1 绪论
人类自从采用容器盛装液体以后，就产生了灌装方法。十九世纪末二十世纪初以前，通常采用水罐、水勺进行人工灌装或直接将容器浸入液料中进行灌装，大约在1980年美国Horix、Kiefer和U.S.BottTers等三家公司开始制造容易灌装的机械装置。第一台商业用灌装机是Kiefer公司制造；Horix公司于1920年首次制造了重力灌装机，用于灌装番茄酱，这家公司至今仍生产灌装机，二十年代初这几家公司着手于生产回转式灌装机，其中U.S.BottTers 制造的是纯真空灌装机，二十世纪以来，灌装机械工业发展迅速，那是灌装的速度取决于工人将瓶子对准灌装阀，等瓶子灌装完毕所需的时间。今天，回转式自动灌装机的生产能力已达每分钟2000瓶。 我国在解放前几乎没有灌装机械，灌装生产绝大部分处于手工操作，非常落后。70年代初，伤害、北京、青岛、广州、烟台等地引进三十多条灌装线，其中有西德Seitz厂产品、意大利Simonazi公司、美国Merer公司、日本三菱公司，另外还有许多罗马尼亚灌装线。随后，我国广东轻工机械厂、北京酿酒机械厂、上海化工机械厂等许多家进行了仿制，初步改善了灌装生产线的落后面貌，但灌装机械的发展与国际先进水平的差距仍很大。为此，我国应根据自己的国情，吸收国外的先进技术，设计和生产出具有先进水平的灌装机，其发展趋势向高效化、自动化、节能化发展，力图采用新技术、新材料，如计算机辅助设计、微机控制等，开创一代新型灌装机。 1.2 GMP标准
“GMP”是英文Good Manufacturing practice的缩写，中文的意思是“良好作业规范”，或是“优良制造标准”，是一种特别注重在生产过程中实施对产品质量与卫生安全的自主性管理制度。它是一套适用于制药、食品等行业的强制性标准，要求企业从原料、人员、设施设备、生产过程、包装运输、质量控制等方面按国家有关法律法规达到卫生质量要求，形成一套可操作的作业规范帮助企业改善企业卫生环境，及时发现生产过程中存在的问题，加以改善。简要的说，GMP要求食品生产企业应具备良好的生产设备，合理的生产过程，完善的质量管理和严格的检测系统，确保最终产品质量（包括食品安全卫生）符合法规要求。
GMP所规定的内容，是食品加工企业必须达到的最基本得条件。
其中饮料工厂良好作业作业规范专则：本规范为饮料工厂在制造、包装及储运等过程中，有关人员、建筑、设施、设备之设置以及卫生、制程及品质等管理均符合良好条件之专业指引，并藉适当运用危害分析重点管制（HACCP）系统之原则，以防范在不卫生条件、可能引起污染或品质劣化之环境下作业，并减少作业错误发生及建立健全的品保体系，以确保饮料之安全卫生及稳定产品品质。
1.3 本课题的提出及意义
灌装机构是用于向容器灌装液体，使其达到由可截断改液体的空气排出孔高度所规定的液面，由于包装容器形态，材料，制成方法等的不同，以及产品物理化学性的要求不同，灌装机得性能，结构也千差万别。
随着现代科学技术的发展，人们生活水平的提高，人们的消费习惯也随之相应的变化，同时对消费品的包装提出了更高的要求，而液态产品的包装在包装行业中占有很大比例，这是由于液体包装涉及的行业广泛、品种繁多，如饮料方面的汽水、果汁、牛奶、矿泉水、蒸馏水、啤酒、果酒等；调味品方面的酱油、醋、味精液、果酱等；药品方面的针剂、糖浆、酊剂、气雾剂等；农药乳剂、化工产品的各种瓶装、化妆品等，要满足日益增长的液体产品的需要，就应大力发展液体产品的包装机械。
