液体自动灌装机气缸爬行现象的研究与分析

摘  要：对液体自动灌装机中气缸出现的爬行现象进行了研究与分析，并提出了解决气缸爬行的措施。

　　关  键  词：灌装机；气缸；爬行；负载

　　1 引  言   

    液体自动灌装机是向容器灌装洗涤剂、化学制剂、饮料、药液等液体的装置。它既能实现连续自动灌装，又能进行每一工序的手动操作，能灌装不同高度和容量的容器。液体自动灌装机的流程如图1。其工作程序如下：(1)按下气动信号后，储液罐升降气缸A活塞杆退回，储液罐和输液管下降；(2)输液管插入各容器内，灌装阀开关气缸B缸活塞杆退回，开启各输液管的出口阀，液体注入容器；(3)气缸B活塞杆伸出，出口阀关闭；(4)A缸活塞杆伸出，储液罐和输液管上升，储液罐开始补充液体；(5)储液罐和输液管上升到zui高位置，左挡位气缸C活塞杆伸出，右挡位气缸D活塞杆退回，输送带输出已灌满的容器；(6)气缸C活塞杆退回和气缸D活塞杆伸出，输送带输入空容器。灌装机完成了一个工作循环，即实现了容器的一次灌装。   

    在一个工作循环中，气缸B活塞杆由退回到伸出状态由延时控制实现，通过对延时时间的调节，实现对不同容量容器的灌装。通过调节气缸A行程阀的发信号位置，达到对不同高度容器的灌装。储液罐补充液体和输出容器的时间必须控制在一个循环周期内完成。气缸C、D的活塞杆状态转变也由延时控制实现。  
 
    在灌装机的工作过程中，气缸输出的力驱动机构做往复直线运动。在气动系统中，由于负载及供气的原因使气缸活塞忽走忽停的现象，叫气缸的“爬行”。灌装机采用的是时间程序控制，如果上述气缸中的某个或几个出现爬行现象，将会延长气缸的动作时间，从而导致灌装机产生干涉、误动作，如灌装容器输送不到位、物料漏灌或灌在容器外等。为了减少或避免这种情况的发生，本文对灌装机气缸产生爬行现象的原因作逐一分析，并提出相应的解决措施。

2 爬行原因   

　　(1)灌装机气动系统压缩空气达不到工作要求  
 
    当气源供气压力和流量不足，导致灌装机气缸工作压力低于zui低使用压力时，气缸易产生爬行；同时，气源中的水分、灰尘、油污、杂质聚积于气缸工作腔内，使活塞或活塞杆工作表面锈蚀，加大了缸筒和活塞密封圈、活塞杆和组合密封圈之间的摩擦力，也会引起气缸的爬行。   

　　(2)灌装机气缸内泄大(即活塞两侧窜气)   

    当密封圈出现挤出、老化、回转、表面损伤、膨胀、粘着变形等损坏现象时，将造成气缸内泄，导致气缸难以升压或升压很慢，从而使气缸出现爬行现象。另外如果活塞配合面有缺陷、杂质挤入密封面或者活塞被卡住，气缸滑动部件摩擦力将会增大，此时气缸也会出现爬行现象。

　　(3)灌装机气动回路中耗气量及负载变化过大   

    当气动回路中的耗气量变化很大时，会导致灌装机气缸供气不足，而产生爬行。另外，灌装机储液罐等容器负荷变化太大、气缸有横向载荷以及在安装过程中出现的种种问题(诸如：气缸安装位置偏移、导轨或滑块夹得太紧、导轨与气缸不平行、活塞或活塞杆在装配中出现偏心等)都会使气缸负载波动加大，活塞受力不稳定，从而出现爬行现象。

　　3 消除爬行的措施

　　3．1  调整气源供气压力和流量   

    在设计时要正确确定灌装机气源消耗量，合理选择空压机的容量。选择空压机的根据是灌装机气压传动系统所需的工作压力和流量两个主要参数。计算耗气量时，应将其压流量换算成自由空气流量，即一个大气压力下的流量。压缩空气与自由空气的体积流量之间的转换关系为：

