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第六章袋装机械 重点掌握制袋 充填 封口机设计 成型器的种类和设计 计算方法 纵 横封器的封袋方法 结构及设计原理 牵引机构 切袋装置 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我国自七十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 一 包装袋的基本形式以袋装机加工的塑料包装产品常见袋形分别如下 并参见图6 1 图6 1基本袋形示意图 二 典型袋装机的结构及工作原理由于包装袋形的多样性 所以完成这些袋形的袋装机械在机型及结构上也带来一定的差异 主要反映在制袋及封口装置上 一 制袋式袋装机1 成型器 1 象鼻成型制袋式袋装机图6 2所示是立式 连续运动 图6 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 2 翻领成型制袋式袋装机图6 3所示是立式 间歇运动 图6 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 3 筒形袋袋装机图6 4所示 这是一种间歇式转盘形包装机 图6 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6 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6 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 4 三角形成型器制袋袋装机 5 U形成型制袋式袋装机 图6 7U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6 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 6 缺口导板成型制袋式袋装机 2 三面封口扁平式袋装 1 三角形成型制袋式袋装机 图6 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 图6 7U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6 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 2 U形成型制袋式袋装机 3 象鼻成型制袋式袋装机 3 四面封口扁平式袋装 图6 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6 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 4 自立袋式袋装 1 尖顶角形袋制袋式袋装机翻领式成型器制袋 薄膜经过成型器和四个均布的折痕滚轮 再纵封器封合后成搭接圆筒状 圆形截面变成方形截面 折角板使两端收口 横封器横封切断 烫底器底部烫成平底 图6 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 2 塔形及立方柱形制袋式袋装机 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 二 给袋式袋装机1 直移型 图6 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 图6 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 2 回转型 第二节制袋成型器的设计计算 图6 15常见制袋成型器示意图 一 制袋成型器的设计1 三角形成型器三角形成型器使平张薄膜对折成型的过程如图6 16所示 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 三角板的顶角为2 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 在直角三角形ADC或BDC中 AD DB b DC a 所以有 对既定的三角形成型器和一定的空袋尺寸 b a是一个定值 所以有如下关系 即 安装角 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 角越大就表示压力角越大 但压力角太小 致使结构不紧凑 20 30 角最适宜的角度不大于30 2 60 式中 能制作最大空袋的高 立式机为袋宽 h 放出的余量 取30 50毫米 2 形成型器 形成型器可看做是在三角形成型器的三角形板上装接了圆弧导槽及薄膜导板并用圆弧过渡后得到的 式中 R U型槽圆弧部分的半径 亦可按R 0 1 0 4 b推荐取用 b 空袋高度 立式为宽度 3 象鼻成型器 组成 三角板 U型导槽 设计 5 12 R 0 1 0 3 b加扩边以控制卷带走偏m 15 20mm 第三节封合方法 结扎热封钉封粘封其中以热封封口的方法较简单可靠 应用最广 一 热封方法1 热板封合常应用于封合聚乙烯等复合薄膜 聚氯乙烯等不宜应用 图6 24热板封合1 热板 2 封缝 3 薄膜4 耐热橡胶 5 承受台 图6 25回转辊筒封合1 热辊 2 薄膜 3 封缝 2 回转辊筒封合如图6 25所示 将一对反向等速回转辊筒的一方或双方加热 两辊中间通过重合膜进行加压封合 能连续封合是本方法的一大特点 主要适合于复合包装薄膜 因单层薄膜受热易变形会导致封缝外观质量较差而不宜应用 3 带状封合如图6 26所示 一对相向回转的金属带之间 夹着要封合的薄膜直线运动 在前进中通过钢带两侧加热 加压 冷却 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 图6 26带状封合1 加热区 2 冷却区 3 钢带 4 薄膜 5 封缝 图6 27滑动加压封合1 热板 2 加压辊 3 封缝 4 薄膜 4 滑动加压封合如图6 27所示 薄膜首先通过一对热板中间受到加热 电加热或空气加热 再经一对反向回转辊轮加压封合 本方法结构简单 能适应那些热变形大的薄膜的连续封合 5 脉冲封合如图6 28所示 把镍铬合金扁电热丝压着薄膜 再瞬时通以大电流加热 接着用空气或通冷却水强制封缝冷却 最后放开压板 本方法结构上略比热板状封合复杂 但适用于易热变形与受热易分解的薄膜 所得封口质量较好 因冷却占有时间 故生产率受到限制 只适用于间歇封合 在电热丝与薄膜间常用耐热防粘的聚四氟乙烯织物 薄膜另一端承压台上带耐热的硅橡胶衬垫 使焊缝均匀 图6 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 6 熔断封合如图6 29和6 30所示 靠加热过的热刀或电热丝与薄膜接触 使薄膜熔断 并得到封口的一种方法 这种封缝的强度不大 封口的外观独特 其中图3 29是恒温加热的热刀熔断封口 图6 30是电热丝熔断封合 后者所得封缝强度较好 特别对热收缩薄膜封口较有力 图6 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6 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 