負壓式生鮮食品包裝機設計與試驗

鄭兆啟 馬季威 杜志龍 許 娜 李培剛

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083；3.同方知網(北京)技術有限公司， 北京 100192)

0 引言

生鮮食品具有新鮮、美味、營養價值高的特點，需求量增長迅速，已占據食品總量相當大的份額[1]。生鮮食品主要包括五大類型，即果蔬、水產品、肉類以及由西式生鮮制品衍生而來的熟食和面包等。我國生鮮食品產后包裝機械化水平很低，主要依靠人工，勞動強度大，生產效率低，易產生食品安全問題，與歐美經濟發達國家全程機械化相比，存在重大差距[2-3]，嚴重制約生鮮產業健康發展，因此研制高效可靠生鮮食品包裝機具有重要意義。

在生鮮食品的包裝方法上，加工企業和超市最常用聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)膜和包裝盒包裝方法，在包裝盒中放置生鮮食品，然后裹上一層PVC膜實現包裝，包裝成本低，可有效降低生鮮食品損失，并且外形美觀。對于這種包裝方式，全世界包裝裝備有負壓式和四折膜板式兩種型式[4-10]。我國的生鮮食品包裝機械目前還處于起步階段，主要是人工包裝或者使用簡易封口設備包裝[11-12]。華聯機械集團開發了一款面向超市的TW-550E型保鮮膜拼接機，恒溫截切、收縮，由人工進行操作，屬于簡易包裝設備，效率較低。文獻[13-14]對四折膜板式原理的生鮮食品包裝機進行了研究，但僅處于專利形式，不夠深入。目前國內尚未檢索到基于負壓式橫封裝置的枕式包裝機相關研究報道。

2016年，意大利FABBRI公司將基于四折膜板式的生鮮食品包裝機第一次引入我國，引進價格約為60萬元，價格高昂，極大地提高了生產成本。在結構方面，負壓式包裝機主要采用機械機構，相對于四折膜板式在系統控制方面開發難度較小，因此本文設計一種負壓式生鮮食品包裝機，對關鍵部件進行分析和設計，并對樣機進行試驗測試，為后續市場化推廣提供依據。

1 總體結構與工作原理

1.1 裝置作業對象

圖1 包裝機所用包裝盒和PVC膜Fig.1 Packaging machine used box and PVC film

本研究設計的負壓式生鮮食品包裝機主要使用的包裝材料是目前人工包裝水果、蔬菜、肉類等冷鮮產品廣泛使用的PVC保鮮膜及包裝盒，如圖1所示。PVC保鮮膜主要用來包覆包裝物品以及包裝盒，PVC材料具有一定的自粘性，目前超市使用廣泛。包裝盒作為包裝物品的主要承載體，通常為聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)或者聚丙烯(Polypropylene，PP)材質，具有強度高、質量輕、便于運輸的特點。

1.2 整機結構與工作原理

負壓式生鮮食品包裝機主要由送膜機構(張膜輸送帶)、輸送裝置、縱封裝置、切斷機構以及橫封裝置(前吸風盒、輥子輸送機和后吸風盒)構成，能夠一次性完成物料的輸送、封膜包裝作業。包裝機采用模塊化劃分，通過功能分析，將各功能的實現由特定的機構來完成。包裝機結構示意圖如圖2所示。其送膜機構位于機架的最前方，用于輸送保鮮膜；輸送裝置[15]位于機架的中軸線上，用于包裝盒和包裝物料的輸送；縱封裝置(部分文獻稱之為中封裝置)位于機架中央，輸送裝置下方，用于完成保鮮膜的卷筒制袋成型以及縱向封合；切斷機構位于機架上部，主要用于切斷包裝盒之間保鮮膜；負壓式生鮮食品包裝機的橫封裝置位于機架的后方，通過負壓吸膜的方式完成保鮮盒前后保鮮膜的橫封作業。

圖2 包裝機結構示意圖Fig.2 Structure diagram of packaging machine1.送膜機構 2.輸送裝置 3.縱封裝置 4.前吸風盒 5.切斷機構 6.輥子輸送機和后吸風盒

圖3 工作原理圖Fig.3 Principle diagram of operation1.包裝盒a 2.切斷機構 3.PVC膜 4.包裝盒b 5.輸送機構6.輥子輸送機 7.后吸風盒 8.刮板 9.前吸風盒 10.縱封裝置

