時(shí)控式飲料定量灌裝裝置

韓 柏

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

液體物料灌裝控制裝置是灌裝機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理科學(xué)、合理與否，將直接影響到灌裝作業(yè)能否正常可靠地進(jìn)行，同時(shí)亦關(guān)系到灌裝速度、灌裝精度等指標(biāo)是否符合生產(chǎn)要求。灌裝裝置因灌裝條件、灌裝要求以及被灌裝液料的性質(zhì)不同而有許多種類，其中適用于玻璃瓶等容器的裝置，如傳統(tǒng)的容器自身定量灌裝裝置是不少企業(yè)長期應(yīng)用的［1］。但由于這種傳統(tǒng)的裝置存在著一些固有的不足與缺陷，已經(jīng)不能適應(yīng)日益復(fù)雜和嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。文章介紹一種時(shí)控式定量灌裝裝置，它消除了上述傳統(tǒng)灌裝裝置的存在問題，能夠成功有效地進(jìn)行灌裝且結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠。

1 傳統(tǒng)灌裝裝置分析

1．1 工作過程與原理

圖1所示為傳統(tǒng)的容器自身定量裝置的結(jié)構(gòu)及灌裝情形，灌裝前灌裝頭與滑套下端呈密閉狀，滑套內(nèi)腔的飲料被封死。當(dāng)灌裝作業(yè)開始，容器（通常為玻璃瓶）輸送機(jī)構(gòu)首先將玻璃瓶送入灌裝區(qū)并將瓶口正對灌裝頭，然后將瓶子上升一定位移使瓶子堅(jiān)硬的瓶口頂推嵌有橡膠墊的滑套，至此滑套下端與灌裝頭之間便產(chǎn)生環(huán)隙形液流口，飲料即可由液流口注入瓶中進(jìn)行灌裝；隨著灌裝的繼續(xù)當(dāng)瓶內(nèi)飲料上升到圖1中A－A 所示的排氣管液封面時(shí)，瓶內(nèi)的剩余氣體便留存下來而不再由排氣管排至空氣中，而且排氣管內(nèi)亦被注入飲料直至與儲(chǔ)液箱內(nèi)液位高度相等的位置；當(dāng)瓶頸部位壓縮氣體的氣壓與相應(yīng)高度液位處的飲料液壓達(dá)到平衡時(shí)，環(huán)隙形液流口便不再有飲料向瓶內(nèi)灌注；接著容器輸送機(jī)構(gòu)下移，首先使滑套下端與灌裝頭恢復(fù)密閉狀態(tài)，然后當(dāng)橡膠墊與瓶口脫離接觸后，瓶頸部位的壓縮氣體隨之與大氣相通，從而使排氣管內(nèi)的飲料自由注入瓶中，瓶內(nèi)的液面再相應(yīng)地上升到一定的高度，至此一次定量灌裝作業(yè)結(jié)束。利用調(diào)節(jié)螺母調(diào)整排氣管伸入瓶中的位置即可改變灌裝量［2］。

1．2 主要的不足與缺陷

（1）由于灌裝的實(shí)現(xiàn)必須依賴于瓶口對滑套的頂推作用，故該裝置不適用于軟體包裝材料的容器。

（2）由于是依靠容器自身進(jìn)行定量，因此灌裝裝置基本上不能控制灌裝量的計(jì)量精度，如果瓶子的容積、形狀不同，或者氣溫條件發(fā)生變化等，都會(huì)對灌裝量的計(jì)量精度產(chǎn)生影響。根據(jù)傳統(tǒng)的容器自身定量裝置的灌裝原理，一方面瓶子瓶身容積基本決定灌裝量；另一方面瓶頸部位壓縮氣體的體積和壓強(qiáng)既受到瓶頸容積與形狀的影響，同時(shí)又受到環(huán)境溫度的影響，這種影響表現(xiàn)為瓶頸內(nèi)壓縮氣體氣壓與飲料液壓的平衡點(diǎn)所處的位置就有所不同。若一批瓶子的制造精度較低，即瓶身的大小、瓶頸的大小和形狀差異較大，則灌裝精度就較低。

圖1 傳統(tǒng)灌裝裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖Figure1 Schematic structure of the traditional filling device

（3）在灌裝作業(yè)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)排氣管擊碎瓶子或瓶子頂彎排氣管的故障。其原因是：由于偶然因素導(dǎo)致瓶口尚未對準(zhǔn)灌裝頭而瓶子就開始上升，這時(shí)就會(huì)發(fā)生頂推偏移即瓶口不是頂推到滑套的橡膠墊而是頂推到灌裝頭中間的排氣管，但由于排氣管是固定不動(dòng)的（其通過調(diào)節(jié)螺母與支架固連為一體），這樣就必然導(dǎo)致上述故障的發(fā)生。

2 時(shí)控式灌裝裝置的結(jié)構(gòu)與原理、特點(diǎn)

圖2為時(shí)控式灌裝裝置，主要由頂推架、橡膠墊、滑套、彈簧、限位罩、液流孔、緊固螺母、限位罩螺釘、密封墊、儲(chǔ)液箱、灌裝管以及自動(dòng)控制器（如PLC［3，4］，圖中未畫出）等部件組成。