7 熔融封合如图6 31所示 将热源与要封合的薄膜靠近 使封口部熔化成球状 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 图6 31热板熔焊封合1 3 薄膜 2 封缝 4 5 冷却板6 加热板 图6 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 8 高频封合如图6 32所示 薄膜用上 下电极压着 外加高频电源时 聚合物有感应阻抗而发热熔化形成封缝 因是内部加热 中心温度较高而不过热 所得封缝强度较高 对聚氯乙烯很适合 但不适用低阻抗薄膜 图6 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 9 超生波封合严格来说 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6 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 10 电磁感应封合 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 11 红外线封合将红外线直接照射在薄膜有关位置进行熔化封口 照射源的发热极高 深色容易加热 对透明薄膜只要在封口层下铺上黑布即可 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 二 粘合及粘结剂 1 聚醋酸乙烯 PVAC 聚醋酸乙烯聚合后制成的 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 1 包装常用粘合剂 2 聚乙烯醇 PVA 聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯加碱水解后制成的 由于 使分子间氢键结合 所以聚乙烯醇的结晶性高 没有粘结强度 因此聚乙烯醇不能直接作为粘合剂使用 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 3 丙烯酸树脂丙烯酸树脂是由丙烯酸酯制成的 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 4 酚醛树脂酚醛树脂是酚类和醛类在酸性或碱性催化剂存在下进行加成和缩聚反应而制得的 主要应用的酚类原料有苯酚 甲酚 二甲酚 对叔丁酚 对位苯基苯酚等 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 5 脲醛树脂脲醛树脂是尿素与甲醛在酸性条件下进行反应后得到的不溶性无定型线性聚合物次甲基尿素 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 6 天然橡胶天然橡胶是从橡胶树上割取的天然胶乳 天然胶乳中含橡胶35 40 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 7 淀粉淀粉的分子式是以表示多糖类 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 支链淀粉20 80 其中包含直链淀粉 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 8 糊精淀粉在酸或淀粉酶的作用下水解为葡萄糖 将其中间产物的混合物 淀粉加热到190 230 或加酸加到110 140 即可制成糊精 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 9 胶 明胶 胶是从所谓原胶的一种硬蛋白质中得到的蛋白质的总称 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 10 水玻璃 硅酸钠 硅酸钠是石英砂与苛性钠共熔后制成 普通的水玻璃含有1克分子的对应于2 4克分子的是玻璃状固体 市售品是无色透明 浓厚的水溶液 粘结力强 在空气中干燥后成玻璃状 以前用作瓦楞纸的粘合剂 但现在几乎不用了 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 一 辊式纵封器的设计1 组成纵封辊 加热器 加热线圈 固定与可调轴承等组成 2 宽度纵封辊的辊面宽为5 10毫米3 网文辊面上开有直纹 斜纹或网纹等花纹 以适应各种薄膜封合的需要 4 材料纵封辊采用的材料有铜钢 40Cr钢及金属塑料等5 半径确定 式中 Q 包装机生产能力 袋 分 L 包装袋袋长尺寸 毫米 纵封辊回转角速度 6 生产率改变 7 袋长改变 二 板式纵封器设计1 组成张紧块 压板 电热丝 油缸 或气缸 2 设计内容热封件的结构设计 调压弹簧的设计计算驱动气 或油 缸的设计计算 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 热封器与加料管间的距离一般为12 15mm左右 二 板式纵封器设计 图6 37板式纵封器1 纵封器 2 气缸 第五节横封器的设计 一 连续式横封器1 要求 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 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 要求横封器在工作中用不等速回转机构带动 2 偏心链轮 图6 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6 39偏心链轮机构工作简图 3 基本参数确定 4 结构 图6 43偏心距调节装置 5 偏心调整 二 间歇式横封器立式间歇制袋式袋装机横封机构按功能和运动形式可分为两类 一类只作封口用 即只有间歇的往复运动 另一类除作封口热合外 还牵引料袋由上而下地移动 故往往作开合与上下运动合在一起的复合运动 显然后者结构较为复杂 图6 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6 44间歇式横封机构工作示意图 图6 45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6 46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6 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6 47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6 48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 1 热切它是靠薄膜受热熔化和施加一定压力而使薄膜分开的一种方法 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 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 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