全自動兩面整形真空包裝機的研發

蔡松華

（漳州佳龍科技股份有限公司，福建 漳州 363000）

我國是糧食大國，2012年至2022年糧食產量從61222.62萬t波動增長至68653萬t，增長了7430.38萬t，增幅約為12.14%，但長期以來我國糧食在儲存、運輸、銷售過程的損耗驚人，產后損失占糧食總量高達12%～14.8%。因此，減少產后糧食損失是我們面臨的一個重要課題，估計如果損耗下降1%，僅經鐵路運輸的糧食每年就可減損約50萬t。以大米為例，在高溫高濕環境下普通包裝大米容易霉變生蟲，加工過后的精米如果用普通編織袋包裝時保質期只有3～6個月，還要求保存環境有合理的溫度、濕度及光照條件。

真空包裝是一種有效減少糧食損耗的方式。陸益鋇[1]、遲吉捷[2]等人的研究證實了真空包裝在大米保鮮方面的優越性，由于隔絕了外部環境影響，市面上零售的真空包裝大米保質期可以穩定達到12個月，目前，零售的5～10 kg包裝大米已大量采用真空并且整形包裝方式，它方便儲運、美觀整齊，能更好適應在貨架上長時間擺放展示的特點。面對日益增長的市場需求，以及現有真空包裝設備速度慢、漏氣率高的現實，本文設計了一款兩面真空整形包裝機，其集儲袋、分袋、張袋、上袋、計量、灌裝、真空、整形、封口及輸送等功能為一體，實現全自動，具有結構緊湊占地小、規格切換快捷、操作維護方便、包裝速度快、成功率高的特點。

1 全自動兩面整形真空包裝機的總體方案

全自動兩面真空整形包裝機主要由備袋套袋、計量灌裝、真空整形三個模塊組成，如圖1所示。

圖1 總體方案

其中備袋套袋模塊主要功能是對接掛袋機構(02)，由取袋機構(01)分離出單個袋子，在定位機構(03)上進行左右及前后定位，用張袋機構(04)的真空吸盤張開袋口，再由上袋擺臂(05)夾住袋口兩側，將包裝袋套入灌裝機構(06)。計量灌裝模塊主要功能是對接計量機構，將已計量出特定重量的物料灌裝到包裝袋內，并由移袋機構(07)將灌裝完畢的包裝袋的袋口拉平，移動到壓平機構(08)下方，再通過翻轉擺臂(09)送到真空整形模塊內的整形平臺(10)上，然后整形平臺擺動成水平狀態，真空機構(11)下降與整形平臺拼合成密封腔，在抽真空的時候同時整形，再由固定在整形平面上的封口機構(12)完成熱封口，之后真空機構上升，整形平臺反向翻轉，包裝袋經由出料機構(13)送出。具體設計可參照國家發明專利[3,4]。

2 全自動兩面整形真空包裝機的工作流程

全自動兩面整形真空包裝機工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

當設備上電、自檢、復位完成后先檢測掛袋桿上是否掛有袋子，如果沒有掛袋則在觸摸屏上提示缺袋，然后等待人工掛袋。如果掛袋桿掛有袋子，掛袋機構會讓袋子滑向取袋機構，之后取袋機構的真空吸盤從掛袋機構吸取一個包裝袋送到定位機構定位，確定袋口位置后，張袋機構用真空吸盤將袋口張開，再上袋擺臂抓住袋口，將包裝袋套入灌裝機構。此時，設備會利用氣壓檢測原理檢測套袋是否成功，并會將套袋不成功的包裝袋自動剔除，再重新套袋。與此同時計量機構會啟動加料動作，按預先設定的數值自動計量物料，并將這些物料通過灌裝機構灌裝至包裝袋內，在灌裝同時啟動拍袋動作以拍實袋內物料。灌裝完成后物料袋會由抱袋機構抱緊并由移袋機構經由壓平機構壓平袋口，再通過擺臂交接給整形平臺，整形平臺翻轉至水平位置，配合下降的真空機構完成真空、整形與封口動作，再通過出料機構送出。

3 全自動兩面整形真空包裝機的關鍵零部件的設計計算

3.1 掛袋機構設計

掛袋機構用于給備袋套袋模塊提供預制包裝袋，原有供袋機構因為包裝袋之間存在的靜電、摩擦等原因很容易造成一次取袋取出多個包裝袋，或者因為粘連導致取袋時帶動下一個包裝袋使其定位不準，從而導致給設備提供包裝袋不夠穩定，影響設備的包裝效率并增加現場工人的工作量。本設備采用了全新的懸掛式儲袋供袋結構，并已獲得相關的國家發明專利[8]。

