页数：142页文件大小：1.45 MB来源： 包装机械设计ppt课件
本课件讲柔性材料袋装机械，核心是制袋—充填—封口机：先讲常见袋形与袋装机类型，再系统展开三角形、象鼻、翻领与U形板成型器的结构及设计计算，随后讲解热封等封袋方法、纵封器与横封器设计，以及料袋牵引与切断装置。
第五章 袋装机械：本章重点掌握以下内容。
第一节概述袋装是用柔性材料制成的包装袋,将粉状、颗粒状、流体或半流体等物品装入其中,然后进行排气(或充气)、封口,以完成产品包装的工艺过程。
制袋用的柔性材料,如纸、蜡纸、塑料薄膜及其复合材料等,即有良好的保护物品的性能,又有质轻、价廉、易印刷、易成型封口、易开启使用、易被处理等特性,因而所制成的袋装产品轻巧、美观、体积小而受人喜爱,是软包装产品中的重要组成部分。
其中尤以塑料薄膜及其复合材料的使用较广,发展最为迅速。
特别六十年代以来,石油化学工业的高速发展，为软包装提供了丰富多样的柔性包装材料,再加上塑料薄膜具有独特的良好的热封性、印刷性、透明性、防潮防气性等,致使袋装软包装新产品更是层出不穷,有几克乃
至几十克的小袋,有近千克的中袋,也有几十千克重袋包装。
内装物由最初的散粒体发展到胶体、液体、气体和大块状的固体,使袋装逐渐与灌装、罐装、裹包等传统的包装形式相互渗透和替代,与此同时,也促进了袋装机不断地更新与发展,我国自六十年代初从国外引进样机,发展到近年来己能自己设计、制造多种袋装设备。
各种袋装机应用于食品、日化塑料、化工、农药等工厂的包装工段。
制袋过程中,一般先纵封,而后横封。
故在枕式搭接、对接袋封口缝的全长内,局部会有三层或四层薄膜重迭在一起,这对封口质量有一定影响；
扁平式三面封口袋的封口缝全长内层数相等,封接条件较好,但产品外形不对称,美观性稍差,四面封口袋克服了前两者的缺点,但这种袋型的包装材料利用率比前两者稍差；
自立式各种袋外形美观,具有自立不倒的优点,便于后续装箱工艺的完成和产品陈列,但对包装材料要求较高,均需使用复合包装材料。
图5.1 基本袋形示意图
(一)制袋式袋装机1.枕式袋装(1)象鼻成型制袋式袋装机图5.2所示是立式、连续运动制袋式袋装机,可完成纵缝对接封合,装填封口及切断工作。
全机除计量装置外,还由象鼻成型器、匀速回转的辊式纵封器、不等速回转的横封器和回转切刀等组成,单张卷筒薄膜经多道导辊和光电管被引入象鼻成型器,将薄膜卷折成圆筒状,被连续回转的纵封辊加热加压热封定型,包装料袋自上而下的连续移动,就是这纵封辊连续回转牵引薄膜的结果。
横封器不等速回转,分别将上、下两袋的袋口和袋底封合,纵封器的转轴轴线与横封器回转轴线成空间垂直,因而获得枕式袋,被包装物料经计量装置计量后由导料槽落入袋内,封好口的连续袋由下面回转切刀与固定切刀接触时切断分开。
图5.3所示是立式、间歇运动的翻领成型制袋式袋装机,可完成制袋、纵封(搭接或对接)、装填、封口及切断等工作。
平张卷筒薄膜经多道导辊引上翻领成型器,由纵封器封合定形,搭接或对接成圆筒状,以计量装置计量后的物料由加料斗通过加料管导入袋底,横封器在封底同时拉袋向下,并对前一满袋封口,又在两袋间切断使之分开,全机各执行机构的动作可由机、电、气、液配合自动完成。
其中图3.4是带有筒状薄膜开袋器的袋装机,它能先开袋后夹持,再被封底缝,这类机型在国内外较稀少,但开袋形式十分独特。
使用较广的是图3.5所示的机型,它往往是先封底缝、切断、再被夹持,然后开袋,装填物料、封口等,这种机型与立式或卧式直线型袋装机相比,在
工位动作的设计安排上,灵活性可以较大,对一些难装或多种物品要装入的袋装产品,它的适应性特别强。
图3.2 象鼻成型器制袋式袋装机1-卷筒薄膜,2-象鼻成型器,3-加料斗,4-纵封辊5-横封辊,6-固定切刀,7-回转切刀图3.3 翻领成型器制袋式袋装机1-加料管,2-翻领成型器,3-纵封辊,4-横封辊
图3.4 筒形袋机械开袋式袋装机1-开袋器，2-切断刀，3-拉袋手，4-封底器5-装袋，6-封口与卸袋图3.5 筒型袋袋装机1-封底器,2-切刀,3-开袋吸嘴,4-加料斗,5-封口器
图3.6 卧式间歇三角形成型器制袋式袋装机1-三角形成型器,2-纵封器,3-牵引辊,4-隔离板,5-开袋吸嘴,6-加料管,7-横封器,8-牵引辊,9-切刀
对折后的薄膜上口有一块隔离板,帮助袋口张开,薄膜料袋的间歇移动靠牵引辊间歇回转带动,制成开口向上的空袋后，可如图所示先行装填,而后横封、切断,也有空袋制成后先行分切交由带夹持手的直线输送链式间歇回转工序盘,在每次运动停歇的工位上进行装袋、封口及卸料。
图3.7 U型成型器制袋式袋装机1-U型成型器,2-纵封辊,3-横封辊,4-切刀图3.8 象鼻成型器制袋式袋装机1-象鼻成型器,2-加料斗,3-纵封辊,4-横封辊,5-切刀
图3.9 双卷筒四面封口扁平袋袋装机1-加料管,2-双道纵封辊,3-横封器,4-切刀图3.10 双卷筒四面封口扁平袋袋装机1-缺口导板,2-剖切刀,3-加料管,4-双道纵封辊,5-横封器,6-切刀
图3.9中,两卷单张薄膜经导辊引至双边纵封辊,薄膜成对合筒状。
图3.10中是单卷平张薄膜经在三角形缺口导板1的缺口尖端处有刀片2将运动着的薄膜中央剖切为二片，并经此导板分成两路,再往下先对合纵封,再装料,而后横封、切断。
如图3.11所示折角板使两端收口,横封器横封上、下两道封口并切断,烫底器将自立袋底部烫成平底。
横封及切断在料面下进行,横封装置配置方式不同,就形成立方柱形与塔形包装不同产品。
塔形包装:上、下两只横封切断器90°空间交错,分别作上下及开合运动,完成各包装物品的横封及切断。
立方柱形包装:由两对方角成型模具及横封器在开合及上下运动的复合运动中将液面下的筒状料袋向下拉动并成型封口和切断,切断后的半成品落在间歇运动输送链内,在运动中完成摺角等
工艺动作。
图3.11 尖顶角形袋制袋袋装机1-圆形料管,2-翻领成型器,3-导辊,4-折痕辊轮,5-纵封器6-拉袋装置,7-方形料管,8-折角板,9-横封器,10-切刀11-烫底器,12-输出槽
(二)给袋式袋装机1.直移型这类机型应用事先加工好的各种空袋。
工作时,从袋库上每次取出一个袋,送给工序链夹持手,工序链带着空袋在各工位停歇时,完成各包装动作。
图3.13所示为该机型的工艺路线示意图,给袋装置由真空吸头与供袋输送链组成,包装袋工序链上开口、闭口时,有特殊结构使每对夹持手相向运动。
包装袋在两个工位上被加热封口,在后个工位上冷压定形,最后夹持手释放,产品下落入出料输送装置。
图3.14所示的是能使包装袋内达到一定真空度的全自动真空袋装机工作示意图。
空袋平放于纸斗内,靠第一组吸头在袋层上分出一只袋来,靠第二组吸头将袋吸着回转90°成直立状交给工序盘的夹持手,然后在各工位上停歇时依次完成打印、张袋装填物料,加入汤汁,预封(封口缝的部分长度),由机
图3.12 立方柱形制袋式袋装机1-打印装置,2-双氧水槽,3-刀辊,4,6,8-圆环成型器,5-加料管,7-纵封器,9-加热器,10-横封成型切断装置,11-折角装置图3.13 直移式开袋充填封口机示意图1-储袋库,2-空袋输送链,3-开袋喷嘴,4,5-加料斗(块料粒),6-加料管(液体物料),7,8-封口器,9-冷确器
械手帮助转移入真空封口工序盘的真空室,在真空室内以抽真空后进行电热丝脉冲封口、冷却。
最后真空解除,真空室打开、夹持手张开释放出包装成品来。
图3.14 回转式开袋充填封口机示意图1-储袋库,2-取袋吸嘴,3-上袋吸头,4-充填转盘,5-打印器,6-夹袋手,7-开袋吸头,8-加料管,9-加液管,10-预封器,11-送袋机械,12-真空密封转盘,13-第一级真空室,14-第二级真空室,15-热封室,16,17-冷却室
