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玻璃包装容器的设计(6.3)玻璃容器的造型和结构设计

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【前言】:
公称容量(V):是在20℃的规定使用温度下,灌装到灌装标线时瓶罐容器应有的容积。

2 玻璃容器容量和瓶重的计算

⑴ 容量的几个概念:

公称容量(V):是在20的规定使用温度下,灌装到灌装标线时瓶罐容器应有的容积。

满口容量(VQ):为内装物灌装到瓶罐口平面时的容量。

顶隙容量(Vh):顶隙所占有的容积,与内装物产品的性质有关。对于易挥发性液体或含气液体,顶隙值要大,普通液体的顶隙值可小,表6-4顶隙值。

6-4 顶隙值

瓶塞容积(Vs):瓶口形式不同,封口最低表面也就不同。当采用塞形瓶口或磨塞瓶口时,瓶塞要占有一定的瓶口空间,这一空间的容积就是瓶塞容积。

⑵ 满口容量计算

为确定瓶罐的实际容积,首先要知道该瓶用于盛装什么物质,使用的是哪一种封口型式。对某些包装玻璃和饮料玻璃,往往还要确定灌装后连瓶带物实际上可能被加热的最高温度。

此外还必须知道瓶罐盛装物要求设计的公称容量。

鉴于安全生产的考虑,加热后盛装物表面最大高度规定可比封口最低表面低5毫米。如系压盖封口,则计算瓶全容时,盛装物表面最大高度应比瓶口端面低5毫米左右,内塞口容器,要比瓶塞下平面低5毫米左右(图6-41)。

6-41 瓶内盛装物的最大高度

瓶的满口容量

VQ=V×[1+(T2-T1)×β]+Vs+Vh

式中:VQ——满口容量 ml

          V ——公称容量 ml

          T1——盛装物最低温度 ℃

          T2——盛装物最高温度 ℃

          β ——体积膨胀系数

          Vs——瓶塞容积 ml

          Vh——顶隙容量 ml

⑶ 根据设计图计算瓶容

计算瓶子的体积,如手头没有瓶型设计的专业软件的话,根据形状的不同,可以分成瓶口、瓶颈瓶肩、瓶身、瓶跟四部分来进行计算(图6-42)。

6-42 瓶计算

① 瓶口容量计算

瓶口的形状比较复杂,可以用绘图与计算结合。在方格纸上按每个正方形格边长为1毫米比例放大(n:1)绘制口部轮廓(图6-43)。竖格的高度就是表示瓶口的高度(h),每一格是1毫米,横格表示把瓶口从中心线开始分隔成多个同心微圆环,每个微圆环的壁厚为1毫米(图6-44)。

6-43 瓶口体积计算

6-44 微圆环

微圆柱环体积V(cm3)

微圆柱环外径D(mm)

微圆柱环内径d (mm)

微圆柱环高h (mm) (即为微圆环在图6-43中,纵向所占的方格数)

每一个圆环柱V的体积为:

V=π×[(D/2)2-(d/2)2 ]×h×0.001

                    =π×(D+d)/2×(D-d)/2×h×0.001

              (D+d)/2=D (微圆环中径)

            (D-d)/2=1(mm)(在本文内对微圆环的壁厚定为1毫米)

上式简化后成:V=0.00314 Dh (cm3)

AA轴始,把竖格编上奇数号(这些号即依次为每个为圆环的中径,见表6-5)。

    表6-5

 

各微圆环的体积之和,即是瓶口(VK)的体积。

VK=0.00314ΣDh  (cm3)

本案例瓶口内径为15mm,瓶口高(h)为17.5mm

计算:     VK=0.00314[(1+3+5+7+9+11+13+15+17+19+21)×17.5+23×17+25 ×13+27×5]

    =0.00314[2117.5+391+325+135]

    =9.32(cm3

上述计算也可在excel中输入数据(微型环内外径,对应的瓶口高度h)和对应的计算公式[微型环中径(D=(外径+内径)/2;微型环体积Vi=0.00314* D*h。最后将Vi求和(Σ),即时可得结果(图6-45)。

6-45 瓶口使用excel自动计算表

 

② 瓶颈与瓶肩容量(Vn)计算 

瓶颈与瓶肩一般为不规则体,可以考虑为若干个微型规则体组成。例如普通啤酒瓶的瓶颈和瓶肩可分成若干个微圆柱体(高度为5或10毫米)分别计算体积,结果相加。计算公式如下:

Vn=Σπhi/4000

式中:Vn——瓶颈与瓶肩体积cm³

             Di——瓶颈与瓶肩微圆柱平均直径,mm

                    h ——瓶颈与瓶肩微圆柱高度,mm

6-46 瓶肩瓶颈计算结果

③ 瓶身体积(Vb)计算

瓶身一般为规则的立体,可直接用公式计算体积。

圆柱形瓶身计算公式:

