食品包裝機的橫封機構(gòu)運動仿真分析

康玉輝，周丹

1. 河南工學院機械工程學院（新鄉(xiāng) 453003）；2. 河南牧業(yè)經(jīng)濟學院能源與智能工程學院（鄭州 450046）

隨著社會進步，人民生活水平有了大幅提高，各種生活必需品都需要有精美的包裝，這促使包裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，包裝機正朝著高品質(zhì)、高效率、高速度方向發(fā)展。美國、日本和德國等國家生產(chǎn)的包裝機代表世界最先進水平，國內(nèi)自主生產(chǎn)的包裝機發(fā)展較遲，還存在一些問題，國內(nèi)包裝機主要依靠進口[1-5]。橫封橫切是食品包裝的關(guān)鍵步驟，它關(guān)系到包裝機的速度與品質(zhì)。因此，對食品包裝機幾種常用的結(jié)構(gòu)做了分析介紹，并對轉(zhuǎn)動導桿結(jié)構(gòu)做了深入分析。

1 常用的橫封結(jié)構(gòu)

枕型包裝機根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式分為臥式和立式2種，其橫封機構(gòu)基本相同。橫封結(jié)構(gòu)的原理是將上下2層熱熔性的包裝膜加熱后粘合成一道密合的橫縫，所謂橫向是指垂直于包裝膜和物料的運行方向，與縱封相對。橫封機構(gòu)由驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)等組成。橫封輥輪是其執(zhí)行機構(gòu)，表面一般設(shè)有各式各樣的花紋，用來增加封口的密合性，并且具有一定美觀效果。目前常用的橫封機構(gòu)大體上可分為3類：旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)往復(fù)式[6-8]。

1.1 旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)的結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)輥輪、加熱器、切刀及傳動機構(gòu)等組成，它是通過2個轉(zhuǎn)速相等且轉(zhuǎn)向相反的平行軸，分別帶動一個封切刀座作相對旋轉(zhuǎn)運動，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。回轉(zhuǎn)輥輪、加熱器和切刀裝在刀座上，封切壓力通過彈簧調(diào)節(jié)，2個軸旋轉(zhuǎn)1圈完成1次橫向封合和切斷。傳動結(jié)構(gòu)一般采用不等速回轉(zhuǎn)機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)可以達到較高的運行速度，且結(jié)構(gòu)簡單。

1.2 往復(fù)式橫封機構(gòu)

往復(fù)式橫封機構(gòu)一般是通過凸輪連桿機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)結(jié)合的方式實現(xiàn)封合的間歇運動，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。根據(jù)其功能可以分為2類，一類是只做間歇式的封合，另一類是既做間歇式的封合又做間歇式牽引運動。封口方式主要有熱板式和脈沖式，間歇運動主要通過機械和氣動結(jié)合的方式實現(xiàn)。由于其運行過程中會一直有啟停運動，所以有較大的封合沖擊，由于速度越高產(chǎn)生的沖擊力越大，沖擊力會造成機身振動，影響包裝效果，所以往復(fù)式橫封機構(gòu)一般速度較慢，適合尺寸較大、厚度較高的物品的包裝。

圖1 旋轉(zhuǎn)式橫封結(jié)構(gòu)

圖2 往復(fù)式橫封結(jié)構(gòu)

1.3 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)的運動由旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)運動和移動臂的往復(fù)運動組合形成[9]，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的運動軌跡是D型軌跡，在運行時，D型軌跡的直線部分用于封合，與圓形軌跡相比，熱封時間變長，且采用熱板式封合的方式，使封合接觸方式由線接觸變?yōu)槊娼佑|，從而提高橫封品質(zhì)。旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)一般有2個伺服電機驅(qū)動，其運動軌跡是通過伺服電機控制實現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)適用于有一定厚度或?qū)γ芊庑砸筝^高物品的枕形包裝，與旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)和往復(fù)式橫封機構(gòu)相比，旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工成本高。

