【碩士論文】盒式氣調包裝機的設計與研究.pdf

上海大學碩士研究生學位論文 摘要 食品氣調包裝機涉及到機械、電氣、氣動、流體力學等諸多技術領域，是比 較復雜的典型機電一體化產品。本文按照機電氣一體化產品的設計思想，從氣調 包裝機的工作原理和工作流程出發(fā)，運用現(xiàn)代機械系統(tǒng)的設計方法和機電氣體 化技術，對氣調包裝機的機械系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、包裝盒換氣系統(tǒng)作了比較系統(tǒng)的 探討。 本文根據(jù)氣調包裝原理探討了盒式氣調包裝機整體方案，闡述了盒式氣調包 裝機系統(tǒng)設計，對其包裝盒的上、下壓合模具以及熱封切裁和包裝薄膜的送收機 構進行了分析。重點對盒式氣調包裝機換氣系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)進行了研究。 在換氣系統(tǒng)的研究與設計中，從提高換氣精度、減少混合氣體消耗和提高包 裝效率出發(fā)，創(chuàng)造了包裝薄膜振動等壓換氣法，以及真空換氣法中的上下模腔的 壓力自動平衡控制方法。 在對配氣系統(tǒng)的研究和設計中，從提高配氣精度和配氣效率出發(fā)，研究和分 析了三種氣調包裝配氣方法：質量流量法，壓力法和時間法。在質量流量測量原 理基礎上，設計實現(xiàn)了可動態(tài)控制氣體配比的質量流量控制系統(tǒng)。在壓力法配氣 原理基礎上研制了可連續(xù)供氣的雙氣包交替配氣系統(tǒng)，同時解決了P L C 和單片機 配氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊的聞題。 本文自始至終遵循機電氣一體化設備的研究開發(fā)方法，刻意避免過去仿造的 彎路，完成自主設計，使該類型氣調包裝機順利投入市場，且被認定為上海市2 0 0 4 年高新技術產品，并為機電氣一體化產品創(chuàng)新設計提供了一個實用案例。 關鍵詞：氣調包裝盒式氣調包裝機配氣系統(tǒng)換氣系統(tǒng) 一 圭塑查蘭堡圭塹壅蘭堂垡絲奎 A b s t r a c t F o o dM o d i f i e dA t m o s p h e r eP a c k a g i n g ( M A P ) c o m e sd o w nt ot h em e c h a n i c s 、 e l e c t r i c a l 、p n e u m a t i c 、h y d r o m e c h a n i c sf i e l d se t c ，a n di ti sat y p i c a lk i n do f p e r p l e x i n g m e c h a t r o n i c s p r o d u c t I nt h i sp a p e r , w ea p p l yt h em o d e r nd e s i g nm e t h o da n d m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yt os t u d yt h ep a r to fm e c h a n i c a ls y s t e m ，g a sr a t i om i x i n ga n d g a sr e p l a c e m e n ts y s t e ma c c o r d i n gt om e c h a t r o n i c sp r o d u c td e s i g nm e t h o db a s e do nt h e w o r kt h e o r ya n df l o wo f M A P I nt h ep a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fM A Pw em a k ea s t u d yo f t h eh o l i s t i c p r o j e c t o fB o xM A PM a c h i n e ，a n d e x p a d a t e t h es y s t e m d e s i g n o fB o xM A P M a c h i n e ，a n da n a l y s et h em o u l do f p a c k a g i n gb o xa n dt h eh o ts e a l i n ga n df i l m s h e a r e d o r g a n T h eg a sm i x e ds y s t e ma n dt h eg a sr e p l a c e m e n ts y s t e ma r et h ee m p h a s i so ft h e s t u d yi nt h ep a p e r i no r d e rt oe n l l a n c et h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo fg a sr e p l a c e m e n t a n dr e d u c et h el o s so f g a s , t h ep a p e rc r e a t e st h em e a n so f p a c k i n gf i l ml i b r a t i o ni s o t o n i c g a sr e p l a c e m e n ta n dt h ec o n t r o lm e , i no fa u t o m a t i c a lp r e s s u r