球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐勤超，陳紅，潘海兵，李善軍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

0 引 言

塑料發(fā)泡網(wǎng)套能有效降低運(yùn)輸過(guò)程中球形水果發(fā)生機(jī)械損傷的概率，而且材料成本低[1-3]。目前市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有水果網(wǎng)套自動(dòng)包裝的機(jī)器。蘋果、臍橙等球形水果的網(wǎng)套包裝只能通過(guò)人工的方式進(jìn)行。而人工包裝勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[4-5]。為了解決這一問(wèn)題，急需研制一種能對(duì)蘋果、臍橙等球形水果進(jìn)行自動(dòng)快速網(wǎng)套包裝的機(jī)器。

國(guó)外在果蔬包裝機(jī)械方面研究起步較早，設(shè)備大多針對(duì)多種對(duì)象進(jìn)行包裝，自動(dòng)化程度比較高，速度快，而且維修方便[6-15]。而國(guó)內(nèi)果蔬包裝設(shè)備的研究起步較晚，其技術(shù)含量也在逐漸提高，自動(dòng)化趨勢(shì)愈加顯著[16-24]。趙寧等[25]設(shè)計(jì)了一種球形水果自動(dòng)包裝機(jī)，采用“水平送料，長(zhǎng)卷包裝，橫縱封口”的包裝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)普通卷筒膜的自動(dòng)制袋、高質(zhì)薄膜的單個(gè)封口功能，智能化程度較高。李如虎等[26]設(shè)計(jì)了一套對(duì)柚子進(jìn)行清洗、分級(jí)和包裝的自動(dòng)包裝生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化處理。2016年由江西綠萌科技有限公司生產(chǎn)一種XB-3220 大型水果自動(dòng)包裝機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是既能對(duì)水果進(jìn)行套袋包裝，也可以對(duì)水果進(jìn)行套網(wǎng)包裝，但是套網(wǎng)包裝連續(xù)性較低，包裝效果差。

本文在分析蘋果和臍橙生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種柔性擴(kuò)膜錐體擴(kuò)膜、倒刺卡筒下膜的包裝工藝方案，確定了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了部件組合運(yùn)行控制時(shí)序，并加工了試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

1 球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)的組成與工作原理

1.1 球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)的組成

球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)外形尺寸為800 mm×526 mm×1 240 mm，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠和同步帶線性模組傳動(dòng)。其主要由主機(jī)架、網(wǎng)套膜轉(zhuǎn)盤、進(jìn)料裝置、下膜裝置、擴(kuò)膜裝置、切膜裝置和出料滑道等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

主機(jī)架由40 mm×40 mm×3 mm 的方管焊接而成，其他部件通過(guò)螺栓連接固定在機(jī)架上。擴(kuò)膜錐體固定在豎直固定在滾珠絲杠滑臺(tái)上；倒刺下膜卡筒、托盤、水果分離裝置相互固連，整體構(gòu)成懸臂結(jié)構(gòu)，由滾珠絲杠滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)；夾子與舵機(jī)相連，舵機(jī)可帶動(dòng)夾子夾緊與閉合；推切機(jī)構(gòu)固定在水平滾珠絲杠滑臺(tái)上。動(dòng)作部件的位置控制通過(guò)固定在機(jī)架上的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)。

1.2 球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)的工作原理

球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)啟動(dòng)前，夾子處于張開(kāi)狀態(tài)，擴(kuò)膜錐體在上止點(diǎn)并支撐擴(kuò)膜圓柱筒，下膜卡筒和托盤在上止點(diǎn)。開(kāi)啟機(jī)器，下膜卡筒、托盤向下運(yùn)動(dòng)，下膜卡筒內(nèi)壁的倒刺勾住網(wǎng)套沿下膜卡筒和擴(kuò)膜錐體運(yùn)動(dòng)，托盤向下運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，水果從分離裝置進(jìn)入托盤。夾子閉合，夾住網(wǎng)套及擴(kuò)膜圓柱筒，擴(kuò)膜錐體下降從擴(kuò)膜圓柱筒下端移出。托盤將水果托送至擴(kuò)膜錐體內(nèi)的固定位置，同時(shí)下膜卡筒向上復(fù)位。擴(kuò)膜錐體下降，由于錐片為柔性材料，水果撐開(kāi)錐體進(jìn)入網(wǎng)套中。推切機(jī)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)，電熱絲切斷網(wǎng)套，已包好的水果順勢(shì)沿滑道滑出。最后，擴(kuò)膜錐體復(fù)位，運(yùn)動(dòng)至擴(kuò)膜圓柱筒孔中，支撐擴(kuò)膜圓柱筒，夾子張開(kāi)。具體包裝工藝流程如圖2。