这类给袋式袋装机完成的袋装产品,可以是三面封口式、四面封口式自立袋,制袋用的材料主要是塑料薄膜与其它材料的复合材料。
对于单层薄膜的袋,因取袋、供袋的困难而不能应用。
综上所述,袋装机的机型较多,它们虽有外在差别,又有内在的联系,为便于研究,可对袋装机分类如下:按包装袋来源分:制袋式袋装机、给袋式袋装机。
按总体布局分:立式或卧式袋装机。
按运动形式分:连续或间歇运动的袋装机、直移或回转式袋装机。
自动化程度较高的装袋机上,经常使用卷筒包装材料,一面由制袋成型器制袋,一面进行充填包装。
成型器是一个关键另件,对包装形式、袋的尺寸及产品包装质量等有直接影响。
如图3.15所示,在结构、性能上大体有如下一些特点:1.翻领成型器:如图3.15(a)所示平张薄膜拉过该成形器后就成搭接或对接圆筒状。
在常用的几种成型器中,它的成形阻力较大,易使薄膜产生变形,使之发皱或撕裂,故对塑料薄膜适应性差,而对复合膜适应性较好,它常用于立式枕型制袋包装机上,包装粉状、颗料状物料。
每种规格的成型器只能成型一种规格的袋宽,当袋宽规格发生变化时,就要更换相应尺寸的成型器。
而且,成型器的设计、制造及调试都较复杂。
第二节制袋成型器的设计计算
图3.15 常见制袋成型器示意图
它是最简单的一种成型器,它具有一定的通用性,即能适应袋子的尺寸变化较大的需要,此时只要调节基板的上下位置即可。
故此种成形器的适用范围广泛,不论立式、卧式、间歇运动或连续运动的三面、四面制袋包装机上都有应用。
但是,对制造同一尺寸的枕形袋所需对应的成型器,象鼻成形器的结构尺寸比翻领式结构尺寸大,薄膜也易于跑偏,同样,该成型器只能成型同一宽度的袋形。
从三角形、Ｕ型及象鼻成型器可见,它们的共同特点是利用成型器外表面形状的变化而将平张薄膜折成对折或近似对折的形状,在平张薄膜逐渐变成对折状态的过程中,被一个个三角形图形所分割,下面就从这些三角形图形入手来研究其设计的一般方法。
设薄膜的宽度为2a,对折后的空袋高度为a(立式机为空袋宽度)，三角形板与水平面间的倾斜角即安装角为α，三角板的顶角为2β,薄膜在三角形板上翻折的这一区段长为b,若不计三角形板的厚度,假定薄膜在对折后两膜间贴得很紧,则: 在直角三角形DEC中,DE=a,DC=b,所以有:
图3.16 三角成型器折叠成型示意图
(3-1) 在直角三角形ADC或BDC中:AD=DB=a, DC=b,所以有(3-2)对既定的三角形成型器和一定的空袋尺寸,a/b是一个定值,所以有如下关系；
(3-3)即：由此可见,三角形成型器的顶角与安装角有相互制约的关系,而β值的大小关系到三角形板形状尺寸,所以一定的安装角必对应着一定形状尺寸的三角形成型器,否则会影响成型器正常制袋。
(3-4)
在生产实践中,三角形顶角2β值是加工后得到的,而安装角α可通过一定结构,并加以调试来保证。
故最好α值是一个容易测量的整数,设计中通常是选定α后,再用关系式来求解β值。
安装角α实质上就等于三角形成型器在顶角附近薄膜运动的压力角,α角越大就表示压力角越大,薄膜翻折所受阻力也就越大,压力角太大时,薄膜在受力翻折中容易产生拉伸变形,严重的甚至撕裂或拉断。
压力角小时,成形阻力就小,但压力角太小,致使结构不紧凑。
根据压力角及结构尺寸间的关系,三角形成型器安装角的选择范围为α=20°~30°由此可见,β角最适宜的角度不大于30°。
所以,通常三角形成型器采用顶角2β<60°的等腰三角形,取极限时,则呈等边三角形。
决定三角形成型器的尺寸除顶角外,还有三角形板的高h,它和制袋的最大尺寸有关:
三角形板安装角α＝20°~30°,设装接的圆弧导槽的圆弧半径为Ｒ,如将Ｕ形成型器展开成平面,它与薄膜宽度2a相当,否则说明成型器在某处多了或少了一块,为此Ｕ形槽与三角形板的装接部位有一定位置要求,它以圆弧槽中心线与三角形板的顶点C间距离用L来表示。
若满足上述成型器展开平面宽度处处为2a,则圆弧槽中心线装接位置应有:(3-5)式中:—能制作最大空袋的高(立式机为袋宽)；
Δh—放出的余量,取30~50毫米。
但这时圆弧槽与三角形板的边线并不相切,也就难以装接,要相切只有使，见图3.17所示。
实际使用中,圆弧槽装接即考虑展开面的宽度与2a基本相符,又考虑与三角形板能顺利装接,故只好采用圆弧过渡来解决,取(3-7)式中:R—U型槽圆弧部分的半径,可根据工艺上需要来取值,亦可按R=(0.1~0.4)a推荐取用；
a—空袋高度(立式为宽度)。
(3-6)
图3.17 U形板成型器作图
象鼻成型器设计时建议按α＝5°~12°选用三角形板的安装角,并计算三角形顶角2β值,根据所制作空袋袋宽a计算三角形板的高b。
按Ｕ形成型器的设计方法找准圆弧槽装接位置L,并取用圆弧部分半径Ｒ=(0.1~0.2)a。
象鼻成型器的形成还需加装薄膜护边,以利控制包装材料跑偏,常取护边宽HK=m=10~20mm。
见图3.18所示。
实际使用中又截去三角形板的GHK部分,减少成型器尺寸,在原三角形板的底边G处设置一薄膜导辊,让包装材料经这一导辊后直接拉上成型器的M—M截面处。
在图3.18中右端U型槽处,应截去PQEF部分,其中应使PQ>2r、QE>m。
其中:r—纵封辊回转半径,m—所选定的护边宽度尺寸。
图3.18 象鼻成型器作图
最后将U型槽余下部分上口并拢,使U型变成如图3.18右侧视图那样的封闭图形,以利纵封封口,原U型成型器的GHK部分因有薄膜导辊G而可省略被截去。
使平张薄膜逐渐卷曲成圆筒状,要求该成型器在拉膜时使薄膜不产生纵向与横向拉伸变形,而且使薄膜与成型器之间的摩擦阻力尽量小,不跑偏、不卡塞,制出外形平整美观,符合尺寸要求的袋。
以加料管截面形状不同可分为圆形及方形截面料管的翻领成型器。
这里介绍用解析作图法作成型器领口交接曲线的方法,一但有了领口交接曲线,无疑对于成型器的设计制图,薄板放样,成品检验将带来许多有利之处。
在本设计计算中假定:包装材料走上成型器被卷曲前先在同一平面内,材料的张紧变形,包装材料的厚度,成型器与加料管之间的间隙均可忽略不计；
计算中暂不考虑枕式袋的搭接,对接封口缝的尺寸。
图3.19 圆形料管翻领成型器计算图图3-20 成型器翻领曲面的展开图形
为推导计算上的需要,使AC延长至T点,DC延长至T',作T'E平行于ox轴,TT'平行于oy轴,CE平行于oz轴,由此得∠CET'与∠CT'T均为直角,且三角形CT'T与三角形ABC在同一平面上,三角形CET'在xoz平面上,P是领口交接线上任意一点,连PT,令PT=f,CT'=e,P点在xoy平面上的投影为Q点,弧长NQ=u,P点的高即为交接线的函数,C点是的中点,C处的高CD=h。
成型器交接线上任一点P的坐标可写出:(3-8)对T的坐标可写成：(3-9)
因为f=PT即为P与T两点间的距离,所以有将P及T两点的坐标值代入:(3-10)若将成型器沿SS‘剪开并展成平面,如图3.20所示,由该图看出,PT长可由下式表达: (3-11)展开前与展形后PT之长不能变,两表达式联立消去f,可谓交接曲线上任意点P的高的方程式:
此式的边界条件为:(3-13)令=0,代入(3-12)式,可得出线段e的长度表达式:(3-14)由此可见,设计中若能首先确定料管半径r,翻领三角形ABC的顶角之半β、翻领的后倾角α及成型器领口交接曲线的最大高(3-12)
度h,则e值可以求得,再利用式(3.12)算出与每一段弧长U对应的在交接曲线上各点的高度,便不难连出领口交接曲线。
参数r、β、α、h的确定必须满足包装工艺上的要求,分述如下。
c.翻领三角形平面的形状尺寸由图3.19中可见,三角形ABC的形状尺寸由三角形底边AB和高
