包裝熱封強(qiáng)度不均勻問題的解決方法探析

孫躍進(jìn)

（山東新華制藥股份有限公司，山東淄博255005）

1 問題的提出

1.1 熱電偶與銅滑環(huán)對(duì)加熱輥溫度的測量問題

目前，國內(nèi)基本上都是采用熱電偶與銅滑環(huán)測量多列四邊封小袋包裝機(jī)的加熱輥溫度，其原理是通過銅滑環(huán)將轉(zhuǎn)動(dòng)著的熱封輥上的熱電偶信號(hào)傳送到溫度控制器，以進(jìn)行溫度測量和控制。銅滑環(huán)在此成為熱電偶測量回路中的實(shí)際冷端。當(dāng)加熱輥溫度漸漸升高后，銅滑環(huán)的溫度也隨之被慢慢導(dǎo)熱升高。在試車驗(yàn)收時(shí)，測量銅滑環(huán)表面溫度可達(dá)55 ℃，這樣冷端產(chǎn)生的附加反向電動(dòng)勢，抵消了一部分正常測量信號(hào)的毫伏值，使測量顯示溫度比實(shí)際溫度值低許多。當(dāng)溫度控制器的定值按膜正常熱封溫度設(shè)置不變時(shí)，雖然加熱輥的顯示溫度會(huì)在正常設(shè)定值，但實(shí)際溫度比顯示溫度要高出至少30 ℃。由于縱封加熱輥密封面始終壓著包裝膜，溫度過高會(huì)直接影響膜的熱封效果，小袋包裝容易出現(xiàn)過封現(xiàn)象，縱封上出現(xiàn)細(xì)微裂紋，使得小袋密封質(zhì)量得不到保證。

因此，根據(jù)包裝的熱封情況，要不斷地改變溫度控制器的溫度定值，以保持良好的小袋包裝熱封強(qiáng)度，防止過封問題的出現(xiàn)。

然而，時(shí)常調(diào)整溫度定值，使密封質(zhì)量控制點(diǎn)成為一個(gè)變量，沒有一個(gè)明確的溫度控制范圍，影響生產(chǎn)工藝質(zhì)量的控制，這是不符合新版GMP要求的。

1.2 加熱輥溫度不均勻

在設(shè)備出廠驗(yàn)收時(shí)，用紅外測溫儀檢測多通道四邊封小袋包裝機(jī)的縱封加熱輥表面溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)，縱封加熱輥上各道熱封面的溫度存在差異，中間溫度偏高，兩邊溫度偏低。在產(chǎn)品包裝時(shí)，容易造成兩邊的小袋縱封強(qiáng)度不夠，而中間小袋的縱封卻出現(xiàn)過封的現(xiàn)象。

另外，縱封加熱輥的溫度差異不僅表現(xiàn)在長度上的不均勻，而且從升溫到開始熱封的過程中，加熱輥的表面溫度還有如下變化：

（1）升溫階段，加熱輥表面的熱封溫度暫時(shí)均勻；

（2）升溫一段時(shí)間后，有溫度超調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)；

（3）持續(xù)升溫后，熱電偶信號(hào)傳遞所用的旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)作為熱電偶的冷端其溫度升高，造成加熱輥實(shí)際溫度比顯示溫度高出許多，導(dǎo)致小袋過封，對(duì)此要經(jīng)常調(diào)整熱封溫度定值；

（4）運(yùn)行時(shí)間長了以后，溫度向兩端擴(kuò)散達(dá)到平衡后，中間溫度又開始變高。

1.3 包裝物料揚(yáng)粉影響橫封強(qiáng)度

含有粉子的包裝物在灌裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)揚(yáng)粉現(xiàn)象，導(dǎo)致包裝橫封時(shí)夾粉而影響熱封強(qiáng)度。

2 原因分析

2.1 加熱輥溫度不均勻原因分析

（1）加熱輥較長，且加熱輥兩端存在不加熱區(qū)域，使得中間升溫快，兩端升溫慢，導(dǎo)致加熱輥溫度不均勻。

（2）縱封加熱輥的形狀和安裝方式的影響：一方面，縱封加熱輥上各道的熱封是按小袋寬度等間距分隔排列，使得熱量傳遞不均勻；另一方面，縱封加熱輥兩端通過軸承安裝在金屬固定板上，加熱輥的驅(qū)動(dòng)側(cè)還裝有鏈輪，兩端都沒有隔熱措施，這樣加熱輥的兩端就會(huì)向兩側(cè)傳導(dǎo)和擴(kuò)散熱量，造成兩端散失熱量多于中間散失熱量。

