一種灌裝機(jī)氣動(dòng)組件實(shí)驗(yàn)研究和改進(jìn)*

孫國(guó)梁，李少波，何 玲，杜飛龍

(貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 概述

全氣動(dòng)的灌裝機(jī)由于壓縮空氣流速較快，使得氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度快且靈敏，采用氣動(dòng)邏輯元件很容易實(shí)現(xiàn)各種相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作程序，由于采用壓縮空氣為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，只適于輸出不太大的外力，這樣對(duì)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度等方面的要求就較低，容易加工制造，而且采用氣缸實(shí)現(xiàn)各種直線運(yùn)動(dòng)非常方便。氣動(dòng)灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，容易加工制造，而氣動(dòng)機(jī)構(gòu)是靠輸氣管、閥內(nèi)或氣缸內(nèi)部壓縮空氣中的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)的，外部很少有油污，對(duì)產(chǎn)品不形成污染并可保持操作環(huán)境干凈，因此在食品飲料罐裝中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

鄭家林［1］系統(tǒng)的論述了氣動(dòng)原理在食品包裝機(jī)械上的應(yīng)用，邱麗萍［2］分析比較了氣動(dòng)和液壓的優(yōu)缺，對(duì)氣動(dòng)灌裝機(jī)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究，劉暉［5］對(duì)膏體灌裝機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)本文有很大的啟發(fā)性。氣動(dòng)灌裝機(jī)最重要的部分是它的氣動(dòng)組件，因此氣動(dòng)組件的性能對(duì)灌裝機(jī)整體性能有重要的影響，本文主要是在對(duì)一種新型全氣動(dòng)灌裝機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些問題進(jìn)行分析研究。圖1是該型灌裝機(jī)的氣動(dòng)組件圖。

圖1

2 工作原理

根據(jù)罐裝原理不同，灌裝機(jī)可以分為壓力灌裝機(jī)、常壓灌裝機(jī)、負(fù)壓灌裝機(jī)等，壓力罐裝是在高于大氣壓力下進(jìn)行灌裝，也可分為兩種:一種是貯液缸內(nèi)的壓力與瓶中的壓力相等，靠液體自重流入瓶中而罐裝，稱為等壓罐裝;另一種是貯液缸內(nèi)的壓力高于瓶中的壓力，液體靠壓差流入瓶?jī)?nèi)，高速生產(chǎn)線多采用這種方法［2］。該灌裝機(jī)罐裝的是油制辣椒，根據(jù)所罐裝的油制辣椒理化性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合其他固液混合體罐裝方法，該機(jī)采用壓力罐裝。

灌裝機(jī)的定量方法:將出料的多少轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過對(duì)換向閥的電磁開關(guān)通電時(shí)間控制，以控制換向閥某一位氣流進(jìn)氣量，達(dá)到控制定量缸活塞的行程來(lái)確定出料量［4］。

3 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題

1)對(duì)于罐裝如油制辣椒這樣的復(fù)雜固液混合體，因?yàn)橛屠苯分破返挠鸵?、固體本身具有分離性，攪拌之后物料進(jìn)入進(jìn)料管道，固液逐漸分層使得在罐裝過程中物料沉淀很快，加之氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)不合理，很容易造成進(jìn)料管堵塞以及物料在定量缸和氣閥之間堵塞。

2)氣體固有的可壓縮性、氣缸摩擦力的影響和氣動(dòng)系統(tǒng)的低阻尼特性等原因，導(dǎo)致啟動(dòng)系統(tǒng)剛度低、定位精度差，活塞運(yùn)動(dòng)到最后會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊、振動(dòng)、噪聲還有機(jī)件的損壞［3］。這不僅影響生產(chǎn)工作環(huán)境，而且關(guān)系到了氣動(dòng)元件的工作性能和使用壽命。

3)另外灌裝機(jī)的罐裝定量通過電磁閥通電時(shí)間來(lái)控制進(jìn)氣量，進(jìn)而控制活塞行程來(lái)計(jì)量，其中壓縮空氣的氣壓并不能保證不變，而控制換向閥電磁開關(guān)通斷時(shí)間也不會(huì)隨著氣壓的大小而隨之改變，那么就不能準(zhǔn)確的保證進(jìn)入氣缸的氣流壓強(qiáng)使得定量缸活塞行程得到滿足，罐裝就不精確，影響著生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

4 分析和改進(jìn)

對(duì)于罐裝過程中物料堵塞，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)少部分的堵塞發(fā)生在進(jìn)料口與閥芯之間，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在氣動(dòng)組件聯(lián)動(dòng)中，出料、進(jìn)料與閥之間運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，有時(shí)間滯后，存在進(jìn)料量與出料量不相等的矛盾，使用伺服機(jī)控制氣缸1的活塞運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)控制氣缸2，伺服機(jī)運(yùn)動(dòng)速度比氣動(dòng)速度慢，因此很好的克服了這個(gè)問題。