CD或顶角∠ACB来决定,底边AB=AD+DB=2a与袋子的尺寸有关,DC是包装材料在三角形平面上的长度,三角形成型器设计中曾假定DC=b,这三角形平面从导辊到成型器最高点C开始翻折成型之前用来引导及承载包装材料的。
b的长短反映了引导面的大小,b太短起不了引导与承载薄膜的作用,造成薄膜在交接曲线附近成型阻力过大,易拉伸变形,b太长又导致成型器结构不紧凑,且不一定全能用来承载薄膜,反而因引导面的过大而增加了薄膜与成型器表面间摩擦面长度,设计中建议取b=h。
则(3-16)d.领口交接曲线的最大高度h领口交接曲线是一条空间曲线,它的最低点到最高点之间在z轴方向的距离称为最大高度h。
对某一既定r、α和β参数的翻领成型器,它的领口交接线最大高度h与线段的长度具有函数关系,参见式(3-14)当e值由0→∞变化时,h则由较大值逐步变小,起初h随e的
由此可见,图3.21上线段e的长短直接关系到交接线最大高度h的大小,当e值取得较大时,h较小,成型器较矮,但使包装材料在成型时变形急剧,成型阻力较大,不利于制袋,当值取得较小时,h较大,成型阻力较小,但成型器较高,结构不紧凑。
加料管悬壁越长,受力情况恶化,这给制造及使用都带来困难。
变化较大,随后h随e的增加变化越来越小,以至趋向一定值。
h与e的关系如图3.21所示。
图3.21 h-e关系曲线
由图3.21上可见,e－h关系曲线,当e=2r/cosα时,h的变化已极为缓慢,e值无需取得比还大。
所以线段e的取用范围为0<e<2r/cosα。
将式(3-14)代入上式列不等式,得h的表达式:(3-17)为了不使成型器过大,h通常在h2计算值附近取整数。
计算时取的点越多,作出的领口交接曲线也就越正确。
一般在0~π范围内计算点不应少于8个,π~2π之间因曲线对称,无需重复计算。
有关成型搭接、对接部分结构设计可参照包装机械结构图册进行。
方型料管翻领成型器可由圆形料管成型器领口交接计算作图法推广得到。
从数学角度来说,圆的方程是:它是椭圆方程的一种特例。
把椭圆推广到超椭圆,则有(3-18)
式中:当a=b,n=2时为圆的方程。
当a≠b,n=2时为椭圆的方程。
当n逐渐增加到n>20~40时,超椭圆图形就逐渐过渡到带圆角的长方形或正方形如图3.22所示。
这里设:短半轴为p,长半轴为q,半径为,超椭圆图形上任一点Q的极坐标: (3-19) 将x、y均代入超椭圆方程得极坐标式的超椭圆方程(3-20) 改写成: (3-21)
因为图形有对称性,所以,由方程(3-21)可得:(3-22)这样,我们也可以利用圆形料管成型器的计算图原理来进行方形料管成型器的计算。
作出的计算图如图3.23所示。
用极坐标形式表示领口曲线上任一点p的位置: (3-23)同理,对Ｔ点也可写出: (3-24)
图3.22 超椭圆图形1-n=1,2-n=10,3-n=15,4-n=20,5-n=30图3-23 方形料管翻领成型器计算图
设直线PT=f,可写成:(3-25)同样剪开计算图展开,PT长仍保持不变,在平面图形里: (3-26)两式联立,消去f,也可得交接曲线上任一点p的高的方程式: 此式的边界条件为: (3-27)当(3-28)
由式(3-27)可看出,要得出成型器领口交接曲线函数,只有首先确定或求算出等参数。
其中是超椭圆在其转角位置时到起始点Ｎ的曲线长,是变量的函数,而且极坐标表示的弧微分式为:(3-29)求弧长必须积分: (3-30)式(3-30)中的应对式(3-21)的求导,但积分式内的被积函数不是初等函数,难以积出,为工程上应用方便起见,可以用近似计算方法来解决。
当超椭圆截面指数n>20时,超椭圆即变为倒圆角的长方形,其倒角半径可近似地由下式来表示:(3-31)这样与对应的及就不难求得了,同理述,当, =-P, =a, =0，代入式(3-27)中,可得出计算图上e的表达式:(3-32)同样如图形料管那样,利用不等式可求得这种成型器交接曲线的最大高度的表达式:(3-33)
第三节封袋方法塑料袋装产品的封口方法有结扎、热封、钉封、粘封等,其中以热封封口的方法较简单可靠,应用最广。
热封的方式很多,有热板封合、熔断封合、高频封合、超声波封合、电磁感应封合和红外线封合等。
图3.24 热板封合1-热板,2-封缝,3-薄膜4-耐热橡胶,5-承受台图3.25 回转辊筒封合1-热辊,2-薄膜,3-封缝
本结构稍为复杂,一般用于袋口的最后封口上,即能在运动中封合,以能适应受热易变形的薄膜。
本方法结构简单,能适应那些热变形大的薄膜的连续封合。
图3.26 带状封合1-加热区,2-冷却区,3-钢带,4-薄膜,5-封缝图3.27 滑动加压封合1-热板,2-加压辊,3-封缝,4-薄膜
图5.28 脉冲加压封合1-压板,2-扁电热丝,3-防粘材料,4-封缝,5-薄膜,6-耐热橡胶垫,7-工作台图5.29 热刀加压封合1-热刀,2-退出辊,3-薄膜4-封缝，5-橡胶辊图5.30 电热丝熔断封合1-压板,2-圆电热丝,3-薄膜,4-封缝,5-耐热橡胶垫,6-工作台
这种封缝的封口强度较大,适用于热收缩薄膜,但不适应热分解性薄膜。
严格来说,超声波封合不是热封而是机械封合,用机械脉冲频率1800－2000次/秒使电晶体在电磁场的作用下,产生膨胀和收缩,超声头将封口压到铁砧板上,依靠交变电磁场的高频振动产生机械变形。
如图5.33所示,高频头作高频振动,使薄膜封口表面的分子高振动,以至相互交融、界面而消失,形成一个封合的整体。
图5.31 热板熔焊封合1,3-薄膜,2-封缝,4,5-冷却板6-加热板图5.32 高频加压封合1-压头,2-高频电极,3-封缝4-薄膜,5-工作台
图5.33 超声波熔焊封合1-工作台,2-超声波发生器3-封缝,4-,5-薄膜
如图5.33所示,高频头作高频振动,使薄膜封口表面的分子高振动,以至相互交融、界面而消失,形成一个封合的整体。
超声波封合的特点如下:1)冷封合,热效应很小,可得到无收缩,不起皱的封口;2)无噪音,无温升,操作简便,速度较快,若输入功率为400Ｗ,则封口30米/分;3)封口强度略低于单层材料强度;4)超声波封合尤其适应热封性能差的拉伸薄膜，如OPP等;5)对于较厚的薄膜和1.25mm以下的厚薄片,均可采用超声波封合;6)设备投资费用较大。
向圈状的电阻通上高频电流,就在其周围产生高频磁场,磁场内如有磁性材料就会根据磁滞损耗而发热,若在薄膜之间加上很薄的磁性材料,或在塑料中预先掺加一些磁性氧化铁粉,塑料即瞬时熔化粘合,加热部分可不需直接和塑料袋接触,因此能连续又高速地进行封合,适合于生产线的生产,这是近几年内热封塑料的新方法。
本方法能对一般加热无法封口的聚四氟乙烯和厚度达5~6毫米以上的聚乙烯片进行封合，这亦是近年来国内外研制出热封塑料的新方法。
热封常常是包装机械设计中的一个关键问题,热封质量影响着机器的长期稳定运行和机速的提高。
决定热封质量的因素很多,主要是包装材料的熔点,热稳定性(耐热分解性与耐热收缩性)与流动性,在包装材料己确定的情况下,决定热封质量的条件则是热封
的时间分别为5×10、12.9×10、15.2×10。
显然,双面加热使薄膜热合所需时间仅为单面金属板的1/3。
因而过热很少。
在制袋包装机上常用棒式和辊式封接器两种,由电阻式加热封接器加热到一定温度,然后压合2~4层被封接薄膜,经一定时间,即形成牢固密合的封面。
封接的质量取决于封接温度、压力和时间等三因素的合理选择。
采用聚乙烯等单膜作包装材料时,封接器表面需涂一层非乙氧甲基型树脂、钛酸脂等,或采用浸有聚四氟乙烯的织物,以防热合时包装材料与封接器之间产生粘连,在低速包装机中,采用脉冲加热方式,使薄膜热合,使封接器冷却到塑料薄膜熔融温度以下后,封接器与薄膜才脱开,这时就不会粘连,冷却时间一般在2~3秒钟,因此限制了包装速度,很难超过20袋/分。
