蠕動泵灌裝工藝穩定性改進研究

摘 要 針對制藥和食品行業蠕動泵灌裝頭存在的裝量隨時間衰減的問題，分析影響灌裝精度穩定性的機理，并設計了一款高穩定性的擠壓式蠕動泵灌裝頭。擠壓式蠕動泵灌裝頭包含擠壓部分和截止部分，擠壓部分由擠壓活動塊和擠壓固定塊組成，可以通過調整兩個擠壓塊的相對位置實現軟管受擠壓長度的變化；截止部分分為出口截止塊、入口截止塊和固定塊；擠壓部分和截止部分交替動作實現管路填充和灌裝動作。灌裝頭采用直線擠壓軟管，較以往的圓周滾壓軟管，對軟管的磨損小，24 h裝量變化率低于3%。實際應用表明：擠壓式蠕動泵灌裝頭具有效率高，灌裝精度穩定性高，安裝軟管方便的優點，具有推廣應用價值。

關鍵詞 蠕動泵 流量衰減 擠壓泵 灌裝 精度

中圖分類號 TH137.51"" 文獻標志碼 B"" 文章編號 1000-3932（2024）05-0924-05

灌裝機是液體類藥品、食品包裝生產線的重要執行裝置。蠕動泵灌裝機作為新型液體傳輸技術，早期主要應用于科研實驗過程，具有潔凈度高、耐腐蝕性強的特點，適用于小液量傳輸和分裝，近些年才開始在工業自動化生產過程中應用。

灌裝機的設計選型通常要綜合考慮灌裝液量、灌裝效率、灌裝精度、灌裝精度穩定性、液體潔凈度等要求。蠕動泵作為一種高潔凈度灌裝設備，常用在200 g以下的小液量灌裝工藝中，可實現每分鐘30～120瓶的灌裝效率。蠕動泵灌裝頭常用于液體類藥品、食品灌裝工藝生產中，可滿足溶液、粘稠液體、顆粒混合液多種工況的分裝需求。但其灌裝穩定性一直是影響灌裝工藝設計的要點，常見蠕動泵灌裝頭8 h的灌裝量在10%～15%變化。雖然蠕動泵可以通過校正功能實現灌裝量的補償，但操作過程復雜，需暫停生產線才能實施，非常影響生產線的生產效率［1～5］。因此，筆者通過分析蠕動泵灌裝頭灌裝精度變化的原因，提出一種新的蠕動泵工作結構設計方案，以降低軟管彈性變化和磨損，進而提升蠕動泵灌裝頭的灌裝精度穩定性。

1 灌裝精度變化機理分析

蠕動泵灌裝頭主要由驅動部分、泵頭部分、灌裝軟管組成。蠕動泵的結構穩定性、軟管彈性變化、軟管磨損、軟管出入口壓力波動、驅動電機運行穩定性，是影響蠕動泵灌裝頭灌裝精度穩定性的主要因素［6～9］。其中，常用的蠕動泵灌裝頭主要采用金屬和高強度工程塑料，結構強度好；驅動電機常選用帶閉環的步進電機或伺服電機，驅動穩定性良好；灌裝線常設有緩沖罐，軟管出入口壓力較為穩定，這些影響因素都有相應的解決方法，因此提升蠕動泵灌裝頭灌裝精度穩定性需降低軟管彈性變化和軟管磨損對灌裝量的影響［10～14］。

常用的蠕動泵灌裝頭運轉時，泵頭內的滾輪依次滾壓軟管，實現液體的傳輸，灌裝液量主要依靠控制滾輪旋轉角度控制［15］。灌裝液量確認后，滾輪旋轉角度是固定的，因此影響灌裝液量一致性的因素主要有：軟管彈性的穩定性和軟管的磨損。滾輪滾壓軟管時，軟管會受到徑向方向的擠壓變形、軸向方向的拉伸變形和表面摩擦力（圖1）作用，變形過程將直接影響軟管的彈性回彈和軟管的磨損［16］。其中，擠壓變形主要影響軟管的回彈特性，拉伸變形和表面摩擦力主要導致軟管表面的磨損脫落。

2 灌裝機灌裝頭改進設計

筆者提出的新型擠壓式蠕動泵灌裝頭通過改變泵頭運轉方式改變軟管受力情況，從而改善軟管彈性變化，提高灌裝精度穩定性。

2.1 結構設計

筆者設計的擠壓式蠕動泵灌裝頭分為動力部分、擠壓部分、截止部分、軟管和外殼，如圖2所示。

動力部分包含驅控一體電機和傳動凸輪組。驅控一體電機安裝在外殼上，通過聯軸器與傳動凸輪組連接；驅控一體電機可以通過485通信或電平信號與灌裝線主控系統通信，實現灌裝線各模塊的聯動；驅控一體電機收到控制信號后，執行電機帶動傳動凸輪組轉動指定角度。傳動凸輪組安裝在外殼的軸承上，凸輪組包括入口截止凸輪、擠壓凸輪、出口截止凸輪，凸輪組旋轉至不同角度，推動擠壓塊、截止塊運行到不同的位置。

