生鮮食品包裝機(jī)氣力式超薄自粘膜橫封裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄭兆啟 梅文娟 劉超冉 杜志龍 董 艦 李占勇

(1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300222；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083； 4.天津科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心， 天津 300222)

0 引言

目前，生鮮食品包裝基本采用托盤和超薄自粘膜作為包裝材料，托盤承載生鮮食品，使用超薄自粘膜裹膜，超薄自粘膜具有質(zhì)量輕、成本低、透明度高等優(yōu)點(diǎn)。普通自動(dòng)包裝設(shè)備使用的包裝膜厚度一般為25～80 μm，而超薄自粘膜(PVC、PE等)厚度為9～13 μm，遠(yuǎn)低于普通包裝膜。特別是超薄自粘膜還具有高粘性、易變形、易撕裂等特性，目前國(guó)內(nèi)普通自動(dòng)包裝設(shè)備無(wú)法使用超薄自粘膜進(jìn)行包裝。

橫封裝置是包裝機(jī)核心機(jī)構(gòu)之一，決定物品包裝的橫封質(zhì)量[1-2]，普通包裝機(jī)橫封裝置無(wú)法使用超薄自粘膜進(jìn)行裹膜包裝[3-6]。發(fā)達(dá)國(guó)家在使用超薄自粘膜進(jìn)行生鮮食品機(jī)械化包裝方面取得了一些成果。意大利FABBRI和西班牙ULMA等企業(yè)研制了四折模板式生鮮食品包裝機(jī)橫封裝置，該裝置屬于裹包機(jī)，其原理是將生鮮食品放置在包裝盒內(nèi)，由保鮮膜覆蓋食品及包裝盒，包裝盒由底部上升，接觸到保鮮膜后機(jī)械式折疊板相向運(yùn)動(dòng)，完成縱封、橫封，實(shí)現(xiàn)包裝物的包裹[7-10]。該裝置使用伺服電機(jī)數(shù)量超過(guò)10個(gè)，其電氣控制復(fù)雜，造價(jià)高昂。日本大森公司研發(fā)了負(fù)壓式生鮮食品包裝機(jī)橫封裝置，該裝置采用純機(jī)械或機(jī)械和負(fù)壓相配合的橫封、縱封方式，其穩(wěn)定性較差[11-13]。目前，國(guó)內(nèi)基本采用手工或簡(jiǎn)易封口機(jī)進(jìn)行超薄自粘膜包裝，超薄自粘膜機(jī)械化包裝尚處于研究起步階段[14-17]。

基于超薄自粘膜的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一款氣力式超薄自粘膜橫封裝置，該裝置利用氣力和機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超薄自粘膜橫封。使用上風(fēng)盒、下風(fēng)盒、滾輪等作為折膜動(dòng)力部件，對(duì)超薄自粘膜折膜過(guò)程進(jìn)行受力分析，研究影響折膜作業(yè)的關(guān)鍵因素；利用Fluent軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；基于氣力式超薄自粘膜橫封裝置試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行橫封試驗(yàn)，利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化性能參數(shù)，以期獲得最佳參數(shù)組合。

1 橫封裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)超薄自粘膜的材料特性，設(shè)計(jì)了一款氣力式超薄自粘膜橫封裝置，超薄自粘膜橫封裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由立式輸送帶、兩個(gè)上風(fēng)盒(前后平行布置)、下折膜機(jī)構(gòu)(包含小型滾輪、下風(fēng)盒和氣缸)、切斷機(jī)構(gòu)和無(wú)動(dòng)力托輥等組成。超薄自粘膜材料使用9.5 μm聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)膜，包裝用托盤使用聚丙烯(Polyethylene，PP)盒[18-20]，利用包裝盒承載生鮮食品，用PVC膜對(duì)其進(jìn)行裹包包裝。立式輸送帶對(duì)稱布置，位于機(jī)架的中軸線上，用于包裝盒和包裝物料的輸送；切斷機(jī)構(gòu)位于機(jī)架中上部，主要執(zhí)行包裝盒之間保鮮膜的切斷；無(wú)動(dòng)力托輥位于機(jī)架尾部，支撐包裝物料；上風(fēng)盒和下折膜機(jī)構(gòu)位于切斷機(jī)構(gòu)兩側(cè)，通過(guò)氣力和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，完成超薄自粘膜的橫封作業(yè)。