另外一個(gè)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)還有大部分堵塞是發(fā)生在儲(chǔ)料缸與閥芯之間，儲(chǔ)料缸活塞運(yùn)動(dòng)到最大位置與閥芯有空隙，出料時(shí)始終有余量，很容易在活塞往復(fù)過程中造成堵塞以致活塞卡死等。

對(duì)于減小氣缸的沖擊、振動(dòng)和噪聲，可以在連桿末端的觸頭安裝橡皮墊來(lái)實(shí)現(xiàn)減震和緩沖，此外還可以采用排氣節(jié)流方法，在氣缸1左右兩端設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)節(jié)流閥。

根據(jù)實(shí)際灌裝量與所需的灌裝量之間的誤差分析，該灌裝機(jī)的定量調(diào)節(jié)裝置，僅僅只能調(diào)節(jié)所需灌裝量的大概。新的灌裝機(jī)微調(diào)機(jī)制，在氣缸1下加入調(diào)節(jié)絲杠，上面放置兩個(gè)磁感應(yīng)限位開關(guān)保護(hù)活塞，另一個(gè)固定絲杠上，通過絲杠調(diào)整磁感應(yīng)開關(guān)的位移來(lái)控制氣缸的行程，雖然這樣可以控制氣缸行程，但是因?yàn)閼T性，定量并不準(zhǔn)確，用脈沖信號(hào)控制電磁閥，從而控制壓縮空氣，控制氣缸行程，這樣的控制方式，行程反饋是比較準(zhǔn)確的。

5 實(shí)驗(yàn)計(jì)算及分析

實(shí)驗(yàn)中通過旋轉(zhuǎn)絲杠控制磁感應(yīng)開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)出料量，微調(diào)精度達(dá)到0.1 g，最大灌裝量能到1 000 g以上，而耗氣量?jī)H僅0.9 m3/h，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

通過調(diào)節(jié)1氣缸活塞行程，設(shè)置不同規(guī)格的灌裝量:265 g，275 g和285 g，使用研制試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)油辣椒物料進(jìn)行多次罐裝，并采用精度值為0.1 g的電子秤對(duì)罐裝成品進(jìn)行稱量，記錄多次試驗(yàn)的測(cè)試值如表1。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)罐裝成品測(cè)試值(單位:g)

為了評(píng)價(jià)罐裝成品試驗(yàn)的合格程度，下面就平均罐裝質(zhì)量、質(zhì)量的相對(duì)誤差以及質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計(jì)算。

罐裝成品的平均質(zhì)量為:

質(zhì)量的相對(duì)誤差為:

質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到罐裝精度如圖2。

圖2

圖中顯示隨著罐裝量的增大精度在不斷提高，并且穩(wěn)定0.75%左右，此外通過罐裝成品的平均質(zhì)量可以看出，實(shí)際罐裝量與預(yù)定罐裝量非常接近，且略大于理論量，符合既定的罐裝要求;由質(zhì)量相對(duì)誤差最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值可知，實(shí)際罐裝量與平均罐裝量的量差均較低，可以滿足一定范圍內(nèi)的罐裝偏差，為合格罐裝。

6 總結(jié)

通過改進(jìn)，該設(shè)備目前已投入實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明新的灌裝機(jī)在罐裝復(fù)雜固液混合體的情況下，堵塞情況明顯減少，計(jì)量更加準(zhǔn)確，運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)問題得到明顯的改善，綜合性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，有些性能參數(shù)明顯超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)。同時(shí)該設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的推廣前景。

［1］ 鄭家林.食品與包裝機(jī)械氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的研究［J］.包裝與食品機(jī)械，1985，03:24-30

［2］ 李玉琳.灌裝機(jī)控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢理工大學(xué)，2010

［3］ 楊啟龍.灌裝機(jī)加塞機(jī)構(gòu)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)［D］.武漢理工大學(xué)，2012

［4］ 史建華，史淑君.氣動(dòng)技術(shù)在全自動(dòng)灌裝機(jī)中的應(yīng)用［J］.包裝與食品機(jī)械，2004，02:38-40

［5］ 劉暉.膏體產(chǎn)品氣動(dòng)連續(xù)灌裝機(jī)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2011，01:62-63

［6］ Eneroth A，Svensson B，Molin G，Christiansson A.Contamination of pasteurized milk by bacillus cereus in the filling machine.［J］.Journal of Dairy Research，2001，682