袁志林 高翠芝

（北京航天動力研究所）

凈重法顆粒噸包裝機(jī)廣泛應(yīng)用于聚乙烯、聚丙烯及聚酯等化工散料定量包裝行業(yè)。 噸包裝袋的封口質(zhì)量對包裝過程、運(yùn)輸過程、儲存過程以及產(chǎn)品分銷等各個環(huán)節(jié)都有很大的影響［1］。 目前噸包裝袋的封口形式主要為扎帶捆扎和熱封，由于熱封工藝無需輔助封口材料且能有效提高生產(chǎn)效率，因而在化工物料的定量包裝行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。

包裝袋的熱封強(qiáng)度和封口完整性是定量包裝生產(chǎn)中的質(zhì)量控制要素， 以往的研究表明：熱封時間、熱封溫度和熱封壓力是影響熱封強(qiáng)度和質(zhì)量的最重要因素［2～4］。受限于噸包裝機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)形式和熱封要求，市場中現(xiàn)有熱封機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多弊端，如封口成型效果差、冷卻時間長等。 筆者針對國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，設(shè)計了一款能夠精確設(shè)定熱封溫度、熱封壓力、熱封時間和冷卻時間的氣動封口機(jī)，在保證封口質(zhì)量的同時有效提升了生產(chǎn)效率。

1 氣動封口機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

熱封理論認(rèn)為熱封過程是在封口機(jī)施加的熱量和壓力作用下，處于熔融狀態(tài)的熱封界面之間的大分子互相滲透、擴(kuò)散、蠕動，從而使兩個表面融結(jié)在一起，在一定時間內(nèi)，兩個熱封表面結(jié)合成一個表面，充分冷卻完成熱封［5］。

王東升等在大量試驗的基礎(chǔ)上，初步確定了PET/PE 等復(fù)合膜的各種熱封工藝參數(shù)的基本范圍［6］。 但試驗中測試的封口都是折疊規(guī)整均勻的樣本。 噸包裝袋熱封的技術(shù)難點(diǎn)在于包裝袋充填滿物料后，難以進(jìn)行規(guī)則均勻的折疊，所以對封口機(jī)的技術(shù)性能有著更為苛刻的要求。 圖1 為實(shí)際工況下的封口狀態(tài)。

圖1 噸包裝袋封口實(shí)例

根據(jù)熱封機(jī)理和包裝系統(tǒng)技術(shù)要求，設(shè)計了如圖2 所示的懸臂式氣動封口機(jī)， 主要由支撐架、封口氣缸、加熱組件、封口冷卻系統(tǒng)4 部分構(gòu)成。

圖2 氣動封口機(jī)三維模型

1.1 加熱組件

如圖3 所示， 加熱組件主要由組件安裝板、耐高溫密封軟管、鎳鉻合金加熱帶、聚四氟乙烯耐高溫布、渦流冷卻風(fēng)接口、密封氣接口、加熱供電模塊組成。 其中組件安裝板內(nèi)側(cè)均布冷卻風(fēng)口，可以直接對加熱帶和封口進(jìn)行風(fēng)冷。

圖3 封口機(jī)加熱組件爆炸視圖

加熱組件長1.5 m， 可以適應(yīng)不同長度規(guī)格的噸包裝袋，為保證封口質(zhì)量，需要熱封面在兩個加熱組件間受力均勻，所以設(shè)計中采用下壓條充氣方案，即在工作過程中對加熱帶底層的耐高溫密封軟管進(jìn)行充氣以提高壓合質(zhì)量。

1.2 封口冷卻系統(tǒng)

脈沖式封口機(jī)的特點(diǎn)是需要封口冷卻后才能打開，由于噸包裝袋熱封時為多層融合，所以需要較長的冷卻時間才能冷卻，自然冷卻會嚴(yán)重制約包裝機(jī)的生產(chǎn)效率。 為保證包裝機(jī)的生產(chǎn)效率， 將渦流管冷卻技術(shù)引入封口機(jī)的設(shè)計中，利用渦流管產(chǎn)生的低溫氣流對鎳鉻合金加熱帶和熱封口進(jìn)行冷卻。

渦流管是一種簡單實(shí)用的制冷元件， 由噴嘴、渦流室、分離孔板和冷熱兩端管組成。 渦流管的工作原理如圖4 所示，工作時壓縮氣體在噴嘴內(nèi)膨脹，然后以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流管。 氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)過渦流變換后分離成溫度不相等的兩部分氣流，處于中心部位的氣流溫度低， 而處于外層部位的氣流溫度高，根據(jù)應(yīng)用需要，可以調(diào)節(jié)冷熱流比例，從而得到最佳制冷效應(yīng)［7］。