圖1 超薄自粘膜橫封裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of transverse sealing device for ultrathin self-adhesive film1.立式輸送帶 2.上風(fēng)盒 3.切斷機(jī)構(gòu) 4.下折膜機(jī)構(gòu) 5.無(wú)動(dòng)力托輥

1.2 工作原理

超薄自粘膜橫封裝置工作原理如圖2所示。橫封作業(yè)前，兩個(gè)包裝盒a和b通過(guò)縱封機(jī)構(gòu)使用超薄自粘PVC膜裹成筒[13]，兩個(gè)包裝盒之間間隔200 mm。兩個(gè)裹膜包裝盒通過(guò)立式輸送帶向切刀方向輸送，當(dāng)切刀位于兩個(gè)包裝盒中間位置時(shí)，立式輸送帶停止輸送，切斷機(jī)構(gòu)切斷包裝膜。前后布置的兩個(gè)上風(fēng)盒出風(fēng)口垂直向下，吹動(dòng)PVC膜，分別保證兩個(gè)包裝盒a和b邊沿的PVC膜垂直向下，完成包裝盒的后部橫封和前部橫封。對(duì)于包裝盒b需完成后部橫封，此時(shí)立式輸送帶停止運(yùn)送，下折膜機(jī)構(gòu)由氣缸帶動(dòng)下風(fēng)盒向包裝盒底部運(yùn)動(dòng)，下風(fēng)盒上表面安裝小型滾輪，推動(dòng)PVC膜橫封，同時(shí)下風(fēng)盒水平方向出風(fēng)口將PVC膜吹向盒底，配合滾輪橫封過(guò)程，下風(fēng)盒上部小孔出風(fēng)，輔助橫封，保證PVC膜有效粘在包裝盒底部。氣缸收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，下折膜機(jī)構(gòu)與PVC膜反向運(yùn)動(dòng)，利用下風(fēng)盒水平出風(fēng)口吹風(fēng)，防止PVC膜被下折膜機(jī)構(gòu)帶回，完成包裝盒b的后部橫封。包裝盒a需完成前部橫封，此時(shí)立式輸送帶拖動(dòng)包裝盒向前輸送，通過(guò)刮板實(shí)現(xiàn)包裝盒a的前部橫封，完成一個(gè)橫封作業(yè)循環(huán)過(guò)程。

圖2 橫封裝置工作原理圖Fig.2 Principle diagram of transverse sealing device1.立式輸送帶 2.包裝盒a 3.前上風(fēng)盒 4.切斷機(jī)構(gòu) 5.后上風(fēng)盒 6.包裝盒b 7.無(wú)動(dòng)力托輥 8.氣缸 9.PVC膜 10.下風(fēng)盒 11.小型滾輪 12.刮板 13.縱封機(jī)構(gòu)

2 力學(xué)分析

2.1 前部橫封力學(xué)分析

前部橫封裝置初始狀態(tài)時(shí)，PVC膜受力分析如圖3a所示，PVC膜主要受力有前上風(fēng)盒的風(fēng)力F1、通過(guò)輸送帶帶動(dòng)的推力F2以及自身重力G。當(dāng)下刮板運(yùn)動(dòng)到包裝盒底部時(shí)，PVC膜受力分析如圖3b所示，PVC膜通過(guò)刮板時(shí)會(huì)受到拉力F3，利用刮板實(shí)現(xiàn)前部橫封。

圖3 前部橫封PVC膜受力分析簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of force on PVC film of front transverse sealing

前部橫封PVC膜受力公式為

F1=p1S1

(1)

F2=μ1FN

(2)

F3=μ2F′N

(3)

式中p1——前上風(fēng)盒壓強(qiáng)，Pa

S1——PVC膜受前上風(fēng)盒風(fēng)力的面積，m2

μ1——輸送帶和PVC膜之間的靜摩擦因數(shù)

