固体物料充填机械与设备

固体食品装入包装容器的操作过程通常称为充填。由于性质比较复杂和形状（一般有颗粒状、块状、粉状、片状等几何形状）的多样性，所以总体上固体物料的充填远比液体物料灌装困难，并且其充填装置多属专一性，形式较多，不易普遍推广使用。尽管如此，仍然可以将固体装料机按定量方式分为容积定量、称量定量和计数定量三种类型。

一、容积式充填机

容积式充填机是按预定容量将物料充填到包装容器的设备。容积充填设备结构简单，速度快，生产率高，成本低，但计量精度较低。容积法定量形式有：容杯式、转鼓式、柱塞式和螺杆挤出式等。

（一）容杯式充填机

容杯式充填机利用容杯对固体物料进行定量充填。图11-16所示为一种容杯式充填机构，主要由装料斗、平面回转圆盘、圆筒状计量容杯及活门底板等组成。回转圆盘平面上装有粉罩及刮板，粉料从供料斗送入粉罩内，物料靠自重装入计量容杯内，回转圆盘运转时，刮板刮去多余的粉料。已装好粉料的定量杯，随圆盘回转到卸料工位时，顶杆推开定量杯底部的活门底板，粉料在重力作用下，从定量杯下面落入漏斗，进入瓶罐内。

该机的计量容杯是固定不变的，但可以更换。因此，若需要改变填充量，可更换另一种不同容积的定量杯。尽管如此，这种设备只能用于视密度非常稳定的粉料装罐。

图11-16 容杯式定量填充机构示意图

对于视密度易发生变化而定量精度要求较高的物料，可采用如图11-17所示的可调式定容杯机构。

可调容杯由直径不同的上、下两节杯筒构成，通过调整上、下杯筒的轴向相对位置，可实现定量容积的调节。这种容杯的容积调整幅度不大，主要用于同批物料的视密度随生产或环境条件发生变化时的调整。

图11-17 可调容杯定量机构示意图

容杯调整有手动及自动两种方法。手动调整方法是根据装罐过程检测其重量波动情况，用人工转动调节螺杆的手轮，使下（或上）杯筒升降来实现。自动调整方法是利用物料视密度的在线检测电讯号作为容杯调节系统的输入信号，根据此信号，自动调节机构完成相应的调整动作。

（二）螺杆式定量填充机

螺杆式定量填充的基本原理是，螺杆每圈螺旋槽都有一定的理论容积，在物料视密度恒定的前提下，控制螺杆转数就能同时完成计量和填充操作。由于螺杆转数是时间的函数，因此，实际控制中螺杆转数可通过控制转动时间实现。为了提高控制精度，还可以在螺杆上装设转数计数系统。

螺杆式定量填充机如图11-18所示。用作定量的螺杆螺旋必须精确加工。螺杆螺旋的截面常为单头矩形截面。定量螺杆通常垂直安装，粉料充满全螺旋断面中。要恰当选择螺旋外径与导管间配合的间隙。导管内的螺杆螺旋圈数一般大于5个为宜。

图11-18 螺杆式定量填充机

螺杆式定量填充机适用于装填流动性良好的颗粒状、粉状、稠状物料，但不宜用于易碎的片状物料或密度较大的物料。

（三）转鼓式计量设备

转鼓形状有圆柱形、菱柱形等，定量容腔在转鼓外缘。容腔形状有槽形、扇形和轮叶形，容腔容积有定容和可调的两种，图11-19所示是一种可调容腔的槽形截面转鼓式定量装置。通过调节螺丝改变定量容腔中柱塞板的位置，可对其容量进行调整。

（四）柱塞式计量设备

柱塞式充填机通过柱塞的往复运动进行计量（图11-20），其容量为柱塞两极限位置间形成的空间大小。通过调节柱塞行程可改变单行程取料量，柱塞缸的充填系数K需由试验确定，一般可取K=0.8～1.0。

图11-19 转鼓式定量装置示意

图11-20 柱塞式充填机简图

柱塞式充填机的应用比较广泛，粉、粒状固体物料及稠状物料均可应用。

二、重量式定量充填机械

重量式定量充填机是按重量对物料进行定量和充填的机械，常用于松密度不均匀、不稳定和形体不规则的块状、颗粒状、粉体枝状物料定量充填。重量式定量的精度主要取决于称量装置的精度，一般可达0.1%。因此，对于价值高的物品多用重量式定量。

目前，重量式充填机械一般采用净重法称量，即先称取预定重量的物料，再将称好的物料排入包装容器。这种称量方法可以避开容器重量的影响。因此，重量式充填机械总体上可以分为定量和容器输送两部分，其中定量部分是关键，它决定了填充设备的生产能力和精度等。

称重定量可以有间歇式、多头秤式和连续式三种方式。(www.xing528.com)

（一）间歇式重量定量充填机

间歇式重量充填机的称重操作如图11-21所示，料斗中的物料通过供料器将输送到计量容器中，并由（机械或电子）秤连续称量容器中的物料，当称量值达到预定重量时，供料器即停止供料，同时将计量容器中的物料排入包装容器。