包裝機工作原理如圖3所示，包裝機作業時，保鮮膜放置于送膜機構上，通過送膜機構(張膜輸送帶)滾筒牽引將保鮮膜輸送到機架后方，裝有物料的包裝盒喂入到輸送裝置輸送帶上，此時包裝盒上方就是保鮮膜，保鮮膜和包裝盒同步向下一工位運動。當保鮮膜經過縱封裝置，縱封裝置將保鮮膜收緊，保鮮膜被收攏成筒形，完成保鮮膜的制袋成型，此時包裝盒被包裝在筒形的保鮮膜內。輸送裝置繼續向前輸送，切斷機構完成前后2個包裝盒之間保鮮膜的切斷。切斷后的保鮮膜分成兩段，包裝盒b的后部膜被吸入后吸風盒，包裝盒a的前部膜被吸入前吸風盒；輸送裝置帶動包裝盒繼續前進，包裝盒b通過底部輥子輸送機和后吸風盒配合實現后封膜，包裝盒a通過刮板和前吸風盒實現前封膜，完成一個生鮮食品包裝機橫封的作業循環。

2 關鍵部件設計

2.1 后吸風盒和輥子輸送機

后吸風盒和輥子輸送機是實現包裝盒后部PVC膜橫封的核心部件，2個部件通過配合完成橫封作業。

2.1.1 后吸風盒

后吸風盒為獨立部件，其截面為矩形，后部有圓形的吸風口，在上部有矩形的進風口，其結構如圖4a所示。后部圓形的吸風口用于連接離心風機，產生負壓；上部矩形的進風口用于吸膜。包裝機含有大量執行和傳動機構，由于包裝機其他機械結構的影響，后吸風盒的安裝設計空間十分有限。在保證能夠執行吸膜作用的同時，還要保證不能和輥子輸送機等部件發生干涉，因此后吸風盒截面設計成類似矩形。后吸風盒主視圖如圖4b所示，選取后風盒橫截面上部長度lA和下部寬度lB作為結構優化的關鍵參數進行優化。

圖4 后吸風盒結構簡圖Fig.4 Structure diagrams of rear air suction box

為明確吸風盒內部氣室的流場分布規律，進行結構優化，利用計算流體力學軟件Fluent對后吸風盒的流場進行計算機數值模擬。對后風盒流場進行流體仿真計算，必須對流體的流動狀態判斷及相關核心參數分析，判斷流動是層流還是湍流，雷諾數定義為

(1)

式中Re——雷諾數d——特征長度，對于圓管流動取圓管的直徑，m

v——空氣流速，m/s

μ——動力粘度系數，Pa·s

ρ——流體密度，kg/m3

對于管道中的流動問題，當雷諾數大于2 300時，應用湍流模型進行分析。對于后部圓形的吸風口，直徑為87 mm。我國規定的風機標準進口狀態是指：工作介質為空氣，壓強為101.325 kPa，溫度為20℃，相對濕度為50%的濕空氣狀態，空氣密度為1.2 kg/m3。在后吸風盒流場的流體仿真中，將空氣不視為理想氣體，在計算中，空氣的動力粘度系數μ在壓強為101.325 kPa、溫度為20℃條件下，取值為1.8×10-5Pa·s。空氣流速為26 m/s，代入式(1)計算可得后部圓形吸風口Re為1.5×105，遠大于臨界值2 300，因此為湍流。

對于上部矩形的進風口，屬于異形管道內的流動，特征長度取水力直徑dH，其表達式為[16]

(2)

式中A1——過流斷面的面積，m2L1——過流斷面上流體域固體接觸周長，m

上部矩形的進風口取最大的進風面積，水力直徑dH為0.075 m，矩形進風口風速為8.4 m/s，代入式(1)，經過計算上部矩形的進風口雷諾數Re為4.2×104，因此也為湍流，最終選用湍流模型計算，將特征長度d和空氣流速v等計算結果代入Fluent中進行流場計算。

湍流模型計算公式為

(3)

式中φ——通用傳輸量Γ——廣義擴散系數δ——流體速度矢量S——廣義源項

通過Fluent中Standardk-e模型進行流場分析，后吸風盒氣流場速度矢量模擬結果如圖5所示。整體上壓強從圓形吸風口到矩形進風口逐漸降低，但是在拐角處由于小區域的旋流導致壓強發生一定的突變；在后吸風盒靠近圓形吸風口的最上部和最下部所形成的壓強最大；對于矩形進風口處的壓強，其吸膜強度隨遠離吸風口逐漸降低，形成一定不同壓強層。優化前后吸風盒矩形進風口處壓強為-329～-45 Pa，經過Fluent仿真優化計算得出，后吸風盒在截面參數lA和lB分別為25 mm和64 mm時，矩形進風口處壓強為-948～-156 Pa，此結構參數下能取得較好的吸風口壓強效果。