FN——輸送帶和PVC膜之間壓力，N

μ2——輸送帶和PVC膜之間的動(dòng)摩擦因數(shù)

F′N——刮板和PVC膜之間壓力，N

由于立式輸送帶可有效實(shí)現(xiàn)包裝盒的夾緊，提供足夠壓力，包裝盒PVC膜實(shí)現(xiàn)前部橫封的關(guān)鍵因素為確定前上風(fēng)盒的壓強(qiáng)p1，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為保證前部橫封穩(wěn)定性，包裝盒輸送帶速度也是關(guān)鍵因素，經(jīng)試驗(yàn)研究確定，前上風(fēng)盒出風(fēng)口尺寸為長(zhǎng)160 mm，寬2 mm，在前上風(fēng)盒壓強(qiáng)120 Pa，輸送帶速度0.25 m/s情況下可較好完成前部橫封作業(yè)，經(jīng)過(guò)三維建模和3D打印制成前上風(fēng)盒，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于作用條件一致，前上風(fēng)盒和后上風(fēng)盒采用同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 上風(fēng)盒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagrams of up wind box

2.2 后部橫封力學(xué)分析

超薄自粘膜橫封作業(yè)的主要難點(diǎn)在后部橫封過(guò)程。后部橫封裝置初始狀態(tài)時(shí)，PVC膜受力分析如圖5a所示，PVC膜主要受力有后上風(fēng)盒的風(fēng)力F4、下折膜機(jī)構(gòu)氣缸的推力F5和下風(fēng)盒水平方向風(fēng)力F6，以及自身重力G。當(dāng)下折膜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到包裝盒底部時(shí)，PVC膜受力分析如圖5b所示，此時(shí)PVC膜主要受力有后上風(fēng)盒的風(fēng)力F4、下折膜機(jī)構(gòu)氣缸的推力F5、下風(fēng)盒水平方向風(fēng)力F6、豎直方向向上的風(fēng)力F7以及自身重力G。

圖5 后部橫封PVC膜受力分析簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of force on PVC film of rear transverse sealing

后部橫封PVC膜受力公式為

F4=p2S2

(4)

F6=p3S3

(5)

F7=p4S4

(6)

式中p2——后上風(fēng)盒壓強(qiáng)，Pa

S2——PVC膜受后上風(fēng)盒風(fēng)力的面積，m2

p3——下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)，Pa

S3——PVC膜受下風(fēng)盒水平出風(fēng)口風(fēng)力的面積，m2

p4——下風(fēng)盒上出風(fēng)口壓強(qiáng)，Pa

S4——PVC膜受下風(fēng)盒上出風(fēng)口風(fēng)力的面積，m2

則PVC膜受到的兩個(gè)方向上合力為

(7)

由以上力學(xué)性能分析可知，包裝機(jī)進(jìn)行后部橫封時(shí)，需要垂直方向作用力FY改變PVC膜的方向，使PVC膜垂直向下，為后部橫封做準(zhǔn)備，再通過(guò)水平方向作用力FX進(jìn)行折膜橫封。后上風(fēng)盒和下風(fēng)盒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PVC膜后部橫封具有重要影響，后上風(fēng)盒結(jié)構(gòu)參數(shù)在2.1節(jié)中已經(jīng)經(jīng)試驗(yàn)分析確定，由于下風(fēng)盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進(jìn)一步分析優(yōu)化。

3 流場(chǎng)仿真與分析

圖7 不同進(jìn)風(fēng)口位置仿真云圖Fig.7 Simulation cloud diagrams of different air inlet positions

由于下風(fēng)盒具有復(fù)雜開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)仿真優(yōu)化分析，以優(yōu)化下風(fēng)盒結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)前期預(yù)試驗(yàn)，下風(fēng)盒在工作過(guò)程中，其進(jìn)風(fēng)口和下風(fēng)盒風(fēng)腔高度對(duì)下風(fēng)盒整體壓強(qiáng)分布具有重要影響；另一方面下風(fēng)盒水平方向的出風(fēng)口，不僅吹動(dòng)包裝盒側(cè)面的PVC膜，減少PVC膜皺縮，保證橫封的平整度和美觀度，同時(shí)輔助氣缸進(jìn)行橫封作業(yè)，也具有重要作用。因此，選取對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較為顯著的下風(fēng)盒進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)、下風(fēng)盒風(fēng)腔高度、水平出風(fēng)口(水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)和水平出風(fēng)口直徑)為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素流場(chǎng)仿真與分析試驗(yàn)。

