高效液体物料装载设备方案

这类机械设备只用于对液体物料定量并将定量液体装入适当的容器，通常称为灌装机。灌装机所用的容器，一般具刚性，可独立保持自身形状，例如，玻璃瓶、塑料瓶及金属罐头等。瓶装或罐头的含气或不含气饮料，均需使用灌装机装料，一些带汁罐头的汁液，也可用灌装机装料。

一般灌装机要完成的工艺步骤有：①送进包装容器；②按工艺要求灌装产品；③将包装物送出。从灌装机出来的装有液料的容器，有待进一步利用封口机械设备封口。

一、灌装机基本构成及类型

（一）基本构成

由于存在物料性质、灌装工艺、生产规模等方面的差异，因此，食品液体灌装机的类型相当繁多。尽管如此，各类灌装机的基本构成是相似的，主要由以下几部分组成：定量机构、瓶罐升降机构（若瓶罐上下固定不动，则装料机构应有升降机构）、装料机构、瓶罐输送机构及传动、控制系统等。

（二）灌装机类型

灌装机类型很多，如表11-1所示，通常可按容器的运动方式和灌装时容器的压力环境分类。

表11-1 灌装机分类

旋转型灌装机中的包装容器在灌装操作中绕机器主轴作旋转运动。灌装过程为完全连续式，生产能力大。回转体半径越大，其生产能力也越大。直线移动型灌装机中的包装容器按直线方式移动。其灌装过程通常为间歇式，即灌装时，几瓶同时静止灌装，然后再同时离开灌装工位。这种灌装机的结构简单，适合于小批量多品种的生产。

根据灌装时容器内的压力状态，灌装机可分为常压式、等压式和真空式三类。每一类又因定量方式不同还可有不同型式。

二、定量方式

根据液体性质、包装容器形状以及灌装方式，常见定量形式有液位式、量杯式和定量泵式三种，其他形式还有时控式、重量式和流量计式等。

（一）液位式

图11-1 控制液位定量示意图

液位式定量原理，是根据液体在被灌装容器内位置，确定灌装量。确定液体在容器中的位置通过传统的液体定量机构方式实现，也可通过液位传感器方式实现。两种形式均只根据液体在容器内的高度定量，故其定量精度直接受瓶子的几何精度影响。

传统液位定量机构原理如图11-1所示，它通过调节插入容器内的排气管高度控制液位，达到定量装料目的。当液体从进液管注入瓶内时，瓶内的空气由排气管排出，随着液面上升至排气管时，因瓶口被碗头压紧密封，上部气体排不出去，液体继续流入时，这部分空气被略微压缩，稍超过排气管口瓶内液面就不能再升高。根据连通器原理，液体还可从排气管上升，直到与供液槽有相同液位为止。瓶子随托盘下降，排气管内的液体立即流入瓶内，至此定量装料工作完成。所以，改变排气管插入瓶内的位置，即可改变其装料量。

这种定量方式要求灌装时容器密封，适合于常压、等压和真空状态灌装。但不适用于容器因与灌装头密封受压，或相对于环境处于正压或负压状态而会发生变形的场合。这种定量原理可以结合在不同形式的灌装头中。具体例子参见后文中滑阀式常压灌装阀结构原理图。

电子式液位传感器装在容器外面，并不要求容器密封。当容器内液体达到传感器对应位置时，传感器会发出信号给控制器，使灌装阀关闭进液。这种液位定量方式主要适用于不含气饮料的灌装。

（二）量杯式

对于装料精度要求较高、黏度低的液体，可用量杯式定量方式。定量依靠杯内细管子在灌装前或灌装结束时的相对位置实现。

定量杯机构如图11-2所示。当旋塞将供液槽与定量杯连通时，液体靠静压力（与贮液槽相连的）通过进液管进入定量杯，当杯内的液面到达细管的下端时不再升高，但细管中的液位还将上升，直至与贮液槽内液位相平，如此，使定量杯中液体得到定量。将旋塞旋转90°，定量杯中液体由灌装嘴流入瓶、罐之中。