eb a l a n c ea b o v ea n db e l o w m o u l dc o n t a i n e ri nt h em e a no f v a c u u mg a sr e p l a c e m e n t B a s e do ne n h a n c i n gt h ep r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo fM A P , t h e p a p e rr e s e a r c h e sa n d d e s i g n st h et h r e ek i n d so f m e a n sb yw h i c hm i xg a si nB o xM A PM a c h i n e ：t h em e a no f m a s sf l o w 、t h em e a no f t h e p r e s s u r ea n d t h em e a no f t i m e A c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f m a s sf l o ww ed e s i g na n dr e a l i z et h en l a s sf l o wc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e dt om i x g a s d y n a m i c a l l y B a s e do nt h ep r i n c i p l eo f t h em e a l lo f t h ep r e s s u r e ，w ed e v e l o pt h ea l t e r n a t e g a s - m i x e ds y s t e mw h i c h 鋤a p p l yg a sc o n t i n u o u s l y A tt h es 衄et i m ew es o l v et h e p r o b l e mo f t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nP L C a n dS C M g a sm i x i n gs y s t e m T h i sp a p e rf o l l o w st h er e s e a r c hm e t h o do f m e c h a l r o n i c sp r o d u c tf r o mb e g i n n i n gt o e n d W ei n t e n t i o n l ya v o i dt h ec o p yo f t h es a m ep r e v i o u s l yd i s a s t r o u sm a df o rt h es a k e o fb r i n g i n gf o n l ln e wi d e a so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n T h i st y p eo fM A Pi nt h ep a p e r b e c o m e sh o m e m a d eb yi n d e p e n d e n c ed e s i g n T h i sp a p e ri si n n o v a t i o n a li nt h ef i e l do f m e c h a t r o n i c sp r o d u c td e s i g na n dh a sp r o v i d e dau t i l i t yd e s i g nf o ri t K e y w o r d s ：M A P 、B o xM A P M a c h i n e 、g a sr a t i om i x i n gs y s t e m 、g a sr e p l a c e m e n t s y s t e m 上海大學碩士研究生學位論文 第一章緒論 隨著生活水平的不斷提高，人們對于食品包裝的要求越來越高，不僅要求包 裝中的食品清潔衛(wèi)生，還要求盡可能保持食品的新鮮度和原有風味。常用食品包 裝的方法很多，食品氣調包裝就是其中比較先進的方法之一，這種包裝技術根據(jù) 食品性質和保鮮要求，將不同配比的混合氣體置換出包裝容器內的空氣，改變包 裝內食品的保存環(huán)境，達到抑制細菌和微生物的生長繁衍，或減緩新鮮果蔬的新陳 代謝速度，從而延長食品的保鮮期及貨架保存期。與冷凍食品及真空包裝加高溫殺 菌食品相比較，理想的食品氣調保鮮包裝能更有效保持產品的營養(yǎng)成分，提高食品 的保鮮質量，保證其原汁原味原貌。通過改善包裝食品周圍的氣氛環(huán)境，進一步延 長了食品的銷售期，國外稱這種技術為M A P ( M o d i f i e dA t m o s p h e r eP a c k a g i n g ) 或C A P ( C o n t r o l l e dA t m o s p h e r eP a c k a g i n g ) 。食品氣調包裝( M A P ) 中常用氣體為 0 ：、N ：和C 0 ：其中的二或三種，根據(jù)被包裝食品的性質和保鮮要求，配比不同比例 的組分氣體來置換出包裝容器內的空氣?？梢韵嘈牛谝院蟮囊欢螘r間中，食物 保鮮將是一個熱點，其保鮮方式可以很多，例如保鮮劑保鮮、減壓貯藏保鮮和高 壓保鮮、電子保鮮、磁場保鮮和電離輻射保鮮、生物技術保鮮等。但對于現(xiàn)階段 而言，氣調包裝仍將是一個很好的方法。