孫國梁，李少波，何 玲，杜飛龍

(貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

1 概述

全氣動的灌裝機由于壓縮空氣流速較快，使得氣動機構(gòu)的動作速度快且靈敏，采用氣動邏輯元件很容易實現(xiàn)各種相對復(fù)雜的動作程序，由于采用壓縮空氣為傳遞動力的介質(zhì)，只適于輸出不太大的外力，這樣對機構(gòu)的強度等方面的要求就較低，容易加工制造，而且采用氣缸實現(xiàn)各種直線運動非常方便。氣動灌裝機結(jié)構(gòu)相對簡單，容易加工制造，而氣動機構(gòu)是靠輸氣管、閥內(nèi)或氣缸內(nèi)部壓縮空氣中的潤滑油潤滑機構(gòu)的，外部很少有油污，對產(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)用越來越廣泛。

鄭家林［1］系統(tǒng)的論述了氣動原理在食品包裝機械上的應(yīng)用，邱麗萍［2］分析比較了氣動和液壓的優(yōu)缺，對氣動灌裝機發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，劉暉［5］對膏體灌裝機進(jìn)行了研究，對本文有很大的啟發(fā)性。氣動灌裝機最重要的部分是它的氣動組件，因此氣動組件的性能對灌裝機整體性能有重要的影響，本文主要是在對一種新型全氣動灌裝機實驗中發(fā)現(xiàn)一些問題進(jìn)行分析研究。圖1是該型灌裝機的氣動組件圖。

圖1

2 工作原理

根據(jù)罐裝原理不同，灌裝機可以分為壓力灌裝機、常壓灌裝機、負(fù)壓灌裝機等，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，液體靠壓差流入瓶內(nèi)，高速生產(chǎn)線多采用這種方法［2］。該灌裝機罐裝的是油制辣椒，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，該機采用壓力罐裝。

灌裝機的定量方法:將出料的多少轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過對換向閥的電磁開關(guān)通電時間控制，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確定出料量［4］。

3 實驗發(fā)現(xiàn)的問題

1)對于罐裝如油制辣椒這樣的復(fù)雜固液混合體，因為油辣椒制品的油液、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，加之氣動回路設(shè)計不合理，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系統(tǒng)的低阻尼特性等原因，導(dǎo)致啟動系統(tǒng)剛度低、定位精度差，活塞運動到最后會產(chǎn)生很大的沖擊、振動、噪聲還有機件的損壞［3］。這不僅影響生產(chǎn)工作環(huán)境，而且關(guān)系到了氣動元件的工作性能和使用壽命。

3)另外灌裝機的罐裝定量通過電磁閥通電時間來控制進(jìn)氣量，進(jìn)而控制活塞行程來計量，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)通斷時間也不會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)

對于罐裝過程中物料堵塞，實驗發(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)在氣動組件聯(lián)動中，出料、進(jìn)料與閥之間運動不協(xié)調(diào)，有時間滯后，存在進(jìn)料量與出料量不相等的矛盾，使用伺服機控制氣缸1的活塞運動，氣動控制氣缸2，伺服機運動速度比氣動速度慢，因此很好的克服了這個問題。

另外一個，實驗發(fā)現(xiàn)還有大部分堵塞是發(fā)生在儲料缸與閥芯之間，儲料缸活塞運動到最大位置與閥芯有空隙，出料時始終有余量，很容易在活塞往復(fù)過程中造成堵塞以致活塞卡死等。

對于減小氣缸的沖擊、振動和噪聲，可以在連桿末端的觸頭安裝橡皮墊來實現(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)計調(diào)節(jié)節(jié)流閥。

根據(jù)實際灌裝量與所需的灌裝量之間的誤差分析，該灌裝機的定量調(diào)節(jié)裝置，僅僅只能調(diào)節(jié)所需灌裝量的大概。新的灌裝機微調(diào)機制，在氣缸1下加入調(diào)節(jié)絲杠，上面放置兩個磁感應(yīng)限位開關(guān)保護(hù)活塞，另一個固定絲杠上，通過絲杠調(diào)整磁感應(yīng)開關(guān)的位移來控制氣缸的行程，雖然這樣可以控制氣缸行程，但是因為慣性，定量并不準(zhǔn)確，用脈沖信號控制電磁閥，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 實驗計算及分析

實驗中通過旋轉(zhuǎn)絲杠控制磁感應(yīng)開關(guān)來調(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，而耗氣量僅僅0.9 m3/h，達(dá)到了設(shè)計要求。

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，使用研制試驗樣機對油辣椒物料進(jìn)行多次罐裝，并采用精度值為0.1 g的電子秤對罐裝成品進(jìn)行稱量，記錄多次試驗的測試值如表1。

表1 試驗樣機罐裝成品測試值(單位:g)

為了評價罐裝成品試驗的合格程度，下面就平均罐裝質(zhì)量、質(zhì)量的相對誤差以及質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計算。

罐裝成品的平均質(zhì)量為:

質(zhì)量的相對誤差為:

質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

根據(jù)實驗得到罐裝精度如圖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)量相對誤差最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值可知，實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)備目前已投入實驗，現(xiàn)場實驗表明新的灌裝機在罐裝復(fù)雜固液混合體的情況下，堵塞情況明顯減少，計量更加準(zhǔn)確，運行平穩(wěn)，各項問題得到明顯的改善，綜合性能達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，有些性能參數(shù)明顯超過了設(shè)計指標(biāo)。同時該設(shè)備具有操作簡單、性價比高等優(yōu)點，具有良好的推廣前景。

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

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

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

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

［5］ 劉暉.膏體產(chǎn)品氣動連續(xù)灌裝機設(shè)計［J］.液壓與氣動，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