圖4 渦流管工作原理

設(shè)計中選用美國AIRTX 冷卻管，該產(chǎn)品在可靠性、耐久性、冷效比方面都具備優(yōu)異性能，它能將常溫下的壓縮空氣冷卻至-40 ℃， 實(shí)踐證明其對于鎳鉻加熱帶和封口處的冷卻效果極佳。

封口氣缸、渦流管、密封軟管前端分別配置獨(dú)立的過濾減壓閥和電磁閥， 保證工藝流程可控，熱封壓力、冷卻風(fēng)流量和密封氣壓力可以獨(dú)立調(diào)整。

如圖5 所示， 噸包裝袋封口機(jī)運(yùn)行過程中需要在鏈板輸送工位完成包裝袋封口工序，由于鏈板輸送由PLC 程序自動控制， 所以封口機(jī)需要具備包裝袋的定位功能， 設(shè)計中在封口機(jī)加熱組件中間位置安裝有光電傳感器， 當(dāng)傳感器檢測到有包裝袋時， 能將信號反饋給PLC 控制器， 通過程序控制準(zhǔn)確地將包裝袋輸送到準(zhǔn)備的熱封位置。

圖5 某聚酯項目現(xiàn)場生產(chǎn)照片

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

常用塑料基材薄膜包含玻璃化溫度Tg、 融化溫度Tm、 黏流溫度Tf和分解溫度Td4 個特征溫度。黏流溫度Tf是高聚物從高彈態(tài)到黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度，是無定型塑料加工的下限溫度，處于黏流狀態(tài)的塑料當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，聚合物分子鏈的降解加劇，升高至使聚合物的分子鏈明顯降解的溫度即分解溫度，所以熱封加熱過程必須控制在黏流溫度Tf和分解溫度Td之間進(jìn)行， 冷卻過程需將封口溫度快速降至黏流溫度Tf以下。 表1為常用塑料基材薄膜的熱封溫度推薦值。

表1 常用塑料基材薄膜的熱封溫度推薦值

2.1 溫控元件選擇

為保證封口質(zhì)量，熱封溫度應(yīng)精確控制在黏流溫度Tf與分解溫度Td之間，而且需要根據(jù)環(huán)境溫度、 熱封薄膜材料和薄膜厚度進(jìn)行精確調(diào)整，因此需要溫控系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快。

熱封機(jī)溫度控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)熱封溫度的實(shí)時監(jiān)測與控制，溫控系統(tǒng)的核心為溫度控制器， 本設(shè)計中選用歐姆龍E5CC 系列溫度控制器，該控制器具有50 ms 的高采樣周期，控制周期為0.1 s，能夠兼容熱電阻、熱電偶、模擬量電流/電壓等多種溫度反饋信號。在控制方式上支持ON/OFF 控制和帶自動調(diào)諧功能的2 自由度PID控制，輸出方式有繼電器輸出和SSR（固態(tài)繼電器）驅(qū)動用電壓輸出可選。

本設(shè)計中采用溫度控制器的PID 控制方式，根據(jù)PID 的控制理論，PID 控制部分由PID 控制器、控制對象和檢測反饋組成。 溫度反饋傳感器的測量精度和準(zhǔn)確性對封口機(jī)的溫度控制有重要影響。 表2 列出了熱敏電阻、鉑熱電阻和熱電偶的性能［8］。 針對噸包裝封口機(jī)的實(shí)際工況特點(diǎn)（工作溫度在100～200 ℃范圍內(nèi)）， 經(jīng)過對比分析， 最終選擇杭州美控MIK-WZP 系列鉑熱電阻溫度傳感器作為溫度反饋元件，傳感器結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

表2 3 種傳感器性能對比

圖6 MIK-WZP 系列鉑電阻溫度傳感器

選用的溫度傳感器具有體積小、安裝方便及測量精度高等特點(diǎn)，設(shè)計中將其安裝于加熱組件的溝槽中，傳感器與鎳鉻合金加熱帶間由聚四氟乙烯耐高溫布分隔，保證傳感器檢測的是封口處的實(shí)際溫度。