温度、压力、封头形状和加热方式等。
一般说,温度低点、压力小点、时间长点、封接质量较好。
因为温度太高,薄膜易软化或收缩变形,影响封口美观,甚至烧穿;时间太长,有的塑料会热分解,压力太大,则封口变形增加,封接强度下降。
上限为收缩超过3％,下限为封接强度小于1kg/cm,上下限间范围越宽,则其热封性能越好。
对于单体薄膜,封头表面大都采用光板,上板用不锈钢,下板用硅橡胶,为了美观,封口宽度一般为2~3毫米,对于复合薄膜,为了提高封接强度和增加美观,封头表面常刻有纵横花纹,封口宽度一般为10毫米。
除采用高频和超声波之类内部加热方式外,与其他加热板接触的表面温度,总高于薄膜之间的封接面温度,封接时间越短,薄膜越厚,这一温差就大,越易引起接触热板表面的薄膜过热。
为此,最好采用双面加热方法,例如厚0.05毫米的聚氯乙烯膜,采用204℃的封头,在室温为27℃的情况下,对于双面加热、单面用硅橡胶和单面用金属板三种加热方式,计算封接面达到104℃
聚偏二氯乙烯聚氟化乙烯聚乙烯醇聚酯(双向延伸)聚酰胺(无延伸)(双向延伸)聚碳酸酯尼龙防潮玻璃纸乙烯叉二氯醋酸纤维素××△×××××—O△△△△×△△△△△O△△△O×△△×△△×△OO△△△△O△△△△△△△O△△△△注：O-表示好、△-一般、×-不行不明表5.1 封口加热方式与各种薄膜的适应关系
表5.2 封口方法与袋型的关系
表5.1中可知,各种热封方式不仅局限于一定的薄膜,而且有的只适用于连续封口,有的只适用于间歇封口,更有的只适用于间接封口,另外,热封方式的采用与袋子的形态、封口的部位有关,而且与封口的形状有关,为设计中选用,列表5.2供参考。
薄膜种类热板脉冲高频超声波电磁感应红外线聚乙烯(低密度)(高密度)聚丙烯(无延伸)(双向延伸)聚苯乙烯聚氯乙烯(硬质)(软质)×—O×—OO△×△×OOOOOO△×O×OOOOO×××××OO△△△△△
粘合剂的应用有很久的历史,在古代人们就开始使用天然粘合剂如粘土、骨胶、鱼胶、淀粉、松脂等,但使用合成粘合剂还是近代的事情。
随着现代化学工业的发展,合成树脂粘合剂不断增加,合成粘合剂不断增加,合成粘合剂的量己超过天然粘合剂,粘合剂的生产和使用状况发生了根本的变化,粘结技术己逐渐发展成现代化科学技术的重要分支,广泛应用于国民经济各部门,如火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、飞机、汽车、船舶、电子工业、塑料加工、医疗、建筑、包装、木材加工等。
粘合剂在包装工业中占有重要的地位,应用非常广泛,例如纸和塑料薄膜包装袋的搭接粘合和封口粘合,瓦楞纸板的制造,
纸箱及纸盒的封合,各种包装窗口封缄,制造各种胶带等,粘合剂在包装中的另一重要应用是制造复合材料,现代包装材料正在向多层复合方向发展,而在复合材料的封合中,是很重要的原料,新型粘合剂的开发,将促进新型包装材料的发展。
如丙酮、甲基乙基酮、二乙基酮等。
芳香烃：由煤焦油蒸溜后制取。
如苯、甲苯、二甲苯与萘等。
酯类：由酸与醇缩合脱水后制取。
如甲酸甲酯、甲酸乙酯乙酸乙酯、乙酸丁酯等。
粘合剂溶剂粘结性能木金橡玻皮纸布陶材属胶璃革张棉瓷合成高分子化合物A酚醛树脂尿醛树脂三聚氰胺树脂呋喃树脂乙醇酮水水乙醇、酮类△×◎×◇◇◇○◎×××◎◎◎◇◎×××○◎◎△○×○◇◇◎◎○有机磷树脂醇酸树脂环氧树脂胺基甲酯树脂芳香族碳氰化合物、酮酯类、水不用溶剂酯、酮类○○◎○×○○○○◇○○◎◎◎◇◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎B维生素衍生物聚醋酸乙烯聚氰乙烯聚乙烯醇合成橡胶GR—N氯乙烯醋酸乙烯有机溶剂酯类醇水、醇氯仿醇、酯、酮○———○○——◎◎×◎◎◎◎◎◎◎○◎◎◎◎◎◇×××○◎○○○◎○○○○◎◇○○◇○◎◎◎○
天然高分子化合物骨胶酪素淀粉阿拉伯胶天然树脂橡胶糊水水水水乙醇苯◎××◇◎◎◎×○×××○○◇×△×××◇◇◇×○××○△◎○×◎◎○◇◎◎◎△——◎—————注:A在液体状态时涂布,粘合后加热固化的粘合剂,B制成乳液或溶液涂布,粘合后蒸发溶剂使之固化◎最优；
○优；
◇良；
△合格；
×不合格
这种粘合剂的特点,具有中等程度极性,能使极性差不多的木材、纸、布和玻璃等物质,理想地粘合在一起。
其优点是凝聚力大,粘结强度高,价格便宜。
缺点是不能粘结聚氯乙烯等非极性材料；
在永久载荷作用下会发生蠕变；
耐热性差,60~70℃即软化;低温变脆、耐水性差等。
但是,这些缺点可通过添加改性剂或与其他单体共聚后加以改善。
通常所说的聚乙烯醇粘合剂,不是纯粹的聚乙烯醇,是指残留2~12％醋酸乙烯的聚乙烯醇。
由于聚乙烯醇有溶于水的特点,适用于木材、纸与纤维的
粘结。
其缺点是耐水粘结力差,与固性树脂配合可以提高其耐水性和耐热性。
这种粘合剂耐老化性、耐水性、柔软性以及对金属的粘结性等均很优良。
不必使用增塑剂即具有柔性,是这种粘合剂的特点,丙烯酸粘合剂分溶剂型和乳液型两种。
可用于皮革、纤维、木材、橡胶、聚氯乙烯等各种塑料的粘结。
这种粘合剂很少使用单一聚合体。
多与其它物质共聚,改善其性质后使用。
醛类主要有甲醛和糠醛。
市售品通常以含有50~60％的水或乙醇的溶剂型粘合剂形式出售,使用时加入甲醛或六亚基四胺,即使在常温下也能固化。
因此,常温下耐水持久,耐低温是这种粘合剂的特点。
多用于飞
机的层压板、复合材料、水胶合板等。
目前,在橡胶业和汽车轮胎方面使用的粘合剂,主要是在天然或合成乳胶中,加入水溶性可溶酚醛树脂制成的粘合剂。
但是这种不溶聚合物不能使用,为此需在碱融媒作用下制取水溶性的羟甲基尿素的混合物。
作为粘合剂,可以是水溶液的形式或把水溶液干燥后制成粉末的形式。
为了改善其水溶性,也可以与三聚氰胺树脂、酚醛树脂、间苯二酚制成混合物或缩合物。
这种粘合剂的特点是价格便宜,粘结力强、常温固化,常用于成型、织物与纸材的加工,也可用于涂料,但用量最大的是木材粘结。
市售品是用氨将其稳定后,浓缩至含橡胶60－70％的制品,配以增粘剂、增量剂、填充剂与硫化剂制成天然胶
乳粘合剂。
其弹性、拉伸强度、粘结性、耐水性等均甚优异；
耐油性、耐增塑剂性、耐热性(软化)与耐老化性较差。
此粘合剂应用于橡胶、织物、皮革、纸张的粘合。
不溶于冷水,在热水中分散为分子团,呈糊状,淀粉的主要成分是支链淀粉(α－支链淀粉20~80％),其中包含直链淀粉(β－直链淀粉20~30％),直链淀粉难溶于水,因此,淀粉在水中不溶解,若与水共同加热,外部的支链淀粉破裂,里面的直链淀粉才溶于水中成为淀粉糊,加碱可使糊化温度降低。
制作工业浆糊时,加入适量苛性钠后加热,再加入福尔马林(甲醛水)。
淀粉常用作瓦楞纸的粘体剂。
糊精是白色或黄色无定形粉末,溶于水或乙醇中成为透明的粘液,呈阿拉伯树胶状,糊精有高的溶解性,可以制出高固体含量
的、粘性很稳定的、低粘度的粘合剂。
这样就可以满足机械化大生产上胶流水线的要求,也常用作标签、卷烟纸、办公、信封用浆糊等。
高纯度的叫明胶。
胶是把含有原胶的动物的结蒂组织,主要是牛、猪、水牛的骨、皮、腱、鲸鱼皮、鱼皮等浸渍在石灰乳中,以水洗、中和,然后与水一起加热制成的,它是一种热塑性胶,熔点很低,一般在18~32℃。
质量越好,熔点越高,动物胶成品是干燥的、微带褐色的黄色小颗粒,燃烧时有特殊的气味,在水中能吸水膨胀。
溶于热水,冷却后成凝胶。
不溶于大多数油及油脂中,能耐苯、甲苯、氯仿、二硫化碳、乙醇、乙醚等。
可用低级脂及醇沉淀动物胶,能溶于甘油和醋酸中。