3.1 流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

下風(fēng)盒為下折膜機(jī)構(gòu)的重要部件，利用SolidWorks軟件對(duì)下風(fēng)盒內(nèi)部風(fēng)腔進(jìn)行三維建模，如圖6所示，利用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行流體仿真[21-23]。

圖6 下風(fēng)盒風(fēng)腔模型Fig.6 Lower wind box air cavity model

下風(fēng)盒進(jìn)風(fēng)口工作狀態(tài)為：工作介質(zhì)為空氣，壓強(qiáng)為101.235 kPa，空氣密度為1.2 kg/m3，空氣流速為62 m/s。下風(fēng)盒進(jìn)風(fēng)口為圓形截面，直徑11.3 mm，雷諾數(shù)為4.7×104，因此下風(fēng)盒內(nèi)部氣體流場(chǎng)為湍流，下風(fēng)盒仿真使用Standardk-e湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，其通用形式為

(8)

式中φ——通用傳輸量

ρ——流體密度

Γ——廣義擴(kuò)散系數(shù)

δ——流體速度矢量

S——廣義源項(xiàng)

3.2 仿真分析

3.2.1進(jìn)風(fēng)口對(duì)下風(fēng)盒流體特性的影響

為滿足橫封工作需要，對(duì)下風(fēng)盒進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)進(jìn)風(fēng)口位置的不同，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)形式，分別為進(jìn)風(fēng)口位于下風(fēng)盒的底部；進(jìn)風(fēng)口位于下風(fēng)盒側(cè)面；進(jìn)風(fēng)口位置和水平方向出風(fēng)口位置對(duì)稱布置，以期獲得最優(yōu)的布風(fēng)效果。

模擬工況下不同進(jìn)風(fēng)口位置仿真云圖如圖7所示。由仿真結(jié)果可得，底部進(jìn)風(fēng)口和側(cè)面進(jìn)風(fēng)口時(shí)，雖然進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)距離最近，但出風(fēng)口壓強(qiáng)分布不均勻，差值較大。為滿足橫封工作，要求下風(fēng)盒的水平出風(fēng)口壓強(qiáng)均勻。對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，出風(fēng)口壓強(qiáng)均勻且水平出風(fēng)口壓強(qiáng)偏高，為理想效果。因此選擇進(jìn)風(fēng)口位置和水平方向出風(fēng)口位置對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)形式。

3.2.2風(fēng)腔高度對(duì)下風(fēng)盒流體特性的影響

以下風(fēng)盒風(fēng)腔高度為變量，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)要求，選取下風(fēng)盒風(fēng)腔高度分別為12、13、14、15、16 mm，保持下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)和水平出風(fēng)口直徑不變，建立下風(fēng)盒風(fēng)腔模型。利用Fluent軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示下風(fēng)盒的風(fēng)腔高度為12～16 mm時(shí)下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)基本穩(wěn)定在1 000 Pa，壓強(qiáng)變化較小。因?yàn)橄嘛L(fēng)盒由3D打印制造，存在制造誤差，為保證風(fēng)壓穩(wěn)定，風(fēng)腔高度選取中間值14 mm。

3.2.3水平出風(fēng)口參數(shù)對(duì)下風(fēng)盒流體特性的影響

以下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)和水平出風(fēng)口直徑兩個(gè)因素為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，對(duì)下風(fēng)盒水平出風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

以下風(fēng)盒水平出風(fēng)口直徑為變量，選取下風(fēng)盒水平出風(fēng)口直徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm，保持下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)和下風(fēng)盒風(fēng)腔高度不變，利用Fluent軟件對(duì)三維模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，隨出風(fēng)口直徑增大下風(fēng)盒水平出風(fēng)口靜壓先上升然后趨于平穩(wěn)。在下風(fēng)盒水平出風(fēng)口