根據(jù)有關研究資料表明，越來越多的產 品可以使用氣調包裝處理，氣調包裝的優(yōu)點同時還在于氣調包裝新鮮食品時外觀 形狀更加美觀，包裝盒內的食品與真空包裝比較而言不易變形，對運輸、保存、 貨品展示以及貨品的增值能力等方面都有幫助。它不僅解決了高溫高壓、真空包 裝食品的品質劣化問題，而且也克服了冷藏、冷凍食品的貨架期短、流通領域成 本高等缺點。因此，食品氣調包裝將在本世紀獲得蓬勃的發(fā)展。 1 1 課題來源和要求 1 1 1 課題來源 本課題系上海大學機電工程及自動化學院與上海炬剛機械制造有限公司合作 研制項目，并在此課題的基礎上，結合盒式氣調包裝機生產線中的工作原理和關 鍵技術以及其發(fā)展趨勢，形成本論文。 上海炬剛機械制造有限公司是一家專業(yè)食品包裝機的生產企業(yè)，該廠生產設 上海大學碩士研究生學位論文 備精良，技術力量雄厚a 產品有多種型號的食品氣調包裝機，可滿足不同層次和 要求的客戶需求。 本次研制開發(fā)的盒式食品氣調包裝機在取得成功后，2 0 0 4 年，被認定為上海 市高新技術產品，有著廣闊的市場前景和豐厚的社會、經(jīng)濟效益，對促進我國的 食品氣調包裝制造業(yè)水平比較迅速地向發(fā)達國家接近有著積極的意義。同時。對 食品氣調包裝機械這樣比較復雜的機電氣一體化產品，自主技術開發(fā)的成功，將 為同類型的機電一體化產品的開發(fā)提供一個實用案例。 1 1 2 本論文研究方法及研究內容 如前所述，氣調包裝機是一種比較復雜的典型機電氣一體化產品，其設計和 制造一定要遵循機電一體化產品的設計和研究制造程序規(guī)律。機電氣一體化研究 如何把機械、電氣、氣動、流體力學和數(shù)字化技術有機地組合成現(xiàn)代機械系統(tǒng)， 實現(xiàn)高性能、高效率、節(jié)能省料的目標。機電氣一體化絕對不是機械、電子、氣 動裝置的簡單組合。為了實現(xiàn)氣調包裝機械、電氣和流體力學、數(shù)字化技術的有 機結合和融合，需要探求食品氣調包裝機的工作原理、功能原理和需求，并深入 掌握機電氣一體化的理論和方法【“。 首先是氣調包裝機系統(tǒng)的總體構思方法。為了從系統(tǒng)原理組成、機電、氣動 和數(shù)字化等方面充分有效地發(fā)揮各自特長，合理確定方案，構思方法一方面依賴 于設計者的經(jīng)驗和前人的基礎，另一方面也需要現(xiàn)代設計方法的理論指導。其次， 氣調包裝機系統(tǒng)是一個含有較多氣動、流體和數(shù)字化技術的系統(tǒng)，因此需要掌握 這些相關技術的理論基礎。機電氣一體化強調機電結合中運用共性技術成果進行 集成，只有充分、深入地掌握這些共性技術成果和基礎理論，才能設計并開發(fā)出 機電氣深度結合、真正體化的產品和系統(tǒng)。 在過去，我國的大部分食品包裝機研制和其它機電氣一體化機械產品的研制 一樣，均采用先引進國外先進的機器設備，然后參照樣機進行測繪和理論反推的 設計方法。這種仿造方法具有很大的缺陷： l 、作為仿造，注定永遠要等別人的機器設備出現(xiàn)甚至成熟以后，已經(jīng)成為產 品，才能給仿造者以機會，當我們開始仿造時，原廠家已經(jīng)在進行新的產品開發(fā)， 使我們的機械制造業(yè)永遠處于落后、被動的地位，無法縮短和發(fā)達國家的差距， 上海大學碩士研究生學位論文 更無法談及超越。 2 、國際知識產權保護日益深入人心，全世界都在進行知識產權的保護，尊重 知識，尊重別人的科技成果已經(jīng)成為一種不可遏止的時代潮流。新的國際形勢已 經(jīng)不允許再進行低級的仿造和知識剽竊，盜用別人的先進技術被普遍視為盜竊行 為。 3 、隨著我國W T O 的正式加入，我國的機械制造業(yè)也必定面臨著重大的沖擊。 在激烈的國際競爭過程中，要使我國的機械制造業(yè)能立于不敗之地，從根本上要 改變我們的落后面貌，就必須要找到提高機械制造業(yè)科技水平的發(fā)展之路。刨新， 是一個民族發(fā)展的靈魂。 本課題在立意之初，就刻意避免過去仿造的彎路，力爭走出一條新的制造業(yè) 發(fā)展之路，為提高我國的機械制造業(yè)水平貢獻一些力量。本課題中，我們采用的 主要指導思想是：從產品的功能原理、需求和技術要求出發(fā)，運用機電氣一體化 產品的設計思想，由功能原理、需求到其實現(xiàn)，盡量走出仿造的設計桎梏，自主 思考，全新創(chuàng)意，自行設計，使機電氣一體化設計方法真正發(fā)揮功效。本課題總 體設計流程圖如圖l 一1 所示。 上海大學碩士研究生學位論文 圖卜1 氣調包裝機機電氣一體化產品設計流程圖 本課題在開展過程中，首先深入了解了氣調包裝機的工作原理和工作流程， 從氣調包裝技術、包裝和食品工藝要求出發(fā)，分析氣調包裝機的機械動作、配氣 系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)及實現(xiàn)途徑，從這些系統(tǒng)功能需求到實現(xiàn)產品設計。一般地來說， 對于產品生產，熟悉食品氣調包裝工藝的技術人員，對機械、電氣、控制原理和 流體力學較缺乏研究，而研究這些領域的技術人員，則往往會缺乏食品及包裝工 藝的專門技能，這是一對經(jīng)常會遇到的矛盾。本課題在進行研究的同時，也是在 不斷地解決這對矛盾的有效過程。 上海大學碩士研究生學位論文 1 2 氣調包裝與氣調包裝機概述 氣調包裝的起源可追溯至1 9 世紀3 0 年代。當時將新鮮牛羊肉裝在大包裝袋 保鮮貯運，而在水產品中的應用始于1 9 3 0 年。但是這項技術大規(guī)模在商業(yè)上應用 是從1 9 7 0 年以后才開始。1 9 7 9 年英國M a r k S p e n c e r 公司推出了M A P 肉制品，兩 年后應用到了魚類、火腿等方面。