这种机构定量比较准确，密封性好，但不适合含汽液体的装料。

量杯定量还可以通过其上升过程实现，如图11-3所示。定量杯相对于贮液槽在定量和灌装时发生升降运动。量杯在其杯口位置低于贮液槽液面位置装满液体，然后开始上升，上升到杯口高于液面时，与定量杯相连的灌装阀开启，使液体灌入瓶子，当定量杯内的液面与杯内的定量调节管（同时也是放液管）口相平时，杯内的液体不再能够往下流动。从而完成一次定量灌装。

图11-2 旋塞式定量杯机构示意图

图11-3 升降式量杯机构示意图

（三）定量泵式

这种定量机构利用活塞泵腔的恒定容积定量，灌装量的大小通过调节活塞行程实现。如图11-4所示，可将定量泵与贮液槽、进料排料阀体及灌装头紧凑地整体配合在一起。定量泵也可通过卫生软管与贮液槽及灌装头相连接，从而可以较灵活地安排灌装机构与贮液槽。

图11-4 滑阀活塞泵定量机构示意图

（四）其他定量方式

1.重量式

重量式定量是在每个灌装工位设称重器，当灌装液与容器的重量达到预重量时，通过适当方式截止灌装液流便达到定量灌装目的。

2.时控式

时控式定量是设法使灌装机加液管的流量恒定，这样，灌装的液体量与加液管的开启时间成正比。因此只要控制灌装时间，便可控制灌装量。

3.流量计式

利用一定形式的流量计，测量灌装头液体管道所流过液体量。流量计通常与电子计量控制系统结合，用于开启和停止料液的流动。此法计量精确，但价格较贵，一般仅用于较大容量（如18.6L）容器的液体定量灌装。

三、灌装方式与装置

根据与液体灌装时各空间的压力状态，灌装方式可以分为常压灌装法、等压灌装法、真空灌装法和加压灌装法等。

（一）常压法灌装

常压法灌装是一种最简单最直接的灌装形式，也是应用最广泛的装填灌注方式之一。它的特点是，灌装时容器与大气相通。它可有两种方式，分别用于低黏度液体和黏稠物料灌装。

1.低黏度料液的灌装

在常压式灌装中，液料箱和计量装置处于高位，包装容器置于下方，在大气压力下，液料靠自重经导液管注入容器中。这种灌装方法适用于低黏度不含气料液，如牛乳、白酒、酱油等的灌装。

常压法灌装中常用的滑块式灌装阀如图11-5所示。它是一种液位定量式弹簧灌装阀。其进液管及排气管的开闭通过瓶子的升降实现。当瓶子在低位时，由弹簧通过套筒将阀门关闭；瓶子上升将阀打开，进行灌装，瓶内的空气通过排气管排出；完成后阀门随着瓶子的下降回到关闭状态。

图11-5 滑阀式常压灌装阀结构原理图

2.黏稠料液的灌装

由于常压法灌装并非一定要求容器口与灌装阀配合密封。因此，黏稠料液的灌装可以采用图11-4所示的滑阀活塞泵方式进行定量灌装。容器在灌装过程中始终与大气相通，不需要有专门的排气管。

（二）等压法灌装

含气饮料灌装前已经存在CO₂，为避免CO₂在灌装过程中损失，需要采用等压灌装法。等压灌装的基本原理是先用压缩（CO₂或无菌空气）气体给灌装容器充气，待灌装容器与灌装机贮液槽压力接近相等时，料液靠自重流入容器内。按此原理，通过贮液槽结构和供气排气方式变化，可构成不同形式的等压灌装装置。

图11-6 等压灌装过程示意图

一种单式等压灌装机如图11-6所示。其灌装阀有三个阀管，即供液管、供气管和排气管（定量管）。每个灌装周期可以分为四个步骤：①充气等压；②进液回气—完成灌装；③推气卸压和④排除余液。四个步骤中三个阀管的启闭状态见表11-2。(www.xing528.com)

