包裝熱封強度不均勻問題的解決方法探析

孫躍進

（山東新華制藥股份有限公司，山東淄博255005）

1 問題的提出

1.1 熱電偶與銅滑環對加熱輥溫度的測量問題

目前，國內基本上都是采用熱電偶與銅滑環測量多列四邊封小袋包裝機的加熱輥溫度，其原理是通過銅滑環將轉動著的熱封輥上的熱電偶信號傳送到溫度控制器，以進行溫度測量和控制。銅滑環在此成為熱電偶測量回路中的實際冷端。當加熱輥溫度漸漸升高后，銅滑環的溫度也隨之被慢慢導熱升高。在試車驗收時，測量銅滑環表面溫度可達55 ℃，這樣冷端產生的附加反向電動勢，抵消了一部分正常測量信號的毫伏值，使測量顯示溫度比實際溫度值低許多。當溫度控制器的定值按膜正常熱封溫度設置不變時，雖然加熱輥的顯示溫度會在正常設定值，但實際溫度比顯示溫度要高出至少30 ℃。由于縱封加熱輥密封面始終壓著包裝膜，溫度過高會直接影響膜的熱封效果，小袋包裝容易出現過封現象，縱封上出現細微裂紋，使得小袋密封質量得不到保證。

因此，根據包裝的熱封情況，要不斷地改變溫度控制器的溫度定值，以保持良好的小袋包裝熱封強度，防止過封問題的出現。

然而，時常調整溫度定值，使密封質量控制點成為一個變量，沒有一個明確的溫度控制范圍，影響生產工藝質量的控制，這是不符合新版GMP要求的。

1.2 加熱輥溫度不均勻

在設備出廠驗收時，用紅外測溫儀檢測多通道四邊封小袋包裝機的縱封加熱輥表面溫度時發現，縱封加熱輥上各道熱封面的溫度存在差異，中間溫度偏高，兩邊溫度偏低。在產品包裝時，容易造成兩邊的小袋縱封強度不夠，而中間小袋的縱封卻出現過封的現象。

另外，縱封加熱輥的溫度差異不僅表現在長度上的不均勻，而且從升溫到開始熱封的過程中，加熱輥的表面溫度還有如下變化：

（1）升溫階段，加熱輥表面的熱封溫度暫時均勻；

（2）升溫一段時間后，有溫度超調現象出現；

（3）持續升溫后，熱電偶信號傳遞所用的旋轉銅滑環作為熱電偶的冷端其溫度升高，造成加熱輥實際溫度比顯示溫度高出許多，導致小袋過封，對此要經常調整熱封溫度定值；

（4）運行時間長了以后，溫度向兩端擴散達到平衡后，中間溫度又開始變高。

1.3 包裝物料揚粉影響橫封強度

含有粉子的包裝物在灌裝時會出現揚粉現象，導致包裝橫封時夾粉而影響熱封強度。

2 原因分析

2.1 加熱輥溫度不均勻原因分析

（1）加熱輥較長，且加熱輥兩端存在不加熱區域，使得中間升溫快，兩端升溫慢，導致加熱輥溫度不均勻。

（2）縱封加熱輥的形狀和安裝方式的影響：一方面，縱封加熱輥上各道的熱封是按小袋寬度等間距分隔排列，使得熱量傳遞不均勻；另一方面，縱封加熱輥兩端通過軸承安裝在金屬固定板上，加熱輥的驅動側還裝有鏈輪，兩端都沒有隔熱措施，這樣加熱輥的兩端就會向兩側傳導和擴散熱量，造成兩端散失熱量多于中間散失熱量。

（3）電加熱管有效長度短：拆下加熱管，根據加熱管的加熱痕跡可以測出它的有效加熱長度，其有效加熱長度比縱封加熱輥長度短，且沒有考慮兩端多余非加熱長度的熱量散失所應留有的加熱余量。

2.2 物料揚粉原因分析

由于物料粒度分布不同，含有粉子，導致灌裝物料在下落的過程中或是遇到沖擊時出現揚粉反撲現象。

3 解決方法

3.1 加熱輥溫度不均勻問題的解決方法

3.1.1 縱封加熱輥分段加熱

對縱封加熱輥可采用分段加熱方式。首先，將電加熱管的電熱絲分成3段，每段可采用不同的電壓，根據輥表面溫度分布情況分別調整電壓。然后，再通過各自的溫度控制器控制各自電流通斷，以達到加熱輥整個長度上的溫度均勻。