它的优点是价格便宜,粘结后短时间内即可达到高强度；
粘结力不受气温影响；
凝胶化的胶加热后能重复使用,但老化后的不能再用。
缺点是耐水性差,易霉变,干胶需要经过溶解才能使用,在包装中应用很多,如卷管
迭合、纸箱、再湿性胶带等。
用于制作玻璃、陶瓷器及其无机物质的粘合剂,耐火和耐酸涂料,与蛋白质混合还可以做瓦楞纸的防水粘合剂。
第四节纵封器的设计立式连续或间歇运动制袋式袋装机上应用的纵封器主要用来完成制袋工艺中封合纵缝,两者在运动方式与结构上均有差异。
连续制袋式袋装机的纵封器是辊筒形的,工作时作反向连续回转,迭合后的包装材料侧边通过期间,热量由安装在辊筒内的电热丝加热,靠幅射传递热能并压合薄膜形成纵缝,该纵封器除具有封合作用外,还牵引包装材料的连续运动。
间歇运动制袋式袋装机上的纵封器大都是板状的,多用气(或油)缸推动作往复直线运动,向迭合的包装材料侧边进行热压紧与释放。
纵封辊的辊面宽为5~10毫米,辊面上开有直纹、斜纹或网纹等花纹,以适应各种薄膜封合的需要,纵封辊采用的材料有铜钢,40Cr钢及金属塑料等,纵封辊半径由下式求算。
由上式看出,纵封辊半径R与生产率Q和纵封辊角速度ω及袋长L有关。
正常生产中R及L不变,则生产率的变化由纵封辊角速度起作用,要提高生产率就得加大纵封辊角速度；
在一定的封辊半径及生产率Q情况下,袋长L与角速度ω成正比,这类制袋式包装机一般能进行多规格生产,若袋长改变时,相应的变换纵封辊输出角速度ω,而不去改变纵封辊的半径,生产中用搭配齿轮的办法变更由分配轴输出到纵封辊的角速度,此种改变袋长规格的调节为粗调节。
即然纵封器又起输送包装材料的作用,包装材料是按光电色标位置分切的,分切正确与否,由光电发讯使纵封器在连续回转中作微量的角速度(5-34)式中:Q—包装机生产能力(袋/分);L—包装袋袋长尺寸(毫米);ω—纵封辊回转角速度。
变化来达到的,即亦是微量改变袋长Ｌ,所以与前述相比,角速度改变为微调节。
图5.34 辊式纵封器1-纵封辊,2-加热线圈,3-轴承图5.35 侍服电机控制的圆柱齿轮差动机构
纵封辊所以能根据光电信号忽快、忽慢改变角速度,它由一套齿轮差动机构来实现的,常用圆柱式和圆锥式两种齿轮差动机构。
如图5.35所示是圆柱齿轮差动机构的示意图。
设由分配轴通过齿轮传入差动机构的角速度为ω1,与轴固联的太阳轮齿数为Z1,三个行星齿轮的齿轮数为Z2,与行星齿轮内啮合的内齿轮齿数Z3,内齿轮又能被蜗轮所带动作正反转动,蜗杆受伺服电机驱动,蜗杆头数为Z0,角速度为ω0与内齿轮Z3固联的蜗轮的齿数为Z'3,蜗轮角速度ω3,与三只行星轮轴相固联的输出轮对外输出角速度为ω2。
由行星轮传动关系：(5-35)亦即(5-36)整理后得机构输出角速度值:
(5-37)由上式可见,输出角速度ω2与两个分别输入差动机构的角速度ω1、ω3有关,与太阳轮及内齿轮有关,而与行星轮无关。
在正常生产中,由分配轴输入的角速度ω1不变,而伺服电机输入的角速度ω0的方向是根据光电信号可改变的,由于光电信号控制司服电机正反转,因此输出ω0绝对值不变。
这样ω3有三个值即: 将ω3值分三种情况代入ω2的表达式得：(5-38)
上式中(1)是在纵封辊牵引包装材料时,色标滞后于规定时刻,需要差动机构比正常输出角速度稍大的输出时采用。
此时,两个输出差动机构的角速度ω1和ω3同向回转。
式中(3)是色标超前于规定时刻通过光电头,需要差动机构比正常值偏小的角速度输出时采用,这时ω1和ω3反向回转。
差动机构由光电管的光电信号控制,使得输出轴忽快忽慢地回转,带动纵封辊使牵引包装的速度发生变化,保证了薄膜袋的正确封切位置,其纠正输送材料长度的值为：式中: R—纵封辊牵引包装材料部分的半径;—纵封辊角速度的变化量,它由差动机构输出而获得,其值为(5-38)中(2)式分别与(1)、(3)的差的绝对值。
△t—纠正偏差持续的时间(秒)。
(5-39)
光电记号通过印刷标记发讯,较容易做到,而所发讯号要鉴别是超前还是滞后才能控制伺服电机正转还是反转,才能获得调整效果,图5.36是鉴别讯号控制电机正反转的光电定位装置原理图。
运动主电机9经减速器10降速后分三路输出：通过不等速机构11传给纵封牵引辊14,并由伺服电机8作补偿性运动实现塑料袋纵封和输送；
通过分配轴使超前与滞后同步凸轮4,5旋转,控制伺服电机8正、反转。
在正常情况下,当横封和切断器12接触包装材料的瞬间,商标图案的定位印刷标记正好通过光电装置15,遮断光线,光电管发出记号,使光电继电器2的常开触头闭合,但在通往伺服电机的控制线路中装有微动开关3、6,其时,控制微动开关的两个同步凸轮4、5不产生推动作用,因而光电讯号送不到中间继电器7,可逆电机10不转。
当横封器12在热封与切断被包装材料之后,连续输送的包装材料上的印刷标记才算通过光电装置15,同样,发出讯号,其时滞后同步凸轮4推动微动开关3,光电记号经过光电继电器2,微动开关3和中间继电器7带动可逆电机8正转,将旋转运动传到差动机构,加速纵封牵引辊14送进速度。
使印刷标记随着包装材料的快进而逐步前移,纠正定位印刷标记的滞后现象,当印刷标记超前时,原理相同,超前同步凸轮5作用,纠正定位印刷标记的超前现象,这样只要定位印刷标记稍有超前或滞后,光电定位装置即进行调整,保证
被包装对象的热封和切断在预定的允许部位进行。
在光电发讯到电机正、反转的线路中,除用光电和中间继电器的控制方法外,还可采用电压放大器和可控硅放大控制正、反转离合器来实现,这时可采用微型电机作原动力。
板式纵封器的设计主要为热封件的结构设计,调压弹簧的设计计算及驱动气(或油)缸的设计计算。
驱动气(或油)缸设计的,活塞的行程一般不大,缸径的设计取用的压缩空气(或压力油)的工作压力和各种不同薄膜、不同厚度、不同热封温度经计算确定,单位面积热合压力可在1~10kgf/cm的范围内根据实验确定最佳值。
热封器与加料管一起纵封的加料管部位,嵌一条硅橡胶,使长条封缝在长度上封缝均匀,热封器与加料管间的距离一般为12~15mm左右,为补偿电热丝受热时伸长,在热封器的一端或两端应设计有伸缩装置。
电热丝受热时伸长,在热封器的一端或两端应设计有伸缩装置。
图5.37 板式纵封器1-纵封器,2-气缸
第五节横封器的设计横封器是将经纵封器进行纵向封合后筒状的包装材料,按照工艺要求的长度规格进行横向封合,按照横封器工作的运动形式,可分为连续运动和间歇运动两种形式。
应用于连续制袋式袋装机上的横封机构有如下一些工艺要求应满足,一是横封器的热封件与连续运动着的包装料袋热封瞬时应有相同的线速度。
这点若不能满足,热封时就可能造成封口部位起皱、拉伸过度,甚至断裂；
二是袋长规格变化时,横封器热封件回转半径不变下经调节有关部位能得到所需热封线速度。
对此,要求横封器在工作中用不等速回转机构带动,袋装机上常用偏心链轮及转动导杆机构作横封不等速回转机构。
(一)偏心链轮机构图5.38是能够满足前述工艺要求的偏心链轮不等速回转机构,该机构由两只齿数相等的链轮,一个张紧轮和链条等组成,其中一只链轮的回转中心在链轮内可以变化,由分配轴带动作匀角速回转,另一只则是绕固定轴回转的从动链轮,该轮作变角速回转,并通过中间传动装置可带动横封器的热封器的热封件作不等速回转。
主动轮节圆上任一点A转到与链条AB相切时,则A点瞬时线速度为,其大小,方向垂直AO,AO为该瞬时A点的回转半径,中使链条向前运动的分速度为,其方向沿AB,其值为：
图5.38 偏心链轮不等速机构1-滚花手轮,2-主动链轮,3-套筒滚子链,4-从动链轮,5-张紧链轮图5.39 偏心链轮机构工作简图
(5-39)式中:ω0—主动轮回转角速度,调定后为一常数。
－某瞬时主动轮节圆上与链条相切点的回转半径,为瞬变值。