直徑為2.0～3.0 mm時(shí)水平出風(fēng)口靜壓較大，為954～1 028.5 Pa，在此范圍內(nèi)壓強(qiáng)變化較小，趨于穩(wěn)定。由于出風(fēng)口直徑越大，出風(fēng)口的風(fēng)量越大，同時(shí)小型通孔出風(fēng)口直徑越大加工難度越小，因此選擇下風(fēng)盒水平出風(fēng)口直徑為3 mm。

圖8 不同水平出風(fēng)口直徑時(shí)出風(fēng)口靜壓變化曲線Fig.8 Impact of diameter of horizontal air outlet on air pressure

以下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)為變量，選取下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)為7、10、13，保持下風(fēng)盒水平出風(fēng)口直徑和下風(fēng)盒風(fēng)腔高度不變，利用Fluent軟件對(duì)三維模型進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)為7、10、13時(shí)，出風(fēng)口壓強(qiáng)分別為1 026.7、1 028.5、938 Pa，因此選取下風(fēng)盒水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)為10個(gè)。

結(jié)合仿真結(jié)果，設(shè)置下風(fēng)盒風(fēng)腔模型的最優(yōu)參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)口位置和水平方向出風(fēng)口位置對(duì)稱布置，風(fēng)腔高度14 mm、水平出風(fēng)口直徑3 mm、水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)10個(gè)時(shí)，可獲得最大出風(fēng)口壓強(qiáng)，布風(fēng)均勻，下風(fēng)盒仿真云圖如圖9所示。

圖9 下風(fēng)盒仿真云圖Fig.9 Simulation cloud diagrams of lower wind box

4 后部橫封試驗(yàn)

4.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架，如圖10所示，由下風(fēng)盒、后上風(fēng)盒、變頻器(SIEMENS-6SE6440-2UD21-5AA1)、風(fēng)機(jī)(RB-41D-1，380 V，0.75 kW)、空氣壓縮機(jī)(230V-AC-50Hz)、氣缸(SNS CYLINDER 20X80-S)及電氣控制元件組成。其中后上風(fēng)盒和下風(fēng)盒為3D打印制成；空氣壓縮機(jī)為下折膜機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)；后上風(fēng)盒和下風(fēng)盒配有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器進(jìn)行控制；風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)由風(fēng)壓計(jì)測(cè)定。

試驗(yàn)材料為包裝機(jī)使用的PP托盤(1910)和PVC保鮮膜(恩希愛(ài) M-350)，包裝物品為市場(chǎng)采購(gòu)的番茄。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Test bench1.下風(fēng)盒 2.后上風(fēng)盒 3.變頻器 4.風(fēng)機(jī) 5.空氣壓縮機(jī) 6.氣缸

4.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

生鮮食品包裝機(jī)后部橫封作業(yè)時(shí)，立式輸送帶停止輸送，后上風(fēng)盒和下折膜機(jī)構(gòu)配合完成折膜及PVC膜平整是主要難點(diǎn)。后上風(fēng)盒和下折膜機(jī)構(gòu)相互配合，完成橫封作業(yè)的同時(shí)，保證生鮮食品包裝完好，PVC膜包裹美觀。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，后上風(fēng)盒的出風(fēng)口壓強(qiáng)和下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)是實(shí)現(xiàn)橫封的關(guān)鍵因素，對(duì)橫封效果影響較大，并且在利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，包裝盒底部與下折膜機(jī)構(gòu)的折膜間距對(duì)橫封效果影響很大，如圖11所示。

圖11 影響因素示意圖Fig.11 Influencing factors schematic

為了深入研究各因素對(duì)橫封裝置橫封效果的影響，選用后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)、下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)、下折膜機(jī)構(gòu)相對(duì)于包裝盒底部折膜間距(以下簡(jiǎn)稱折膜間距)3個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)分析。

采用橫封率y作為試驗(yàn)指標(biāo)，托盤后部橫封率為

(9)

式中n——包裝機(jī)作業(yè)后托盤后部橫封成功的托盤數(shù)量，個(gè)

