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(chǎn)量從61222.62萬t波動(dòng)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(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售過程的損耗驚人，產(chǎn)后損失占糧食總量高達(dá)12%～14.8%。因此，減少產(chǎn)后糧食損失是我們面臨的一個(gè)重要課題，估計(jì)如果損耗下降1%，僅經(jīng)鐵路運(yùn)輸?shù)募Z食每年就可減損約50萬t。以大米為例，在高溫高濕環(huán)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(shí)保質(zhì)期只有3～6個(gè)月，還要求保存環(huán)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(shí)了真空包裝在大米保鮮方面的優(yōu)越性，由于隔絕了外部環(huán)境影響，市面上零售的真空包裝大米保質(zhì)期可以穩(wěn)定達(dá)到12個(gè)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(chǔ)運(yùn)、美觀整齊，能更好適應(yīng)在貨架上長時(shí)間擺放展示的特點(diǎn)。面對(duì)日益增長的市場需求，以及現(xiàn)有真空包裝設(shè)備速度慢、漏氣率高的現(xiàn)實(shí)，本文設(shè)計(jì)了一款兩面真空整形包裝機(jī)，其集儲(chǔ)袋、分袋、張袋、上袋、計(jì)量、灌裝、真空、整形、封口及輸送等功能為一體，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊占地小、規(guī)格切換快捷、操作維護(hù)方便、包裝速度快、成功率高的特點(diǎn)。

1 全自動(dòng)兩面整形真空包裝機(jī)的總體方案

全自動(dòng)兩面真空整形包裝機(jī)主要由備袋套袋、計(jì)量灌裝、真空整形三個(gè)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(duì)接掛袋機(jī)構(gòu)(02)，由取袋機(jī)構(gòu)(01)分離出單個(gè)袋子，在定位機(jī)構(gòu)(03)上進(jìn)行左右及前后定位，用張袋機(jī)構(gòu)(04)的真空吸盤張開袋口，再由上袋擺臂(05)夾住袋口兩側(cè)，將包裝袋套入灌裝機(jī)構(gòu)(06)。計(jì)量灌裝模塊主要功能是對(duì)接計(jì)量機(jī)構(gòu)，將已計(jì)量出特定重量的物料灌裝到包裝袋內(nèi)，并由移袋機(jī)構(gòu)(07)將灌裝完畢的包裝袋的袋口拉平，移動(dòng)到壓平機(jī)構(gòu)(08)下方，再通過翻轉(zhuǎn)擺臂(09)送到真空整形模塊內(nèi)的整形平臺(tái)(10)上，然后整形平臺(tái)擺動(dòng)成水平狀態(tài)，真空機(jī)構(gòu)(11)下降與整形平臺(tái)拼合成密封腔，在抽真空的時(shí)候同時(shí)整形，再由固定在整形平面上的封口機(jī)構(gòu)(12)完成熱封口，之后真空機(jī)構(gòu)上升，整形平臺(tái)反向翻轉(zhuǎn)，包裝袋經(jīng)由出料機(jī)構(gòu)(13)送出。具體設(shè)計(jì)可參照國家發(fā)明專利[3,4]。

2 全自動(dòng)兩面整形真空包裝機(jī)的工作流程

全自動(dòng)兩面整形真空包裝機(jī)工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

當(dāng)設(shè)備上電、自檢、復(fù)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(jī)構(gòu)會(huì)讓袋子滑向取袋機(jī)構(gòu)，之后取袋機(jī)構(gòu)的真空吸盤從掛袋機(jī)構(gòu)吸取一個(gè)包裝袋送到定位機(jī)構(gòu)定位，確定袋口位置后，張袋機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)。此時(shí)，設(shè)備會(huì)利用氣壓檢測原理檢測套袋是否成功，并會(huì)將套袋不成功的包裝袋自動(dòng)剔除，再重新套袋。與此同時(shí)計(jì)量機(jī)構(gòu)會(huì)啟動(dòng)加料動(dòng)作，按預(yù)先設(shè)定的數(shù)值自動(dòng)計(jì)量物料，并將這些物料通過灌裝機(jī)構(gòu)灌裝至包裝袋內(nèi)，在灌裝同時(shí)啟動(dòng)拍袋動(dòng)作以拍實(shí)袋內(nèi)物料。灌裝完成后物料袋會(huì)由抱袋機(jī)構(gòu)抱緊并由移袋機(jī)構(gòu)經(jīng)由壓平機(jī)構(gòu)壓平袋口，再通過擺臂交接給整形平臺(tái)，整形平臺(tái)翻轉(zhuǎn)至水平位置，配合下降的真空機(jī)構(gòu)完成真空、整形與封口動(dòng)作，再通過出料機(jī)構(gòu)送出。

