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技術論壇  活塞式液體灌裝機精度試驗研究
活塞式液體灌裝機精度試驗研究2019-11-18

目前,國外自動灌裝機技術已經比較成熟, 我國自動灌裝機灌裝技術水平與國外先進水平相比存在較大差距,國內企業主要依靠引進和仿制國外先進產 品,自主研發能力差,導致國內灌裝設備自動化程 度低,灌裝精度較低⑵。自動灌裝機按灌裝原 理可分為常壓、等壓、負壓和加壓4;按計量方 式可分為液面式、流量計式、稱重式和計量泵式4 類⑶。其中加壓計量泵式自動灌裝機不僅適用于低中高粘度液體灌裝,而且計量精度高、灌裝效率高,因此得到廣泛應用?;釗階遠嘧盎低呈鞘導視τ彌械湫偷募友辜屏勘檬?a class=a2 href='/'>液體灌裝機。面對市場對液體灌裝機精度的要求越來越高的現狀,在2012年國家大學生創新創業訓練計 劃項目“液體灌裝機灌裝頭的優化設計及試驗研究”的 資助下,通過自行構建的活塞式液體灌裝機灌裝試驗 設備,進行了相關的灌裝精度試驗研究,對活塞式高精度液體灌裝機的研發與調試具有一定的 參考意義。

1活塞式液體灌裝機的精度影響因素

目前活塞式液體灌裝機系統的普遍灌裝精度為 W ±1%血,根據活塞式液體灌裝機系統的灌裝原理及結構組成分析,其誤差來源主要有活塞泵內 氣體量、灌裝參數、系統固有特性等。液體灌裝機由于吸液灌 液過程中活塞往復運動的速度不同,導致吸液灌 液過程中活塞泵內的壓強不同,使得吸液灌液中活塞泵內氣體所占的體積不同,造成吸液量與灌液量不相等,產生裝量誤差。液體灌裝機灌裝參數主要有液 料與灌液速度,不同液料的粘度、含氣量等屬性不相同,導致灌裝過程中液體的流態及氣體量不同, 影響灌裝精度。不同的灌液速度方案對活塞泵內的壓強及液體的流態等都會產生影響,從而影響 灌裝精度。因系統機械結構的加工裝配誤差以及 控制系統的控制偏差,導致活塞式液體灌裝機存在系統固有誤差,易引起裝量誤差。

2活塞式液體灌裝系統構建

為了方便試驗研究,活塞式液體灌裝機試驗設備采用??榛杓撲悸?,依據設計和裝配原則,將作品分為吸灌液???、液位跟蹤???、自動控制???,以及檢測??椴糠?/span>,而吸灌液???/span> 又包含計量稱重???/a>、吸灌液驅動???、配流??楹團?/span> 嘴???/span>4個???。

在吸灌液??櫓?,計量稱重???/a>采用活塞式計量 泵,驅動??獒娪盟歐緇鮒樗扛?/span>,配流??椴捎米斗降ハ蚍?/span>;液位跟蹤??橛剎澆緇?/span> 驅動滾珠絲杠實現;自動配料系統控制??椴捎霉惴河τ?/span> PLC作為控制中心;檢測??獒娪米遠浦氐姆椒?。液體灌裝機為了提高試驗設備的可操作性,設計人機交互界面,可以方便地選取和調用灌裝參數,直依據液體灌裝試驗設備原理圖,針對每個模 塊進行設計。試驗設備灌裝過程如下:伺服電 機轉動產生驅動力,在滾珠絲杠的傳動下,帶動活 塞桿上下運動,絲杠與活塞桿之間通過滑塊連接, 為了保證滑塊運動的平穩性,在滑塊左側安裝直線導軌;在伺服電機驅動下,活塞式計量泵的活塞桿上下往復運動,計量泵為圓柱結構,因此活塞 桿運動距離對應著計量泵吸液與灌液的體積; 選用單向閥作為配流機構,在吸液時,進液口單向 閥打開,出液口單向閥關閉;在灌液時,出液口單 向閥打開,進液口單向閥關閉,從而完成吸灌液過程”們;電子秤液體灌裝機灌裝噴嘴通過鋼絲軟管與配流結構相 連,灌裝容器放置在托盤上,液位跟蹤??椴捎貌?/span> 進電機和滾珠絲杠,滾珠絲杠將步進電機的轉動 轉換成托盤的上下運動,從而保證噴嘴到容器液 面距離恒定,減少液體灌裝機灌裝過程中的噴濺、起泡情況。 在人機界面上改變灌裝量、灌液速度等灌裝參數, PLC就能根據輸入的參數向伺服電機、步進電機 發出相應的控制信號,實現不同灌裝參數的試驗。

