文献综述-全自动液体灌装机控制系统的设计与研究

2灌装生产线概念设计全自动液体灌装机的使用和需求日益增长，已经逐步代替手工灌装或半自动灌装，并将发展成为液体灌装行业所必备的设备。

目前，市场上对全自液体灌装机没有明确的定义和划分，大多只对能进行自动计量或某部分机构能实现自动控制就定义其为全自动灌装机，这种定义不完全，不能真正的对全自动液体灌装机进行定义。

2．1液体灌装基本原理灌装就是将一定量的液体物料注入到包装容器中的过程IUl。

这种液体物料主要是指具有低粘度的可流动型液体物料，如酒类、汽水、果汁等。

它们可以依靠自重以一定速度流入到包装容器中。

另外还可灌装一些中等粘稠液体物料和一些高粘度物料，如果酱、油脂，牙膏及黄油等。

对这些物料的灌装依靠重力是不能使其按要求流动的，因此需要施加一定的压力将其挤入或压入到包装容器中。

由于液体种类很多，其性能不一，如粘度、起沫性、含气性、挥发性等各不相同，所以采用的灌装方法不一样，其次液料的包装容器也不同，有玻璃瓶、金属罐、塑料瓶、复合纸盒等，所以，依据不同的包装容器、包装物料及不同的灌装工艺，灌装机的灌装方法也是不相同的。

2．2液体灌装方式由于液体物料性能不同，灌装方式多种多样。

根据灌装压力的不同可分为常压灌装、压力灌装、等压灌装、负压灌装等旧。

2．2．1常压灌装常压灌装，又称重力灌装，即在常压下，利用液体自身的重力将其灌入包装容器内，其整个系统处于敞开状态下工作，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。

2．2．2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【13J。

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—————————————堡堡型墼垡堡墼堂鱼丝坠————————————一缺口的容器，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。

这种灌装分为二种形式ml，一是重力式负压灌装，即贮液缸与包装容器具有相等的真空度，液体是在真空等压状态下以重力流动方式完成灌装的；二是压差式负压灌装，即包装容器的真空度大于贮液缸的真空度(贮液缸处于常压状态、只对包装容器抽气)，液体是在压差状态下完成灌装的。

重力负压灌装是低真空(10---16kPa)下的重力灌装。

其灌装方法基本与重力灌装相同，但比重力灌装速度快，可以避免灌装有裂纹或有缺口的容器，还可以防止液体的滴漏。

压差式负压灌装(纯真空灌装)，灌装系统内的压力应低于大气压力。

灌装阀密封块抵住容器的同时开启阀门，由于与真空室相通的容器内处于真空，液体可被迅速抽进容器中，直至灌装到预定液位。

最后会有相当量的液体被抽到排出管中，进入溢流槽后被回收再循环。

纯真空灌装的真空度一般保持在6"-7kPa。

真空法可提高灌装速度，减少产品与空气的接触，有利于延长产品的保存期，其全封闭状态还限制了产品中有效成分的逸散。

压差式负压灌装尤其适用于不宜多暴露于空气中的含维生素的液料，如蔬菜汁、果汁以及有毒的液体(如农药、化学药水)等【1s】。

①压差真空式即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。

．②重力真空式即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后液料依靠自重流进包装容器内，因结构较复杂，国内较少用。

真空法灌装应用面较广，它即适用于灌装粘度稍大的液体物料，如油类、糖浆等，也适用于灌装含维生素的液体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如农药等，以减少毒性气体的外溢，改善劳动条件。

2．2．3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。

2．2．4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。

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，流动性较差的薪稠物料的灌装，可以提高灌装6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。

C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。

2．2．5虹吸法利用虹吸原理完成的灌装方、法【161。

此种方法出现最早，人们最容易接受，原理比较简单，现在很少使用。

上述几种灌装方法的正确选择，除考虑液体本身的工艺性能如粘度、重度、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求、灌装机的机械结构等综合因素。

对于一般不含气的食用液料如瓶装牛奶、瓶装酒类等，可以采用常压法，亦可采用真空法，为了减少灌装时液料中的含氧气量，以便延长产品的保质期，采用较大的真空度的真空法更有利。

另外，采用真空法其灌装阀的结构较简单，液漏损失小。

但是事物是辩证的，真空度越大，酒的香味越易损失，而且真空法较之常压法尚需增加设备成本。

应当指出，对于某种液料的灌装不一定选择单一的方法，也可以综合选择几种方法，例如为了减少啤酒中的含氧量，避免保存期失光变质，一种方法是灌装前对瓶内抽取真空，然后再充入二氧化碳进行等压灌装，即采用真空一等压法，另一种方法是用二氧化碳充气等压，瓶内被替代的空气被引入单独设置的回气箱，并不排至贮液箱。