本课题的目的在于充分掌握常压灌装机得基本知识前提下，借鉴国内外先进灌装设备
的经验，并对其进行优化设计。在我国常压灌装机产业发展出现的问题中，有一些情况不容乐观。如：1劳动生产率不高，一般情况下都是每分钟几十瓶；2自动化程度不高，技术密集型较低；3相关工业发展不够，一台机器的研究需要涉及到材料、工艺、设备、电子、电器、自动控制等多种学科，要求各相关学科同步、协调地发展，任何学科的问题都将影响包装机械的整体性能。因此，对常压灌装机进行研究具有重大意义。
1.4 设计数据
生产能力：2000瓶/时580ml玻璃瓶
适应瓶型：直径：50—80mm （70mm）
高度：230—280mm （248mm）
材料：玻璃瓶
根据要求，所灌装的液体规定为白酒，密度为0.933103 kg/m3
2 灌装工艺及原理
2.1 液体灌装工艺
不同类型的液料其物理化学性质各不相同，因此对灌装工艺要求存在差异，形成了对阀的不同要求，不同的灌装方法有不同的罐装工艺过。
2.1.1 常压灌装法的工艺过程：
（1）进液并排气，液料灌入容器内，同时将容器内的空气自排气管排出；
（2）达到定量停止进液，容器内液料达到定量要求后，自动停止灌装； （3）排除余液，将进入排气管内的残液排除，为下一次灌装进液排气做好准备。
2.1.2 等压灌装法的工艺过程：
（1）充气等压；
（2）进液回气；
（3）停止进液；
（4）释放压力（释放瓶中残留气体压力，以免瓶内突然降压而引起冒泡，影响定量精度）。
2.1.3 负压灌装法的工艺过程：
（1）瓶内抽真空；
（2）进液排气；
（3）停止进液；
（4）余液回流（排气管中余液经真空室回到储液箱）。
2.2 液体灌装基本原理
2.2.1 灌装方法
液料产品的物理化学特性和产品的销售质量要求决定了相应的灌装方法。液料由储液装置灌进包装容器中常采用以下方法。
（1）常压法灌装
常压灌装是在大气压力下，依靠液体的自重自动流入包装容器内，其整个灌装系统处于敞开状态下工作。常压法主要用于粘度不大、不含二氧化碳、不散发不良气味的液体产品的灌装，如酱油、牛奶、白酒、果汁、醋、果汁等。
（2）等压法灌装
等压法灌装是利用储液箱上部气室的压缩空气，先给空容器充气，使两者内部压力接近相等，然后液料在此密闭系统中靠自重流进容器内。例如：灌装啤酒、汽水、汽酒等含气饮料。采用这种方法灌装，可以减少这类产品中所含二氧化碳的损失，并能防止灌装过程中过量起泡而影响产品质量和定量精度。
（3）负压法灌装
负压法是在低于大气压的条件下进行灌装的，可按两种方式进行：
1）压差真空式
即贮液箱内处于常压，只对包装容器抽气使之形成真空，液料依靠贮液箱与待灌容器间的压差作用产生流动而完成灌装，国内此种方法较常用。
2）重力真空式
即贮液箱内处于真空，包装容器首先抽气使之形成与贮液箱内相等的真空，随后液料依靠自重流进包装容器，因结构复杂，国内较少用。真空法灌装应用面较广，它适用于灌装粘度较大的液体物料，如油类、糖浆等，也可适用于灌装含维生素的液体物料，如蔬菜汁、果子汁等，瓶内形成真空就意味着减少了液料与空气的接触，延长了产品的保质期，真空法还适用于灌装有毒的物料，如农药等，以减少毒性气体的外溢，改善劳动条件。
（4）压力法灌装
利用机械压力或气压，将被关物料挤入包装容器内，这种方法主要用于灌装粘度较大的稠性物料，例如灌装番茄酱、肉糜、牙膏、香脂等，有事也可用于汽水一类软饮料的灌装，这时靠汽水本身的气压直接灌入未经充气等压的瓶内，从而提高了灌装速度，形成的泡沫因汽水中无胶体尚易消失，对灌装