3活塞灌裝系統精度試驗研究

3.1試驗原理與試驗方法

根據高精度液體灌裝機灌裝的要求,設定該電子秤定量灌裝機的精度指標為在灌裝量150 -550 ml下裝量誤差W ±0.3%。首先,在構建完畢的試驗定量灌裝機上進行初 次固有精度試驗,得出各因素影響下的灌裝總誤 ;然后依次對活塞泵內氣體量、灌裝液料和灌液速度進行精度試驗,得出各因素對灌裝精度的影 響關系,分析得到提高精度的方法;最后采用精度補償的方法對系統的穩定誤差進行補償,達到試 驗設備設定的精度。

3-2試驗條件試驗儀器為活塞式自動灌裝機試驗設備;灌裝物 料為水(粘度值1. 14 mPa s)、飽和蔗糖溶液(粘 度值1.54 mPa - s)、營養快線(粘度值2. 25 mPa s;試驗灌裝對象為600 ml ALKAQUA優質飲用天 然水瓶;試驗溫度為室溫(18T ;灌裝量變化范圍 150 -550 ml;灌液速度為 50 -500 ml/s。

3.3活塞自動灌裝機精度試驗及結果分析

3.3.1固有精度試驗

作為防爆電子秤自動灌裝機試驗設備構建完畢后的首次固有精度試驗,可將灌液量設為一定值來測定試驗設備的固 有精度。通過調查市場上常見礦泉水瓶、飲料瓶 的容量,將該定值設為550 ml。將速度設為275 ml/s勻速,做50次固有精度試驗。處理試驗數據,得出平均灌裝精度誤差為15% ,與設定指標 W ±0.3%相比有很大差距。

3.3.2活塞泵氣體對精度影響試驗

考慮到活塞泵內氣體量偏大,降低了灌裝精度 的問題,根據活塞向下運動時距缸底的最小距離, 計算得到固有精度試驗中處于壓縮狀態下的氣體57血。現通過降低自動灌裝機灌液時活塞的下極限位置減 少氣體量,做3組試驗,每次減少17 ml。為與固有 精度試驗作對比,將灌液量定為550 ml,速度設為 275 ml/s勻速,每組試驗做20次。處理試驗數據, 得出3組的平均灌裝精度,結果如圖2所示。

 由圖2可知第1組試驗平均自動灌裝機灌裝精度誤差為 2. 3%,2組為2.0%,3組為1.9%。由灌裝 精度提高的趨勢可知,第2次排氣之后灌裝精度 已經相對穩定,可知活塞泵內的氣體越少,精度越 高。因此對于活塞式自動灌裝機要嚴格控制活 塞泵內的氣體量,以保證灌裝精度。

3.3.3灌裝液料對精度影響試驗

考慮到不同粘度的液料在防爆電子秤自動灌裝機灌裝過程中的液體流態不相同,低粘度液體與中高粘度液體相比流 動性更好,流態偏向于紊態。并且當吸灌液過程 壓強變化時不同液體的空氣溶解度不同,產生的 起泡量也有所不同。故選取常見的飲品水、飽和 蔗糖溶液、營養快線作為試驗液料做3組試驗。 其中飽和蔗糖溶液和營養快線的粘度較水高,營 養快線的空氣溶解度比水、飽和蔗糖溶液大。設 定灌液量為550 ml,速度為275 ml/s勻速,每組 試驗做20次。處理試驗數據,得出三組的平均灌裝精度。