圖5 后吸風盒氣流場速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors diagrams of rear air suction box

2.1.2 輥子輸送機

輥子輸送機結構如圖6所示。后吸風盒吸風口為敞開式結構，后吸風盒安裝于輥子輸送機前部。輥子輸送機主要由單排滾子鏈、托輥、主動鏈輪和從動鏈輪組成，其中單排鏈上的托輥有連續11節不安裝。

圖6 后吸風盒和輥子輸送機結構示意圖Fig.6 Diagrams of rear air suction box and conveyor1.后吸風盒 2.單排滾子鏈 3.托輥 4.主動鏈輪 5.從動鏈輪

包裝機伺服電機轉速n1=2 700 r/min，經減速器變速后，輥子輸送機主動軸轉速n2=180 r/min。主動鏈輪齒數z1=31，從動鏈輪齒數z2=13，傳動比i=2.38。根據實際工作狀況選取鏈條型號為08A，節距P為12.7 mm，則滾子鏈的速度為

(4)

由式(4)計算得出滾子鏈的平均速度v2=0.98 m/s。

輸送機構帶動包裝盒運行速度為v1=0.35 m/s，滾子鏈運行速度v2大于包裝盒運行速度v1，滾子鏈的平均速度能夠實現對包裝盒后部PVC膜的折疊，滿足橫封裝置包裝工藝要求。

包裝機包裝物品運行周期T=1.2 s，一個周期滾子鏈需要運轉一圈，則鏈長為

L=v2T

(5)

由式(5)計算得出滾子鏈的鏈長為L=1.18 m。

2.1.3 裹膜過程力學特性分析

圖7 PVC膜受力分析簡圖Fig.7 Diagram of force on PVC film

對包裝盒后部PVC膜的受力狀況進行力學特性分析，如圖7所示。當包裝盒運動到特定位置時，切刀切斷前后包裝盒之間的PVC膜。此時PVC膜主要受力有后吸風盒的吸力F1、托輥的推力F2、拉伸的PVC膜剪斷時的彈力F3，以及自身重力mg，圖中θ為彈力F3與X軸的夾角。其中

F1=pA2

(6)

(7)

式中p——后吸風盒吸風口靜壓(真空度)，PaA2——PVC膜受力面積，m2Δl——PVC膜拉伸長度，ml——PVC膜原長，mE——PVC膜彈性模量，PaA3——PVC膜橫截面積，m2

PVC膜能被順利吸入到后吸風盒中的必要條件為

(8)

Fx=F2+F3cosθ>0

(9)

式中Fy——PVC膜受到的Y方向合力，NFx——PVC膜受到的X方向合力，N

由以上力學分析可知，包裝盒后部PVC膜的裹膜過程，需要通過作用力Fy實現吸膜，而作用力Fy主要是通過風機后吸風盒吸風口靜壓來實現，因此風機后吸風盒吸風口靜壓為最重要影響因素。

以橫封率為試驗指標，后吸風盒吸風口靜壓對橫封率的影響如圖8所示，包裝盒后部橫封率隨靜壓的增大而增加。當風口靜壓大于32 Pa，包裝盒后部橫封率達到100%；而當風口靜壓小于8 Pa，包裝盒后部橫封率則低于91%；當關閉風機，直接使膜自然下落，包裝盒后部橫封率為40%，這主要是因為PVC膜本身彈性模量非常低，在自身重力的作用下，PVC膜切斷后會自然下落，拖到包裝盒尾部，有可能進入風盒中，因此也有一定的橫封率。因此，優選后吸風盒吸風口靜壓為32 Pa。

圖8 不同風口靜壓時的橫封率變化曲線Fig.8 Effect of tuyere static pressure on transverse sealing rate

圖10 切斷機構模型Fig.10 Parametric model of cutting mechanism1.槽凸輪 2.上切刀座 3.下切刀

2.2 張膜輸送帶

送膜機構是將保鮮膜輸送和進行一定程度上的拉伸操作的機械裝置。對于負壓式生鮮食品包裝機，送膜功能主要由送膜機構的張膜輸送帶完成，張膜輸送帶也是送膜機構的主要部件。張膜輸送帶主要由4個偏心張緊滾筒、主動滾筒、2個托輥組成，如圖9所示。主動滾筒位于張膜輸送帶最后方，作為動力滾筒，提供動力；2個托輥位于下部輸送帶的中間，本身不可以調節，起支撐作用；4個偏心張緊滾筒分別位于下部輸送帶的最前方，上部輸送帶全部由偏心滾筒支撐，通過調整4個偏心滾筒，保證上部輸送帶和下部輸送帶之間有足夠的壓力。作業時保鮮膜需要在原有寬度上進行一定程度的拉伸，拉伸主要靠張膜輸送帶完成。張膜輸送帶夾緊保鮮膜，具體拉伸程度需根據使用的包裝盒和保鮮膜型號決定，本機使用300～400 mm的PVC膜。

