實(shí)驗(yàn)動(dòng)物瓶裝飲用水自動(dòng)灌裝機(jī)設(shè)計(jì)

周建麗 蘇銘

摘 要：人類健康問題的研究結(jié)果，最終需要通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。因此，對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生活環(huán)境尤其是飲食條件需要嚴(yán)格要求。本文在了解了飲用水自動(dòng)灌裝機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款專門用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飲用水自動(dòng)灌裝機(jī)，該灌裝機(jī)可以適用一些低粘度的液體灌裝，具有結(jié)構(gòu)簡單，低成本等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)前市場需求，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 灌裝機(jī) 電氣控制

中圖分類號(hào)：TB486 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

在物質(zhì)生活水平大幅度提高的今天，各種疑難雜癥的出現(xiàn)，導(dǎo)致人類對自身的健康問題越來越重視。醫(yī)學(xué)對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究的根本目的就是通過對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生命現(xiàn)象的研究來要探索人類疾病的發(fā)病機(jī)制，并且尋找出預(yù)防疾病以及治療疾病的方法。因此，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究對象其生活環(huán)境尤其是飲食條件需要嚴(yán)格要求。飲用水作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物每天所必須的能量來源之一，其灌裝過程基本由自動(dòng)灌裝機(jī)完成，盡可能地減少人工干預(yù)。

1 灌裝機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按灌裝瓶的進(jìn)給方式形式可將灌裝機(jī)分成：旋轉(zhuǎn)盤式灌裝機(jī)、直線式灌裝機(jī)等。

（1）旋轉(zhuǎn)盤式灌裝機(jī)

該式灌裝機(jī)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)呈圓盤轉(zhuǎn)臺(tái)狀，圓盤轉(zhuǎn)臺(tái)上有若干個(gè)工位對應(yīng)灌裝瓶。待灌裝瓶由傳送裝置如傳送帶送入灌裝機(jī)進(jìn)瓶機(jī)構(gòu)，并定位于圓盤轉(zhuǎn)臺(tái)上的工位中，進(jìn)行灌裝。灌裝好的灌裝瓶再由傳送裝機(jī)構(gòu)，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最后將灌裝好的產(chǎn)品傳送到下一個(gè)工序。

（2）直線式灌裝機(jī)

該式灌裝機(jī)利用直線型傳送帶，將待灌裝瓶成排放置在傳送帶上，由推瓶板將空的灌裝瓶向前推送至灌液管的下方，進(jìn)行灌裝，再由傳送帶將灌裝好的瓶子傳送至下一個(gè)工序。

本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飲用水灌裝機(jī)灌裝瓶規(guī)格為250ml/500ml塑料瓶，要求灌裝能力為250ml/3000 瓶每小時(shí)；500ml/2500 瓶每小時(shí)。灌裝時(shí)間為250ml <6s 每次；500ml <6.1s 每次。因此，選擇直線型灌裝機(jī)比較合理。

2 灌裝機(jī)液料供送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 輸送管路的設(shè)計(jì)

灌裝機(jī)液料供送管路一般以圓管為主。假設(shè)輸液管管道內(nèi)徑為d（m），灌裝液體在輸液管內(nèi)的流速為u（m/s），流量為V（m3/s），則管道內(nèi)徑可由下式得到。

流量V可由下式得到。

其中：

W-----管內(nèi)質(zhì)量流量（kg/s）

ρ-----液體的密度（kg/m3）

Gb-----每瓶灌裝液體的質(zhì)量（kg）

Qmax-----灌裝機(jī)的最大生產(chǎn)能力（pcs/h）

由前文所述要求可得

250ml：V=0.00097（m3/s）

500ml：V=0.00194（m3/s）

根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性方程可知在保持輸送管流量恒定的情況下，提高液體的灌裝速度可減少輸送管管徑使得設(shè)備投入費(fèi)用減少，但是要增加提速所需要的輸送液料動(dòng)力。因此，在設(shè)計(jì)的要求中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)乃俣龋鶕?jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)文獻(xiàn)[3]的內(nèi)容，可得飲用水的流速u=3m/s，則輸送管管徑為100mm。