（3）電加熱管有效長度短：拆下加熱管，根據(jù)加熱管的加熱痕跡可以測出它的有效加熱長度，其有效加熱長度比縱封加熱輥長度短，且沒有考慮兩端多余非加熱長度的熱量散失所應(yīng)留有的加熱余量。

2.2 物料揚(yáng)粉原因分析

由于物料粒度分布不同，含有粉子，導(dǎo)致灌裝物料在下落的過程中或是遇到?jīng)_擊時(shí)出現(xiàn)揚(yáng)粉反撲現(xiàn)象。

3 解決方法

3.1 加熱輥溫度不均勻問題的解決方法

3.1.1 縱封加熱輥分段加熱

對(duì)縱封加熱輥可采用分段加熱方式。首先，將電加熱管的電熱絲分成3段，每段可采用不同的電壓，根據(jù)輥表面溫度分布情況分別調(diào)整電壓。然后，再通過各自的溫度控制器控制各自電流通斷，以達(dá)到加熱輥整個(gè)長度上的溫度均勻。

這種加熱方式下的銅滑環(huán)要相應(yīng)增多，并需要人事先整定電流，為了控制各段溫度，最好各段都有自己單獨(dú)的溫度檢測點(diǎn)。

3.1.2 在改變加熱管的電熱絲繞制方式的基礎(chǔ)上增加加熱管有效長度

另一種方法是改變加熱管的電熱絲繞制方式，用不等距繞制，使加熱管內(nèi)的電熱絲中間疏，兩頭密，減少中間的熱量，使得加熱輥的整體溫度均勻。同時(shí)，增加加熱管的有效長度和總的加熱功率，使升溫時(shí)間縮短，加熱均勻。這種方法不用增加銅環(huán)滑和溫度檢測點(diǎn)，也不用事先調(diào)壓。

加熱管的長短和繞制方式，要按實(shí)際加熱輥的長度和現(xiàn)場加熱輥的溫度分布情況來確定，可用紅外測溫儀，分時(shí)間段分別測量，在加熱1.5 h以后，可有效掌握加熱輥表面的溫度分布和變化情況，最后確定電熱絲的繞制疏密程度。加熱管的長度要考慮加熱管本身兩端封裝的死區(qū)長度，一般加熱管兩邊封裝各有20～30 mm的死區(qū)，引線封裝端相對(duì)長一點(diǎn)。

因此，電熱絲的繞制長度一定要略長于熱封輥的熱封長度，要兼顧到加熱輥兩端的有效溫度。經(jīng)過對(duì)溫度分布和加熱管有效加熱長度的測量，在原電加熱管長度的基礎(chǔ)上，加長48 mm，同時(shí)留出測溫元件的安裝空間。

通過加長加熱管的有效加熱長度和改變電熱絲的繞制方式，以及增加加熱功率，解決了熱封輥兩端溫度比中間溫度低的問題，溫差至少減小了7 ℃，使各列小袋包裝的縱封強(qiáng)度均勻性得到了提升，保證了各列小袋包裝的縱封撕拉強(qiáng)度和一致性。

3.1.3 手動(dòng)前饋調(diào)節(jié)

通過采用手動(dòng)前饋調(diào)節(jié)，解決了溫升超調(diào)問題。在溫度升溫接近至定值時(shí)，將定值下調(diào)幾度，過幾分鐘后再調(diào)回到原定值，這樣既可以縮短升溫時(shí)間，又可以解決升溫階段的溫度超調(diào)問題。另外，現(xiàn)在溫度控制器都有自整定功能，在正常自動(dòng)控制下，溫度偏差都很小，一般穩(wěn)定控制在1.5 ℃之內(nèi)，因此一般不用單獨(dú)調(diào)整PID參數(shù)。升溫階段通過手動(dòng)前饋調(diào)節(jié)，超調(diào)量只要控制在膜正常熱封溫度限度內(nèi)，并且在自動(dòng)狀態(tài)下，經(jīng)過兩次先上升后下降的波動(dòng)后能很快得到穩(wěn)定控制即可。