β－切点上线速度方向与该瞬时两轮链条直线之间的夹角,也是瞬变值。
在△AO1O中,令AO=R,OO1=e,∠O1AO=β,应用余弦定理可得：(5-40)又令∠O1OO2=α,而∠AOO2是直角,则仍在△AO1O中应用余弦定理得:(5-41)(5-42)
在△OO1O2中,与α角的对边为O1O2,令O1O2=g,连OO2,并令OO2=L,它∠OO1O2相对,而∠OO1O2正是主动链轮在该瞬时的转角,应用正弦定理得：(5-43)在∠OO1O2中应用余弦定理得：(5-44)将L值代入得：(5-45)将此式代入AO 式中：(5-46)
则链条向前运动的瞬时分速度:(5-47)在同一根链条上的同一方向,链条即不能伸长又不能缩短,故：而VB是从动轮O2上与AB链条相切点B处的瞬时线速度,令O2轮在该瞬时的角速度ω,则所以(5-48)(5-49)(5-50)则从动轮O2某瞬时的角速度为:(5-51)
显然,随着主动轮转角θ的变化而变化的。
从动链轮角速度ω随主动链轮转角变化的特性曲线如图5.40所示。
为求特性曲线的最高最低点,只要对该曲线函数表达式(5-51)求极值使可得:即当主动偏心轮以ω0匀角速回转时,该偏心链轮机构的链轮按式(5-51)作非匀角速转动。
在的表达式中可,AO及cosβ这两个值是时刻改变着的,其值(5-52)(5-53)分别将θ1、θ2值代入式(3－51),可求得函数曲线的极大值与极小值。
(5-54)立式连续制袋式袋装机上的横封机构正是利用从动轮能有规律的快慢交替的输出角速度的特性来满足使用要求的。
图5.40中,点θ1、θ2处是使从动链轮具有极大、极小角速度时主动轮的瞬时转角,称为速度极限角,由该图看出θ1在0~π/2区间并靠近π/2,θ2在3π/2~2π之间并靠近3π/2。
图5.40 偏心链轮机构θ-ω特性曲线
调节选用热合瞬时的θ角,即是利用式(3－51)或图5.40特性曲线,使其中偏心距e、链轮半径R及两轮回转中心距g不变的条件下,根据输出的角速度ω,找到相应的主动轮瞬时转角θ,在该瞬时使横封器的热封件与料袋上的光电色标处在封合状态。
由此可见,当袋长变化时应先打开不等速回转机构从动轮到横封器转轴间的传动链。
待偏心轮上OO1连线与两回转中心连线O1O2调到应有的θ夹角时,让横封器的热封件相啮合,再合上暂时打开了的传动链,横封传动时开时合,且找准θ夹角也十分麻烦,一般采用甚少。
调节主动链轮的偏心距同样亦可达到改变输出角速度满足热封的需要,图5.41所示为调节偏心距e时,不等速回转机构特性曲线的变化的情况。
这种方法是利用特性曲线的两个极值点作为专门的热封点,偏心距的改变可使输出的极大角速度在到间改变,同样也可使极小角速度在到间改变,与此同时,速度极限角θ1、θ2分别有向π/2、3π/2靠拢的微小变化,袋装机在规定的袋长范围内,其中偏小规格利用ωmin的极点进行热合,偏大规格利用ωmax这一极点输出角速度进行热合。
这样,若将经换算后袋长值刻在相应的偏心距的标尺上,只要调节偏心距到预定的袋长刻度上并加以固定,就能立即5.41 偏心距变化对输出特性曲线的影响
使用,因此本方法调整方便,得到广泛应用。
为区别这仅在极限角速度情况下的值,均分别加下角标,改写成:(5-56)对采用调节偏心距获得热封封口所需的瞬时角速度比imax、imin均是热封封口的角速比,将上列两式合并可写成(5-57)由式(5-57)不难看出,对某一具体的偏心链轮来说,R是定值,而e是可调的变量,随e的改变会有相应的不同IF值,且IF和e是线性函数关系,借用中间某些环节,即可找出偏心距e与袋长L间的对应关系.立式连续制袋式袋装机横封机构的传动关系如图5.42所示,图中Z1=Z2,Z5=Z6,Z4=qZ3,其中q是横封棍上热封件的个数,常用的为q=1~4之间,此不等速机构输入的角速度是,输出的角速度为,横封辊回转角速度为,
图5.42 横封机构传动关系-显然也作周期性变化,也可写成所以有,亦即制袋工艺要求热封件在热合瞬间与包装料袋运动线速度相同,则有:式中:r-横封辊上热封件的回转半径,亦可写成:(5-58)式(5-58)表示不同袋长在热合瞬间要求不等速机构输出角速度的大小.当主动链轮不偏心工作时,这时的偏心距e=0,i=1偏心链轮机构输出的
输出的角速度亦即:由此式可得热封件的回转关系表达式(5-59)由式(5-61)可通过已给定袋长规格范围求得每一袋长要求不等速回转机构将式(5-60)代入式(5-59)得输出角速度的值,将式(5-23)两过同除以ω0可得:式(5-62)与式(5-57)联立，就可求出各种袋长下对应的偏心距。
(5-61)(5-62)(5-60)
图5.43所示是偏心链轮机构制作最小袋长L时偏心调节位置的情况,分配轴心O被调在偏心刻度的极端位置,回转中心O与链轮中心O1间的偏心量OO1=emax.从设置偏心调节结构的可能性考虑,图5.43 偏心距调节装置
工艺与结构同时满足要求有:整理后得: 式中:d--分配轴安装偏心链轮处的轴径大小;n--与调节结构设置有关的尺寸,可取n=15~25毫米,从满足制袋长度工艺要求考虑.由式(5-57)变化成(5-63)(5-64)(5-65)(5-66)
由式(5-62)可得: 代入前式有: 这里RJ仅是理论上计算出的链轮节圆半径,而链轮分度圆的实际尺寸还要受链节距t及齿数的约束,即: 最后实际取用的链轮半径应满足由此可见,只要知道应满足的袋长范围各种规格和安装偏心链轮的分配轴结构尺寸,就可通过式(5-68), (5-70)求算链轮的尺寸。
(5-67)(5-68)(5-69)(5-70)
由式(5-51)看出,中心距g的大小对从动轮输出角速度ω的变化有关。
由式(5-53)可见,g的大小影响不等速回转机构的速度极限角θ的取得。
考察以上几组公式可得出结论:中心距的改变不影响不等速偏心链轮机构输出角速度极大、极小值的取得,而会影响取得极大、极小值的时刻。
若在式(5-51)中令e、R、ω为定值,取不同的g值代入,作出θ-ω曲线变化图。
如图5.40所示,明显可见发生的位置有了变化,当g值由小变大时,大小两极点分别向π/2及3π/2逐渐靠拢,但总是θ1<π/2、θ2<3π/2,当g值由大变小时,两极点分别离π/2、3π/2越来越远,说明上升曲线越来越趋平缓,这对运图5.44 转动导杆机构1-导杆,2-曲柄
动平稳性是不利的,故取中心距g值在结构上不显得庞大的前提下,取大些为好,一般推荐取用g=(5~7)R。
将上式对时间微分得: 式中:—导杆角速度,用表示;—曲柄角速度,用表示。
将ωA、ωB分别代入式(5-74)中整理后得:将式(5-73),(5-75)联立并消去θ后得:(5-74)(5-75)(5-76)
图5.45若a、e、为定值,显然当ω=0°、180°时,可分别达到最大值及最小值，即上式可见，调整两转轴轴心AB间距离可以就改变不等速回转机构输出角速度的极大、极小值。
当e值由0→a时,相应的。
的无穷大意味着它不能运转,故必须e<a,由于从动件导杆输出的最小角速度只能在(5-78)
范围内变化,它只能适用于袋长L的变化范围Lmax/Lmin<2的情况。
从导杆的角加速度为:当时,ε为最大值。
图5.45表示了导杆的值的关系图。
从图中可从图中可见,，上升很快。
当θ=0°, 最小；
θ=180°时, 最大,即同理,当e值由a→0时,相应的。
可见值的调节范围比以曲柄为主动的导杆机构大得多。
将式(5-80)对时间微分,求得从动曲柄的角加速度为: (5-81)(5-81)(5-80)
显然,当θ=90°时, 为最大值。
图5.45表示了值的关系图。
从图中可见,的变化比较平缓，上升很快。
