新型袋式氣調(diào)包裝機的設(shè)計

黃小林，陳　秀，徐　貞，盧立新.3

(1．蘇州華源包裝股份有限公司，江蘇蘇州 215235 ；2. 江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；

3.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫 214122)

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新型袋式氣調(diào)包裝機的設(shè)計

黃小林1，陳秀2，徐貞2，盧立新2.3

(1．蘇州華源包裝股份有限公司，江蘇蘇州 215235 ；2. 江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；

3.江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫 214122)

摘要：主要介紹了一款自主研發(fā)的枕型袋式氣調(diào)包裝機，特別適用于袋裝新鮮果蔬的高精度氣調(diào)包裝。研究設(shè)計了氣調(diào)包裝機關(guān)鍵部件——氣體置換裝置、產(chǎn)品在線測長系統(tǒng)，采用充氣與抽氣同時實施的氣體置換方式，大幅度提高了氣體置換效率，保證包裝袋內(nèi)的高精度氣氛實現(xiàn)。所設(shè)計的氣調(diào)包裝機克服了現(xiàn)有袋式氣調(diào)包裝機氣體置換精度低的缺點，同時可實現(xiàn)連續(xù)高速的作業(yè)，包裝薄膜材料獲得更有效使用。

關(guān)鍵詞：氣調(diào)包裝；包裝機械；氣體置換；設(shè)計

為此，本文提出了一種新型的袋式氣調(diào)包裝機設(shè)計方案，結(jié)合兩種氣體置換方式的優(yōu)點，既可實現(xiàn)高氣體置換率，又能實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)效率高。

1總體方案設(shè)計

1.1設(shè)計要求

新型袋式氣調(diào)包裝機主要用于新鮮果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝，基于新鮮果蔬的物理性能，選擇枕式氣調(diào)包裝機為基本機型。評價氣調(diào)包裝機性能的2個指標：氣體置換率及配氣精度。本機氣體置換率設(shè)計可達到97%~99.5%。由于果蔬產(chǎn)品具有種類多、形狀各異的特點，因此本機的設(shè)計需要適合不同形狀與大小的產(chǎn)品。氣調(diào)包裝袋尺寸由氣體置換裝置控制，因此氣體置換裝置的設(shè)計需要實現(xiàn)充氣管長、寬、高3個方向上的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同包裝形狀與尺寸的要求。同時需要設(shè)有產(chǎn)品長度在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)不同大小、特征的單元包裝果品和蔬菜長度的準確測量，以提供最合適的包裝尺寸

包裝循環(huán)所完成的工序：產(chǎn)品輸送→產(chǎn)品測長→包裝袋成型→包裝袋縱封→氣體置換→包裝袋橫封切斷→包裝產(chǎn)品送出。此設(shè)備操作簡易，重復(fù)性強。

1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為本機整體結(jié)構(gòu)示意圖，整機主要組成裝置：物料供送裝置，包裝薄膜供送裝置，制袋成型器，拉膜牽引機構(gòu)，氣體置換裝置，配氣系統(tǒng)，縱封機構(gòu)，橫封切斷裝置和成品輸出裝置。

由圖1可知，氣調(diào)包裝機成臥式布局，水平輸送帶即送料裝置位于設(shè)備前端。包裝袋成型系統(tǒng)由送膜裝置，制袋成型器，縱封機構(gòu)與橫封切斷裝置構(gòu)成。其中送膜裝置位于設(shè)備上方，制袋成型器、縱封機構(gòu)與橫封橫切裝置從左到右依次布置于設(shè)備的水平操作臺上。氣體置換系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)、氣管連接器、氣管固定裝置以及氣管組成。其中氣管固定裝置可以實現(xiàn)氣管位置在上下、左右與前后的3個方向上的調(diào)整。

將指標數(shù)據(jù)帶入上述白化權(quán)函數(shù)中，得出xij在第k個評價等級中的權(quán)值fki(xij)(1≤k≤s)，然后根據(jù)式(8)計算得出指標數(shù)據(jù)矩陣的灰色統(tǒng)計數(shù)nik以及總灰色統(tǒng)計數(shù)ni:

1.3工藝流程

新型袋式氣調(diào)包裝機的氣體置換工藝選擇邊充氣邊抽氣的形式，即在包裝袋內(nèi)置入氣管，氣管為套管結(jié)構(gòu)，向包裝內(nèi)充入預(yù)置氣體的同時抽出袋內(nèi)的氣體。相對于傳統(tǒng)的枕式氣調(diào)包裝機，本機合理的氣體置換結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣體置換形式的選擇，使得本機在氣體置換率、包裝速度的方面均占有優(yōu)勢。