這種加熱方式下的銅滑環要相應增多，并需要人事先整定電流，為了控制各段溫度，最好各段都有自己單獨的溫度檢測點。

3.1.2 在改變加熱管的電熱絲繞制方式的基礎上增加加熱管有效長度

另一種方法是改變加熱管的電熱絲繞制方式，用不等距繞制，使加熱管內的電熱絲中間疏，兩頭密，減少中間的熱量，使得加熱輥的整體溫度均勻。同時，增加加熱管的有效長度和總的加熱功率，使升溫時間縮短，加熱均勻。這種方法不用增加銅環滑和溫度檢測點，也不用事先調壓。

加熱管的長短和繞制方式，要按實際加熱輥的長度和現場加熱輥的溫度分布情況來確定，可用紅外測溫儀，分時間段分別測量，在加熱1.5 h以后，可有效掌握加熱輥表面的溫度分布和變化情況，最后確定電熱絲的繞制疏密程度。加熱管的長度要考慮加熱管本身兩端封裝的死區長度，一般加熱管兩邊封裝各有20～30 mm的死區，引線封裝端相對長一點。

因此，電熱絲的繞制長度一定要略長于熱封輥的熱封長度，要兼顧到加熱輥兩端的有效溫度。經過對溫度分布和加熱管有效加熱長度的測量，在原電加熱管長度的基礎上，加長48 mm，同時留出測溫元件的安裝空間。

通過加長加熱管的有效加熱長度和改變電熱絲的繞制方式，以及增加加熱功率，解決了熱封輥兩端溫度比中間溫度低的問題，溫差至少減小了7 ℃，使各列小袋包裝的縱封強度均勻性得到了提升，保證了各列小袋包裝的縱封撕拉強度和一致性。

3.1.3 手動前饋調節

通過采用手動前饋調節，解決了溫升超調問題。在溫度升溫接近至定值時，將定值下調幾度，過幾分鐘后再調回到原定值，這樣既可以縮短升溫時間，又可以解決升溫階段的溫度超調問題。另外，現在溫度控制器都有自整定功能，在正常自動控制下，溫度偏差都很小，一般穩定控制在1.5 ℃之內，因此一般不用單獨調整PID參數。升溫階段通過手動前饋調節，超調量只要控制在膜正常熱封溫度限度內，并且在自動狀態下，經過兩次先上升后下降的波動后能很快得到穩定控制即可。

3.1.4 對夾式熱封方式

國外小袋包裝機的熱封方式大部分已采用對夾式，每個通道有各自局部的條型加熱塊，前后兩排對夾，避免了加熱輥溫度不均勻的問題。

3.2 熱電偶與銅滑環測量問題的解決方法

3.2.1 調整熱封溫度，選用熱封性更好的膜

當前很多小袋包裝機的生產操作都是通過調整熱封設定溫度，找出能使小袋密封合格的熱封強度的溫度值，然后在此溫度值的基礎上，在生產過程中進行一定范圍內的上下調整。

由于顯示溫度并不是膜的實際熱封溫度，如果有的膜熱封溫度范圍較窄，加上輥的溫度均勻性差，那么這種膜就不能正常使用，就要選用熱封性更好的膜，這樣就會導致包材成本上升，生產成本也相應增加。這適用于產品附加值較高的產品。

3.2.2 熱電偶安裝到與熱封輥滑動接觸的小滑塊上

將熱電偶安裝到一個與熱封輥滑動接觸的小滑塊上，不再裝在熱封輥內，以此間接地測量加熱輥的溫度作為熱封溫度控制的相對參考點。因此，熱電偶信號就不用通過銅滑環傳遞，從而避免了冷端問題。但是，這種測量與實際溫度會有較大的誤差，只能作為相對參考點來進行溫度控制。

3.2.3 延長銅滑環固定軸的長度

通過延長銅滑環固定軸的長度，可以減小熱封輥對銅滑環溫度的影響，也就是減小對熱電偶冷端溫度的影響。

3.2.4 銅滑環上加冷端補償元件

在銅滑環上加冷端補償元件，再接到溫度控制器端子上，以作實時冷端溫度補償。然而，現代溫度控制器內部大多采用的是內部電路板貼片補償，外部不留冷端補償端子，而且在碳刷上不能安裝熱電偶。