擠壓部分包含擠壓活動塊、擠壓固定塊和調整機構。擠壓活動塊上設有彈簧和滾動軸承，彈簧將擠壓活動塊壓在擠壓凸輪上形成接觸；凸輪轉動時擠壓塊沿外殼上的導柱滑動，同時設計的凸輪曲線實現了對擠壓活動塊滑動位置的控制，實現了軟管的徑向壓縮與釋放。擠壓固定塊安裝在調整機構上，調整機構固定在外殼上，當軟管安裝在擠壓活動塊和擠壓固定塊中間時，可以通過調整機構調整擠壓固定塊的位置，實現受擠壓軟管長度的調整。

截止部分包含截止活動塊和截止固定塊。截止部分與擠壓部分結構近似，截止活動塊分為入口截止活動塊與出口截止活動塊，截止固定塊直接固定在外殼上；截止活動塊和截止固定塊配合進行軟管的關斷和打開控制；同時為降低工作負載，截止活動塊設計為楔形，以減小與軟管的接觸面積。

軟管安裝在擠壓式蠕動泵灌裝頭上，依次通過外殼固定管夾、入口截止塊、擠壓活動塊、出口截止塊、外殼固定管夾。軟管呈直線布置，安裝過程方便。

2.2 工作原理

擠壓式蠕動泵灌裝頭工作時分為填充階段、待機階段、灌裝階段和復位階段，如圖3所示。

填充階段，出口截止塊處于關閉位置，擠壓軟管出口處閉合；入口截止活動塊處于打開位置，軟管入口處連通；擠壓活動塊切換至打開位置，軟管釋放回彈，形成負壓，待灌裝液體進入軟管；擠壓活動塊打開到最大狀態，軟管回彈到最大狀態，填充階段完成。

待機階段，出口截止塊處于關閉位置，擠壓軟管出口處閉合；擠壓活動塊處于打開最大狀態；入口截止活動塊切換至閉合位置，軟管入口閉合；入口截止活動塊完全閉合，待機階段完成。

灌裝階段，入口截止塊處于關閉位置，擠壓軟管出口處閉合；出口截止活動塊切換至打開位置，軟管出口處連通；出口截止活動塊完全打開后擠壓活動塊切換至關閉位置，軟管受到徑向擠壓，形成正壓，待灌裝液體排出軟管；擠壓活動塊關閉到最小狀態，軟管擠壓到最小，待灌裝液體灌裝完成，出口截止活動塊切換至閉合位置，軟管出口處關閉，灌裝階段完成。

復位階段，出口截止塊處于關閉位置，擠壓軟管出口處閉合；擠壓活動塊處于關閉最小狀態；入口截止活動塊切換至打開位置，軟管入口處連通；入口截止活動塊完全打開，復位階段完成。

灌裝開始前擠壓式蠕動泵灌裝頭快速運行，將軟管填充滿液體，并進入待機階段，準備完成；當驅控一體電機接收到灌裝信號后，電機旋轉一圈，帶動傳動凸輪組轉動360°，傳動凸輪組推動擠壓塊、截止塊交替滑動，灌裝頭從填充階段、待機階段、灌裝階段、復位階段循環切換，實現待灌裝液體的灌裝。

為實現擠壓式蠕動泵灌裝頭的連續運行，需參考工作原理和動作時序要求進行傳動凸輪組的凸輪曲線設計，實現電機旋轉相位與擠壓塊位置的對應。擠壓凸輪和截止凸輪的輪廓設計曲線如圖4所示。擠壓凸輪和截止凸輪安裝時按指定的交錯相位組裝，實現電機旋轉時擠壓塊和截止塊按設計動作運行，如圖5所示。

3 測試與結果分析

3.1 測試

本次實驗測試選用不同規格的擠壓式蠕動泵灌裝頭進行24 h灌裝精度穩定性測試。選用DM1746型灌裝頭，灌裝5%甘油溶液，灌裝量為115 mg，灌裝效率每分鐘60瓶；選用JF02-4型灌裝頭，灌裝純水，灌裝量1 g，灌裝效率每分鐘60瓶；選用JD20型灌裝頭，灌裝純水，灌裝量10 g，灌裝效率每分鐘60瓶。

灌裝量采用天平稱重方式測量，測試選用奧豪斯電子天平PR223ZH/E和梅特勒ME55。

3.2 測試結果與分析

3種灌裝量的24 h灌裝精度誤差率測試結果見表1～3，變化曲線如圖6所示。

經實驗測試，3種灌裝量的24 h灌裝精度穩定性較好。115 mg的5%甘油溶液24 h灌裝量精度最大誤差率為2.37%；1 g的純水24 h灌裝量精度最大誤差率為1.05%；10 g的純水24 h灌裝精度最大誤差率為1.30%。

4 結束語

通過分析蠕動泵灌裝頭的灌裝精度變化因素，設計了一款擠壓式蠕動泵灌裝頭。通過原理分析和實際測試驗證了新灌裝頭的穩定性，滿足藥品灌裝、食品灌裝等潔凈度要求高和灌裝量小的工藝環節的需求。目前，DM1746型擠壓式蠕動泵灌裝頭已在某方便面料包灌裝生產線應用，灌裝精度穩定性良好，值得推廣應用。

未來，將針對食品灌裝環節的多工位小型化、IP防護等級和表面清潔要求，進行專用化改進提升。

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（收稿日期：2023-10-30，修回日期：2023-12-01）