對果蔬氣調保鮮的研究，早在1 9 5 5 年，美國G e r h a r d 國家研究中心植物生理實驗室的馬爾賽蘭，開始研究各種P E 膜貯藏蘋果和 梨，并對貯藏環(huán)境中的氧氣( 晚) 和二氧化碳( C O 。) 變化作了系統(tǒng)的研究，1 9 6 0 年發(fā) 表研究報告，并稱為生理包裝貯藏。在過去3 0 年中，M A P 技術的使用范圍不斷擴 大，包括生熟肉制品、魚類、家禽、貝類、水果、醬類、脆片、咖啡、茶、蔬菜、 面包等。目前M A P 已成為一些產品的主要包裝形式，并且其占有市場份額也不斷 提高。我國氣調包裝起步于2 0 世紀9 0 年代，國家農產品保鮮工程技術中心于1 9 8 8 年開發(fā)了果蔬專用P V C 保鮮膜2 4 種配方，從中篩選出3 2 個品種，4 7 種規(guī)格用于 蒜薹、黃瓜、芹菜、葡萄、蘋果和鴨梨等保鮮膜袋的實際應用，由于食品氣調包 裝的優(yōu)勢效果非常明顯，因此最近幾年食品氣調包裝( M A P ) 在國際和國內已經(jīng)成 為研究熱點。 1 2 1 食品氣調包裝與氣調包裝機 1 、食品氣調包裝的原理 食品氣調包裝是根據(jù)被包裝食品的性質和保鮮要求，配比不同比例的組分氣 體來置換出包裝容器內的空氣。常用的氣體為二氧化碳( C O ：) ，氧氣( 0 ：) ，氮氣 ( N ，) 。各種氣體對食品保藏的作用不相同。二氧化碳C 0 ：在低濃度下能促進許多 微生物的繁殖，但在高濃度下卻能阻礙大多數(shù)需氧菌等微生物的繁殖。一般在混 合氣體中，二氧化碳濃度超過30 就足以抑制細菌的增長。當二氧化碳溶于水 會產生弱酸性，降低PH 而對微生物產生抑制作用。二氧化碳對油脂及碳水化合 物等有較強的吸附作用而保護食品減少氧化。氮氣N ：一般不與食品發(fā)生化學作 用，無味無臭，其主要作用就是取代氧氣，抑制食品本身和微生物的呼吸，其次 是作為一種充填氣體，保證產品在呼吸包裝內的二氧化碳后仍有完好的外形，據(jù) 資料分析，對極易氧化變質的食品，充氮包裝能有效地延緩食品的氧化變質并保 上海大學碩士研究生學位論文 全食品質量。氧氣O ：個性活潑，能氧化維生素和脂肪，引起產品變質和加速腐敗 細菌的生長，一般包裝內都不希望它存在。但氧氣在保持肉類新鮮的外觀上是不 可缺少的角色，肉類包裝中含有一定量的氧氣就能防止產品脫色脫味。如果采用 適當?shù)陌b材料和包裝方法，就能抑制果蔬儲存環(huán)境中的氧分壓和呼吸速度，為 此，通常把二氧化碳和氮氣混合成“理想”的氣體，作用于生鮮食品的充氣包裝， 則能使生鮮食品內部細胞的活性維持一定時間，延緩其生命過程，保持一定程度 的生鮮狀態(tài)。 在應用充氣包裝技術時?？梢愿鶕?jù)產品的不同特性來選擇氣調的狀態(tài)。一般 為了保持食品的色、香、味及防止氧化，通常使用充入氮氣的方法；為了使肉類 顯色，則充氧氣；肉制品，魚糕，魚卷以及蛋糕的包裝，一般充入二氧化碳和氧 氣的混合氣體，而新鮮牛肉的銷售包裝則用氮和二氧化碳的混合氣體。對于各種 具體的食品，應充入氣體的種類和混合的方式，還有待于進一步探索。但常用的 一些食品對保存氣氛要求，人們已經(jīng)總結出來，人們在研究食品保鮮中已總結出 一些食品保鮮的氣氛要求，詳見下表。 附表，低酸性食品所采用的撮合氣體 簧瓤期 產品t體 宅上【中 氣調包裝 紅內 觥瓣盞冒酬0 2 2 4 滅5 8 天 ， 色肉廈魚一 5 C 0 l + 船一強畦0 t + 一3 5 N 2 3 _ 天一呋 臺棺角3 5 4 5 C O l + 5 B 一8 6 9 N ， 2 一a 夭48 天 家禽2 5 3 5 粥C O l + 6 5 7 5 辨N I 4 7 夭加- 2 1 夭 熟肉2 0 3 6 c o l + 一州N t 1 3 用37 舟 硬干酷以外的乳制品 1 0 4 0 螄C o l + 6 0 - 伽N 1 3 朋4 - 1 4 腳 耐條產品4 0 一卿C o Y + 4 0 - 6 0 州N I 1 一凋3 一擁 2 、氣調包裝的換氣方式 在氣調包裝技術中，只要知道某種食品所需要的氣氛環(huán)境后，則向食品包裝 袋內充入其所需要的氣體，便可達到保鮮要求。但如使用塑料袋作為包裝物時， 要注意的是以往用的很多塑料包裝袋，由于存在氣體滲透的現(xiàn)象，不能直接用來 作為氣調包裝。但塑料制品由于其具有輕便，廉價，透明等特點，尤其是很多塑 料制品經(jīng)過改性，克服了其以往易破漏，漏氣的缺點后，在以后的包裝中，塑料 制品仍是氣調包裝的主要材料。氣調包裝的充氣方式，國內外主要采用兩種方法， 上海大學碩士研究生學位論文 一種稱為等壓換氣法，也稱為氣體沖洗式；氣體沖洗式是指連續(xù)向容器內充入配 制好的混合氣體，以混合氣體驅除包裝盒內的空氣，待盒口形成正壓后立即封口。 另一種稱為真空換氣法，也稱為真空補償式。其原理是先將包裝盒抽真空，然后 充入配制好的混合氣體恢復至常壓，并立即封口。 3 、氣調包裝的供氣方式 食品要達到保鮮的目的，對氣氛環(huán)境要求較高。因此，不管是何種氣調包裝 機，都首先要求能夠準確的配置混合氣體。常用的提供給氣調包裝機混合氣體的 方式有兩種，一種是集中供氣，即以供氣站的方式，按用戶要求配氣，其配氣的 精度可達1 。另一種是將氣體比例混合裝置和經(jīng)過改型的盒式包裝機、熱成型 真空包裝機、豎式或臥式自動制袋充真包裝聯(lián)機使用，可根據(jù)包裝產品要求，任 意改變配氣比例。對這類機型來說，氣體比例混合裝置是一個很重要的部件。我 國自行研制的DQ 和HQ 型氣調包裝機內氣體比例混合控制裝置與其它控制裝置 一體，由P L C 或單片機控制抽氣充氣熱封切裁的程序操作。 4 、氣調包裝機械 食品氣調包裝機械，一般都是在常用的包裝機械生產線上經(jīng)過改進的，根據(jù) 食品包裝的要求，增加了抽氣，充氣的功能。