2.2 灌裝時(shí)間的計(jì)算

由于灌裝液體定量方法的不同以及灌裝閥管口伸至瓶內(nèi)位置的不同，灌裝時(shí)間也有所有不同。設(shè)定量杯的橫截面積為定值A(chǔ)0，當(dāng)定量杯中液料距離管口的高度為Z 時(shí)，其瞬時(shí)流量為：

則定量杯中的液料全部注入待灌裝瓶內(nèi)所需的灌裝時(shí)間為：

式中， Z1------定量杯中充滿液料時(shí)距離管口的高度m；

Z2------定量杯中流完液料時(shí)距離管口的高度m；

則相應(yīng)的灌裝時(shí)間為：t=3.3（s），灌裝時(shí)間滿足使用的要求。

2.3 灌裝機(jī)儲(chǔ)液箱設(shè)計(jì)

儲(chǔ)液箱的容量設(shè)計(jì)，要保證液體的充填，最低可以填補(bǔ)，最大不會(huì)溢出。因此要確保儲(chǔ)液液箱的底面高出定量杯，但不能高于定量杯的最高水平位置。通常儲(chǔ)液箱的長度、寬度、高度的比例為1：1：1～3：2：1。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合加熱、冷卻和熱平衡原理，確定儲(chǔ)液箱的的大小為長度900mm、寬度600mm、高度300mm。此外，為了避免液體腐蝕箱體內(nèi)壁，箱體內(nèi)壁需進(jìn)行涂層處理。

3 灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 主回路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備電氣傳動(dòng)的要求，由開關(guān)QF引入380V三相交流電源；由接觸開關(guān)KM1 控制電動(dòng)機(jī)M的啟閉；由熱繼電器FR 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)M 的過載保護(hù)，而短路保護(hù)由熔斷器FU 實(shí)現(xiàn)。

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

設(shè)備操作板上設(shè)置有啟動(dòng)SB1和停止按鈕SB2 ，通過啟動(dòng)和停止按鈕可與接觸開關(guān)KM3組成自鎖的啟?？刂齐娐?。

3.3 控制線路的工作原理

合上開關(guān)QF 引入380V三相交流電后，按下啟動(dòng)按鈕SB1，常開觸點(diǎn)KM3 閉合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送機(jī)開始輸送，當(dāng)有箱子碰到行程開關(guān)SQ1 時(shí)，接觸器KM2 通電，接觸器KM2 通電帶動(dòng)通電延時(shí)繼電器KT1 通電（時(shí)間設(shè)置為從液體灌裝箱到瓶子的整個(gè)灌裝時(shí)間），接觸器KM2 通電，接觸器KM2 通電帶動(dòng)溢流閥，開始完成對飲用水的灌裝。接觸器KM2 通電，接觸器KM2 通電帶動(dòng)失電延時(shí)繼電器KT2 通電（時(shí)間設(shè)置為從液體灌裝箱到瓶子的整個(gè)灌裝時(shí)間），在設(shè)置的時(shí)間過后，時(shí)間繼電器KT2 常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器KM4 通電，KM4 自鎖，使得接觸器KM2 失電，灌裝結(jié)束。接觸器KM2 通電，接觸器KM2通電帶動(dòng)通電延時(shí)繼電器KT3 通電（時(shí)間設(shè)置為灌裝的整個(gè)時(shí)間加上飲用水箱后端離開行程開關(guān)的時(shí)間），在KT3 設(shè)置時(shí)間過后，接觸器KM4 斷電，其常閉觸點(diǎn)閉合，使得接觸器KM2可以進(jìn)行下一次的灌裝。接觸器KM2 在次得電后，接觸器KM1 得電，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送機(jī)輸送灌裝后的灌裝瓶箱到下一工位。

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飲用水灌裝要求出發(fā)，從機(jī)械和電氣兩個(gè)方面對灌裝機(jī)供送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。本灌裝機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單合理、灌裝精度高、操作簡單、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合當(dāng)前市場需求，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永斌，傅江南等. 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究與發(fā)展中的作用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（7）.

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[4] 周燕芳，陳志明等.全自動(dòng)液體灌裝機(jī)進(jìn)瓶系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2017（2）.