3 全自動(dòng)兩面整形真空包裝機(jī)的關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 掛袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛袋機(jī)構(gòu)用于給備袋套袋模塊提供預(yù)制包裝袋，原有供袋機(jī)構(gòu)因?yàn)榘b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(gè)包裝袋，或者因?yàn)檎尺B導(dǎo)致取袋時(shí)帶動(dòng)下一個(gè)包裝袋使其定位不準(zhǔn)，從而導(dǎo)致給設(shè)備提供包裝袋不夠穩(wěn)定，影響設(shè)備的包裝效率并增加現(xiàn)場工人的工作量。本設(shè)備采用了全新的懸掛式儲(chǔ)袋供袋結(jié)構(gòu)，并已獲得相關(guān)的國家發(fā)明專利[8]。

掛袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 掛袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

本掛袋機(jī)構(gòu)采用掛袋桿(03)穿過包裝袋(04)提手孔的方式來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)袋功能。掛袋桿(03)有上翹及下垂兩個(gè)工作狀態(tài)，上翹狀態(tài)主要用于補(bǔ)充包裝袋，保證補(bǔ)充時(shí)包裝袋(04)不會(huì)滑出掛袋桿，下垂?fàn)顟B(tài)用于自動(dòng)供袋，包裝袋(04)在振動(dòng)裝置(02)的作用下，沿著掛袋桿(03)有向擋袋機(jī)構(gòu)(01)滑動(dòng)的趨勢，從而能整齊沿著掛袋桿(03)緊挨著列隊(duì)。當(dāng)取袋機(jī)構(gòu)(05)取走一個(gè)包裝袋時(shí)，擋袋機(jī)構(gòu)(01)上柔性擋板會(huì)剮蹭包裝袋頂部，阻止后面的包裝袋因?yàn)轲じ交蚱渌虮粠ё呋蚶幔瑥亩_(dá)到穩(wěn)定取出單個(gè)包裝袋的目的。本掛袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊、掛袋方便、儲(chǔ)袋量大，并有效解決了原有儲(chǔ)袋機(jī)構(gòu)供袋穩(wěn)定性不足的問題。

3.2 灌裝機(jī)構(gòu)的灌裝速度計(jì)算

灌裝速度會(huì)直接影響設(shè)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(shè)備設(shè)計(jì)中較難確定的數(shù)據(jù)，以下是常用的采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法。

本設(shè)備灌裝口采用矩形截面錐筒設(shè)計(jì)，據(jù)計(jì)算公式[7]得：

對(duì)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(shù)，對(duì)于球形顆粒fp＝1.6；對(duì)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(dāng)β＜45°時(shí)，按料斗休止角計(jì)；當(dāng)β＞45°時(shí)，fh＝1.0。

以常用物料大米為例，根據(jù)《糧食工程設(shè)計(jì)手冊》[6]，大米堆密度ρ＝0.8 t/m3，內(nèi)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?yàn)槭欠乔蛐晤w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(shù)據(jù)代入矩形出料口M值計(jì)算公式，通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理，可得圖4灌裝口寬度與灌裝流率關(guān)系圖。

圖4 灌裝口寬度與灌裝流率關(guān)系圖

如果10 kg物料按時(shí)序設(shè)計(jì)要求在3 s內(nèi)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(jìn)行驗(yàn)算，此時(shí)需要開口寬度W10 kg＝66 mm。用同樣方法可得表1。

表1 常見規(guī)格灌裝速度與相應(yīng)開口寬度對(duì)應(yīng)表

3.3 熱封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱封機(jī)構(gòu)固定于真空整形模塊的整形平臺(tái)上，用于對(duì)已經(jīng)完成真空整形的包裝袋進(jìn)行熱封口處理，如果熱封口的密封效果不好，會(huì)直接導(dǎo)致包裝的真空失效，因此熱封口對(duì)設(shè)備提升包裝成功率至關(guān)重要。

本熱封機(jī)構(gòu)解決了原有熱封機(jī)構(gòu)對(duì)包裝規(guī)格兼容范圍較差的問題，特別是在包裝規(guī)格較小時(shí)，原有機(jī)構(gòu)的封口容易拉扯包裝袋口，使其變形，導(dǎo)致熱封口的密封效果下降，本設(shè)備的新型熱封機(jī)構(gòu)，能有效改善全包裝規(guī)格內(nèi)的熱封效果，從而提高真空包裝成功率，并申請(qǐng)了相關(guān)國家專利[9]。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(dǎo)軸(01)的軸向運(yùn)動(dòng)，從而在驅(qū)動(dòng)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(duì)塑料袋實(shí)現(xiàn)熱封口。密封板(04)主要用于抽真空時(shí)壓緊袋口，防止物料隨氣流噴出并在整個(gè)機(jī)構(gòu)移動(dòng)過程中起夾緊作用。