圖1 球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural of spherical fruit netting packaging machine

圖2 球形水果網(wǎng)套包裝工藝流程Figure.2 Package process for for spherical fruit

2 包裝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 球形水果力學(xué)特性分析

為了確定網(wǎng)套包裝機(jī)，利用高度尺（量程為0～250 mm，精度為0.02 mm）對(duì)市場(chǎng)上隨機(jī)選取的30 個(gè)紅富士蘋果樣品和30 個(gè)贛南臍橙樣品的果徑、果高進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，臍橙樣品的果高主要分布在80～100 mm區(qū)間范圍內(nèi)，最大值為118.22 mm；果徑主要分布在75～85 mm 之間，最大值為90 mm；蘋果樣品果高主要分布在77～83 mm 范圍內(nèi)，最大值86.56 mm，果徑主要分布在75～87 mm 范圍內(nèi)，最大為95 mm。因此，樣機(jī)設(shè)計(jì)主要針對(duì)果徑范圍為75～95 mm范圍內(nèi)的球形水果。

利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀（精度為0.01N）對(duì)樣品的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)量[27]，部分結(jié)果如圖3。通過(guò)測(cè)量，蘋果樣品的平均硬度為18.1N，最大不超過(guò)20N，臍橙擠壓的屈服力在200-400N 范圍內(nèi)，臍橙樣品平均硬度為342.4N。因此網(wǎng)套包裝機(jī)對(duì)蘋果和臍橙作用力應(yīng)小于其硬度要求。

2.2 擴(kuò)膜錐體設(shè)計(jì)

擴(kuò)膜錐體的主要作用是支撐擴(kuò)膜圓柱筒、引導(dǎo)網(wǎng)套下膜、擴(kuò)張網(wǎng)套。擴(kuò)膜錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為底座和錐片，具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 測(cè)量載荷位移曲線Fig.3 Force and displacement curves

圖4 擴(kuò)膜錐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure of expandable cone

為了保證水果能從錐片中穿出，擴(kuò)膜錐片必須具有一定柔韌性。因此把錐片的變形簡(jiǎn)化為細(xì)長(zhǎng)懸臂梁，并對(duì)其撓曲變形進(jìn)行分析。球形水果在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與錐片相切，對(duì)錐片的正壓力FN垂直于錐片，如圖5a。

由于要保證水果不發(fā)生擠壓損傷，極限正壓力FN應(yīng)在水果屈服極限范圍內(nèi)。取極限正壓力作用在錐片頂部進(jìn)行計(jì)算。錐片上任一點(diǎn)的撓度w（x）計(jì)算為：

式中E 為錐片材料的彈性模量，MPa；I 為錐片材料的慣性矩，m4；l為錐片的長(zhǎng)度，m；x為錐片上任意點(diǎn)到固定端的距離，m。

圖5 擴(kuò)膜過(guò)程Fig.5 Expansion of foam net

球形水果被推出擴(kuò)膜錐體時(shí)（圖5b）。錐片頂部的最大變形量WB為：

式中RA為球形水果的半徑，m；R2為擴(kuò)膜錐體頂面的半徑，

R1為擴(kuò)膜錐體底面的半徑，m；h為擴(kuò)膜錐體高度，m；a為錐片傾斜的角度，rad。

當(dāng)球形水果半徑RA，擴(kuò)膜錐體底面半徑R1和擴(kuò)膜錐體高度h確定時(shí)，通過(guò)式（1）～式（4）建立錐片傾斜角度和錐片材料參數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算確定擴(kuò)膜椎體底面直徑為100 mm，頂面直徑為50 mm，錐體的高度為110 mm，8片錐片材料為0.3 mm不銹鋼。

2.3 擴(kuò)膜圓柱筒設(shè)計(jì)