表11-2 等压灌装过程中三个阀管的启闭状态

这种装置在一个贮槽内同时贮液和气，结构上比较简单。但可以发现，每次灌装必然会将空瓶中的空气带入贮液槽内。

图11-7所示的三室式等压灌装装置的灌装过程基本与上述情形相似，但灌装时瓶内回气进入独立的回气（C）室，因此，可避免每次灌装有空气进入贮液区的现象。

（三）真空法灌装

真空法灌装原理是：先对被灌装容器抽真空，再使贮液箱的液料在一定的压差或真空状态下注入待灌装容器。这种灌装法分为两种形式：其一是灌装容器和贮液箱处于同一真空度，液料实际是在真空等压状态下以重力流动方式完成灌注；其二是灌装容器真空度大于贮液箱真空度，液料在压差状态下完成灌注。后一种形式可大大提高灌装效率。

真空法灌装应用范围很广，适用于富含维生素的果蔬汁饮料灌注，以及各类罐头的糖水、盐水、清汤等的灌注。由于灌装过程需要抽真空，因此其结构原理和常压或等压式灌装机不同，有其独特一面。

真空灌装机有多种结构形式，按其贮液箱和真空室的配置，主要分为单室式、双室式及三室式等。

1.单室式真空灌装机构

所谓单室式，是指真空室和贮液箱合二为一，灌装机不设单独的真空室。该机型结构如图11-8所示。图中，液料由输液管进入，通过浮子控制进液阀（图中未画出）的开闭，从而维持贮液箱适当的液面高度。贮液箱顶部安装有真空管，连接真空泵，在工作时通过真空泵抽气，使贮液箱内达到一定的真空度。当待灌瓶子被托瓶台顶升压合灌装阀时，瓶内空气由灌装阀的中央气管抽入贮液箱液面上方空间。当瓶内真空度达到一定值时，贮液箱内液料靠重力流入瓶内，进行装填灌注。

图11-7 三室式等压灌装机构

A—液室 B—背压室 C—回气室

图11-8 单室式真空灌装机结构

单室式真空灌装过程及所用的阀与等压灌装法类似，所不同的是，先使瓶内与贮液槽内处于相近真空度条件，然后进行液位定量的等压（等真空度）灌装。

单室式真空灌装机的优点是结构简单，清洗容易，对破损瓶子（由于无法抽气）不会造成误灌装。但由于贮液箱兼作真空室，使液料挥发面增大，对需要保持芳香气味的液料（例如，果蔬原汁等）会造成不良影响。

2.双室真空灌装机构

图11-9 双室真空灌装机结构示意

双室式真空灌装机构如图11-9所示，采用独立的真空室，与贮液箱分离。工作时，空瓶上升将灌装阀密封胶垫压紧，形成瓶口密封。瓶内空气随即通过抽气管排出，进入真空室内，因此，瓶内形成一定的真空度。接着，贮液箱内的液料在压差作用下，通过吸液管注入瓶中。瓶中液面在升至抽气管下端时，液料开始沿抽气管上升，直至与回流管的液柱等压为止，灌注完成。随后，关闭灌装阀，瓶子下降脱离灌装阀。抽气管内的余液在下一次灌装开始时先被吸入真空室内，再经回流管流入贮液箱。

显而易见，双室式真空灌装机比单室式的灌装速度要快，而且液料挥发量较少，但其结构较单室式要复杂，清洗也没有单室式方便。另外，由于真空室和贮液箱分离，而贮液箱是处于常压状态的，当回流管与真空室连通时，在工作中难免会产生液气波动，状态欠稳定。

3.三室真空灌装机构

三室式真空灌装机如图11-10所示，可避免双室式真空灌装机产生的液气波动问题。在三室式机型中，有两个真空室，其中下真空室为过渡性真空室，它与贮液箱连通，可以保证稳定的灌装工作状态和良好的气液密封性。