高速高精度枕型袋式氣調(diào)包裝工序流程如圖2，以一個產(chǎn)品完成整個包裝為例。在設(shè)備運行之前，需要根據(jù)包裝尺寸通過氣管固定裝置6調(diào)整氣管置入包裝袋內(nèi)的位置。設(shè)備進行一個包裝循環(huán)所完成的工序：產(chǎn)品輸送→產(chǎn)品測長→包裝袋成型→包裝袋縱封→氣體置換→包裝袋橫封切斷→包裝成品送出。

1.3.1產(chǎn)品輸送及測長

產(chǎn)品可以通過附加機器自動放料或者人工放料，當被包物9由輸送鏈條輸送到環(huán)形光電傳感器11時，光電傳感器可以測得產(chǎn)品的長度信號反饋到系統(tǒng)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)參數(shù)來控制包裝袋長以符合不同尺寸的產(chǎn)品。由于本機設(shè)備能夠達到很高的氣體置換率，適合于對氣體成分要求較高的果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝。又因為同一類的果蔬產(chǎn)品會有不同的尺寸，因此有必要通過光電傳感器來確定產(chǎn)品長度以便確定包裝袋長，以便達到最優(yōu)化的包裝尺寸。

1.3.2包裝袋內(nèi)氣體置換

產(chǎn)品繼續(xù)供送進入包裝腔10內(nèi)，包裝腔由包裝薄膜通過制袋成型器12成型，縱封器4和拉膜裝置3實現(xiàn)包裝腔的縱封與牽引。產(chǎn)品在包裝腔內(nèi)的輸送過程中，氣管持續(xù)的向包裝腔內(nèi)充入與抽出氣體，通過氣體的“擠推”作用將包裝腔內(nèi)的氣體排出，從而實現(xiàn)氣體置換功能。氣管有充氣管2與抽氣管1構(gòu)成，顧名思義充氣管2持續(xù)向包裝腔內(nèi)充入保護氣體，抽氣管1則持續(xù)將包裝腔內(nèi)氣體抽出，套管的使用大幅度的提高了氣體置換率。

1.3.3包裝袋的橫封與切斷

產(chǎn)品在經(jīng)過氣體置換工序后，還需通過橫封切斷工序完成氣調(diào)包裝。由于果蔬產(chǎn)品的尺寸較大，因此橫封切斷裝置8采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)。設(shè)備操作系統(tǒng)從光電傳感器接收到產(chǎn)品長度的信號，然后將信號處理后反饋到橫封切斷裝置來調(diào)整橫封切斷裝置的運轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)最優(yōu)化的包裝尺寸。

2氣體置換裝置設(shè)計

氣體置換裝置作為氣調(diào)包裝機的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響到氣調(diào)包裝的氣體置換率，而氣體置換率是評價氣調(diào)包裝機的重要指標之一。本文設(shè)計的氣體置換裝置主要包括以下組件：氣管、氣管固定裝置、氣管連接器。

2.1氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本機通過向包裝內(nèi)置入氣管來實現(xiàn)氣調(diào)包裝，因此考慮到包裝袋內(nèi)空間的有效利用，將氣管的截面設(shè)計成扁平的矩形。圖3為氣管結(jié)構(gòu)示意圖。

氣管主要由充氣管與抽氣管組成，其中抽氣管的一側(cè)開有若干的抽氣孔。采用充氣管與抽氣管的套管組合，可以實現(xiàn)一邊充氣，一邊抽氣的氣體置換方式，有利于提高氣體置換率，保證了果蔬氣調(diào)包裝的質(zhì)量。氣管A-A截面結(jié)構(gòu)如圖4，抽氣管與充氣管均采用扁平型結(jié)構(gòu)。

2.2氣管固定裝置設(shè)計

氣管固定裝置的設(shè)計主要用于氣管的固定及氣管位置的調(diào)整。由于不同果蔬產(chǎn)品尺寸大不相同，因此氣管固定裝置需要實現(xiàn)氣管在上下、左右2個方向上位置的調(diào)整?？紤]到安裝與調(diào)整方便，設(shè)計將氣管固定裝置固定在基座的面板上，欄板的寬度是根據(jù)產(chǎn)品寬度來調(diào)整的，因此氣管固定裝置只需實現(xiàn)氣管上下位置的變動。圖5為氣管固定裝置三維效果圖。