擴(kuò)膜圓柱筒是包裝機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件之一，主要將扁平的網(wǎng)套膜擴(kuò)開(kāi)，同時(shí)是網(wǎng)套膜向下運(yùn)動(dòng)時(shí)附著的載體，具體結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 擴(kuò)膜圓柱筒簡(jiǎn)圖Fig.8 Foam nets expanding cylinder

在下膜過(guò)程中擴(kuò)膜圓柱筒是由擴(kuò)膜錐體伸進(jìn)圓柱臺(tái)支撐的，錐片必須承受整個(gè)圓柱筒的重力以及下膜過(guò)程中網(wǎng)套膜與圓柱筒的摩擦力作用。由于錐片的撓性設(shè)計(jì)，因此必須對(duì)錐片的承受能力進(jìn)行校核，才能保證擴(kuò)膜圓柱筒的穩(wěn)定性。

下膜時(shí)圓柱筒重量及網(wǎng)套膜與圓柱筒的摩擦力作用在錐片上，且該力由錐體的8片不銹鋼片共同承受，錐片材料屬性參考文獻(xiàn)[28-29]。由于蘋果樣品最大硬度不超過(guò)20 N，所以作用在膜片上的力也應(yīng)小于20 N。在作用力為20 N 時(shí)，對(duì)擴(kuò)膜圓柱筒的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)膜錐體的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 擴(kuò)膜錐體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.7 Stress and deformation of expandable cone

結(jié)果顯示，在作用力為20 N時(shí)，應(yīng)力均勻分布在8片不銹鋼上，且在支撐鐵片與圓臺(tái)基體結(jié)合部位應(yīng)力最大，276.8 Pa遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，而最大變形量在錐片頂部,為0.03 mm，能夠支撐整個(gè)圓柱筒，保證圓柱筒的穩(wěn)定。

圖8 推切裝置示意圖Fig.8 Punching device

2.4 下膜卡筒裝置設(shè)計(jì)

下膜卡筒主要是將寬度為7 cm的成卷網(wǎng)套沿著擴(kuò)膜圓柱筒向下拉動(dòng)，到達(dá)擴(kuò)膜錐體的指定位置時(shí)，完成下膜功能。同時(shí)在卡筒復(fù)位過(guò)程中，卡筒與膜脫離，不會(huì)帶動(dòng)膜運(yùn)動(dòng)。因此，下膜卡筒設(shè)計(jì)為帶有倒刺的內(nèi)圓柱形狀。根據(jù)擴(kuò)膜圓柱筒套網(wǎng)套后的寬度確定下膜卡筒倒刺刺尖所組成的內(nèi)包絡(luò)線的直徑為68 mm。根據(jù)網(wǎng)套孔距的大小確定倒刺距軸向距離為15 mm，根據(jù)圓周方向的網(wǎng)孔數(shù)確定卡通內(nèi)壁一圈倒刺個(gè)數(shù)為16個(gè)，共設(shè)置4圈，其高度為80 mm，內(nèi)圈直徑為76 mm。

2.5 推切裝置

推切裝置的作用是將連續(xù)的網(wǎng)套包裝膜按水果包裝大小切斷，并將包裝好的球形水果連同網(wǎng)套膜一起推出托盤。推切裝置主要由電熱絲、側(cè)推架、底座、連接架和同步帶滑臺(tái)組成。同步帶滑臺(tái)帶動(dòng)推切裝置做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，電熱絲負(fù)責(zé)切斷連續(xù)的網(wǎng)套膜，側(cè)推架則將包裝有網(wǎng)套膜的水果推出托盤，電熱絲安裝架兩內(nèi)側(cè)邊距離為110 mm，電熱絲距離U形推板80 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖8。

電熱絲的選擇直接影響到發(fā)泡網(wǎng)套的切割效果，為了有效的切割發(fā)泡網(wǎng)套，電熱絲的溫度必須滿足發(fā)泡網(wǎng)套的切割溫度。電熱絲的切割溫度T2為：

式中T1為電熱絲初始溫度值，℃；Q 為電熱絲產(chǎn)生的熱量，J；m 為電熱絲的 質(zhì) 量，kg；c 為電熱 絲比熱容，J/(kg·℃)。

由歐姆定律可知，電熱絲的發(fā)熱量為：

式中U 為電熱絲兩端電壓，V；R 為電熱絲電阻，Ω；t為電熱絲通電時(shí)間，s。

通過(guò)計(jì)算，推切裝置電熱絲為0.2 mm，兩端的電壓為6V時(shí)，能夠滿足發(fā)泡網(wǎng)套的切割溫度，且切口平整，受到的阻力較小。