包裝形式有塑料盒，紙塑復合盒， 枕式，大袋包裝和袋裝盒式等。氣調包裝機大都是在盒式包裝、熱成型真空包裝 機，枕式包裝機或自動制袋充填包裝機等機型上配置氣體混合配氣裝置和充氣裝 置改裝而成。 5 氣調包裝品質控制的手段和方法 氣調包裝需要保證充入的氣體和所要求的標準比例是符合的。目前的檢測方 法是進行隨機取樣，即在某規(guī)定時段內取出一定數(shù)量的已包裝好的產品，用空氣 分析儀分析其內氣體是否達到比例。這樣做很煩瑣，并且有一定的延遲性，如果 檢測得太頻密，勢必要花費很多的人力，物力，要是檢測時間相隔太長，一旦發(fā) 現(xiàn)有問題，可能要造成很多產品報廢。目前最新的檢測方法是在線檢測，即將氣 體分析儀安裝在包裝封口的地方進行抽樣，假如氣體氣氛沒達到要求，控制器就 會報警，停止工序，直到進行糾正，達到要求為止。這種方法很突出的特點就是 能及時發(fā)現(xiàn)氣體混合比例中出現(xiàn)的誤差，況且節(jié)省人力，如果配合使用可編程控 制器，在出現(xiàn)氣體配合比例失調時，進行自動調整，可極大提高生產率。 。穿竹r 賽賀 r 。 上海大學碩士研究生學位論文 對包裝物進行測漏也是一個很重要的環(huán)節(jié)，包裝出現(xiàn)泄露，將會影響食品的 保存，尤其是含氧包裝，一旦出現(xiàn)了泄露，食品就會變質?，F(xiàn)在常用的測漏方法 是將包裝袋放進水里，擠壓袋子，或者是在水面上抽真空，看是否有水泡出現(xiàn)， 這種方法的缺點是顯而易見的，不僅煩瑣，況且也只能進行抽樣檢測。對此，現(xiàn) 在還沒有很先進的方法，但有資料表明，一種稱示蹤氣體法的測漏方法正在研究 和實踐中。示蹤氣體法是指在特定的真空狀態(tài)中安裝氣體傳感器，對待測包裝袋 進行檢測，據(jù)稱，此方法可和包裝生產線連接在一起，進行自動化檢測，在近期 內可望獲得運用。 1 2 2 氣調包裝和氣調包裝機的發(fā)展現(xiàn)狀 氣調包裝和氣調包裝機在我國還處于起步階段，而在國外應用就較廣泛。尤 其是在歐洲。英、德等西歐國家的氣調包裝機械有十多個基本機型，其中多數(shù)用 于小包裝，用于大包裝的較少。包裝形式有塑料盒，紙塑復合盒，枕式，大袋包 裝和袋裝盒式等。氣調包裝機大都是在熱成型真空包裝機，枕式包裝機或自動制 袋充填包裝機等機型上配置氣體混合裝置和充氣裝置改裝而成。現(xiàn)概要地介紹國 外氣調包裝機的基本形式 3 1 ： 1 、臥式氣調包裝機 此機型只能用做沖洗式氣調包裝。供應廠商有RoseForgrove 、 Aucoturer 等，這種機型是自動制袋充填機改型，主要用來氣調包裝烘 烤、快餐、咖啡等食品。 2 、FFS 臥式熱成型氣調包裝機 這種機型可采用上述的兩種充氣方式，對半剛性塑料盒氣調包裝較好，此機 型是在熱成型真空包裝機的改型，其生產廠商主要有Di xieUnion 、K ramer & Grebe 和M uLTIV AC 等。主要用于新鮮肉、魚方面的包裝。 3 、預制袋或盒氣調包裝機 預制袋氣調包裝機是箱式真空包裝機的改型，只能做真空氣調式包裝，預制 盒氣調包裝機可用做兩種包裝方式。它們都是半自動化的。生產能力較小。 4 、紙塑復合盒氣調包裝機 根據(jù)紙塑復合盒類型分兩類，一種是預制涂塑紙盒放入自動充填熱封包裝機 上海大學碩士研究生學位論文 做真空補償或氣體沖洗式氣調包裝，一種是熱成型真空包裝機上放入預制板盒后 嵌入機器上熱成型的塑料盒。 5 、袋裝盒或袋裝箱氣調包裝機 袋裝盒或袋裝箱氣調包裝機均可用作兩種充氣方式。袋裝箱式包裝的氣調方 式是有二根氣管插入大包裝袋內充氣和抽氣。主要用于咖啡，茶葉等散裝料和大 塊肉類氣調包裝。 我國各種具有充氣功能的真空包裝機都可做氣調包裝，但除插管式真空包裝 機外，其他類型真空充氣包裝機充氣包裝時均不能直接充入塑料袋內，每次抽真 空后再充氣，因耗氣量大而造成成本高，如單室或雙室真空包裝機的充氣功能因 耗氣量大而一般不能直接用，需經(jīng)過改進設計才能發(fā)揮起充入氣體的功能。 1 2 3 氣調包裝和氣調包裝機的發(fā)展趨勢 氣調包裝技術，不但可以延長食品的保存時間，還可以很好的保存食品的原 有風味。因此，經(jīng)過氣調包裝的食品，可以實現(xiàn)延長食品產品的保存期，可以使 食品反季節(jié)銷售，增加食品的附加值。結合傳統(tǒng)烹飪技術開發(fā)出可用氣調包裝的 速食性食品，則適合生活節(jié)奏快的人們的需要。因此，氣調保鮮包裝技術，在本 世紀將會得到極大的重視和利用。但由于目前的任何一種單一保鮮方法都存在其 自身的弱點。保鮮效果不很理想、不能完全解決問題。隨著水果保鮮基礎研究的 不斷深入，以及擴大流通的需求，一些更新更好的綜合保鮮方法將不斷涌現(xiàn)并成 為主流。 氣調包裝機械作為包裝機械的一種，有著其比較特殊的要求，但同時有著食品 包裝機械的相同共性。進入2 l 世紀，我國包裝機械行業(yè)將向機電化、智能化、自 動化控制方面發(fā)展。包裝機械的未來是各種高新技術、新機構、新控制方法的高 度結合，未來包裝機械的技術特征將趨于“三高”，即高速、高效、高質量。重 點發(fā)展方向趨于節(jié)能降耗，質量和性能穩(wěn)定可靠，控制水平先進、結構緊湊，占 地空間小，噪音低、效率高，操作簡單方便。外觀造型適應環(huán)境和操作人員心理 要求，有利于環(huán)保等。 當前發(fā)達國家為滿足現(xiàn)代商品包裝多樣化的需求，開始不斷發(fā)展適應多品種、 小批量的食品氣調包裝機械及設備。同時又緊跟當代高科技技術發(fā)展步伐，不斷 圭鲞查堂堡主翌塞圭差垡鯊蘭 應用先進的技術。開發(fā)和發(fā)展應用高新技術的現(xiàn)代化專用型包裝機械。 