在/2~ 范围内调节,故前者调节范围大。
从运动平稳性看,若要求从动件的最小角速度为原动件角速度的2/3,两种情况都能满足,以导杆为原动件,查图5.45得e/a=1/3; ,若用曲柄为原动件,则,显然后者情况的从动件最大角加速度是前者的3.4倍。
生产实践中是以导杆作为原动件,曲柄作为从动件带动制袋式袋装机横封机构的,如图5.46所示.若用该不等速回转机构应用于卧式袋装机,横封工艺过程示意图如图5.47所示,包装袋在此被横封(封口与封底)与切断。
热封切断件在P位置开始与包装材料接触后即进行加热并在Q位置进一步实施加压并切断。
图5.46 转动导杆机构带动的横封机构1-主动导杆2-曲柄3-链轮4-张紧链轮5-热封头及滚刀
图5.47 横封工艺过程示意图1-包装袋筒,2-包装物品,3,4-横封辊刀图5.48 转动导杆机构的θ-ω曲线
为了实现加热及加压切断时包装材料与热封切断件的同步要求,希望热封切断件与包装材料接触表面从P位置至Q位置的线速度的水平分量始终与包装材料的运动速度相等.因此,热封切断件在P处的切向线速度应大于在Q处的切向线速度,故热封切断件在此PQ区间作不等速回转。
另外,还要求热封切断件在Q处热封切断结束后以比Q处较快的角速度转动离开,以不影响物件1的前进,可见热封切断在区间按卧式袋装横封工艺需要必须作不等速回转,并且在Q处角速度最小。
转动导杆机构以导杆转角θ为横坐标,从动曲柄输出角速度ω为纵坐标θ-ω曲线如图5.48所示,该曲线的最低点专门用来适应卧式袋装机横封切断;如用在立式袋装机上,则θ=0,及θ=180°处的最低,最高可适应短袋及长袋的热封需要。
袋长规格变化是靠调节两转轴中心距离L来实现输出角速度改变的机架上有标尺,一定袋长也对应着某一刻度,袋长与偏心距e间对应关系由下式表示:
式中:a-从动曲柄的长度，毫米；
L-袋长尺寸，毫米；
-从转动导感机构传到热封件转轴间传动装置传动比；
热封切断件回转半径由下式计算:R-热封件回转半径，毫米。
(三)横封器结构图5.50为立式连续式袋装机上进行横封热合的典型回转辊形横封器结构,每一只横封辊上有对称分布的两只热封件,热件由电热丝加热并恒温控制。
热封所需压力由调节套通过压缩弹簧进行调节.(5-84)(5-83)
图5.51为卧式连续制袋式袋装机上用于横封热合并切断的典型结构,每一只横封辊上仅有一只热封件,加热与温控形式与立式上用的几乎一样,通过手轮与压缩弹簧调节热封所需压力。
用螺栓调节上下刀间的间隙大小,用螺栓调节因物件厚薄尺寸影响横封缝的上下位置横封辊热封件表面的花纹与所热封包装材料有关,参见表5.2。
图5.49 转动导杆机构调节两转轴中心距e的结构型式1-定位手柄,2-调节手轮,3-曲柄,4-导杆,5-输入链轮,6-输出链轮,7-机架
图5.51中(a)所示是气缸(或油缸)1,3、在同一水平面内做往复直线运动带动横封器合拢及离开,从而完成横封工序,气缸(油图5.50 立式袋装机连续横封器结构图1-主动齿轮,2-横封辊,3-电热管,4-加压弹簧,5-机架,6-调节套筒,7-锁紧螺母,8-支杆,9-滑环,10-碳刷
缸)1,3、在同一水平面内做往复直线运动带动横封器合拢及离开,从而完成横封工序,气缸(油缸)3带动整个横封装置及气缸(或油缸)作上、下往复运动,将横封器夹持着的薄膜筒向下拉出一个袋的长度。
图5.51 间歇式横封机构工作示意图
图5.51(b)所示只是用一只气缸(或油缸)带动横封器运动,因横封两部分是同时动作的,使用一只气缸则通过支点及扛杆的作用使横封器两部分合拢及离开,上下拉薄膜运动与(a)相似。
图5.51(c)所示,带动横封器作开合热封的气缸只是一只,原理与(b)相似,但上下拉膜运动不是用气缸来实现的,而是由电动机经变速后,驱动曲柄连杆机构来带动横封器作上下往复直线运动,回转曲柄的长度可以根据需要进行调节,从而改变拉膜的长度。
图5.51(d)所示与图(c)有许多相似之处,横封动作靠气缸与杠杆滑块机构来完成。
拉膜的动作是由一套六杆机构来完成的,六杆机构是由电机通过变速后驱动曲柄作原动件的,在这种六杆机构作用下,横封器不作上、下直线运动而是一圆弧摆动。
从以上可以看出间歇式横封机构的运动形式是多种多样的,结构也有简单、复杂,各有利弊,选型时要给予适当考虑。
如(a)中结构及动作简单,但横封时要求两只气缸动作配合好,这是气液压较难达到的,最好能避免
使用。
图(b)、(c)、(d)中就避免了上述问题,用一只气缸使横封器两部分同时分开和合拢,但也造成结构复杂。
图(a)、(b)中,拉膜运动是气缸来带动的,行程难以调节,薄膜带长度发生变化时就难以适应。
在(c)、(d)中袋长变化时调节曲柄长度就能适当,尤其在食品行业中,包装规格变化多,调节要求比较突出,就(c),(d)两种比较,前者拉膜部分比较简单,后者显得复杂,且拉膜过程中袋子作圆弧运动,摆动较大,袋长调节后袋子不可能在两横封器中间被热封,造成薄膜前后张力不均。
若制袋充填机的拉膜动作不要横封器承担,而有另外专门的一套机构去完成,则横封器的运动要简单得多,当然整机的传动机构也许稍为复杂些。
图5.52所示为摆动气缸带动的摆杆滑块机构,两横封块的开合就是滑块往复运动的结果,设计中应解决的问题是:从满足横封块最大开合行程的情况下,确定各杆长度及摆动气缸活塞杆的行程,提供设计气缸的依据。
拖动两滑块的摆杆、连杆杆长上下各自对应相等,这样摆杆只能在与滑道垂直的位置作左右对称摆动,如图5.53所示。
设摆杆长为a,连杆长为b,滑块C运动最远点与转轴中心A间距离AC1=c,摆杆摆角为,摆杆与AC滑道间原始夹角为起始角α。
摆杆与连杆的铰销在B起始、中间及终了三个位置分别以B1、B2、B3表示,这三个位置各杆长度间关系由下式表示:在△AB1C1中(5-85)
图5.52 由摆动气缸带动的摆杆滑块机构图5.53 摆杆滑块的工作位置及参数关系在△AB2C2中,∠B2AC2是直角在△AB3C3中(5-88)(5-87)(5-86)
由图5.54可见,本机压力角为∠ACB,且是时刻改变的,为使机构轻巧,应使∠ACB≤30°,因此设计中可取b≥2a。
将其代入式(5-87)可得由式(5-87)、(5-86)得起始角α的表达式: 则此摆杆滑块部分要使滑块开合总行程达2L的摆杆摆角应为上列各式中C值应根据袋装机总体布局设定。
始位置必须慎重确定,从机械原理知道,机构的压力角在0°处效率最高,本摆动气缸推动摆杆AD使A轴回摆,属摇块机构,则D处的压力角小者为好。
设摆杆长为m,摆杆与AE两点连线的最小夹角为起始角β,DE长为d,AE长为e,其值图5.54 摆动气缸的工作位置的确定也由袋装机总体布局考虑。
铰销D点在工作中亦有D1、D2、D3三个位置,分别为起始、中间及终了,如图5.55所示。
为使工作轻巧,常取m>a,则起始角β由下式可求:(5-91)
DE之长d在起始及终了两位置相应长度为: 这样,气缸活塞杆的伸缩行程为:L= L值求出后还得验算两个方面:(1)气缸活塞杆伸出的稳定性验算应使若不能满足,可适当增大e的取值。
若不能满足时,可适当增大m的取值.该横封装置机构下半部分,采用的是曲柄带动的大杆机构,设计中滑块行程应满足: 式中:Lmax为应制作的最大袋长,毫米.具体设计可通过杆机构的设计方法去解决,这里不再复述.3.横封器结构用于间歇制袋式袋装机横封器上的加热封口方法有脉冲、热板熔断和高频等,可按不同包装材料选用,热封体都为板状的。
图5.55电热丝脉冲加热的横封器,纵封缝对面的一只热封体1,上、下共装有两条扁形镍铬合金电热丝,电热丝根据宽度选择,一般取2~5mm左右,电热丝与热封体之间有酚醛层压板或聚四氟乙烯薄膜4作隔离层,防止热封薄膜被粘牢,与纵封缝同一面的热封体面上对着两根扁电热丝之间,装有圆电热丝5作切割薄膜带用,热封体8的主要作用是与对面热封器共同配合(5-95)