飽和蔗糖營養快線 灌裝液料

灌裝水的精度比灌裝飽和蔗糖溶液的精度低,而灌裝營養快線的精度比灌裝水的精度低。其原因為飽和蔗糖溶液的粘度較水 ,在灌裝過程中流態更穩定,產生的渦流等現象更少,因而灌裝精度更高。雖然營養快線的粘度比水的粘度高,但是由于營養快線內溶解了更多 的氣體,吸液時泵內的壓強減少導致其析出更多的氣體,從而吸液量減少,降低了精度。

粘度、氣體溶解度為液體的基本屬性,不同液料的粘度值、氣體溶解度各不相等,故灌裝不同的物料時對應著不同的誤差值,因而可針對不同的液料,在灌裝量上賦予對應的補償量來補償誤差, 提高灌裝精度。

3.3.4精度補償試驗

不同自動灌裝機灌裝液料引起的灌裝誤差主要由液料的 屬性決定,而對于整個活塞式自動灌裝機,固有誤差 稱重系統不可改變的機械結構和控制系統決定,因此均可以作為固定值,自動灌裝機采用精度補償的方法對誤 差進行有效地補償。對輸入灌裝量為550 ml,灌液速度為275 ml/s勻速,灌裝液料分別為水、飽 和蔗糖溶液、營養快線的試驗數據進行補償,使其 實際平均灌裝量等于輸入灌裝量550 ml,即裝量 誤差為0。對于灌裝液料為水的補償方法,為改 變程序,把人機界面上的輸入灌裝量加上精度補 償量10 ml后的灌裝量作為實際灌裝量輸入運算 進而控制電機工作。為測定試驗設備是否在試驗 條件范圍內達到預期的精度,現將灌裝量設為 100 ~ 550 ml,50 ml設一組試驗,每組試驗做 20次。處理試驗數據,得出各組的平均灌裝精度。

* 150 -550 ml灌裝范圍內,灌 裝精度在0. 2%以內,達到了設定精度指標 ±0. 3%。對于飽和蔗糖溶液、營養快線采用相同 的方法,分別把輸入灌裝量加上精度補償量9 ml 與精度補償量12 ml后的灌裝量作為實際輸入自動灌裝機灌裝量,進行相同的試驗后發現灌裝精度均達到了 預期目標。

根據試驗結果可知,采用精度補償的方法可 以有效地補償系統固有誤差與液料引起的灌裝誤 差,提高灌裝精度。因此,對于不同的活塞式灌裝 系統和不同的灌裝液料,通過試驗得出對應的精 度補償量,采用精度補償的方法對誤差進行補償, 能有效地提高灌裝精度。

3.3.5灌液速度方案對灌裝精度影響試驗

在相同的自動灌裝機灌裝時間要求下,不同的灌液速度 方案也會對灌裝精度產生影響。確定灌液時間為 2 s,灌裝量為550 ml,設計了 3種灌液速度方案。方案1為先高速灌裝后低速灌裝, 方案2為勻速灌裝,方案3為先低速灌裝后高速 灌裝,每種方案做20次試驗。處理試驗數據,得出每種方案的平均灌裝精度。

當灌裝液面接近瓶口且速度偏高時,會導致液體飛濺到瓶外,降低灌裝精度。而釆用先高速灌 裝后低

灌裝量/ml,速灌裝的灌液速度方案,則既可保證灌液 效率又能避免液面接近瓶口時液體飛濺,保證了 灌裝精度。

4結論

通過以上對活塞式液體灌裝系統的精度試驗 研究,可以得出以下結論:

(1)     對于活塞式液體自動灌裝機,活塞泵內的 氣體量對灌裝精度影響大。在研發和調試高精度 活塞式灌裝機時,應嚴格控制泵內氣體量,以提高 灌裝精度。

(2)     不同活塞式液體自動灌裝機的固有誤差不 ,不同灌裝物料對應的誤差值也不同,但均可作 為定值,通過試驗得出對應的精度補償量,釆用 精度補償的方法減少誤差,提高灌裝精度。

(3)     對于活塞式液體自動灌裝機,不同的灌液 速度方案會影響灌裝精度,而釆用先高速灌裝后 低速灌裝的兩段式灌液速度方案則既可保證灌液 效率又能避免液體飛濺,保證灌裝精度。

 

 

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