與舊有熱封機(jī)構(gòu)相比，本熱封機(jī)構(gòu)熱封板(03)與下墊板(01)位置均可調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在熱封的時(shí)兩塊板的夾緊位置可隨著包裝規(guī)格調(diào)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(shí)對(duì)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(zhuǎn)擺臂交接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)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(tài)的包裝袋翻轉(zhuǎn)一定角度，交接到整形平臺(tái)上。本設(shè)計(jì)[10]能根據(jù)不同規(guī)格包裝袋自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)尺寸（圖6）。

圖6 翻轉(zhuǎn)擺臂交接結(jié)構(gòu)圖

包裝袋(03)在計(jì)量灌裝模塊灌裝完畢后，通過移袋機(jī)構(gòu)移動(dòng)到壓平機(jī)構(gòu)，并豎直懸掛在壓平機(jī)構(gòu)下方，此時(shí)翻轉(zhuǎn)擺臂(01)擺動(dòng)到豎直狀態(tài)，并用上面的夾袋手指(04)夾緊包裝袋袋口，同樣安裝在翻轉(zhuǎn)擺臂(01)上的可調(diào)托盤(02)托住包裝袋(03)底部以避免袋內(nèi)物料重量將包裝袋下拉導(dǎo)致的袋口變形。然后翻轉(zhuǎn)擺臂(01)向整形平臺(tái)(05)擺動(dòng)將包裝袋(03)放置到整形平臺(tái)(05)上，等整形平臺(tái)(05)夾緊包裝袋口后再松開夾袋手指(04)完成交接，最后翻轉(zhuǎn)擺臂(01)恢復(fù)到豎直狀態(tài)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 準(zhǔn)確度等級(jí)的確定

設(shè)備具備全自動(dòng)稱量功能，稱量誤差是其重要指標(biāo)，圖7是以計(jì)量規(guī)格5 kg為例在某次設(shè)備自動(dòng)稱量試驗(yàn)的稱量誤差統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 計(jì)量誤差統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程[5]，對(duì)于預(yù)設(shè)值（FP）為5 kg的規(guī)格，單次試驗(yàn)裝料次數(shù)（n）不小于30次，本次試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行479次，大于30次符合試驗(yàn)要求。

由圖3的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可得裝料質(zhì)量平均值∑F/n＝5.001 kg，由于本次試驗(yàn)最大裝料質(zhì)量Fmax＝5.004 kg，最小裝料質(zhì)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(yù)設(shè)值（FP）為5 kg的準(zhǔn)確度等級(jí)X(1)級(jí)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(jí)指定因子(x)，等級(jí)指定因子有(1)、(0.5)、(0.2)、(0.1)等。本次試驗(yàn)選定最高準(zhǔn)確度的等級(jí)指定因子為(0.1)。

所以本次試驗(yàn)的首次檢定最大允許偏差（MPD）＝5.000×1.2%×0.1＝0.006 kg，試驗(yàn)所得最大偏差mdmax＝0.003 kg＜0.006 kg，符合準(zhǔn)確度等級(jí)X(0.1)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)設(shè)值誤差se＝∑F/n-Fp＝5.001－5.000＝0.001 kg。

由于預(yù)設(shè)值（FP）為5 kg的X(1)級(jí)最大允許預(yù)設(shè)值偏差（MPSE）為最大允許偏差（MPD）的0.25倍，所以本次試驗(yàn)最大允許預(yù)設(shè)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(yàn)的預(yù)設(shè)值誤差se＝0.001 kg＜0.0015 kg，符合準(zhǔn)確度等級(jí)X(0.1)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此本次試驗(yàn)符合裝料衡器準(zhǔn)確度等級(jí)X(0.1)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 真空包裝漏氣率試驗(yàn)

真空包裝漏氣率是設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響包裝生產(chǎn)線的效率與成本。本試驗(yàn)采用典型物料大米，以5 kg包裝規(guī)格在本公司內(nèi)部進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度24 ℃，每組400個(gè)，分別測試10組，靜置24 h后測試真空效果，結(jié)果如表2所示。

表2 真空包裝漏氣率試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示本設(shè)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(jīng)過與設(shè)備滑動(dòng)摩擦后磨破包裝袋導(dǎo)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(jīng)過多道交接后袋口不夠平整，導(dǎo)致熱封時(shí)無法完全密封。

5 結(jié)語

全自動(dòng)兩面真空整形包裝機(jī)項(xiàng)目在研發(fā)過程中針對(duì)原有同類設(shè)備問題做出較多改進(jìn)，并獲得多項(xiàng)國家發(fā)明專利。設(shè)備包裝的產(chǎn)品真空漏氣率低，整形效果好，對(duì)不同規(guī)格的預(yù)制真空袋具有良好的適應(yīng)性，更換規(guī)格方便快捷，有效減少包裝車間工人的數(shù)量及勞動(dòng)強(qiáng)度。產(chǎn)品投入市場后深受認(rèn)可，有效提升了企業(yè)的核心競爭力，獲得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。