圖9 張膜輸送帶結構示意圖Fig.9 Structure diagram of belt conveyer1、2、3、7.偏心張緊滾筒 4.主動滾筒 5、6.托輥

2.3 切斷機構

前后包裝盒之間PVC膜的切斷由切斷機構[17]完成，凸輪連桿式切斷機構如圖10所示，從圖中可以看出，切斷機構是以一個盤形凸輪為原動件，通過多連桿帶動上刀座、下切刀實現對PVC膜切割運動的機構。凸輪G為升-停-降型盤形槽凸輪，從動件為簡諧運動規律[18]，柔性沖擊并且最大加速度相對較小。

通過ADAMS的二次規劃算法(OPTDES-SQP)[19-20]進行優化后，凸輪連桿式切斷機構的參數組合如表1所示。

表1 機構運動有關參數Tab.1 Motion parameter of cutting mechanism

3 性能試驗

3.1 設備與材料

負壓式生鮮食品包裝機在中國農業機械化科學研究院國家農產品加工技術研發中心農產品加工裝備分中心進行試驗。該試驗采用自行設計的試驗樣機，如圖11所示。包裝機的主動軸由2臺伺服電機(ELTA ECMA-C10804R7型，3 000 r/min)驅動，由伺服驅動器(ASD-A2-0421-M型)控制并驅動伺服電機，前吸風盒和后吸風盒各配套2臺吸氣風機(GIMPOX PF-125-1型，220 V，最大靜壓0.7 kPa)，吸氣風機轉速由變頻器(Siemens MM420)進行控制。

試驗材料為包裝機使用的PET包裝盒和PVC保鮮膜(恩希愛 M-350)，包裝物品為市場采購的新鮮蔬菜。

3.2 試驗方法和指標

由于生鮮食品包裝機目前在國內還屬于起步階段，我國還沒有制定生鮮食品包裝機械性能試驗方法的國家標準，因此針對本文設計制造的負壓式生鮮食品包裝機，選取包裝率、鼓包率和包裝速度3個生鮮食品生產企業最重視的問題作為考察包裝機作業質量和工作性能的指標。包裝機作業試驗中，包裝速度、包裝率和鼓包率從不同角度反映裝備的作業性能。包裝率和鼓包率主要反映裝備的包裝質量，包裝速度主要反映裝備的生產能力和生產效率。

包裝率，是指在包裝過程中包裝盒的縱封和橫封都能順利完成，計算公式為

(10)

鼓包，是指在包裝過程中包裝盒的縱封和橫封都能順利完成，但是包裝的PVC膜內部出現鼓包現象，鼓包率計算公式為

(11)

包裝速度，是指在包裝過程中包裝盒每分鐘能夠包裝的包裝盒數量，計算公式為

(12)

式中N1——包裝機作業后成功包裝的包裝盒數量，包

N2——包裝機作業后出現PVC膜鼓包的包裝盒數量，包

N——包裝機作業后總的包裝盒數量，包

t——包裝機作業時間，min

3.3 試驗結果與分析

負壓式生鮮食品包裝機包裝效果如圖12所示，對于目前農產品加工企業最常用的2016盒型、3010盒型和1910盒型分別進行包裝試驗，包裝機均能達到良好的包裝效果。同時將包裝機包裝和目前超市人工包裝的產品進行包裝效果對比，如圖13所示，從圖中可以看出，人工包裝產品背部撕扯痕跡明顯，PVC膜有翹起現象；而對于包裝機機器包裝產品背部PVC膜接縫整齊，切口平直，PVC膜完全貼合包裝盒底部，包裝機機器包裝效果好于人工包裝。

圖12 樣機包裝效果Fig.12 Packaging effects of prototype

圖13 機器和人工包裝效果對比Fig.13 Comparison of machine and manual packagings

負壓式生鮮食品包裝機樣機試驗結果如表2所示，樣機對于生鮮食品的包裝速度為49.4包/min，滿足生鮮食品包裝機包裝作業的速度設計要求，生產效率可代替食品加工廠8～10個工人。包裝率為99.4%，鼓包率為5%，均在可接受范圍內，樣機的作業質量指標均滿足設計要求。負壓式生鮮食品包裝機價格比國外同類機型降低20%～30%。試驗表明，基于負壓式原理的生鮮食品包裝機，可以較好的滿足生產企業的需求。