2.3氣管連接器設(shè)計

氣管連接器的設(shè)計在于實現(xiàn)氣管一邊充氣，一邊抽氣的功能。圖6為氣管連接器的結(jié)構(gòu)示意圖。氣管連接器由抽氣孔1、充氣孔2、充氣腔3以及抽氣腔4組成。將氣管與氣管連接器連接，抽氣管6與抽氣腔4連通，充氣管5與充氣腔3連通，同時充氣管5起到了阻隔抽氣腔與充氣腔的作用。如此，只需將充氣孔2接通配氣系統(tǒng)，抽氣孔1接通抽真空系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)邊充氣變抽氣的氣體置換形式。

3產(chǎn)品在線測長系統(tǒng)設(shè)計

果蔬產(chǎn)品具有種類繁多，形狀各異的特點，即使是同一類果蔬產(chǎn)品其形狀與尺寸也不同。因此為了使氣調(diào)包裝過程中每個產(chǎn)品都能獲得最合適的包裝尺寸，有必要在枕式包裝機操作系統(tǒng)上添加產(chǎn)品在線測長系統(tǒng)。通過光電傳感器采集產(chǎn)品的長度信號，然后反映到枕式包裝機的系統(tǒng)控制中，信號經(jīng)系統(tǒng)處理后反饋到輸出設(shè)備(橫封裝置)實現(xiàn)包裝袋長的控制。枕式包裝機系統(tǒng)構(gòu)成，如圖7所示[8-9]。

產(chǎn)品測長系統(tǒng)是在枕式氣調(diào)包裝控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加的，其執(zhí)行過程如下：物料在供送過程中經(jīng)過光電傳感器，光電傳感器收集到物料的長度信號傳遞到PLC，PLC接收到物料的長度信號后以脈沖信號的形式發(fā)送到伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)對脈沖信號進行處理后，通過伺服電機實現(xiàn)對橫封裝置橫封速度的控制，從而獲得最合適的包裝袋長。其中由于大部分果蔬產(chǎn)品在形狀上都具有不規(guī)則性，因此需要選擇產(chǎn)品長度信號范圍采集的光電傳感器。本機使用了3個伺服系統(tǒng)[10]，分別用來控制物料供送速度，包裝薄膜輸送速度以及橫封器橫封速度。伺服系統(tǒng)與PLC的配合使用可實現(xiàn)本機各個部件運行速度的精確控制。

4結(jié)束語

提出了一種新型枕型袋式氣調(diào)包裝機設(shè)計方案，其獨特的氣體置換方式(邊充氣、邊抽氣)大幅度地提高了氣體置換率，使得設(shè)備可用于對氧氣要求很高的產(chǎn)品。本機的可調(diào)式氣體置換結(jié)構(gòu)配合可調(diào)式制袋成型器，可以包裝不同形狀、不同規(guī)格的各類產(chǎn)品，適用性強。產(chǎn)品在線測長系統(tǒng)的設(shè)計可以實現(xiàn)包裝薄膜材料的最優(yōu)化應(yīng)用。新型枕型袋式氣調(diào)包裝機設(shè)計方案彌補了國內(nèi)袋式氣調(diào)包裝機氣體置換精度低和包裝效率低的缺點。

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The Design of a New Kind of Modified Atmosphere Packaging Machine with Bags

HUANG Xiao-lin1, CHEN Xiu2, XU Zhen2, LU Li-xin2,3*

(1. Suzhou Huayuan Packaging Co., Ltd, Suzhou 215235, China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Wuxi 214122, China)

Abstract:A new style of modified atmosphere packaging (MAP) machine with packaging fresh fruits and vegetables products in bags was developed. The key components of packaging machines (gas replacement device) and products online length measuring program have been design. The MAP machine overcome the defect of the low gas replacement accuracy and achieve high production efficiency. At the same time the packaging film material has been used in the most optimal way.

Key words:modified atmosphere packaging; packaging machine; gas replacement; design

doi:10.3969/j.issn.1005-1295.2016.01.009

中圖分類號：TB486+.03

文獻標志碼：A

文章編號：1005-1295(2016)01-0034-04

作者簡介：黃小林(1962-)，男，高級工程師，主要從事機械設(shè)計方面研究。通信作者： 盧立新(1966-)，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事包裝技術(shù)與機械、包裝材料等方面教學(xué)和研究，

通信地址：214122 江蘇無錫市蠡湖大道1800號 江南大學(xué)機械工程學(xué)院，E-mail:lulx@jiangnan.edu.cn。

收稿日期：2015-12-21;修稿日期： 2015-01-06