圖2 時(shí)控式灌裝裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖Figure2 Schematic structure time－controlled type filling device

其灌裝的工作原理是：當(dāng)容器輸送機(jī)構(gòu)將容器送入灌裝區(qū)容器的開口正對灌裝管的下管口時(shí)，由自動(dòng)控制器操控的頂推架向上移動(dòng)，頂推嵌有橡膠墊的滑套，并使滑套沿灌裝管向上產(chǎn)生行程S 后止于上極限位置；此時(shí)灌裝管上的液流孔被打開，灌裝管通過滑套內(nèi)腔的連接作用實(shí)現(xiàn)流通，飲料在重力作用下即可被灌注入容器內(nèi)；當(dāng)灌注一定時(shí)間后，自動(dòng)控制器再次發(fā)出動(dòng)作指令使頂推架向下復(fù)位，由于彈簧力作用滑套向下返回至重新封閉灌裝管上液流孔的下極限位置，而限位罩下端的限位擋邊則阻止滑套繼續(xù)下滑，至此灌裝裝置又處于關(guān)閉狀態(tài)，一次定量灌裝即告完成。

與傳統(tǒng)裝置相比，時(shí)控式灌裝裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）克服了傳統(tǒng)灌裝裝置只能用于硬質(zhì)材料容器的不足，它可以用于任何材料和形狀的容器。

（2）由于不存在傳統(tǒng)裝置的影響因素，灌裝精度完全由灌裝機(jī)械決定。只需要調(diào)整、控制好灌裝機(jī)械自身的參數(shù)即可滿足精度要求。

（3）容器與灌裝裝置完全不接觸，因此也就不會(huì)由于動(dòng)作不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生容器或裝置損壞的故障。

（4）限位罩將彈簧等零件封閉其中，使灌裝裝置既美觀整潔又安全衛(wèi)生。

（5）其結(jié)構(gòu)更為簡單、動(dòng)作更靈便可靠。

3 灌裝速度及精度的控制與實(shí)現(xiàn)

通過分析和實(shí)際應(yīng)用可知，要滿足灌裝速度及灌裝計(jì)量精度要求關(guān)鍵是要控制好3個(gè)要素。

3．1 足夠及穩(wěn)定的儲(chǔ)液箱液位高度

由上述時(shí)控式灌裝裝置的工作原理可知，欲保證灌裝速度和精度，足夠的儲(chǔ)液箱液位高度并確保其基本穩(wěn)定是不可忽略的一個(gè)重要因素［5，6］。生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用如下簡單有效的措施，即保持儲(chǔ)液箱連續(xù)地進(jìn)料并使進(jìn)料速率略大于灌裝用量的速率，多余的飲料從設(shè)置于儲(chǔ)液箱箱壁的若干溢流堰流回至儲(chǔ)料缸從而確保儲(chǔ)液箱內(nèi)液面高度基本穩(wěn)定。

3．2 精確操控頂推架的動(dòng)作時(shí)間

在保持儲(chǔ)液箱液位基本恒定的前提下，精確操控頂推架的動(dòng)作時(shí)間是保證灌裝量及灌裝精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過若干次灌裝的試操作即能精確確定頂推架的動(dòng)作時(shí)間，由此就可用自動(dòng)控制器進(jìn)行操控。

3．3 適當(dāng)?shù)墓嘌b管內(nèi)徑

灌裝管內(nèi)徑的大小直接影響灌裝速度也間接影響灌裝精度，但灌裝管內(nèi)徑大小與上述二者呈負(fù)相關(guān)。因此灌裝管的內(nèi)徑應(yīng)適當(dāng)選擇，過大的內(nèi)徑雖然灌裝速度快生產(chǎn)效率高但灌裝精度大為降低故應(yīng)該避免。

4 結(jié)論

時(shí)控式飲料定量灌裝裝置解決了生產(chǎn)中傳統(tǒng)的容器自身定量灌裝裝置不能對軟體材質(zhì)容器進(jìn)行灌裝的關(guān)鍵問題，克服了傳統(tǒng)裝置在灌裝精度及其他使用方面的固有不足，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單合理、外形美觀整潔。

在灌裝精度上，以某企業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)注含量為600mL的茶飲料為例，在某一相同灌裝條件（速度、溫度等）下，用傳統(tǒng)的容器自身定量灌裝裝置灌裝，其實(shí)際含量的變動(dòng)范圍達(dá)9mL；而用本時(shí)控式裝置灌裝，其實(shí)際含量的變動(dòng)范圍只有4mL，雖然兩者均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的灌裝精度（不大于±1%）要求，但后者的灌裝精度較前者有很大提高。

1 胡繼強(qiáng)．食品機(jī)械與設(shè)備［M］．北京：中國輕工業(yè)出版社，1999．

2 丁家軍，盛靖琪．自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

3 趙志旭，王叢嶺，吳魚榕．基于PLC 糖果包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．食品與機(jī)械，2008，24（2）：82～84．

4 李疆．氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)定量灌裝機(jī)的研制［J］．食品與機(jī)械，2012，28（1）：144～145，170．

5 劉筱霞．包裝機(jī)械［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

6 王冬梅，李玉成．啤酒灌裝機(jī)貯液缸內(nèi)液位控制［J］．食品與機(jī)械，2000（3）：29～30．