3 包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)各部分動(dòng)作由單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠和同步帶的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的下膜、擴(kuò)膜、包裝、切膜、推果等一系列的動(dòng)作。控制系統(tǒng)硬件包括：控制擴(kuò)膜錐體運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠滑臺(tái)（型號(hào)KR100，行程200 mm）；控制下膜卡筒和托盤的滾珠絲杠滑臺(tái)（型號(hào)KR100，行程300 mm）；控制夾子的舵機(jī)（型號(hào)RDS3115，堵轉(zhuǎn)扭矩14.2 kg/cm）；控制推切機(jī)構(gòu)水平滾珠絲杠滑臺(tái)（型號(hào)DSK45，行程200 mm）；控制位置的霍爾傳感器（型號(hào)NJK-5002C，檢測(cè)距離10 mm，檢測(cè)物體為磁鐵，輸出方式NPN）。具體控制時(shí)序如圖9。

圖9 包裝機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)序Fig.9 Control system design of the packaging machine

4 樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)球形水果網(wǎng)套包裝機(jī)關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，加工了試驗(yàn)樣機(jī)，如圖10。通過(guò)實(shí)際包裝試驗(yàn)，考核樣機(jī)的包裝功能，包裝過(guò)程的可靠性、穩(wěn)定性，并測(cè)試樣機(jī)單果包裝時(shí)間及整體工作效率。

圖10 球形水果包裝機(jī)樣機(jī)Fig.10 Spherical fruit packaging machine prototype

在市場(chǎng)上隨機(jī)購(gòu)買一批紅富士蘋果，選用30 個(gè)成熟度一致，表面均無(wú)損傷的樣本進(jìn)行包裝試驗(yàn)。樣品平均果高80±6 mm，平均果徑81±6 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 包裝試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Packaging test results

由表1 可知，包裝機(jī)750 s 完成30 個(gè)蘋果的包裝試驗(yàn)。人工和機(jī)器均能實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果的包裝，成功率均為100%，損傷率均為0。包裝過(guò)程中樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，單果的平均包裝時(shí)間為25 s，人工平均單果包裝時(shí)間約為6 s，但是人工包裝網(wǎng)套為提前剪切為包裝長(zhǎng)度（140 mm）的網(wǎng)套，而機(jī)器包裝的網(wǎng)套為成卷網(wǎng)套。機(jī)器工作效率為35 kg/h，低于人工包裝效率144 kg/h。機(jī)器包裝，蘋果網(wǎng)套膜長(zhǎng)在104～110 mm 范圍內(nèi)，約占樣本總數(shù)的76.6%，膜長(zhǎng)最大值為116mm，最小值為101mm，平均值為106.97mm，果面包覆完整，能夠起到減小其受到機(jī)械碰撞時(shí)所受到的損傷的功能。人工包裝，由于固定膜長(zhǎng)，不能很好適應(yīng)果徑的變化。

5 結(jié)論

1）本文研制了一種能對(duì)蘋果、臍橙等球形水果進(jìn)行自動(dòng)快速網(wǎng)套包裝的機(jī)器，該機(jī)器采用柔性擴(kuò)膜錐體擴(kuò)膜，倒刺卡筒下膜的方式，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)包裝功能，網(wǎng)套包裝效果好。

2）樣機(jī)包裝試驗(yàn)表明，樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，包裝成功率100%，損傷率均0，平均單果的包裝時(shí)間為25 s，工作效率為35 kg/h，下膜長(zhǎng)度主要分布在104～110 mm 范圍內(nèi)，約占樣本總數(shù)的76.6%，果面包覆能夠起到減小其受到機(jī)械碰撞時(shí)所受到的損傷的功能。

3）樣機(jī)包裝效率低于人工包裝效率，可以優(yōu)化包裝流程，采用多組同時(shí)包裝的方式提高效率。設(shè)計(jì)的機(jī)器可為后續(xù)球形水果網(wǎng)套包裝設(shè)備的研制和優(yōu)化提供參考。