枕式果蔬食品包裝機的設計與試驗

袁飛，周文彬

1. 常州工業職業技術學院（常州 213000）；2. 飛利浦醫療（蘇州）有限公司（蘇州 215024）

隨著生活水平的提高，人們越來越追求品質高、外觀精美的食品，其中蔬菜水果為甚，所以對果蔬等食品進行包裝是食品工業領域新的發展方向[1-2]。為了適應社會的發展以及消費者的需求，國內外包裝設備也在快速地提升品質，與國外相比，國內的食品包裝機在靈活性、包裝速度和效率上均稍有遜色，國內食品包裝基本還處于手工包裝或者用簡易封口設備進行的半自動包裝水平，一般的包裝機也是對特定大小的產品進行包裝作業[3-5]。因此設計了一種枕式果蔬食品包裝機，它能夠適用不同形狀大小的果蔬食品包裝，并對樣機進行了驗證，證明所設計的果蔬食品包裝機具有高效率、高穩定性的特點。

1 果蔬食品包裝機的總體結構和工作原理

枕式果蔬食品包裝機主要由送膜機構、物料輸送機構、制袋裝置、縱封機構、橫封機構、控制箱組成[6-7]。通過變速箱對伺服電機減速增扭，從而帶動帶輪或鏈輪來實現機器的運轉，每個機構均由不同的伺服電機來驅動，從而實現各個機構的穩定協調合作，結構簡圖如圖1所示。

果蔬包裝機的工作流程[8]：待包裝的果蔬沿著物料輸送機構到達制袋裝置位置，同時包裝用的薄膜由送膜機構送入制袋裝置成型，然后果蔬進入卷曲成型的包裝袋中，由縱封裝置實現縱封，再由傳送帶送入橫封裝置進行橫封處理，切斷包裝膜，最后由傳送帶輸出成品，至此完成一次作業循環。

圖1 果蔬包裝機結構簡圖

2 關鍵部件設計

2.1 送膜機構設計

該機器用柔性卷盤復合材料作為包裝膜[9-10]。送膜機構的結構簡圖如圖2所示，在支撐軸上的包裝膜，經過導向輥導向，張緊輥張緊，再經驅動輥和壓膜膠輥牽引其向前輸送，由于瞬時速度的變化會導致輸送的包裝膜時松時緊，所以裝有擺臂張緊裝置，來保持包裝膜適當的張緊，最后包裝膜通過制袋成型器卷邊成型。

圖2 送膜機構簡圖

設拉膜牽引輥以一定角速度轉過角度θ，卷盤薄膜轉過φ角，則在某一瞬時卷盤薄膜的工作半徑為：

式中：r0為卷盤薄膜的初始半徑，mm；δ為卷盤薄膜的厚度，mm。

推導求得：

式中：R1為拉膜牽引輥的回轉半徑，mm。

由式（2）可知，當卷盤薄膜材料和厚度確定時，卷盤薄膜的瞬時半徑r與拉膜牽引輥的回轉半徑和轉過的角度有關。

得到的卷盤薄膜的轉動慣量為：

式中：J0為支撐軸的轉動慣量，g·mm2；ρ為包裝膜的密度，g/mm3；B為包裝膜的寬度，mm。

拉膜牽引輥的角速度ω與其轉角θ的關系為：

式中：M為牽引輥的力矩。

由式（4）可知，隨著包裝薄膜卷的半徑變小，其轉動慣量也隨之變小。因此，如果要保證牽引輥的送膜速度穩定，當包裝膜卷半徑和轉動慣量變小時，要減小牽引輥的力矩。也就是需要調整送膜機構的阻尼力矩和包裝膜的阻力矩。

在包裝膜卷的支撐軸上加裝帶彈簧的剎車片。當支撐軸旋轉速度發生變化時，通過剎車片使彈簧產生與速度變化大小呈反比的拉力，即當支撐軸速度變大時，彈簧被拉長，彈性力變大，同時剎車阻力也變大，從而阻止支撐軸速度變大；當支撐軸速度變小時，彈簧被縮短，彈簧的彈性力變小，同時剎車阻力也變小，從而使支撐軸轉速加快，以此保證送膜速度的穩定。