图11-21 间歇式称重定量原理

目前间歇式称重定量装置的供料器有两种型式，一种是振动式，另一种是螺旋式。供料部分是整个定量装置的关键部分，其供料速度决定了称量系统的精度和工作效率。有时为了提高充填计量精度并缩短计量时间，可采用分级进料方法，即大部分物料采用高速喂料，剩余小部分物料微量喂料。采用电脑控制，可分别对粗供料和精供料进行称量、记录、控制。尽管如此，间歇式重量定量充填机因供料速度不快，总体工作效率不太高。

（二）多头秤式定量装置

多头秤也称为组合秤、电子多头秤、组合包装秤等。图11-22所示为一台多头秤的外形，主要由料斗、主振料盘，以及多个线振器、存料斗及称量斗所组成，其中每组线振器、存料斗和称量斗构成一“头”。利用电脑对从多头秤中选取若干“头”单元载荷量进行自动优选组合，可以得出最接近目标重量的组合值。一旦组合选定，便可将相应称量斗中的物料放入下方的料斗，使其落入下方准备好的装料容器。

图11-22 多头秤

电脑组合秤称量器数有8、10、12、14、16和24头，甚至更多。

多头秤的主要特点：称重速度快，例如，10斗和14斗的称重速度可分别达70次/min和120次/min；动态称重精度高，一般范围在±（0.1～2.0）g；自动化程度高，可与提升机、包装机形成一体自动完成定量包装系统。

（三）连续式重量定量充填机

连续式称重充填机在连续输送过程中通过对瞬间物流重量进行检测，并通过电子检控系统，将物料流量调节控制为给定量值，最后利用等分截取装置获得所需的每份物料的定量值。连续式称重装置按输送物料方式分为电子皮带秤和螺旋式电子秤。连续式称重装置的基本组成有：供料料斗、可控喂料装置、瞬间物流称量检测装置、物料载送装置、电子检控系统及等分截取装置等，可简化如图11-23所示。充填机应用的电子皮带秤常与同步运转的等分截取装置配合使用，后者将皮带秤输送带上的某段物料截分为若干份相等的充填量。

图11-23 连续式电子秤基本组成

三、计数式定量充填设备

计数式充填设备按预定件数将产品充填至包装容器。按其计数方式不同，这类设备可分为单件计数式和多件计数式两类。单件计数式采用机械、光电、扫描等方法对产品逐件计数。多件计数式则以数件产品作为一个计数单元。多件计数充填机常采用模孔、容腔、推板等装置进行一次多件计数。

（一）模孔计数装置

模孔计数法适用于长径比小的颗粒物料，如颗粒状巧克力糖的集中自动包装计量。这种方法计量准确，计数效率高，结构也较简单，应用较广泛。模孔计数装置按结构形式分为转盘式、转鼓式和履带式等。

图11-24所示为转盘式模孔计数装置，在计数模板上开设有若干组孔眼，孔径和深度稍大于物料粒径，每个孔眼只能容纳一粒物料。计数模板下方为带卸料槽的固定承托盘，用于承托充填于模孔中的物品。模板上方装有扇形盖板，刮除未落入模孔的多余物品。在计数模板转动过程中，某孔组转到卸料槽处，该孔组中的物品靠自重而落入卸料漏斗进而装入待装容器；卸完料的孔组转到散堆物品处，依靠转动计数模板与物品之间的搓动及物品自重，物品自动充填到孔眼中。随着计数模板的连续转动，便实现了物品的连续自动计数、卸料作业。

图11-24 转盘式模孔计数装置

转鼓式模孔计数装置在转鼓外圆柱面上按要求等间距地开设出若干组计数模孔，随着转鼓的连续转动，实现连续自动计数作业。履带式模孔计数装置则在履带式结构的输送带上横向分组开设孔眼。

（二）推板式计数装置

规则块状物品有基本一致的尺寸，当这些物品按一定方向顺序排列时，则在其排列方向上的长度就由单个物品的长度尺寸与物品的件数之积所决定。用一定长度的推板推送这些规则排列物品，即可实现计数给料目的。该装置常用在饼干、云片糕等包装，或用于茶叶小盒等的二次包装等场合。如图11-25所示，待包装的规则块状物品经定向排列后由输送装置送达两块挡板之间，然后由推板推送物品到裹包工位。挡板之间的间隔尺寸b即是推板所计量物品件数的总宽度。

（三）容腔计数装置

容腔计数装置根据一定数量成件物品的容积基本为定值的特点，利用容腔实现物品定量计数。图11-26所示为容腔计数装置工作原理图。物品整齐地放置于料斗中，振动器促使物品顺利落下充满计数容腔。物品充满容腔后，闸板插入料斗与容腔之间的接口界面，隔断料斗内物品进入计数容腔的通道。此后，柱塞式冲头将计数容腔内的物品推送到包装容器中。然后，冲头及闸板返回，开始下一个计数工作循环。这种装置结构简单、计数速度快，但精度低，适用于具有规则形状的棒状物品且计量精度要求不高场合的计数。

图11-25 推板定长计数喂料装置工作原理图

图11-26 容腔计数装置工作原理

另外，充填机还可按产品的受力方式不同分为推入式、拾放式、重力式等。推入式充填机是用外力将产品推入包装容器内的机器；拾放式充填机是将产品拾起并从包装容器开口处上方放入容器内的机器，可用机械手、真空吸力、电磁吸力等方法拾放产品；重力式充填机是靠产品自身重力落入或流入包装容器内的机器。