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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.
2、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
3、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
4、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=0.996103kg/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
5、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
6、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
7、方程式,可將 折算成 ,而阻力損失h也可寫成用 表達(dá)的一般形式,則上式可改寫成為：,(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)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
8、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),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
9、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（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
10、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
11、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
12、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
13、數(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
14、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
15、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
16、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,0t,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
17、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,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
18、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
19、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
20、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 = 6.6110-5，則 tg < 0.5s(約0.45s),其次，求
21、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
22、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/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
23、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,
24、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，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
25、。,,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，若采用盤式旋轉(zhuǎn)閥及短管的閥端結(jié)構(gòu)，已知閥
26、端孔口處氣管為9mm3mm，液道內(nèi)徑為13mm；轉(zhuǎn)盤上灌裝區(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=800 mm，管內(nèi)徑d2=20-23
27、.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)齒輪等)的設(shè)計(jì),如果電動(dòng)機(jī)功率選擇得
28、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,使物體由靜止到達(dá)角速度為時(shí),消耗的功應(yīng)
29、等于物體所獲得的動(dòng)能,整個(gè)轉(zhuǎn)盤以角速度繞立軸轉(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;
30、 D滾輪直徑。,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
31、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)
32、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)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)
33、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）,
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