目前和未來，包裝機械所應用到的新技術包括：微波技術、航天工業(yè)技術( 熱 管制袋) 、微電子技術( 控制表) 、信息處理技術、傳感技術( 光電及化學類) 、激 光技術( 切割、防偽方面) 、磁性技術、生物技術以及新的加工工藝，新的機械部 件結構，新的纖維材料等。這些技術使得許多包裝機械已趨于智能化。 1 , 3 本論文研究意義 此次項目的開發(fā)與合作，有著積極的意義。首先，此次研制了具有比較先進 水平的盒式食品氣調包裝機，它包括很多新技術，如：動態(tài)配氣系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、 包裝膜張緊定長系統(tǒng)等。其次，此次氣調包裝機的研制從機械到電氣、氣動產品， 單片機控制控制系統(tǒng)和配氣和換氣系統(tǒng)設計的絕大多數(shù)部件本著降低成本原則， 盡量的，以便于今后大規(guī)模的生產，從而提高性價比。其三，項目的研制不僅可 以彌補國內空白，給我們帶來很好的經(jīng)濟效益和社會效益，同時也可以縮小我國 同世界先進國家水平的差距，提高我國的食品包裝設備的水平，為我們在世界范 圍內參與社會競爭，更好的迎接加入“W T O ”后的貿易挑戰(zhàn)，迅速和國際大市場接 軌創(chuàng)造條件。 盡管氣調包裝機具有如前述的許多優(yōu)點，但在國內的推廣并不很盡如人意， 原因有多方面的，但是其主要原因在于： 1 、氣調包裝技術不過硬，氣調包裝的產品質量不很穩(wěn)定。 2 、相對與食品的普通真空包裝來說，氣調包裝的成本較高，對于剛步入小康 生活水平的中國人來說，降低食品包裝成本是十分重要的。 為此。對于盒式氣調包裝來說，需要解決如下問題： 1 、如何提高氣調包裝配氣和換氣精度，如何提高熱封的質量和穩(wěn)定性，同時 被包裝食品和包裝材料在未包裝之前如何有效的消毒滅菌的問題。 2 、在成本方面，如何節(jié)約耗氣量和包裝耗材的問題。 3 、在效率方面，如何進行高效率的配氣和換氣，如何盡量減少各工序中無效 時間，從而減少整個包裝循環(huán)的工作時間。 自始至終貫穿機電氣一體化的設計思想，本文作者完成了盒式氣調包裝機的 大部分設計任務，在工作中探討和采用了一些比較有創(chuàng)新思路的設計。本文主要 上海大學碩士研究生學位論文 內容分五章敘述，對食品氣調包裝機系統(tǒng)進行了較詳細的描述，每章大體內容如 下： 第一章，闡述了氣調包裝和氣調包裝機械的工作原理及工作過程，并介紹了 當前國外和國內氣調包裝和氣調包裝機械的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了課題研 究的目的與思路。 第二章，氣調包裝機械部分分析設計。重點介紹了氣調包裝機械總統(tǒng)方案設 計研究，同時對其包裝模具、熱封、切裁機構和包裝薄膜推進張緊和定長機構進 行了簡要分析研究。 第三章，重點對盒式氣調包裝機換氣系統(tǒng)和配氣系統(tǒng)進行了研究。在換氣系 統(tǒng)的研究與設計中，從提高換氣精度、減少混合氣體消耗和提高包裝效率出發(fā)， 創(chuàng)造了包裝薄膜振動等壓換氣法，以及真空換氣法中的上下模腔的壓力自動平衡 控制方法。 第四章，著重介紹了食品氣調包裝機配氣系統(tǒng)設計。根據(jù)配氣系統(tǒng)配氣原理 對不同的配氣方法進行了比較深入的研究，同時也是本文重點闡述的部分。在質 量流量測量原理基礎上，設計實現(xiàn)了可動態(tài)控制氣體配比的質憊流量控制系統(tǒng)。 在壓力法配氣原理基礎上研制了可連續(xù)供氣的雙氣包交替配氣系統(tǒng)，同時解決了 P L C 和單片機配氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊的問題。 第五章，結論與展望。 本課題的研究，以盒式食品氣調包裝機系統(tǒng)研制作為一次機電氣一體化產品 的研究和開發(fā)，是機電氣一體化產品設計的一次新的應用創(chuàng)新，并為其提供了一 個實用案例。 上海大學碩士研究生學位論文 第二章盒式氣調包裝機系統(tǒng)分析設計 2 1 盒式氣調包裝機系統(tǒng)總體方案設計 2 1 1 機械系統(tǒng)總體方案設計的基本原則 2 1 現(xiàn)代機械系統(tǒng)的概念和功能隨著科學技術的發(fā)展，機械系統(tǒng)的概念有了比較 大的發(fā)展。機械系統(tǒng)總體方案設計是產品設計過程中極其重要的一部分，是產品 設計的關鍵，它直接關系到產品的功能、性能和質量及其在市場上的競爭力和企 業(yè)的效益。在機械系統(tǒng)總體方案設計過程中，應遵循一些基本的原則和法規(guī)，以 保證設計的質量，杜絕不應有的浪費。這些基本原則包括有： l 、需求原則產品的功能來源于需求，產品要滿足市場需求是一切設計最 基本的出發(fā)點。需求有三個特征，即時尚性、差異性和動態(tài)性。時尚性是指需 求是隨時間變化的，任何產品都有一定的市場壽命。差異性是指客戶的需求是 有層次性的，不同的客戶有不同的需求。動態(tài)性是指需求是隨社會的發(fā)展、經(jīng) 濟水平的提高而發(fā)展變化的。需求的發(fā)展可以導致產品的不斷改進、升級和更 新?lián)Q代。 2 、效益原則產品設計必須時時考慮效益，包括技術經(jīng)濟效益和社會效 益。 3 、信息原則現(xiàn)代社會已經(jīng)進入信息化時代，先進的信息處理技術使設計 的產品在正式加工制造之前即可采用虛擬現(xiàn)實技術在虛擬工廠中顯示出加工 制造、安裝調試直到運行的全過程，從中發(fā)現(xiàn)問題，以便在正式加工制造之前 進一步改進設計，以改善性能和質量。 4 、系統(tǒng)原則每一個機械產品都可以認為是一個系統(tǒng)，所以應該以系統(tǒng)工 程的觀念來指導其設計。