3.1.4 對(duì)夾式熱封方式

國外小袋包裝機(jī)的熱封方式大部分已采用對(duì)夾式，每個(gè)通道有各自局部的條型加熱塊，前后兩排對(duì)夾，避免了加熱輥溫度不均勻的問題。

3.2 熱電偶與銅滑環(huán)測量問題的解決方法

3.2.1 調(diào)整熱封溫度，選用熱封性更好的膜

當(dāng)前很多小袋包裝機(jī)的生產(chǎn)操作都是通過調(diào)整熱封設(shè)定溫度，找出能使小袋密封合格的熱封強(qiáng)度的溫度值，然后在此溫度值的基礎(chǔ)上，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行一定范圍內(nèi)的上下調(diào)整。

由于顯示溫度并不是膜的實(shí)際熱封溫度，如果有的膜熱封溫度范圍較窄，加上輥的溫度均勻性差，那么這種膜就不能正常使用，就要選用熱封性更好的膜，這樣就會(huì)導(dǎo)致包材成本上升，生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加。這適用于產(chǎn)品附加值較高的產(chǎn)品。

3.2.2 熱電偶安裝到與熱封輥滑動(dòng)接觸的小滑塊上

將熱電偶安裝到一個(gè)與熱封輥滑動(dòng)接觸的小滑塊上，不再裝在熱封輥內(nèi)，以此間接地測量加熱輥的溫度作為熱封溫度控制的相對(duì)參考點(diǎn)。因此，熱電偶信號(hào)就不用通過銅滑環(huán)傳遞，從而避免了冷端問題。但是，這種測量與實(shí)際溫度會(huì)有較大的誤差，只能作為相對(duì)參考點(diǎn)來進(jìn)行溫度控制。

3.2.3 延長銅滑環(huán)固定軸的長度

通過延長銅滑環(huán)固定軸的長度，可以減小熱封輥對(duì)銅滑環(huán)溫度的影響，也就是減小對(duì)熱電偶冷端溫度的影響。

3.2.4 銅滑環(huán)上加冷端補(bǔ)償元件

在銅滑環(huán)上加冷端補(bǔ)償元件，再接到溫度控制器端子上，以作實(shí)時(shí)冷端溫度補(bǔ)償。然而，現(xiàn)代溫度控制器內(nèi)部大多采用的是內(nèi)部電路板貼片補(bǔ)償，外部不留冷端補(bǔ)償端子，而且在碳刷上不能安裝熱電偶。

3.2.5 熱電阻取代熱電偶，新型滑環(huán)取代銅滑環(huán)

為了能有效地解決熱電偶在銅滑環(huán)處的冷端問題，筆者采用熱電阻徹底取代熱電偶，并用新型滑環(huán)取代銅滑環(huán)。

將檢測點(diǎn)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)的熱封輥內(nèi)部以測量溫度，其特點(diǎn)是與實(shí)際溫度偏差小，測量溫度值基本為實(shí)際熱封溫度。但是，在生產(chǎn)應(yīng)用中，目前還是普遍用熱電偶經(jīng)過銅滑環(huán)把旋轉(zhuǎn)工件的溫度信號(hào)有線傳輸出去，無線溫度傳感器在高溫和低溫中很少得到應(yīng)用。30多年來，制藥包裝設(shè)備也幾乎很少采用熱電阻與銅滑環(huán)組合的方式進(jìn)行溫度測量和溫度控制。其原因在于，熱電偶是毫伏信號(hào)，它對(duì)接觸電阻的變化不太敏感，而熱電阻是利用阻值對(duì)溫度的線性關(guān)系，經(jīng)過電橋回路來精確測量溫度，它對(duì)線路阻值的變化非常敏感，而一般銅滑環(huán)接觸阻值都會(huì)發(fā)生變化，一切油汽、水汽、氧化、表面磨損和污染都會(huì)改變滑動(dòng)接觸表面阻值，從而影響熱電阻溫度測量的準(zhǔn)確性，時(shí)常引起顯示溫度大范圍的波動(dòng)。

