類型,功率大小等方面的有關(guān)資料,然后參考這些資料來(lái)選擇所設(shè)計(jì)的灌裝機(jī)的電機(jī)功率和類型。,3.灌裝機(jī)主軸的計(jì)算 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)

31、的主軸是重要的零件之一,它用A4、A5碳素鋼及30、35、40、45優(yōu)質(zhì)鋼制造。在必要時(shí),可在其表面上鍍以金屬保護(hù)層或用不銹鋼制造，也有用鑄鐵或鑄鋼制造的。 旋轉(zhuǎn)型灌裝機(jī)的軸,主要是受扭或除了受扭外，還受有軸向力,按其主要是受扭來(lái)計(jì)算直徑: (4-53) 式中: 軸某斷面上所承受最大扭矩; N灌裝機(jī)所需最大功率(軸所傳遞功率); n灌裝機(jī)轉(zhuǎn)速。,根據(jù)強(qiáng)度條件: 式中: 許用剪應(yīng)力； 抗扭截面模數(shù)。 對(duì)于實(shí)心軸: 式中: D空心軸的外徑; d空心軸的內(nèi)孔直徑。 故可按下式計(jì)算軸的直徑: 對(duì)于實(shí)心軸:,對(duì)于空心軸: 式中: 許用剪應(yīng)力,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和強(qiáng)度理論來(lái)確定,它與載荷的性質(zhì)(動(dòng)還是靜)及應(yīng)力集中等因素有關(guān)。一般對(duì)軟鋼取250kg/cm 1000kg/cm ,計(jì)算時(shí)可參考設(shè)計(jì)規(guī)范。,一、有一臺(tái)40頭果酒灌裝機(jī)，儲(chǔ)液箱液面至出流閥口距離為490mmm，現(xiàn)在該廠用常壓法灌裝重度為0.95白酒，測(cè)得轉(zhuǎn)盤(pán)每轉(zhuǎn)一周需20秒，灌裝時(shí)間為9秒，灌裝工位為20個(gè)，若其它條件不變，問(wèn)：現(xiàn)在用常壓法灌裝時(shí)，該機(jī)生產(chǎn)能力及可能達(dá)到的最大生產(chǎn)能力？ 二、真空罐酒機(jī)要求在0.5秒內(nèi)對(duì)500ml的瓶子抽氣達(dá)到真空值500mm水柱，每瓶的灌酒時(shí)間為8.5秒，灌裝機(jī)的頭數(shù)為30，生產(chǎn)能力為600瓶/小時(shí)，已知在一個(gè)大氣壓下，空氣的重度r=1.183公斤/米3，求真空必須滿足抽氣量（升/秒）,