其基本思想就是從系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，將整體功能 分解成若干子功能，然后找到能完成各子功能的技術方案，再把能完成各子功 能的技術方案進行協(xié)調組成方案組，最后進行分析、評價和優(yōu)選，進而實現(xiàn)整 體優(yōu)化。 5 、創(chuàng)新原則設計人員的大膽創(chuàng)新，有利于沖破各種傳統(tǒng)觀念和慣例的柬 上海大學碩士研究生學位論文 縛，創(chuàng)造發(fā)明出各種原理獨創(chuàng)、結構新穎的產品。 6 、繼承原則繼承原則就是將前人的成果有批判的吸收、推陳出新、加以 發(fā)揚、為我所用，從而可以達到事半功倍地創(chuàng)新設計，集中精力解決設計中的 問題。 7 、優(yōu)化原則由于機構、傳動系統(tǒng)和原動機的類型和組合方式眾多，因此 能滿足設計基本要求的方案很多。應該從這些方案中以科學的標準和方法評價 各種方案，評價值最高者為優(yōu)選方案。 8 、簡化原則在確保滿足功能的前提下，應力求設計方案簡單化，以確保 質量的同時減低成本。 9 、理論與實際相結合的原則產品設計不僅要有理論知識，更要注意工程 實踐，力求做到理論與實際相結合。 1 0 、廣義的原則現(xiàn)代機械系統(tǒng)已經(jīng)成為有計算機控制的機、電包括光、 液、氣一體化的綜合系統(tǒng)。在產品設計中不僅要用到機、電、氣知識，而且還 必須向其他學科擴展。 基于上述原則，食品氣調包裝機的方案設計也必須從這些原則出發(fā)，同時在設 計中貫徹執(zhí)行一些基本的法規(guī)和標準。如概念和原理的標準化、產品及其零部件 的標準化，設計和加工生產的程序。由于食品在衛(wèi)生上的特殊要求，因此食品氣 調包裝機在遵循各項原則的基礎上，還必須了解和遵守國際和國內關于食品生產 的法律和法規(guī)。 2 1 2 基于功能原理與功能分析的方案設計 基于功能原理與功能分析方案設計的任務是：針對機械系統(tǒng)的某些確定的功 能要求，去尋找某些物理效應、原理方法，并借助一些作用原理來求得實現(xiàn)這些 功能目標的解法原理。在功能方案設計中常常引入某種新技術、新工藝、新材料， 它首先要求設計者要有新想法、新構思。同時同一功能要求可以采用不同的工作 原理來實現(xiàn)，而同一種工作原理，又可以采用不同的實現(xiàn)方法，從而等到不同的 方案設計。 當明確了設計任務后，把要實現(xiàn)的設計任務進行功能分析，分析其總功能。 上海大學碩士研究生學位論文 為了便于實現(xiàn)，一個系統(tǒng)的總功能常常需要分解成若干個分功能，并相應找到實 現(xiàn)各分功能的原理方案，如果分功能還是太復雜，則可進一步分解為更低層次的 分功能。一個同時對總功能進行功能分解，可以得到不同的功能元，再通過系統(tǒng) 搜索得到一系列的功能元解，從而形成功能元矩陣，就可以得到若干種組合方案。 機械系統(tǒng)方案設計的最終目的是要尋求一種既能實現(xiàn)預期功能要求、又能性能優(yōu) 良、價格低廉的最佳方案。最后通過對各種方案進行分析、比較，經(jīng)過科學的評 價和決策，才能獲得最佳方案【2 1 。 圖2 一l 基于功能分析的機械系統(tǒng)方案設計 2 1 3 盒式氣調包裝機功能原理與功能分析 盒式氣調包裝機作為一種典型的機電氣一體化產品，主要由兩部分組成：第一 部分為氣體比例混合裝置，它可以作為單獨部件與氣調包裝機、真空包裝機配套使 上海大學碩士研究生學位論文 用，也可以與氣調包裝機控制系統(tǒng)有機的結合在一起。氣體比例混合裝置的作用。 是根據(jù)不同的食品包裝工藝的需要，很方便地將0 。N 。、C O ?；旌铣筛鞣N不同比例 的混合氣體，供包裝工作時使用。另一部分為包裝機，其作用是先將待包裝的食品 通過定量系統(tǒng)定量后，裝入食品包裝盒中，在包裝模具中與包裝薄膜形成密封腔， 再將裝有食品的盒中的空氣抽出，然后充入所需的比例混合保護氣，然后將包裝盒 熱封封口，用切裁系統(tǒng)切除包裝膜，然后通過輸送帶輸出包裝成品。 傳統(tǒng)的盒裝氣調包裝機為人工輔助機型，一般設計為雙工位，分別為取放盒位 和氣體置換封切位。模具往復運動于兩工位間，需要人工把包裝成品取出模具、然 后把待封合硬塑包裝盒放入，生產效率較低，取決于工人操作的熟練程度。而且，傳 統(tǒng)機型均采用無壓差氣體置換技術，也就是在充入保鮮氣體前，并沒有排除干凈盒 內固有空氣，包裝后的食品內部不可避免存在殘留空氣，影響保鮮效果。有鑒于此， 盒式食品氣調包裝機的研究開發(fā)，首先要實現(xiàn)過程自動化，其次要保證食品包裝盒 不存在殘留空氣。實際設計中，需要解決的難題是：如何使待包裝盒自動進入模板 并置于密封室中，然后在實現(xiàn)氣體置換和封合分切后，又能自動脫出模板，并且這 一過程必須連續(xù)循環(huán)進行。這一切決定了機器的工作機構應具備機械手的功能，因 此其結構需要有針對性的作特別設計。盒式氣調包裝機應自動完成如下功能要求 和工序如圖2 2 所示： 卜一迸入工砟硬L 一進辯、刊包裝盒 - 4 覆蓋包裝膜、密封包裝盒模具卜一 廠瓦襄歪騷刪 一 圖2 2 盒式氣調包裝機功能要求和工序 現(xiàn)代機械系統(tǒng)“1 的目的是對輸入物質、能量和信息進行預定的變換( 加工、處 理) 、傳遞( 移動、輸送) 和保存( 保持、存儲和記錄) ?，F(xiàn)代機械系統(tǒng)同時要必 須具備四種內部功能，即主攻能。動力功能、控制信息功能和結構功能。其中主 功能是實現(xiàn)系統(tǒng)目的所必須的，它表明了系統(tǒng)的主要特征和功能。