时对薄膜加热时加压,为使加压均匀,并不使加压薄膜变薄,在圆电热丝与热封体8之间有一层耐热橡胶7与聚四氟乙烯织物6, 考虑电热丝的热胀冷缩,在热封器的两端均设计有伸缩结构如图中9所示,避免在气缸作用下热封体的刚性接触,设计有弹簧装置10,脉冲热封器连续工作过长时,热封体上热量会逐渐积累,而影响封口质量,设计时考虑到冷却措施,或通过冷却水,或用压缩空气吹向热封完成后的薄膜及电热丝,使其冷却。
横封时,要使尽可能少的空气留在袋内,若袋内空气较多,对袋内的物品储存不利运输中也容易损坏袋子,横封器结构设计时要加以考虑,在横封器体下方设计袋的夹持器,夹持器与袋接触部分有泡沫塑料或泡沫橡胶等柔软制品或几根拉伸弹簧,即起到排气,又起到夹持物品,减少横封缝在受热时不利的拉力。
用冷却水强制的结构如图5.56所示:热板加热式横封器如图5.57所示,每只热封体上、下两个热板平面,并装有两只加热元件,一只测温元件,专门对热板进行恒温控制。
图5.55电热丝脉冲加热的横封器1-电热丝伸缩补偿装置,2-弹性伸缩装置,3-冷风喷嘴,4-绝缘片,5-热封扁丝,6-聚四氟乙烯片,7-切割圆丝,8-排气夹板图5.56 冷却水冷却横封器1-夹板,2-热封扁丝,3-切割圆丝,4-冷却水孔,5-耐热橡胶
高频加热式横封器如图5.58所示,分左右两只电极,可在两只电极间通以高频电流进行加热加压封合,电极上、下各有一对弹簧夹具,以减少电极合拢时的刚性冲击及对封缝的拉力,电极表面胶粘着环氧板,环氧板表面又粘着聚四氟乙烯织物作耐热绝缘材料,这样除防止薄膜粘上电极外,还可防止薄膜偶而被热穿时,高频切刀与另一电极直接接触而产生的打火现象。
图5.57 热板加热式横封器1-切刀,2-热板,3-测温元件,4-加热元件,5-绝缘体图5.58 高频加热式横封器1-弹性夹板,2,4-封合电极,3-加热切刀
第六节料袋的切断与牵引装置一、切断装置在制袋式袋装机上,当制成袋后或装袋封口结束时,应用切断刀将相互连接着的薄膜料袋分割成单个和包装产品。
切断的方式有热切和冷切等。
可根据热封的方法,包装料袋在制袋过程中运动形式和切口的形式等要求选择。
采用热切的切断机构可与横封机构合在一起,在横封同时,进行热切断。
热切中有高频加热刀,电热丝熔断及电加热切刀等。
其中高频加热刀用在间歇式袋装机上,对聚氟乙烯薄膜袋进行封口,同时完成切断,实际是一只具有刃口的电极；
电热丝中间的一根1－2毫米左右直径的圆电热丝,根据需要可选择断续或连续通入脉冲电流,电热丝与薄膜直接接触使熔化的薄膜切断；
电加热切刀是具有刃及热量可使薄膜切断。
有袋时顺利分切。
工作时。
回转刀刃与定刀刃间不是全线同时相遇的,而是在刀刃的的全长上按1~2左右的倾角依次相遇的,这样似剪刀一般,更有利于将薄膜分割开。
刀的有效回转半径r可由下式确定式中:ω—刀轴回转的角度;V—纵封辊牵引包装材料前进的线速度。
(5-96)
由此可见,回转刀切断包装袋的速度应大于薄膜前进的速度。
为保持切刀锋利,两刃间有微隙,这样切断薄膜袋时,并不是靠两把金属刀刃完图5.59 辊刀式切断装置1-转刀,2-定刀图5.60 辊刀相位调节装置1-辊刀,2-主轴,3-轴承,4-弹簧,5-键6-从动齿轮,7-主动齿轮
全相遇来完成的,而是靠活动刀刃线速度大于薄膜袋运动速度,产生的挤与拉相结合将薄膜分割开。
所以,刀的回转线速度小于薄膜前进速度是不行的,即使等于薄膜前进的线速度的话，也是切而不断。
只有回转刀比薄膜有较高的线速度,将薄膜剪切变形。
强度大大削弱,然后使前一包装袋赶快离开本体到拉断作用。
因该回转刀切断机构不是与横封机构设计在一起的,而切断时必须切在横封接缝正中,才能使薄膜袋外形美观。
因而切断在机构横封器的下面,有一切断刀与横封器间的同步问题,解决同步问题就必须设计切断机构的相位调节装置。
相位调节装置可通过调节两齿轮的相对位置来实现。
如图5.59所示,带动回转刀轴回转的齿轮6的轴向固定靠弹簧4的推力,当切断刀工作不与横封器同步时,只要用手按图示箭头方向推动齿轮6,则齿轮6沿轴7上的滑键5克服弹簧力,离开主动齿轮,并根据滞后或超前的情况分别对齿轮6作逆或顺时针回转一定角度后再将齿轮6送回原处,与主动轮8啮合,即能满足同步要求。
图5.61所示是一种铡刀切断机构,由气缸1驱动活动刀架6可绕支点作摆动,活动刀4用螺钉弹簧压在刀架6上,与固定刀3为弹性接触,活动刀并由上,下两个定位块10限定上、下、左、右的串动。
固定刀用螺钉拧紧在固定刀架子上,刀架与机架相固定,活动刀与固定刀之间的相对位置,靠活动刀下的导向部分11保持不至发生咬刀而损坏刀具,薄膜袋8在弹簧金属片的引导下,经两个刀口的相对运动而被切断。
图5.61 侧刀式切断装置1-动力气缸2-定刀3-动刀4-压力弹簧5-引导板6-包装料袋7-转轴支承8-动刀定位块
这种铡刀在卧式对折薄膜制袋包装机上应用较多,常用在制袋装置以后,将连续的空袋一个个切断分离,然后变由后面开袋充填机构去完成充填等工艺过程。
如图5.62所示。
锯齿刀安装在热封件中间。
相对应的另一只横封器中间是一边凹槽,在板状加热热封的同时,锯齿刀齿尖插入薄膜内,使上下两只袋得以切断。
图中1.4分别为横封器上、下板式热封块,3为锯齿刀。
锯齿刀的形状：齿距t=6mm,齿尖角=60,每个齿的齿侧均磨成刃口。
图5.62 锯齿刀1-上热封器,2-锯齿刀,3-下热封器
此外,它又能使料袋顺序地通过一个个工位,使料袋完成加料,整形,排气,封口和切断等工序。
有的与纵封机构结合。
但均能符合上述提出的一些工艺要求,此外还有如下介绍的一些结构类型。
图5.63 滚轮式牵引示意图1-牵引辊2-锥辊齿形带微调无级变速器3-纵封辊图5.64夹板牵引式示意图1-料袋夹持气缸2-料袋横封气缸3-料袋牵引气缸两辊都是冷辊,包装薄膜首先受牵引辊牵引,被热板或吹出的热空气加热封合,这样的牵引装置使单层塑料薄膜也有可能在连续运动制袋式袋装
机上得到使用。
图5.66 吸头牵引式1-料袋牵引气缸,2-真空吸头板3-横封气缸,4-纵封器图5.67 摩擦带牵引式示意图1-纵封器,2-摩擦带,3-横封器带与薄膜间产生摩擦力推送料袋向下运动,主动带轮间歇回转可用步进电机或伺服电机驱动,也可由普通电机采用电磁离合器控制配合的驱动。
真空吸头吸附着料袋靠两者间产生的摩擦力克服成型器,导辊等对包装材料运动的总阻力,则有：式中:FM—料袋与真空吸头间产生的摩擦力;(5-98)(5-97)
f—料袋与吸头间材料系数；
PZ—对料袋运动产生阻力的合力,可通过估算或具体测试获得。
如果在刚性内圆周面上的吸嘴,应考虑吸嘴吸住料袋部分失效情况。
加入利用系数k,实际应用中还得考虑安全系数n,则有：式中:k—利用系数，取0.5~0.8;n—安全系数，取2~3。
摩擦带对料袋的摩擦力满足下式才能牵引料袋与包装材料式中:f1—摩擦带与料袋间摩擦系数；
f2—料袋与料管管壁之间摩擦系数；
N＇—调压装置通过带施加料管的正压力;PZ—成型器、导辊等对料袋运动的阻力;则所需正压力只有摩擦带才能转动自如,亦即(5-103)(5-102)(5-101)
由此式可求出皮带传递功率的大小。
考虑到皮带传动的效率η所需输入磨擦带使之正常工作的功率。
式中:α—摩擦带在轮上的包角；
f—摩擦带与轮子之间的摩擦系数;v—摩擦带线速度。
实际使用中也应考虑安全系数n=2～3左右。
(5-104)
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