　　式中Qz——自由空气的体积流量(m3／min)；   

　　Qy——压缩空气的体积流量(m3／min)；   

　　pc——空压机的输出压力(MPa)。假设灌装机中单台气动设备(气缸、气阀等)需要的平均耗气量为Q1，则空压机总站的供气量为

　　式中：Ql——空压机总站的供气量；   

　　φ——考虑到灌装机全部气动装置不会同时用气的利用系数，φ＝0．3~1．0；   

　　K1——考虑磨损的系数，K1＝1．2～1．5；   

　　K2——考虑增加新设备的备用系数，K2＝1．2～1．6；   

　　K3——考虑各班次用气量不等的不均匀系数，K3＝1．2~1．4。空压机的输出压力pc为

　　式中pc——空压机的输出压力，MPa；
  
　　pm——灌装机气动执行元件的zui高使用压力，MPa；

　——系统的总压力损失，MPa。一般情况下，令=（0.15~0.2）MPa   

  另外，增设一定容积的气罐也可以提高气缸的工作压力。

　　3．2  提高空气净化程度   

    为了控制压缩气体的水分、油污、灰尘、杂质含量，提高压缩空气的质量，灌装机气源装置应设置除油污、除尘、除水分、干燥等净化辅助设备：   

　　(1)除水分  将后冷却器安装在空压机出口管道上，使空压机出口处气体温度由140～170℃降低到40~50℃左右，压缩空气中的水汽、油雾凝结成水滴和油滴经油水分离器分离出来。
  
　　(2)分离油滴、水滴、杂质  将油水分离器安装在后冷却器后面，利用回转离心、撞击、水浴等方法使水滴、油滴和其它杂质颗粒从压缩空气中分离出来。   

　　(3)气体干燥、过滤  压缩空气经后冷却器、油水分离器的初步净化，然后经过过滤器、干燥器进一步吸收或排除压缩空气中的水分及油分，使湿空气变成干空气，达到净化的目的。压缩气体净化设备布置如图2所示。

　　3．3  更换密封圈，重新安装或更换活塞   

    为了消除灌装机气缸内泄漏，应该检查密封圈质量、活塞和缸筒内壁表面加工精度以及密封圈的安装尺寸和安装方法，提高缸筒内壁表面加工精度，重新安装或更换已损坏的密封圈及活塞，消除活塞杆的偏载。选择的密封圈应具备以下基本条件： 
   
　　(1)密封材料的动摩擦阻力与静摩擦阻力之差要小。 
 
　　(2)密封件结构合理，滑动阻力小。   

　　(3)密封件的刚性要大，当受到拉伸作用时，伸长量小。   

　　(4)理想密封件的材料，应该是具有负的阻力特性，即滑动速度增大时，阻力也增大。

　　3．4  采用进气节流回路   

    图3所示为灌装机气动系统双作用气缸速度控制回路。其中图3a为节流供气控制回路，其特点是节流供气，满流排气。气缸的B腔以满流经方向阀快速排气，而供给A腔的气流必须通过节流阀缓慢供气，由于进入A腔气流量较小，压力上升缓慢，当气压达到能克服外负载时，活塞才前进一步，此时，A腔容积增大，结果使压缩空气膨胀。由于此时作用于活塞的力小于外负载，活塞就停止前进，待压力再次上升时，活塞才重新向前移动，从而容易使气缸产生“爬行”现象。   

    图b所示为节流排气控制回路。此时B腔压缩空气必须经过节流阀排入大气，因而具有一定的压强。从灌装机气源来的压缩空气，以满流向A腔进气，使活塞在A腔与B腔压力差的作用下前进，从而减少了“爬行”现象。所以，在灌装机速度控制回路中应该尽量选用排气节流调速回路。

　　3．5  增大灌装机气缸缸径，减少负载过大时对气缸爬行的影响  
 
　　(1)增大气缸缸径，消除储液罐等容器负载过大引起的气缸爬行；适当地减少密封圈预紧力，调整密封圈，保证活塞杆能来回用手拉动；正确安装活塞和活塞杆，使活塞或活塞杆不受偏心载荷；调整导轨或滑块的压紧块的松紧度，既要保证运动部件的精度，又要使滑动阻力较小。若调整无效，则应修刮接触面，检查灌装机气缸与导轨的平行度，加以校正或重新安装。   

　　(2)在储液罐等负载两侧安装导向装置，应注意下列两点：导轨长度应尽量取长一些；负载与气缸的连接位置应使气缸推力不会使载荷发生倾斜。

　　4 小  结   

    气缸是液体自动灌装机中*的重要部件，气缸爬行现象容易使灌装机产生误动作，避免爬行现象不但能提高灌装效率，减轻工人劳动强度，而且能减少灌装机气动元件的损耗，节约生产成本。所以，研究和解决气缸爬行现象具有十分重要的现实意义。