2.2 縱封機構設計

產品包裝封口的質量主要是由溫度、壓力、時間三個因素決定的，而三者之間又具有相互制約關系，所以選擇各因素適當的參數非常重要[11-12]。

所設計的包裝機采用輥輪式熱封方法進行縱向熱封，拉膜牽引輪將包裝膜引導入輥式加熱輪和縱封輪，同時進行加熱和縱封，并繼續引導包裝膜前進，進入橫封機構。為保證拉膜牽引輪的牽引速度與縱封輪的速度一致，兩者動力由同一電機驅動同步帶傳遞。

輥式縱封機構有縱封輥、加熱輥以及齒輪、同步帶等零件組成，為適應不同包裝膜的熱封需要，也為了提高成品的外觀，縱封輥的熱封面寬度一般為5～10 mm；為了使封口更加嚴密，輥面上設計有滾花紋。其結構模型如圖3所示。縱封輥輪半徑按式（5）計算。

式中：Q為包裝機的生產速度，袋/min；L為包裝產品的袋長，mm；ωZ為縱封輥輪的角速度，rad/s。

由式（5）可以得出，縱封輥輪半徑取決于包裝機的生產速度和產品的袋長。在固定產品的生產過程中，縱封輪的半徑和產品袋長保持不變，要提高包裝機的生產速度，只需提高縱封輥輪的旋轉速度，并配合提高加熱溫度以保證高速下的封口質量，該設計通過控制伺服電機的轉速來控制縱封輪的旋轉速度，并通過同步帶變速，改變傳動比來實現不同袋長產品的縱封。

圖3 縱封機構模型

2.3 橫封機構

橫封機構采用回轉式，主要由回轉軸座、切刀、加熱電極等零部件組成，橫封機構在對包裝膜進行封合和切斷時，要保證在切斷包裝膜的瞬間，切刀旋轉的線速度與送膜機構牽引輪對包裝膜的牽引速度一致，否則會撕拉膜，使橫封口部位起皺或拉長，影響產品美觀，甚至會扯破包裝袋，降低成品率，影響包裝效率[13-14]。

需要合理控制切刀的空轉時間。為保證包裝機能夠連續準確地進行橫封封切，應使切刀的空轉時間稍大于或等于輸送一個袋長的時間，所以橫封機構的運轉是非勻速轉動。而且速度還可以在一定范圍內調節，從而適用于不同的物料。

圖4 橫封機構模型

另外橫封機構與整機之間設計了升降螺桿和滑槽，使橫封機構能夠上下移動，從而調節橫封切刀的高度，使橫封封切時封口位置正好在包裝物的中心處。

3 樣機試驗

試驗對象是新鮮的水果蔬菜，包裝材料是復合包裝膜。我國的果蔬食品包裝機目前還處于起步階段，所以對果蔬包裝機并沒有具體的試驗標準，根據實際使用情況，由于客戶最重視包裝機的包裝速度和成品率，所以把包裝速度和成品率作為試驗指標[15]。包裝速度是指每分鐘完成的包裝數量，反映了包裝機的生產能力。成品率是指合格的包裝數量占總包裝數量的百分比，反映了包裝機的包裝質量和穩定性。果蔬包裝機樣機如圖5所示。

圖5 果蔬包裝機樣機

包裝效果如圖6所示。包裝成品切口整齊平直，封口嚴密，外觀精美。試驗得到：樣機對于果蔬食品的包裝速度為151包/min，合格品率為99.6%，包裝機能夠穩定高效工作，滿足果蔬食品包裝的需求。

圖6 包裝成品效果圖

4 結語

設計了一種枕式果蔬食品包裝機，主要由送料機構、送膜機構、橫封機構、縱封機構和成品輸出機構等組成，能夠適用于不同形狀大小的果蔬食品包裝。重點對送膜機構、縱封機構和橫封機構進行了設計，送膜機構采用驅動輥加牽引輥的結構形式，縱封結構采用輥輪式熱封方法，橫封機構采用加熱電極結合切刀回轉式結構實現封切。制作樣機并試驗得到：包裝速度為151包/min，合格品率為99.6%，且包裝成品外觀精美，包裝機能夠穩定高效工作，達到了設計要求，能夠滿足果蔬食品包裝的需要，擁有廣闊的市場前景。