我們對(duì)此進(jìn)行了改造：先用熱電阻替換熱電偶進(jìn)行溫度測量，原銅滑環(huán)不變，在銅滑環(huán)處改接成熱電阻的三線制，同時(shí)改變溫度控制器測量元件，由熱電偶改為熱電阻。然后，進(jìn)行熱封實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：熱電阻溫度測量顯示比原熱電偶溫度測量顯示提高了至少30 ℃，同樣的膜，熱封溫度從原來的78～84 ℃上升到105～118 ℃。熱電阻較實(shí)際地反映出了膜的熱封溫度，且即使連續(xù)一個(gè)班次的運(yùn)行，也不用再調(diào)整熱封溫度，使包裝熱封溫度控制穩(wěn)定，熱封質(zhì)量可靠。

但是，在次日開機(jī)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，溫度顯示在不斷跳動(dòng)。經(jīng)過對(duì)銅滑環(huán)和碳刷表面進(jìn)行清潔，溫度顯示又恢復(fù)了正常，經(jīng)過幾次運(yùn)行都是這樣。這說明銅滑環(huán)在不停機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)表面沒有形成阻值不等的變化，當(dāng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，油汽冷凝和磨損污染混合物在銅滑環(huán)和碳刷表面形成不等的阻隔層，破壞了銅滑環(huán)和碳刷表面的正常接觸阻值，造成顯示跳動(dòng)。

通過改造我們看到，熱電阻在用于轉(zhuǎn)動(dòng)體的溫度測量時(shí)，它的測量結(jié)果比較準(zhǔn)確和穩(wěn)定，但它的信號(hào)在通過滑動(dòng)接觸傳遞中又極易受滑動(dòng)表面阻值的變化而影響其測量穩(wěn)定性。這也就是為什么一般不用熱電阻與銅滑環(huán)配合測量溫度的原因，大家默認(rèn)旋轉(zhuǎn)工件不用熱電阻而用熱電偶測量。

為解決熱電阻滑動(dòng)接觸阻值變化的問題，即解決油汽冷凝與磨損混合物或氧化層對(duì)滑動(dòng)接觸表面的污染問題，必須尋找一種新的在高溫下既可精確傳輸弱信號(hào)，又可讓大功率電流通過的新型滑環(huán)，同時(shí)保證高溫下滑環(huán)材料的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度不變。

經(jīng)過查詢和實(shí)驗(yàn)，我們選用了一種新型滑環(huán)，使熱電阻信號(hào)得到了穩(wěn)定準(zhǔn)確的傳遞，解決了熱電偶冷端問題和熱電阻通過銅滑環(huán)產(chǎn)生的阻值變化問題，經(jīng)過多批次的生產(chǎn)使用，小袋包裝的熱封質(zhì)量穩(wěn)定可靠，鋁復(fù)合膜的熱封溫度范圍也得以拓寬，膜的生產(chǎn)成本降低，保證了工藝質(zhì)量控制點(diǎn)的穩(wěn)定。

3.3 物料揚(yáng)粉影響橫封強(qiáng)度問題的解決方法

首先，調(diào)整好下料時(shí)間與橫封位置，使其最佳同步配合。采用真空吸粉，將吸塵口改造為長槽形，插在膜和下料管之間，從而有效吸取加料管和膜之間的揚(yáng)粉。在有條件的情況下，還可采用閘式下料器，以避免出現(xiàn)揚(yáng)粉。

另外，可選用抗污染膜，膜內(nèi)層的粘結(jié)劑要有很好的抗粉性和強(qiáng)粘結(jié)性，而且在保證膜熱封外觀不變的情況下，熱封溫度范圍越寬越好。

4 結(jié)語

在包裝設(shè)備出廠和車間現(xiàn)場試車及驗(yàn)證過程中，我們經(jīng)過技術(shù)改造，使熱封溫度分布均勻，解決了加熱輥旋轉(zhuǎn)體溫度測量不穩(wěn)定的問題，消除了物料揚(yáng)粉對(duì)橫封強(qiáng)度的影響，保證了復(fù)合膜包裝的熱封均勻和強(qiáng)度，生產(chǎn)控制精確穩(wěn)定。