3.2.5 熱電阻取代熱電偶，新型滑環取代銅滑環

為了能有效地解決熱電偶在銅滑環處的冷端問題，筆者采用熱電阻徹底取代熱電偶，并用新型滑環取代銅滑環。

將檢測點安裝在轉動的熱封輥內部以測量溫度，其特點是與實際溫度偏差小，測量溫度值基本為實際熱封溫度。但是，在生產應用中，目前還是普遍用熱電偶經過銅滑環把旋轉工件的溫度信號有線傳輸出去，無線溫度傳感器在高溫和低溫中很少得到應用。30多年來，制藥包裝設備也幾乎很少采用熱電阻與銅滑環組合的方式進行溫度測量和溫度控制。其原因在于，熱電偶是毫伏信號，它對接觸電阻的變化不太敏感，而熱電阻是利用阻值對溫度的線性關系，經過電橋回路來精確測量溫度，它對線路阻值的變化非常敏感，而一般銅滑環接觸阻值都會發生變化，一切油汽、水汽、氧化、表面磨損和污染都會改變滑動接觸表面阻值，從而影響熱電阻溫度測量的準確性，時常引起顯示溫度大范圍的波動。

我們對此進行了改造：先用熱電阻替換熱電偶進行溫度測量，原銅滑環不變，在銅滑環處改接成熱電阻的三線制，同時改變溫度控制器測量元件，由熱電偶改為熱電阻。然后，進行熱封實驗，結果表明：熱電阻溫度測量顯示比原熱電偶溫度測量顯示提高了至少30 ℃，同樣的膜，熱封溫度從原來的78～84 ℃上升到105～118 ℃。熱電阻較實際地反映出了膜的熱封溫度，且即使連續一個班次的運行，也不用再調整熱封溫度，使包裝熱封溫度控制穩定，熱封質量可靠。

但是，在次日開機的時候發現，溫度顯示在不斷跳動。經過對銅滑環和碳刷表面進行清潔，溫度顯示又恢復了正常，經過幾次運行都是這樣。這說明銅滑環在不停機連續運轉時，滑動表面沒有形成阻值不等的變化，當停止運轉后，油汽冷凝和磨損污染混合物在銅滑環和碳刷表面形成不等的阻隔層，破壞了銅滑環和碳刷表面的正常接觸阻值，造成顯示跳動。

通過改造我們看到，熱電阻在用于轉動體的溫度測量時，它的測量結果比較準確和穩定，但它的信號在通過滑動接觸傳遞中又極易受滑動表面阻值的變化而影響其測量穩定性。這也就是為什么一般不用熱電阻與銅滑環配合測量溫度的原因，大家默認旋轉工件不用熱電阻而用熱電偶測量。

為解決熱電阻滑動接觸阻值變化的問題，即解決油汽冷凝與磨損混合物或氧化層對滑動接觸表面的污染問題，必須尋找一種新的在高溫下既可精確傳輸弱信號，又可讓大功率電流通過的新型滑環，同時保證高溫下滑環材料的機械強度和絕緣強度不變。

經過查詢和實驗，我們選用了一種新型滑環，使熱電阻信號得到了穩定準確的傳遞，解決了熱電偶冷端問題和熱電阻通過銅滑環產生的阻值變化問題，經過多批次的生產使用，小袋包裝的熱封質量穩定可靠，鋁復合膜的熱封溫度范圍也得以拓寬，膜的生產成本降低，保證了工藝質量控制點的穩定。

3.3 物料揚粉影響橫封強度問題的解決方法

首先，調整好下料時間與橫封位置，使其最佳同步配合。采用真空吸粉，將吸塵口改造為長槽形，插在膜和下料管之間，從而有效吸取加料管和膜之間的揚粉。在有條件的情況下，還可采用閘式下料器，以避免出現揚粉。

另外，可選用抗污染膜，膜內層的粘結劑要有很好的抗粉性和強粘結性，而且在保證膜熱封外觀不變的情況下，熱封溫度范圍越寬越好。

4 結語

在包裝設備出廠和車間現場試車及驗證過程中，我們經過技術改造，使熱封溫度分布均勻，解決了加熱輥旋轉體溫度測量不穩定的問題，消除了物料揚粉對橫封強度的影響，保證了復合膜包裝的熱封均勻和強度，生產控制精確穩定。