掛袋機構結構如圖3所示。

圖3 掛袋機構結構圖

本掛袋機構采用掛袋桿(03)穿過包裝袋(04)提手孔的方式來實現儲袋功能。掛袋桿(03)有上翹及下垂兩個工作狀態，上翹狀態主要用于補充包裝袋，保證補充時包裝袋(04)不會滑出掛袋桿，下垂狀態用于自動供袋，包裝袋(04)在振動裝置(02)的作用下，沿著掛袋桿(03)有向擋袋機構(01)滑動的趨勢，從而能整齊沿著掛袋桿(03)緊挨著列隊。當取袋機構(05)取走一個包裝袋時，擋袋機構(01)上柔性擋板會剮蹭包裝袋頂部，阻止后面的包裝袋因為黏附或其他原因被帶走或拉歪，從而達到穩定取出單個包裝袋的目的。本掛袋機構結構簡單、布局緊湊、掛袋方便、儲袋量大，并有效解決了原有儲袋機構供袋穩定性不足的問題。

3.2 灌裝機構的灌裝速度計算

灌裝速度會直接影響設備的包裝速度，受物料特性及灌裝口形狀尺寸等各方面因素影響較大，也是設備設計中較難確定的數據，以下是常用的采用經驗公式的計算方法。

本設備灌裝口采用矩形截面錐筒設計，據計算公式[7]得：

對矩形出料口：

⑴式中：

M－料口通過能力；ρ－物料的堆密度；g－重力加速度；fp－物料的形狀系數，對于球形顆粒fp＝1.6；對于非球形顆粒，fp≈2.4；d－顆粒直徑；L－出料口的長度；w－出料口的寬度。

f h－tgβ-0.55，為料斗中心線與料斗壁的夾角，當β＜45°時，按料斗休止角計；當β＞45°時，fh＝1.0。

以常用物料大米為例，根據《糧食工程設計手冊》[6]，大米堆密度ρ＝0.8 t/m3，內摩擦角為30°；與鋼板外摩擦角為23°；粒度為7 mm×3 mm×2.5 mm，d取其幾何平均值=3.74 mm，因為是非球形顆粒，所以fp≈2.4；灌裝口半錐角β為30°，因此fh=1.353；g取9.8 m/s2。

由于L=80 mm；W=20～80 mm，將以上數據代入矩形出料口M值計算公式，通過數據計算處理，可得圖4灌裝口寬度與灌裝流率關系圖。

圖4 灌裝口寬度與灌裝流率關系圖

如果10 kg物料按時序設計要求在3 s內灌裝完畢，則灌裝速度M10 kg＝10 kg÷3 s＝3.33 kg/s。查圖4并按公式進行驗算，此時需要開口寬度W10 kg＝66 mm。用同樣方法可得表1。

表1 常見規格灌裝速度與相應開口寬度對應表

3.3 熱封機構設計

熱封機構固定于真空整形模塊的整形平臺上，用于對已經完成真空整形的包裝袋進行熱封口處理，如果熱封口的密封效果不好，會直接導致包裝的真空失效，因此熱封口對設備提升包裝成功率至關重要。

本熱封機構解決了原有熱封機構對包裝規格兼容范圍較差的問題，特別是在包裝規格較小時，原有機構的封口容易拉扯包裝袋口，使其變形，導致熱封口的密封效果下降，本設備的新型熱封機構，能有效改善全包裝規格內的熱封效果，從而提高真空包裝成功率，并申請了相關國家專利[9]。機構結構如圖5所示。

裝有物料的包裝袋平鋪于下整形板(05)之上，包裝袋袋口位于熱封板(03)與下墊板(01)之間，熱封板(03)與下墊板(01)都可以沿著導軸(01)的軸向運動，從而在驅動力作用下夾緊袋口并利用熱封板(03)上的加熱元件控制溫度對塑料袋實現熱封口。密封板(04)主要用于抽真空時壓緊袋口，防止物料隨氣流噴出并在整個機構移動過程中起夾緊作用。

與舊有熱封機構相比，本熱封機構熱封板(03)與下墊板(01)位置均可調整，從而實現在熱封的時兩塊板的夾緊位置可隨著包裝規格調整，使包裝袋袋口保持于整形后包裝袋厚度方向的居中位置，避免熱封時對包裝袋袋口的拉扯，有效提升熱封口的成功率與美觀度。

