一种真空式灌装阀的设计

绪论：

本文中论述的真空工灌装阀材料为SUS316L 不锈钢，密封材料为PTFE 和硅胶，所有先用的材料均符合食品级要求，在结构设计方面，避免卫生死角，便于设备的CIP 清洗及拆卸检修清理，下图1 为灌装阀的设计装配图。

图1 灌装阀装配图

1 灌装阀数量设计

本项目主要的设计要求灌装容量为150ml，灌装速度为1000瓶/小时。流量计算公式：

其中R 为通径，根据瓶口内径尺寸确定阀芯孔径为4.5mm，为液体密度1.15*10³kg/m³，破真空阀选用的密封压力为0.2bar，设定抽真空压力P 为0.1bar，代入计算得Q=66ml/s，因此大约3s 灌装一瓶，但加上辅助时间，单个灌装阀工作的时间约10s，因此灌装阀数量为6 个，灌装时间测算约为18s，因此可以计算出灌装速度约为1200 瓶/小时。

2 主要部分设计

阀体：阀体安装在灌装机的升降支架上。图1 中M10*1.5 螺纹用于安装阀芯，另外的就是阀芯调节高度的机构。M16*2 螺纹用于安装进料套管，￠20mm 外圆主要考虑是作为复位弹簧导向作用。￠17mm 的内圆表面主要与滑套和滑动密封进行配合，滑动密封选用的是V 型泛塞密封，材质为PTFE，有良好的密封作用，且具有良好的化学稳定性和耐低温与高温的特点，无毒害，另外是具有良好润滑性。

阀芯：当液位到达阀芯下端面时即会通过￠4.5mm 的通孔进行回流，从而确保液位，M10*1.5 的螺纹与阀体对应的螺纹配合实现安装高度调节，￠9mm 的凹槽用于安装密封垫，滑套在弹簧的作用将滑套的下端面压在密封垫上，从而防止不工作的情况下液体从滑套内孔泄漏。

滑套：通过压在瓶口，滑套向上运动，灌装阀打开，离开瓶口时通过复位弹簧的作用，滑套向下运动，直到压在阀芯的密封垫上，灌装阀关闭。￠17mm 外圆为相对滑动面，与阀体的￠17mm 内圆配合。￠13.8mm 的凹槽用于安装滑动密封。￠10.5mm 内圆是液体流经的表面，内圆表面粗糙度设计为Ra0.8。M28 螺纹选用螺距为1.0mm 的细牙螺纹，这是由于这段螺纹总长只有5mm，另外细牙螺纹有较好的自锁性，更适合于这工况。

弹簧：为确保关阀情况下的密封效果，弹簧保留一定的压紧力。滑套的密封垫与瓶口接触，滑套被顶起，弹簧受挤压，弹簧的弹力将滑套的密封垫与瓶口压紧，防止灌装过程中泄漏。根据标准GB1358-1978，初步选定弹簧的线径￠17mm、弹簧中径￠23mm、弹簧的自由高度50mm 和有效圈数（n=10）。

从灌装阀的装配图测试灌装阀关闭时弹簧的长度为46mm，开阀时长度为39mm，从选型的弹簧数据可计算弹簧的最大压缩量为30mm。另外弹簧的材质选定SUS302，这种材质有良好的耐腐蚀性。

弹簧密封压力计算：

当阀关闭时Δl=4mm，当阀打开时Δl=11mm，k 为弹簧钢度，G 为弹簧材料的切变模量，查表GB/1239.6-1992 得G=73000Mpa，D2 为弹簧中径￠23mm。计算关闭时弹簧的压力约为5N，打开时弹簧的压力约为13N。对弹簧压力做模拟测试，使用套筒施加压力在密封垫上，套筒的尺寸及材质均按实际的滑套及瓶口的尺寸及材质，施加外力大小为弹簧计算的压力，密封垫的材质按灌装阀的密封材质。模拟关阀时的实验时，施加压力后静置24 小时观察套筒与密封垫之间是否有液体泄漏，模拟开阀时的实验时，施加压力后进行摇晃15 分钟，观察是否有液体泄漏。通过实验确认弹簧的压力能够满足灌装阀的密封要求。

弹簧疲劳强度计算：弹簧设计使用寿命为180 天，每天工作8小时，每小时工作1200 次，因此寿命期内弹簧的循环次数N 约为1.7*106 次。从机械设计手册中查阅得知当N＞106，τ0=33σb，τ0 为弹簧材料循环剪切疲劳极限，σb 为弹簧材质的许用弯曲应力550Mpa，弹簧工作时的循环应力计算公式

代入数据得出最大循环应力τmax=114N，最小循环应力τmin=44N，弹簧的疲劳强度安全系数Sca=（τ0+0.75τmin）/τmax，代入计算得出Sca=1.88。根据机械设计手册，可选取SF=1.8，因此Sca＞SF，强度满足要求。

小结：

本设计是基于生产的实际要求及整个工程实际情况而进行的，设计首要考虑的是不能产生食品安全问题，不影响食品质量，适应大部分小容量玻璃瓶产品的测试，极大地降低产品投产的风险，为连续大批量生产提供坚实的基础。