食品氣調包裝 機的主功能就是定量稱重待包裝食品入包裝盒，然后把配氣系統(tǒng)配置好的一定比 例的組分氣體置換出包裝盒中的空氣，形成氣調包裝。動力功能為系統(tǒng)的運行提 供必要的能量。控制信息功能包括信息檢測、處理以及控制，是使系統(tǒng)正常運行， 達到精確、可靠、節(jié)能、協(xié)調所必須的。 圭堂查堂堡主堡壅生堂垡堡奎 分析盒式氣調包裝機功能、信息視圖如圖2 3 、2 4 所示。 主功 輔 廠抽氣利用壓差進行抽氣 氣調動作| L 充氣 配比好的混合氣體 氣體配比 電磁閥壓力法質量流量法 熱封 機構 信 使用加熱模和切刀 進符小包裝盒的封裝 ) 上模壓板、熱封和 茸岳r 切刀上升與下降 o “ 下模拖板 自h 上升與下降 o “ 包裝盒的頂出與下降氣缸 包裝膜的移動 電機 輸送帶傳動 電機 廠加熱模溫度檢測熱電偶 - + 一包裝膜位移檢測光電傳感器 r 一工作用氣包壓力檢測壓力傳感器 L 混合用氣包壓力檢測壓力傳感器 包裝工藝參數(shù)設置設置觸摸屏 包裝計數(shù)及工作狀態(tài)顯示觸摸屏顯示 圖2 3 盒式氣調包裝機功能視圖 氣調包裝機各種信息包括有用戶的包裝需求、包裝機工作時各種包裝參數(shù)、 熱封溫度、配氣系統(tǒng)各氣體配氣比例，包裝膜長度和光標圖案等各種信息。 步進電機( 卷膜) 電磁閽( 氣調動作) P L C 通訊 單片機 電磁閥( 配氣動作) 圖2 4 盒式氣調包裝機信息視圖 根據(jù)上面所述盒式氣調包裝機功能原理和需求，可進行如下方案設計，如圖2 5 所示 圖2 5 盒式氣調包裝機工作原理圖 1 上模具2 壓板3 封切氣缸4 彈簧5 熱封頭6 切刀7 包裝膜 8 進盒輸送帶9 包裝盒1 0 托板1 1 推送氣缸 1 2 下模具1 3 出盒輸送帶氣缸1 4 自動定量稱重系統(tǒng)1 5 充氣管1 6 抽氣管 其工作位設計常采用上或下運動室式結構，設備的關鍵裝置為氣體密封室，由 上海大學碩士研究生學位論文 上模具1 和下模具1 2 共同組成。其中上模具固定不動，下模具可由氣缸驅動作升 降運動，向上升可與上模具壓合形成一個密封工作室，以便抽真空和實現(xiàn)氣體置 換。上模具1 內安裝有壓板2 ，壓板平面布置有若干熱封頭5 和切刀6 ，由彈簧4 壓 緊，熱封頭內藏電熱絲，由溫控儀控制表面溫度。通過氣缸3 可驅動壓板并帶動熱 封頭和切刀作下壓沖切運動。下模具內裝配有承托模1 1 ，承托模內配合托板1 2 ，氣 缸1 3 可帶動托板1 2 升降。托板上升到頂剛好與承托模相平，方便導入待包裝盒： 托板下降則可使待包裝盒依靠重力進入承托模具。 圖2 - - 6 上、下模具三維圖 氣調密封封合室右邊布置有進盒輸送帶8 ，運動方向由外向內，采用平項鏈結 構。鏈面與下降狀態(tài)的下室座面相平。輸送帶8 右側安裝推送氣缸，可通過推板把 進入的待包裝盒向左推送至承托模上。氣調封合室左邊布置有出盒輸送帶1 3 ，用于 卸出完成包裝的成品。具體的包裝工序如圖2 - - 2 所示，分述如下： 1 、盒送進定位。已裝填物料的硬塑盒由輸送帶1 0 送進，到端部被擋板定位， 同時觸發(fā)接近開關，發(fā)出一個定位信號： 2 、盒推送至下室座。接受定位信號后，機械手或氣缸動作，通過推板把盒向左 平推入下室座，置于托板面上：推板向右撤回，托板1 2 受氣缸1 3 帶動下降，盒依靠 重力落入承托模內： 3 、氣調封合室密封。下室座1 4 由氣缸驅動上升，與上室座壓合形成一個密封 一圭塑查蘭堡圭塹塞生堂垡絲奎 工作室，使硬塑盒及其覆合上膜置于密封室內。密封室接通真空管路，把室內空氣 抽除，經(jīng)抽氣后的室內真空度一般可達到0 0 9 7 0 0 0 9 8 7 MPa ，創(chuàng)造個潔凈 的環(huán)境。其后，按一定配比混合的保鮮氣體充入室內，由上膜與硬塑盒的兩側接合 縫隙進入并充滿盒內空間。最后，氣缸3 驅動壓板2 下行，同時帶動熱封頭5 和切 刀6 動作，熱封頭首先接觸上膜，通過彈簧施壓，使上膜與硬塑盒接觸面熱融封合： 當彈簧壓縮到一定程度，切刀到達盒面，實現(xiàn)沖切薄膜動作： 4 、氣調封合室開啟、盒出模。下室座降落，已封合并分切上膜的成型盒隨座 下降。其后，氣缸1 3 動作，驅動托板1 2 上升，把包裝盒頂升并脫出承托模：氣缸9 動作，通過推板把新送進并定位的待包裝盒向左平推入下室座，而成品盒則被待包 裝盒推出下室座，并被輸送帶1 5 卸出。與此同時，封合上膜在卷膜機構的驅動下步 迸一段行程，步進長度與硬塑盒長度相適應。如上所述，可實現(xiàn)熬個包裝工序的自 動循環(huán)。 同時，從以上的方案設計來分析，硬塑盒氣調保鮮包裝的過程控制，與室式真 空充氣包裝機相似，實際上是一連串工序按順序調控而實現(xiàn)的，其效率受到各工序 時間的影響，其單位時間工作循環(huán)計算公式為州： T = 6 0 ( t1 + t2 + t3 + t 3 + t 4 + t5 + t6 ) 式中： T 為工作循環(huán)( 1 min ) ： t1 為推送盒時間( s ) ： t2 為包裝盒入模和上下模具壓合時間( s ) ： t3 為抽真空時間： t4 為充氣時間( s ) ： t5 為熱封時間( s ) ； t6 為室座分離和包裝盒出模時間( s ) 。 推送盒時間tl 受機械手或氣缸速度和推送行程影響，推送行程為固定值，通 過調整節(jié)流閥可改變氣缸速度，使推送運動迅速而平穩(wěn)。t2 和t6 ，同樣受氣缸速 度和運動行程影響，其中運動行程取決于硬望盒深度，可根據(jù)實際設計確定。熱封 時間t5 與包裝材料有關，而且應配合不同的熱封溫度來選擇，應根據(jù)不同的包裝 材料選擇不同的熱封溫度以及熱封時間。由于采用的旋片式真空泵屬于容積式泵， 因此真空時間t3 和充氣時間t4 可參考本文第三