N——包裝機(jī)作業(yè)后總的托盤數(shù)量，個(gè)

4.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

采用正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，以托盤后部橫封率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，三因素三水平的試驗(yàn)因素見(jiàn)表1(折膜間距為負(fù)值表示過(guò)盈配合)。采用L9(33)正交表，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，結(jié)果取平均值，得出每組橫封率，試驗(yàn)設(shè)計(jì)[24-25]及結(jié)果見(jiàn)表2。利用Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以確定試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Experimental design and results

表3 橫封率方差分析Tab.3 Variance analysis of transverse sealing ratio

(10)

通過(guò)對(duì)式(10)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可以得出，影響橫封率指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋汉笊巷L(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)、折膜間距、下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)。

4.4 響應(yīng)面優(yōu)化

通過(guò)Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)橫封率y的響應(yīng)曲面。后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)和折膜間距兩因素的交互作用對(duì)橫封率y的影響如圖12所示，當(dāng)折膜間距一定時(shí)，橫封率y隨著后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)的增加呈現(xiàn)先逐漸增加后逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)一定時(shí)，橫封率y隨著折膜間距的減小呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且趨于平穩(wěn)。

圖12 橫封率響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface analysis graph of transverse sealing ratio

通過(guò)Minitab軟件對(duì)響應(yīng)曲面分析，得出后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)最佳參數(shù)為113.3 Pa，折膜間距最佳參數(shù)為-3 mm，橫封率的擬合值為99.5%。下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)對(duì)橫封率的影響較小，但可在折膜過(guò)程中通過(guò)吹膜促使PVC膜保持平整和減少褶皺，對(duì)保持橫封作業(yè)產(chǎn)品的美觀有重要作用，結(jié)合前期試驗(yàn)，下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)參數(shù)選用85 Pa。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)測(cè)試方法與前文所述相同，使用最佳模型參數(shù)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)200次試驗(yàn)驗(yàn)證，橫封率可以達(dá)到99%，滿足生鮮食品包裝機(jī)的橫封作業(yè)要求。將本文設(shè)計(jì)的橫封裝置橫封作業(yè)效果與在超市中人工包裝的效果進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示。從圖中可以看出，人工包裝的產(chǎn)品背面，PVC膜撕扯痕跡明顯，PVC膜使用量較多，而且PVC膜在包裝盒底部呈不均勻分布狀態(tài)，沒(méi)有完全貼合包裝盒，包裝效果較差；使用氣力式折膜橫封裝置橫封的包裝產(chǎn)品，PVC膜分布整齊，PVC膜使用量相對(duì)較少，形態(tài)美觀，包裝效果較好。

圖13 機(jī)器和人工包裝效果對(duì)比Fig.13 Effect comparison of machine and manual packaging

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種氣力式超薄自粘膜橫封裝置，該裝置主要由立式輸送帶、前后平行布置的兩個(gè)上風(fēng)盒、下折膜機(jī)構(gòu)、切斷機(jī)構(gòu)和無(wú)動(dòng)力托輥等組成，采用了氣力和機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合的橫封方式。

(2)通過(guò)理論研究和Fluent模擬分析了下風(fēng)盒結(jié)構(gòu)，得到最優(yōu)參數(shù)為：下風(fēng)盒進(jìn)風(fēng)口位置和水平方向出風(fēng)口位置對(duì)稱布置、風(fēng)腔高度14 mm、水平出風(fēng)口直徑3 mm、水平出風(fēng)口個(gè)數(shù)10個(gè)。

(3)以后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)、下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)、下折膜機(jī)構(gòu)與包裝盒底部折膜間距為試驗(yàn)因素，以托盤后部橫封率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了正交組合試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)和結(jié)果分析，得到最佳參數(shù)組合為：后上風(fēng)盒出風(fēng)口壓強(qiáng)113.3 Pa、下風(fēng)盒水平出風(fēng)口壓強(qiáng)85 Pa、下折膜機(jī)構(gòu)與包裝盒底部折膜間距為-3 mm。利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在最佳參數(shù)組合下橫封率為99%，橫封平整、美觀，滿足包裝作業(yè)要求。