3.4 翻轉擺臂交接機構設計

翻轉擺臂用于將包裝袋由定量灌裝模塊交接到真空整形模塊，將灌裝完畢處于直立狀態的包裝袋翻轉一定角度，交接到整形平臺上。本設計[10]能根據不同規格包裝袋自動調節相關尺寸（圖6）。

圖6 翻轉擺臂交接結構圖

包裝袋(03)在計量灌裝模塊灌裝完畢后，通過移袋機構移動到壓平機構，并豎直懸掛在壓平機構下方，此時翻轉擺臂(01)擺動到豎直狀態，并用上面的夾袋手指(04)夾緊包裝袋袋口，同樣安裝在翻轉擺臂(01)上的可調托盤(02)托住包裝袋(03)底部以避免袋內物料重量將包裝袋下拉導致的袋口變形。然后翻轉擺臂(01)向整形平臺(05)擺動將包裝袋(03)放置到整形平臺(05)上，等整形平臺(05)夾緊包裝袋口后再松開夾袋手指(04)完成交接，最后翻轉擺臂(01)恢復到豎直狀態，進入下一個循環。

4 樣機試驗

4.1 準確度等級的確定

設備具備全自動稱量功能，稱量誤差是其重要指標，圖7是以計量規格5 kg為例在某次設備自動稱量試驗的稱量誤差統計圖。

圖7 計量誤差統計圖

根據中華人民共和國國家計量檢定規程[5]，對于預設值（FP）為5 kg的規格，單次試驗裝料次數（n）不小于30次，本次試驗連續進行479次，大于30次符合試驗要求。

由圖3的數據經計算可得裝料質量平均值∑F/n＝5.001 kg，由于本次試驗最大裝料質量Fmax＝5.004 kg，最小裝料質量Fmin＝5.000 kg，因此，最大偏差mdmax＝Fmax－∑F/n＝5.004－5.001＝0.003 kg。

由于預設值（FP）為5 kg的準確度等級X(1)級的每次裝料最大允許偏差（MPD）為1.2%（首次檢定）及1.5%（使用中檢查），再乘以等級指定因子(x)，等級指定因子有(1)、(0.5)、(0.2)、(0.1)等。本次試驗選定最高準確度的等級指定因子為(0.1)。

所以本次試驗的首次檢定最大允許偏差（MPD）＝5.000×1.2%×0.1＝0.006 kg，試驗所得最大偏差mdmax＝0.003 kg＜0.006 kg，符合準確度等級X(0.1)的試驗標準。

預設值誤差se＝∑F/n-Fp＝5.001－5.000＝0.001 kg。

由于預設值（FP）為5 kg的X(1)級最大允許預設值偏差（MPSE）為最大允許偏差（MPD）的0.25倍，所以本次試驗最大允許預設值偏差（MPSE）=最大允許偏差（MPD）×0.25=0.006×0.25=0.0015 kg。

所以本次試驗的預設值誤差se＝0.001 kg＜0.0015 kg，符合準確度等級X(0.1)的試驗標準，因此本次試驗符合裝料衡器準確度等級X(0.1)的標準。

4.2 真空包裝漏氣率試驗

真空包裝漏氣率是設備的關鍵指標，直接影響包裝生產線的效率與成本。本試驗采用典型物料大米，以5 kg包裝規格在本公司內部進行樣機試驗，設備運行環境溫度24 ℃，每組400個，分別測試10組，靜置24 h后測試真空效果，結果如表2所示。

表2 真空包裝漏氣率試驗

試驗結果顯示本設備的漏氣率為0.33%。漏氣主要原因之一是包裝破損，具體原因是有些物料尖角突出包裝表面，經過與設備滑動摩擦后磨破包裝袋導致漏氣。漏氣主要原因之二是封口皺褶，具體原因是灌裝完畢后有一定概率無法完全拉平袋口，經過多道交接后袋口不夠平整，導致熱封時無法完全密封。

5 結語

全自動兩面真空整形包裝機項目在研發過程中針對原有同類設備問題做出較多改進，并獲得多項國家發明專利。設備包裝的產品真空漏氣率低，整形效果好，對不同規格的預制真空袋具有良好的適應性，更換規格方便快捷，有效減少包裝車間工人的數量及勞動強度。產品投入市場后深受認可，有效提升了企業的核心競爭力，獲得較好的社會經濟效益。