实验动物瓶装饮用水自动灌装机设计

周建丽 苏铭

摘 要：人类健康问题的研究结果，最终需要通过动物实验来验证。因此，对实验动物的生活环境尤其是饮食条件需要严格要求。本文在了解了饮用水自动灌装机的基本原理和结构基础上，设计了一款专门用于实验动物的饮用水自动灌装机，该灌装机可以适用一些低粘度的液体灌装，具有结构简单，低成本等优点，适合当前市场需求，具有良好的应用价值。

关键词：实验动物 灌装机 电气控制

中图分类号：TB486 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

在物质生活水平大幅度提高的今天，各种疑难杂症的出现，导致人类对自身的健康问题越来越重视。医学对实验动物研究的根本目的就是通过对实验动物生命现象的研究来要探索人类疾病的发病机制，并且寻找出预防疾病以及治疗疾病的方法。因此，实验动物作为生命科学实验的研究对象其生活环境尤其是饮食条件需要严格要求。饮用水作为实验动物每天所必须的能量来源之一，其灌装过程基本由自动灌装机完成，尽可能地减少人工干预。

1 灌装机总体结构设计

按灌装瓶的进给方式形式可将灌装机分成：旋转盘式灌装机、直线式灌装机等。

（1）旋转盘式灌装机

该式灌装机进瓶机构呈圆盘转台状，圆盘转台上有若干个工位对应灌装瓶。待灌装瓶由传送装置如传送带送入灌装机进瓶机构，并定位于圆盘转台上的工位中，进行灌装。灌装好的灌装瓶再由传送装机构，随着电机的转动最后将灌装好的产品传送到下一个工序。

（2）直线式灌装机

该式灌装机利用直线型传送带，将待灌装瓶成排放置在传送带上，由推瓶板将空的灌装瓶向前推送至灌液管的下方，进行灌装，再由传送带将灌装好的瓶子传送至下一个工序。

本次设计实验动物饮用水灌装机灌装瓶规格为250ml/500ml塑料瓶，要求灌装能力为250ml/3000 瓶每小时；500ml/2500 瓶每小时。灌装时间为250ml <6s 每次；500ml <6.1s 每次。因此，选择直线型灌装机比较合理。

2 灌装机液料供送系统的设计

2.1 输送管路的设计

灌装机液料供送管路一般以圆管为主。假设输液管管道内径为d（m），灌装液体在输液管内的流速为u（m/s），流量为V（m3/s），则管道内径可由下式得到。

流量V可由下式得到。

其中：

W-----管内质量流量（kg/s）

ρ-----液体的密度（kg/m3）

Gb-----每瓶灌装液体的质量（kg）

Qmax-----灌装机的最大生产能力（pcs/h）

由前文所述要求可得

250ml：V=0.00097（m3/s）

500ml：V=0.00194（m3/s）

根据流体力学中的连续性方程可知在保持输送管流量恒定的情况下，提高液体的灌装速度可减少输送管管径使得设备投入费用减少，但是要增加提速所需要的输送液料动力。因此，在设计的要求中，应该根据实际情况，选择适当的速度，根据系统的设计要求，可根据文献[3]的内容，可得饮用水的流速u=3m/s，则输送管管径为100mm。

2.2 灌装时间的计算

由于灌装液体定量方法的不同以及灌装阀管口伸至瓶内位置的不同，灌装时间也有所有不同。设定量杯的横截面积为定值A0，当定量杯中液料距离管口的高度为Z 时，其瞬时流量为：

则定量杯中的液料全部注入待灌装瓶内所需的灌装时间为：

式中， Z1------定量杯中充满液料时距离管口的高度m；

Z2------定量杯中流完液料时距离管口的高度m；

则相应的灌装时间为：t=3.3（s），灌装时间满足使用的要求。

2.3 灌装机储液箱设计

储液箱的容量设计，要保证液体的充填，最低可以填补，最大不会溢出。因此要确保储液液箱的底面高出定量杯，但不能高于定量杯的最高水平位置。通常储液箱的长度、宽度、高度的比例为1：1：1～3：2：1。在此基础上，结合加热、冷却和热平衡原理，确定储液箱的的大小为长度900mm、宽度600mm、高度300mm。此外，为了避免液体腐蚀箱体内壁，箱体内壁需进行涂层处理。

3 灌装机控制系统的设计

3.1 主回路设计

根据设备电气传动的要求，由开关QF引入380V三相交流电源；由接触开关KM1 控制电动机M的启闭；由热继电器FR 实现电动机M 的过载保护，而短路保护由熔断器FU 实现。

3.2 控制电路的设计

设备操作板上设置有启动SB1和停止按钮SB2 ，通过启动和停止按钮可与接触开关KM3组成自锁的启停控制电路。

3.3 控制线路的工作原理

合上开关QF 引入380V三相交流电后，按下启动按钮SB1，常开触点KM3 闭合，电动机转动，输送机开始输送，当有箱子碰到行程开关SQ1 时，接触器KM2 通电，接触器KM2 通电带动通电延时继电器KT1 通电（时间设置为从液体灌装箱到瓶子的整个灌装时间），接触器KM2 通电，接触器KM2 通电带动溢流阀，开始完成对饮用水的灌装。接触器KM2 通电，接触器KM2 通电带动失电延时继电器KT2 通电（时间设置为从液体灌装箱到瓶子的整个灌装时间），在设置的时间过后，时间继电器KT2 常开触点闭合，使得接触器KM4 通电，KM4 自锁，使得接触器KM2 失电，灌装结束。接触器KM2 通电，接触器KM2通电带动通电延时继电器KT3 通电（时间设置为灌装的整个时间加上饮用水箱后端离开行程开关的时间），在KT3 设置时间过后，接触器KM4 断电，其常闭触点闭合，使得接触器KM2可以进行下一次的灌装。接触器KM2 在次得电后，接触器KM1 得电，带动电动机开始转动，输送机输送灌装后的灌装瓶箱到下一工位。

4 结语

本次设计从实验动物饮用水灌装要求出发，从机械和电气两个方面对灌装机供送系统进行设计计算。本灌装机械结构简单合理、灌装精度高、操作简单、工作可靠性高等优点，适合当前市场需求，具有良好的应用价值。

参考文献

[1] 张永斌，傅江南等. 实验动物在医学创新研究与发展中的作用[J].实验室研究与探索，2015（7）.

[2] 顾元国.一种自动玻璃瓶灌装机[J].長春工业大学学报（自然科学版），2013（6）.

[3] 许德群，王延江.桶装称重式自动液体灌装机的设计[J].包装与食品机械，2014（12）.

[4] 周燕芳，陈志明等.全自动液体灌装机进瓶系统的改进设计[J].机电信息，2017（2）.