表2 樣機試驗結果Tab.2 Test results of prototype

4 結論

(1)設計了一種負壓式生鮮食品包裝機，確定了包裝機整機結構，降低了勞動強度，為生鮮食品包裝提供了設備平臺。

(2)通過理論分析和性能試驗，確定了生鮮食品包裝機關鍵部件的結構及工作參數：通過Fluent流場分析，后吸風盒采用直角盒型，在截面參數lA和lB分別為25 mm和64 mm時，能取得較好的吸風口壓強效果，并通過試驗確定后吸風盒吸風口靜壓為32 Pa；張膜輸送帶通過調整偏心滾筒，保證上部輸送帶和下部輸送帶之間有足夠的壓力；對凸輪連桿式切斷機構通過ADAMS進行結構優化設計。

(3)負壓式生鮮食品包裝機樣機試驗表明，包裝機可滿足多種規格食品的包裝，并且包裝效果優于人工包裝。樣機對于生鮮食品的包裝速度為49.4包/min，包裝率為99.4%，鼓包率為5%，基于負壓式原理的負壓式生鮮食品包裝機達到了生鮮食品包裝作業要求。

1 章建浩．生鮮食品貯藏保鮮包裝技術[M]．北京：化學工業出版社，2009．

2 黃穎為．包裝機械結構與設計[M]．北京：化學工業出版社，2007．

3 盧立新．包裝機械概論[M]．北京：中國輕工業出版社，2011．

4 FABBRI E．Method and apparatus for wrapping articles in stretchable sheet material： US，3662513[P]．1972-05-16．

5 OMORI S．Method for automatically packing goods：US，3973372[P]．1976-08-10．

6 WHITBY M A，RATERMANN P A，BOWLING K．Package wrapping method and machine：US，5144787[P]．1992-09-08．

7 NICOLETTI C．Process and machine for wrapping articles in a stretchable film：European，0569615A1[P]．1993-11-18．

8 日本エコラップ株式會社，藤田清．フィルム製袋機構:日本，2001139003A [P].1999-11-16．

9 IRIARTE E．Machine for wrapping products with an extensible film：European，1036738A1[P]．2000-09-20．

10 王冰，王河濤，王保忠，等．一種自動保鮮膜包裝機：205345410U[P].2016-06-29．

11 游紹洪．保鮮膜包裝機：2936936Y[P].2007-08-22．

12 游紹洪．保鮮膜包裝機(CR-450)：303368735S[P].2015-09-09．

13 杭州百鄉緣農業開發有限公司．包裝盒保鮮膜包裝機壓膜裝置：203211539U[P].2013-09-25．

14 梁漢麟．一種自動保鮮膜包裝機：104150004A[P].2014-11-29．

15 鄭兆啟，李樹君，王冰，等．鮮切果蔬包裝機輸送機構仿真與試驗[J/OL]．農業機械學報，2016，47(7)：252-258．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160735&journal_id=jcsam．DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.035. ZHENG Zhaoqi，LI Shujun，WANG Bing，et al．Simulation and experiment on conveying mechanism of fresh-cut fruit and vegetable packaging machine[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(7)：252-258．(in Chinese)

16 黃志新，劉成柱．ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M]．北京：人民郵電出版社，2015．

17 鄭兆啟，李樹君，馬季威，等．果蔬包裝機凸輪連桿式切斷機構運動分析與優化[J/OL]．農業機械學報，2016，47(增刊)：374-379．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2016s057&flag=1．DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.S0.057． ZHENG Zhaoqi，LI Shujun，MA Jiwei，et al．Motion analysis and optimization on cam-link cutting mechanism of fruit-vegetable packaging machine[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(Supp．)：374-379．(in Chinese)

18 楊仁民，張學昌，韓俊翔．鋁箔卷裝盒機封口機構動力學仿真及參數優化[J]．包裝工程，2016，37(7)：85-91．

19 楊洪杰，葛修潤，王建華，等．序列二次規劃(SQP)算法在三維下限分析中的應用[J]．上海交通大學學報，2004，38(6)：992-995． YANG Hongjie，GE Xiurun，WANG Jianhua，et al．Application of SQP algorithm in 3D lower sequential quadratic programming limit analysis[J]．Journal of Shanghai Jiao Tong University，2004，38(6)：992-995．(in Chinese)

20 羅建．序列二次規劃(SQP)算法及其在航天器追逃中的應用[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012． LUO Jian．The sequential quadratic programing (SQP) algorithm and applying to pursuit-evasion of the spacecraft[D]．Harbin：Harbin Institute of Technology，2012．(in Chinese)