灌装前阶段在等压下进行，灌装后阶段可加快回气速度，形成与贮液箱的压差，从而提高灌装速度，即采用等压一压力(差压)法。

2．3影响灌装的因素被灌装的液体物料涉及面很广、种类很多，其物理、化学性质差异很大，因此，对灌装的要求也各不相同。

影响灌装的主要因素是液体的粘度，其次是液体内是否溶有气体、固体颗粒等。

一般液体按粘度可分为三类I，71：第一类为流体：在自身重力作用下即可以按一定速度流过圆管的任何液体。

流速主要是受流体粘度和压力影响，一般粘度范围规定为1～100厘泊，流动性好的稀薄液体物料，如酒类、果汁、牛奶、酱油等。

这些物料粘度小、流动性好，在管道中流动阻力小，对灌装设备要求也小。

第二类为半流体：在大于自身重力的压力作用下才能在圆管中流动的液体叫半流体，7————————————堕墅塑丛塑型兰垡丝坠—————————一粘度范围为100．-一1000厘泊，其属于流动性比较差的粘稠液体物料，如番茄酱、油脂等物料，这些物料在容器和管道中流动时阻力比较大，一般需要施加一定的压力才能达到预定要求。

粘滞流体：产品粘度超过10000厘泊的液流动性差的粘糊状液体物科(IlI，需要借助比较大的外力才能使其流动。

如：果酱、牙膏、浆糊、高粘度油脂等物料。

这些物料一般在小的管道中很难流动，必须施加外力才能推动其流动。

因此，这类物料在包装中对设备有较高的要求。

另外，对于低粘度液料，根据液体中是否含有二氧化碳气体，可分为不含气(如白酒、矿泉水等)和含气(如啤酒、汽酒、香槟、汽水等)两类；对于是否含有酒精成份又可分为软饮料(不含酒精)和硬饮料(含有酒精)。

流体的流动特性还会受温度、粘度、固体粒子的含量、分解性、表面张力或起泡特性等因素的影响，所以灌装时，要对这些因素加以控制。

2．4灌装的定量方法准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系，同时也影响产品在消费者心中的信誉。

包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种。

重量定量由于要增添秤等计量衡器，所以机器的结构比较复杂，适用于比重经常变化的固体物料，且往往要配置一套电路用以机电配合；容积定量机器的定量结构比较简单，一般不需电路配合。

液体产品一般易采用容积式定量，常见的有如下三种方法。

2．4．1液位控制定量法每一种包装容器，多是按同一模具制造，其容积、形状的差别很小，如果容器内液位相同，那液料的量也相同，这就好似按液位定量的原理【·91。

是由插入容器中排气管的高低控制的，当液料注入容器，其内气体便由排气管逸出，当液位升至排气管口时，形成液封，气体再不能排出，灌装停止。

这样可以控制每一个包装容器内的液位均相同。

若要改变灌装量，只需调整排气管位置的高低即可。

这是目前应用最广泛的定量方法，适用于粘度小的液体物料。

2．4．2定量杯定量法定量杯定量法是采用一个所需定量容积的定量杯、先将液体料注入定量杯，然后将杯内液料灌装进容器，从而完成定量灌装，若不考虑定量杯内残液的损失，则每次灌装的液料应与定量杯的容积相等。

要改变每次的灌装量，可更换定量杯，或改变调节管在定量杯中的高度。

这种定量方法，由于采用同一定量杯定量，故定量精度较高，它适用8于粘度小的液料定量。

2．4．3定量泵定量法定量泵是一种往复式活塞泵，活塞作直线往复运动，每运动一次，便把活塞运动行程相对应的容腔内的液料推送到包装容器中去。

要调节一次的灌装量，只需调节活塞的行程。

定量泵定量，定量精度高，误差一般可达2％以下例；应用范围大，可适用多种液料，不但能灌装粘度低的液料，而且是粘度高的液料的主要灌装方法；且结构简单，使用方便。

比较上述三种定量方法，从定量精度来看，第一种方法由于直接受到瓶子容积精度以及瓶口密封程度的影响，其定量精度不及后二种方法高，若从机械结构看，第一种显然最为简单，因此，它自然得到广泛应用定量方法的正确选择，主要应考虑产品所需要的定量精度，如我国对640毫升啤酒部颁标准为±lO毫升，·国外为±3毫升【2ll。

对瓶装酒类等按高度定量的产品，最好不超过1．5毫米，容积误差最好控制在±0．4％1221，越是名贵的产品，显然其误差应越小。

定量方法的正确选择，还应考虑到液料本身的工艺性，例如对含气饮料灌装若采用定量杯定量法，则贮液箱内的泡沫反倒可能降低定量精度，因此，在这种情况下，一般以采用控制液位高度定量为好。

2．5灌装机的设计计算液体产品从贮液槽送往灌装用的包装容器一般用的是圆形管道，因此管道尺寸的确定就需要合理选择圆管的内径和壁厚。

2．5．1圆管内径的确定设输液管的内径为d，其截面积为A=秆／4，液体在管内流动的速度为：S=V／A，V为流经管道任意截面上液料的体积流量，那么，输液管的内径为：d=(4V／rcS)1陀(2．1)V=W／p=G牛Qmax／3600宰p (2-2)式中：W一重量流量：指单位时间内流经管道任意横截面的液料重量；旷液体产品的密度；G一每瓶灌装液料的重量；Qmax一灌装的最大生产能力。