食品包裝機的橫封機構運動仿真分析

康玉輝，周丹

1. 河南工學院機械工程學院（新鄉(xiāng) 453003）；2. 河南牧業(yè)經(jīng)濟學院能源與智能工程學院（鄭州 450046）

隨著社會進步，人民生活水平有了大幅提高，各種生活必需品都需要有精美的包裝，這促使包裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，包裝機正朝著高品質(zhì)、高效率、高速度方向發(fā)展。美國、日本和德國等國家生產(chǎn)的包裝機代表世界最先進水平，國內(nèi)自主生產(chǎn)的包裝機發(fā)展較遲，還存在一些問題，國內(nèi)包裝機主要依靠進口[1-5]。橫封橫切是食品包裝的關鍵步驟，它關系到包裝機的速度與品質(zhì)。因此，對食品包裝機幾種常用的結構做了分析介紹，并對轉動導桿結構做了深入分析。

1 常用的橫封結構

枕型包裝機根據(jù)其結構形式分為臥式和立式2種，其橫封機構基本相同。橫封結構的原理是將上下2層熱熔性的包裝膜加熱后粘合成一道密合的橫縫，所謂橫向是指垂直于包裝膜和物料的運行方向，與縱封相對。橫封機構由驅動機構、傳動機構、執(zhí)行機構等組成。橫封輥輪是其執(zhí)行機構，表面一般設有各式各樣的花紋，用來增加封口的密合性，并且具有一定美觀效果。目前常用的橫封機構大體上可分為3類：旋轉式、往復式和旋轉往復式[6-8]。

1.1 旋轉式橫封機構

旋轉式橫封機構的結構主要由回轉輥輪、加熱器、切刀及傳動機構等組成，它是通過2個轉速相等且轉向相反的平行軸，分別帶動一個封切刀座作相對旋轉運動，典型結構如圖1所示。回轉輥輪、加熱器和切刀裝在刀座上，封切壓力通過彈簧調(diào)節(jié)，2個軸旋轉1圈完成1次橫向封合和切斷。傳動結構一般采用不等速回轉機構。旋轉式橫封機構可以達到較高的運行速度，且結構簡單。

1.2 往復式橫封機構

往復式橫封機構一般是通過凸輪連桿機構與驅動機構結合的方式實現(xiàn)封合的間歇運動，結構形式如圖2所示。根據(jù)其功能可以分為2類，一類是只做間歇式的封合，另一類是既做間歇式的封合又做間歇式牽引運動。封口方式主要有熱板式和脈沖式，間歇運動主要通過機械和氣動結合的方式實現(xiàn)。由于其運行過程中會一直有啟停運動，所以有較大的封合沖擊，由于速度越高產(chǎn)生的沖擊力越大，沖擊力會造成機身振動，影響包裝效果，所以往復式橫封機構一般速度較慢，適合尺寸較大、厚度較高的物品的包裝。

圖1 旋轉式橫封結構

圖2 往復式橫封結構

1.3 旋轉往復式橫封機構

旋轉往復式橫封機構的運動由旋轉臂的旋轉運動和移動臂的往復運動組合形成[9]，基本結構如圖3所示。它的運動軌跡是D型軌跡，在運行時，D型軌跡的直線部分用于封合，與圓形軌跡相比，熱封時間變長，且采用熱板式封合的方式，使封合接觸方式由線接觸變?yōu)槊娼佑|，從而提高橫封品質(zhì)。旋轉往復式橫封機構一般有2個伺服電機驅動，其運動軌跡是通過伺服電機控制實現(xiàn)的。旋轉往復式橫封機構適用于有一定厚度或對密封性要求較高物品的枕形包裝，與旋轉式橫封機構和往復式橫封機構相比，旋轉往復式橫封機構結構較為復雜，加工成本高。

圖3 旋轉往復式橫封結構

旋轉式橫封機構運行速度高，結構簡單，且沖擊小，運行平穩(wěn)，更適合小袋食品包裝。但要得到高的封合效率和封口品質(zhì)，必須滿足一定橫封工藝要求：橫封頭的運行速度必須與包裝袋的運行速度一致，否則會影響橫封品質(zhì)；橫封頭需要做不等速運動，使封口和切斷時運行速度慢，空程時運行速度快，從而既保證封合效果，又保證運行速度。

2 曲柄導桿機構運動特性分析

旋轉式橫封機構常用的不等速傳動機構有曲柄導桿機構、橢圓齒輪機構、偏心鏈輪機構、差動機構等[10-13]，其中曲柄導桿機構原理簡單，零件較少，設計調(diào)節(jié)方便，且運動規(guī)律，變化平緩，所以曲柄導桿機構在旋轉式橫封機構中應用比較廣泛。

曲柄導桿機構結構簡圖如圖4所示，其中AC為導桿，BC為曲柄，曲柄、導桿中任意一者作為主動件做勻速回轉運動，則另一者做非勻速回轉運動，且兩者的非勻速回轉運動的運動規(guī)律不同。以導桿AC為驅動件進行分析，設其勻速回轉角速度為ωA，曲柄對應的角速度為ωB，兩者轉動軸心距為e，曲柄長度為a。

圖4 曲柄導桿結構簡圖

設導桿在某一瞬時與AB之間的夾角為θ，曲柄對應的夾角為φ，由三角形ABC可得到：

對時間t求導并整理得：

根據(jù)定義可得：ωA=dθ/dt，ωB=dφ/dt，將ωA、ωB代入并整理得到：

式中：i=e/a。

將式（1）和式（3）組合求解得到：

根據(jù)式（4）可得，當θ=0時，ωB具有最小值，當θ=π時，ωB具有最大值。

由式（4）對時間t求導得到，曲柄的角加速度：

由式（5）可得，當θ=1/2π時，曲柄角速度aB具有最大值。

3 曲柄導桿機構運動仿真分析

設曲柄長度100 mm，曲柄與導桿的轉動軸心距60 mm，導桿轉速100 r/s。通過SOLIDWORKS建立三維模型圖，導入ADAMS中進行運動仿真分析。ADAMS虛擬樣機軟件是目前世界上應用最廣泛的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，使用該軟件可以真實地反映機構的運動過程。

主要通過ADAMS/View模塊對機構作運動分析，將模型導入后對模型各個零件的材料屬性、質(zhì)量等進行賦值，并設定工作環(huán)境，根據(jù)曲柄導桿機構的實際運動情況添加約束和相應的運動副，添加載荷和驅動[14-15]。

曲柄導桿機構輸出端的角速度與角加速度曲線如圖5和圖6所示。當導桿轉角等于0°時，輸出端的角速度最小。當導桿轉角等于180°時，輸出端的角速度最大。當導桿轉角等于90°時，輸出端的角加速度最大。與理論分析結果一致，證明理論分析的正確性。

圖5 輸出端角速度曲線

圖6 輸出端角加速度曲線

4 結語

對旋轉式橫封機構、往復式橫封機構、旋轉往復式橫封機構做了分析介紹，旋轉式橫封機構更適合小袋食品包裝，對旋轉式橫封機構常用的轉動導桿結構作了深入分析，建立數(shù)學模型，得到機構的速度與加速度方程，運用ADAMS軟件對其進行運動學分析，隨著導桿轉角變化，機構的角速度、角加速度隨之變化，通過仿真曲線得到機構具有最大角速度與角加速度時，分別對應的導桿角度值，證明理論分析的正確性。此次研究為包裝機橫封機構的研究及控制系統(tǒng)的設計提供理論依據(jù)，為食品包裝機的設計提供技術支持。