2.2 溫度控制方案

根據(jù)上述說明，設(shè)計了如圖7 所示的溫度控制方案， 封口過程啟動后，PLC 控制封口氣缸完成夾袋動作，同時對壓條軟管進(jìn)行充氣以提高壓合質(zhì)量。 E5CC 溫度控制器實(shí)時監(jiān)測鉑電阻傳感器采集到的溫度信號，并將實(shí)時溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，通過PID 控制方式，驅(qū)動SSR 對鎳鉻合金加熱帶加熱至設(shè)定溫度并動態(tài)調(diào)節(jié)。 待完成加熱封口過程，PLC 控制電磁閥接通冷卻風(fēng)，用渦流管產(chǎn)生的低溫氣流對加熱帶和封口處進(jìn)行冷卻，直至封口達(dá)到要求的熱封強(qiáng)度，然后松夾袋完成一次熱封流程。

圖7 溫控系統(tǒng)方案

為方便操作，系統(tǒng)中設(shè)置有西門子TP900 觸摸屏，PLC 和E5CC 溫度控制器通過RS-485 接口進(jìn)行實(shí)時通信，通過觸摸屏可以方便地設(shè)定目標(biāo)溫度、加熱時間及冷卻時間等工藝參數(shù)。

3 工程應(yīng)用結(jié)果與分析

將設(shè)計的氣動封口機(jī)應(yīng)用于國內(nèi)某大型聚酯項目，通過封口試驗，對封口的各項技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，并對影響熱封性能的各種參數(shù)進(jìn)行了比較分析, 獲取了適用于噸包裝袋的最優(yōu)熱封參數(shù)。

3.1 封口機(jī)性能驗證

針對實(shí)際工況對影響熱封性能的工藝參數(shù)進(jìn)行測試驗證。 首先設(shè)定5 個目標(biāo)溫度對封口機(jī)的溫升速率和動態(tài)PID 調(diào)節(jié)性能進(jìn)行測試，每次升溫前將封口機(jī)溫度冷卻至環(huán)境溫度，測試數(shù)據(jù)見表3，由表中數(shù)據(jù)可知，溫控系統(tǒng)的升溫速度約為30 ℃/s， 溫度控制精度能穩(wěn)定在±2 ℃范圍內(nèi)，滿足封口機(jī)性能需求。

表3 溫控系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

用已標(biāo)定的激光溫度測試儀對封口處溫度進(jìn)行測試，將溫控器示值與激光溫度測試儀測試值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示二者數(shù)值偏差在1 ℃范圍內(nèi)，所以溫控系統(tǒng)示值能夠真實(shí)反映封口處的實(shí)際溫度。

設(shè)計的封口機(jī)夾袋動作由氣缸驅(qū)動，所以通過減壓閥調(diào)節(jié)氣缸的供氣壓力可以方便調(diào)節(jié)熱封壓力，熱封壓力則以氣源壓力予以量化。 熱封時間和冷卻時間通過PLC 和觸摸屏可隨時調(diào)整。

3.2 熱封參數(shù)分析

合適的熱封壓力有利于薄膜分子間的融合，由于噸包裝袋封口過程中袋口折疊得較厚，正常操作下封口層數(shù)約為8 層，所以需要較大的熱封壓力才能保證封口部位的平整。 工程應(yīng)用結(jié)果顯示，在底層密封壓條充氣條件下，當(dāng)熱封壓力控制在0.4 MPa 時，封口處壓合得最為平整。

項目中使用的包裝袋內(nèi)袋材料為聚丙烯，根據(jù)經(jīng)驗其熱封溫度在100～125 ℃之間，但由于封口層數(shù)較多， 在100 ℃時需要較長的封口時間內(nèi)層薄膜才能充分融合。 控制熱封壓力在0.4 MPa，通過對比分析多組熱封溫度、 熱封加熱時間、冷卻時間的封口質(zhì)量，確認(rèn)了該項目應(yīng)用的噸包裝袋最佳熱封溫度為115 ℃，熱封時間為9 s，冷卻時間為8 s。 封口質(zhì)量和封口速度滿足包裝機(jī)的性能要求。

4 結(jié)束語

針對噸包裝袋的封口需求， 從熱封機(jī)理出發(fā)，設(shè)計了一款能夠精確控制熱封溫度、壓力、加熱和冷卻時間的氣動封口機(jī)。 通過實(shí)際工程應(yīng)用， 對封口機(jī)的溫控性能和封口質(zhì)量進(jìn)行了測試，確定了適用于噸包裝袋的熱封工藝參數(shù)。 應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計的氣動封口機(jī)能夠有效保證封口質(zhì)量和封口速度。