图11-10 三室式真空灌装机构

三室式真空灌装机的真空度较前两种机型大幅度提高，而且液流状态也较稳定，但结构更复杂，密封性要求更高。

四、容器升降机构

容器升降机构主要出现在回转型灌装机，其作用通常有两个方面：一是使阀管进出容器内；二是利用容器升降机构控制阀管的开闭。直线型灌装机一般没有容器升降机构，相反其灌装用的阀管是可升降的。

灌装机的容器升降机构有三种形式，即机械式、气动式和气动—机械混合式。

（一）机械升降机构

机械式升降机构也称为滑道式升降机构，是采用（固定）圆柱形凸轮机构与偏置直动从动杆机构相结合方式，对瓶罐高度进行控制的机构。图11-11所示为圆柱凸轮导轨展开图，装在灌装回转体偏置直动从动杆上的容器托（其上放置容器）随回转体旋转时，从基线位沿导角为α的斜坡上升到h高度，在此h高度水平位置保持一段时间后，又沿导角为β的斜坡下降到基线位置。因此，容器在灌装过程中同时产生回转和上下复合运动。

图11-11 凸轮导轨展开图

1、5—最低位区段 2—上升行程区段 3—最高位区段 4—下降行程区段

这种升降机构结构简单，但机械磨损大，压缩弹簧易失效，可靠性较差，同时对瓶罐的质量要求较高，主要用于灌装不含气液料的中小型灌装机。

（二）气动式升降机构

气动式升降机构如图11-12所示，容器托与活塞气缸的活塞相连；活塞气缸固定在灌装回转体上，随回转体一起转动。容器升降由气缸活塞两侧气压差控制，此气压差随回转相位而发生变化。

图11-12 气动式容器升降机构

这种升降机构克服了机械式升降机构的缺点（当发生故障时，瓶罐被卡住），当发生故障时，压缩空气室如弹簧一样被压缩，瓶托不再上升而不会挤坏瓶罐。但下降时冲击力较大，并要求气源压力稳定。该机构适用于灌装含气饮料的灌装机。

（三）气动—机械混合式升降机构

这种升降机构如图11-13所示，它结合了机械和气动升降机构的优点。气筒内压缩空气始终如弹簧一样托住气缸（活塞为固定），气缸升降轨迹则由朝下的凸轮机构规定。所以这是一种由凸轮推杆机构完成瓶罐升降，由气动机构保证瓶罐与灌装阀件柔性接触的组合型升降机构。

图11-13 气动—机械式升降机构示意图

这种机构使瓶罐在上升的最后阶段依赖于压缩空气作用，由于空气的可压缩性，当调整好的机构出现距离增大的误差时依然能够保证瓶子与灌装阀紧密接触；而出现距离减小误差，瓶子也不会被压坏。下降时，凸轮将使瓶托运动平稳，速度可得到良好控制。

这种升降机构结构较为复杂，但整个升降过程稳定可靠，因而得到广泛应用。

五、容器输送机构

容器输送机构主要用于将外围瓶罐输入灌装机和将灌装后的瓶罐从机中输出。一般瓶罐通过链板式输送带将瓶子传递给灌装机，又将灌装后的产品传递给输送带，送往下道包装工序。链带与灌装机之间一般通过螺旋、拨轮机构进行衔接。

（一）圆盘输送机构

图11-14所示的圆盘输送机构是一种常用的集中式瓶罐供送装置。瓶罐存放在回转的圆盘上，借惯性及离心力作用，移向圆盘边缘，在边缘有挡板挡住瓶罐以免掉落，在圆盘一侧，装置有弧形导板，它与挡板组成导槽，经螺旋分隔器整理，进行等距离排列，再由爪式拨轮拨进装料机构进行装料。

（二）链板、拨轮输送机构

链板、拨轮输送机构如图11-15所示，经过清洗机洗净检验合格的瓶罐，由链板输送机送入，由（右侧）四爪拨轮分隔整理排列，沿定位板进入装料机构进行装料，经由（左侧）四爪拨轮拨出，由（左侧）链板式输送机带走，完成输送瓶罐工作。

图11-14 圆盘输送机构示意图

图11-15 链板、拨轮输送机构示意图