圖3 旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)運行速度高，結(jié)構(gòu)簡單，且沖擊小，運行平穩(wěn)，更適合小袋食品包裝。但要得到高的封合效率和封口品質(zhì)，必須滿足一定橫封工藝要求：橫封頭的運行速度必須與包裝袋的運行速度一致，否則會影響橫封品質(zhì)；橫封頭需要做不等速運動，使封口和切斷時運行速度慢，空程時運行速度快，從而既保證封合效果，又保證運行速度。

2 曲柄導桿機構(gòu)運動特性分析

旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)常用的不等速傳動機構(gòu)有曲柄導桿機構(gòu)、橢圓齒輪機構(gòu)、偏心鏈輪機構(gòu)、差動機構(gòu)等[10-13]，其中曲柄導桿機構(gòu)原理簡單，零件較少，設(shè)計調(diào)節(jié)方便，且運動規(guī)律，變化平緩，所以曲柄導桿機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛。

曲柄導桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其中AC為導桿，BC為曲柄，曲柄、導桿中任意一者作為主動件做勻速回轉(zhuǎn)運動，則另一者做非勻速回轉(zhuǎn)運動，且兩者的非勻速回轉(zhuǎn)運動的運動規(guī)律不同。以導桿AC為驅(qū)動件進行分析，設(shè)其勻速回轉(zhuǎn)角速度為ωA，曲柄對應(yīng)的角速度為ωB，兩者轉(zhuǎn)動軸心距為e，曲柄長度為a。

圖4 曲柄導桿結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)導桿在某一瞬時與AB之間的夾角為θ，曲柄對應(yīng)的夾角為φ，由三角形ABC可得到：

對時間t求導并整理得：

根據(jù)定義可得：ωA=dθ/dt，ωB=dφ/dt，將ωA、ωB代入并整理得到：

式中：i=e/a。

將式（1）和式（3）組合求解得到：

根據(jù)式（4）可得，當θ=0時，ωB具有最小值，當θ=π時，ωB具有最大值。

由式（4）對時間t求導得到，曲柄的角加速度：

由式（5）可得，當θ=1/2π時，曲柄角速度aB具有最大值。

3 曲柄導桿機構(gòu)運動仿真分析

設(shè)曲柄長度100 mm，曲柄與導桿的轉(zhuǎn)動軸心距60 mm，導桿轉(zhuǎn)速100 r/s。通過SOLIDWORKS建立三維模型圖，導入ADAMS中進行運動仿真分析。ADAMS虛擬樣機軟件是目前世界上應(yīng)用最廣泛的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，使用該軟件可以真實地反映機構(gòu)的運動過程。

主要通過ADAMS/View模塊對機構(gòu)作運動分析，將模型導入后對模型各個零件的材料屬性、質(zhì)量等進行賦值，并設(shè)定工作環(huán)境，根據(jù)曲柄導桿機構(gòu)的實際運動情況添加約束和相應(yīng)的運動副，添加載荷和驅(qū)動[14-15]。

曲柄導桿機構(gòu)輸出端的角速度與角加速度曲線如圖5和圖6所示。當導桿轉(zhuǎn)角等于0°時，輸出端的角速度最小。當導桿轉(zhuǎn)角等于180°時，輸出端的角速度最大。當導桿轉(zhuǎn)角等于90°時，輸出端的角加速度最大。與理論分析結(jié)果一致，證明理論分析的正確性。

圖5 輸出端角速度曲線

圖6 輸出端角加速度曲線

4 結(jié)語

對旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)、往復(fù)式橫封機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)往復(fù)式橫封機構(gòu)做了分析介紹，旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)更適合小袋食品包裝，對旋轉(zhuǎn)式橫封機構(gòu)常用的轉(zhuǎn)動導桿結(jié)構(gòu)作了深入分析，建立數(shù)學模型，得到機構(gòu)的速度與加速度方程，運用ADAMS軟件對其進行運動學分析，隨著導桿轉(zhuǎn)角變化，機構(gòu)的角速度、角加速度隨之變化，通過仿真曲線得到機構(gòu)具有最大角速度與角加速度時，分別對應(yīng)的導桿角度值，證明理論分析的正確性。此次研究為包裝機橫封機構(gòu)的研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)，為食品包裝機的設(shè)計提供技術(shù)支持。