质量有一定影响，但不算太大。
（5）虹吸法灌装
利用虹吸原理完成的灌装方法。此种方法出现最早，人们最容易接受，原理较简单，现在很少使用。
灌装方法的比较与选择：上述几种灌装方法的正确选择，除考虑液体本身的工艺性能，如粘度、重量、含气性、挥发性外，还必须考虑产品的工艺要求，灌装机得机械结构等综合因素。对于一般不含气的食用液料如牛奶、瓶装酒等，可以采用常压法。
2.2.2 定量方法
准确的定量灌装不但与产品的成本有着直接的关系，同时也影响产品在消费者心中的信誉。包装物品的定量一般有重量定量和容积定量两种。重力定量由于要增添称等计量衡器，所以机器的结构比较复杂，适用于比重经常变化的固体物料，且往往要配置一套电路用以几点配合；容积定量机器的定量结构比较简单，一般不需电路配合。液体产品一般采用容积定量，即定容法。常见的有以下三种方案：
（1）控制液位高度定量法
这种方法是通过控制被灌容器中液位的高度以达到定量灌装的目的。因为每次灌装的液料容积等于一
定高度的瓶子内腔容积，故习惯称它为“以瓶定量”。该方法结构比较简单，不需要辅助设备，使用方便，但对于要求定量准确度高的产品不宜采用，因为瓶子的容积精度直接影响灌装量得精度。如图：
图2.1 控制液位高度定量法原理图
1-排气管；2-灌装架；3-螺母；4-弹簧；5-橡皮垫；6-滑套；7-灌装头；8-贮液箱；9-调节螺母
当橡皮垫6和滑套5被上升的瓶子11顶起后，灌装头7和滑套5间出现间隙，液体流入瓶内，瓶内原有气体由排气管1排至贮液箱，当灌至排气管嘴A—A截面时，气体不再能排出，随着液料的继续灌入，液
面超过排气管嘴，瓶口部分的剩余气体只得被压缩，一旦压力平衡，液料就不再进入瓶内而沿排气管上升，根据连通器原理，一直升至与贮液箱内液位水平为止，然后瓶子下降，压缩弹簧4保证灌装头与滑套间的重新密封，排气管内的液料也滴入瓶内，从而完成了一次定量灌装，只要操作条件不变，瓶内每次灌装的液料高度也保持不变。
对于这种定量方法，若改变每次的灌装量，则只需改变排气管嘴进入瓶中的位置。（2）定量杯定量法
这种方法是先将液体注入定量杯中进行定量，然后再将计量的液体注入待灌瓶中，因此，每次灌装的容积等于定量杯的容积。
图2.2 定量杯定量原理图
1-杯；2-定量调节管；3-阀体；4-锁紧螺母；5-密封圈；6-进液管；7-弹簧；8-灌装头；9-透气孔；10-
下孔；11-隔板；12-上孔；13-中间槽；14-储液箱
图2.2所示为直动定量杯的一种结构。在下面没有待灌瓶时，定量杯1由于弹簧7的作用而下降，并并浸入贮液箱的液体中，则箱内的液体沿着其周边流入并充满定量杯。随后待灌瓶由瓶托抬起，瓶嘴将灌装头8，定量杯1一起抬起，使定量杯超出液面，并使进液管中间隔板上、下孔均与阀体3的中间相通，这样定量杯中液体由调节管2流下，经中间隔板的上孔流至阀体3的中间槽，再由隔板的下孔经进液管下端流进待灌瓶中，瓶内空气则由喇叭头上的透气孔逸出，当定量杯中液体下降至调节管2的上端面时，定量灌装则完成。定量杯中容量可由调节管2在定量杯中的高度来调节，也可更换定量杯。
（3）定量泵定量法
这是一种采用压力法灌装的定量方法，一般由动力控制活塞往复运动，将物料从贮料缸吸入活塞缸，然后再压入灌装容器中，由此每次灌装物料的容积用活塞往复运动的行程来控制。
下图是利用定量泵进行定量灌装的原理图。
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