                Vb=π(hb-ha)/4000

   式中:Vb——瓶身体积cm³

                Db——瓶身直径,mm

                      hb——瓶身高度,mm

                ha——瓶身角高度,mm

④ 瓶底计算

计算瓶底时,须将其分解为底环、球面底和底盘分别计算体积。兹以图6-47所示的瓶底A为例说明其计算。先将之分解为B,C、D三部分,计算如下。

6-47 瓶底体积计算

                         Va=Vb1+Vb2-Vb3

式中:Va——瓶底体积cm³

          Vb1——瓶底底环体积cm³

        Vb2——瓶底球面底体积cm³

        Vb3——瓶底底盘体积cm³

底环按扇形旋转体计算体积

                          Vb1=πD1F

     式中 Vb1——瓶底底环体积cm³

             D1 ——扇形旋转体形心直径,mm

             F  ——扇形面积cm2

   D1F计算(见图6-47e)如下: 

            D1=d1+x

      X=0.7071y,  y=2R1S/3b

      F=πR2 1/4

球面底体积:(可以考虑为一圆柱体减去一球冠)

                       =(πd1/4)*h1- πh22* (R-h2/3) 

 式中  Vb2——球面底体积,mm3 ;

         d1 ——球面底圆柱体直径,mm ;

         h1 ——球面底圆柱体高度,mm;

         h2  ——球面底球冠高度,mm;

         R  ——球面底球半径,mm。

底盘体积:(按球台计算)

              Vb3 = 0.1309h3[3(D22+ D32)+4h32]

式中   Vb3——球面底盘体积,mm3;

          h3 ——球台高度,mm;

          D——球台上圆直径,mm;

          D3 ——球台下圆直径,mm。

瓶体积(VW)计算:

          VW= VK+ Vn+ Vb+ Va

式中:VW——瓶体积,cm3;

          VK——瓶口体积,cm3;

          Vn——瓶颈和瓶肩体积,cm3;

          Vb——瓶身体积,cm3;

          Va——瓶底体积,cm3

这样计算得的各部分体积之和即为瓶的外廓体积。

如果计算出的瓶容同最初假定的瓶容有出入,则应增大或减小瓶身进行修正。为此可改变瓶高度,若不可能的话,则可改变瓶身直径,此时须调整瓶颈和瓶底计算。

⑷ 计算瓶重

确定瓶重应考虑成品壁厚和玻璃料比重。在多数情况,制品重量决定于生产工艺或所用的制瓶机。实际上瓶重往往只是根据经验估算的。

一般瓶罐壁的厚度是不均匀的,对强度影响最大的是其最薄处,所以设计时应以最薄处为基础进行设计和分析。

玻璃瓶罐的设计厚度与设计的瓶罐尺寸和质量有关。但瓶罐的成型厚度却决定于送入成形模内的玻璃液料的温度、成形模的温度、玻璃液料的成分、瓶罐的成型质量以及玻璃液料流入成形模前所流经的距离和时间。所有的这些因素中,只有成形模温度和玻璃料成分可以可靠地加以调节和控制。所以瓶罐壁厚的设计,可以通过确定成型工艺的有关参数来实现。

在设计壁厚时,薄壁的瓶罐应通过生产检验,以能顺利生产为佳,厚壁瓶罐则应考虑其脱模和形状的稳定性问题。因为壁厚大,容易使瓶罐壁内产生应力,导致脱模困难和出模后因温度较高而产生变形。

设计时,应考虑整件制品的壁厚应均匀一致,过渡处采用圆角。瓶身和瓶底的壁厚,一般在具体的产品标准里会有规定。表6-6、6-7、6-8、表6-9显示了国家标准或行业标准对啤酒瓶、输液瓶、葡萄酒瓶对瓶身、瓶底厚度的规定。

6-6

6-7

6-8

6-9

按壁厚确定瓶重的方法如下:首先绘制瓶型,在瓶基型(瓶内腔形状)的基础上再画上瓶厚度,构成瓶成型。根据这样所得的成品瓶外形计算瓶外廓尺寸容积,然后扣除瓶内腔容积,再将所得差额乘以玻璃比重,即为成品瓶重(见图6-48)。

6-48 瓶重计算

计算公式为:

          G= (Vw - VQ)g

式中  G——瓶重,克;

        Vw——按外廓尺寸计算的瓶全容,cm3

        VQ——瓶内腔全容,cm3

        g——玻璃比重,g/cm3(钠钙玻璃的比重一般按2.5g/cm3计算)。