食品包装机的横封机构运动仿真分析

康玉辉，周丹

1. 河南工学院机械工程学院（新乡 453003）；2. 河南牧业经济学院能源与智能工程学院（郑州 450046）

随着社会进步，人民生活水平有了大幅提高，各种生活必需品都需要有精美的包装，这促使包装行业的迅猛发展，包装机正朝着高品质、高效率、高速度方向发展。美国、日本和德国等国家生产的包装机代表世界最先进水平，国内自主生产的包装机发展较迟，还存在一些问题，国内包装机主要依靠进口[1-5]。横封横切是食品包装的关键步骤，它关系到包装机的速度与品质。因此，对食品包装机几种常用的结构做了分析介绍，并对转动导杆结构做了深入分析。

1 常用的横封结构

枕型包装机根据其结构形式分为卧式和立式2种，其横封机构基本相同。横封结构的原理是将上下2层热熔性的包装膜加热后粘合成一道密合的横缝，所谓横向是指垂直于包装膜和物料的运行方向，与纵封相对。横封机构由驱动机构、传动机构、执行机构等组成。横封辊轮是其执行机构，表面一般设有各式各样的花纹，用来增加封口的密合性，并且具有一定美观效果。目前常用的横封机构大体上可分为3类：旋转式、往复式和旋转往复式[6-8]。

1.1 旋转式横封机构

旋转式横封机构的结构主要由回转辊轮、加热器、切刀及传动机构等组成，它是通过2个转速相等且转向相反的平行轴，分别带动一个封切刀座作相对旋转运动，典型结构如图1所示。回转辊轮、加热器和切刀装在刀座上，封切压力通过弹簧调节，2个轴旋转1圈完成1次横向封合和切断。传动结构一般采用不等速回转机构。旋转式横封机构可以达到较高的运行速度，且结构简单。

1.2 往复式横封机构

往复式横封机构一般是通过凸轮连杆机构与驱动机构结合的方式实现封合的间歇运动，结构形式如图2所示。根据其功能可以分为2类，一类是只做间歇式的封合，另一类是既做间歇式的封合又做间歇式牵引运动。封口方式主要有热板式和脉冲式，间歇运动主要通过机械和气动结合的方式实现。由于其运行过程中会一直有启停运动，所以有较大的封合冲击，由于速度越高产生的冲击力越大，冲击力会造成机身振动，影响包装效果，所以往复式横封机构一般速度较慢，适合尺寸较大、厚度较高的物品的包装。

图1 旋转式横封结构

图2 往复式横封结构

1.3 旋转往复式横封机构

旋转往复式横封机构的运动由旋转臂的旋转运动和移动臂的往复运动组合形成[9]，基本结构如图3所示。它的运动轨迹是D型轨迹，在运行时，D型轨迹的直线部分用于封合，与圆形轨迹相比，热封时间变长，且采用热板式封合的方式，使封合接触方式由线接触变为面接触，从而提高横封品质。旋转往复式横封机构一般有2个伺服电机驱动，其运动轨迹是通过伺服电机控制实现的。旋转往复式横封机构适用于有一定厚度或对密封性要求较高物品的枕形包装，与旋转式横封机构和往复式横封机构相比，旋转往复式横封机构结构较为复杂，加工成本高。

图3 旋转往复式横封结构

旋转式横封机构运行速度高，结构简单，且冲击小，运行平稳，更适合小袋食品包装。但要得到高的封合效率和封口品质，必须满足一定横封工艺要求：横封头的运行速度必须与包装袋的运行速度一致，否则会影响横封品质；横封头需要做不等速运动，使封口和切断时运行速度慢，空程时运行速度快，从而既保证封合效果，又保证运行速度。

2 曲柄导杆机构运动特性分析

旋转式横封机构常用的不等速传动机构有曲柄导杆机构、椭圆齿轮机构、偏心链轮机构、差动机构等[10-13]，其中曲柄导杆机构原理简单，零件较少，设计调节方便，且运动规律，变化平缓，所以曲柄导杆机构在旋转式横封机构中应用比较广泛。

曲柄导杆机构结构简图如图4所示，其中AC为导杆，BC为曲柄，曲柄、导杆中任意一者作为主动件做匀速回转运动，则另一者做非匀速回转运动，且两者的非匀速回转运动的运动规律不同。以导杆AC为驱动件进行分析，设其匀速回转角速度为ωA，曲柄对应的角速度为ωB，两者转动轴心距为e，曲柄长度为a。

图4 曲柄导杆结构简图

设导杆在某一瞬时与AB之间的夹角为θ，曲柄对应的夹角为φ，由三角形ABC可得到：

对时间t求导并整理得：

根据定义可得：ωA=dθ/dt，ωB=dφ/dt，将ωA、ωB代入并整理得到：

式中：i=e/a。

将式（1）和式（3）组合求解得到：

根据式（4）可得，当θ=0时，ωB具有最小值，当θ=π时，ωB具有最大值。

由式（4）对时间t求导得到，曲柄的角加速度：

由式（5）可得，当θ=1/2π时，曲柄角速度aB具有最大值。

3 曲柄导杆机构运动仿真分析

设曲柄长度100 mm，曲柄与导杆的转动轴心距60 mm，导杆转速100 r/s。通过SOLIDWORKS建立三维模型图，导入ADAMS中进行运动仿真分析。ADAMS虚拟样机软件是目前世界上应用最广泛的机械系统仿真分析软件，使用该软件可以真实地反映机构的运动过程。

主要通过ADAMS/View模块对机构作运动分析，将模型导入后对模型各个零件的材料属性、质量等进行赋值，并设定工作环境，根据曲柄导杆机构的实际运动情况添加约束和相应的运动副，添加载荷和驱动[14-15]。

曲柄导杆机构输出端的角速度与角加速度曲线如图5和图6所示。当导杆转角等于0°时，输出端的角速度最小。当导杆转角等于180°时，输出端的角速度最大。当导杆转角等于90°时，输出端的角加速度最大。与理论分析结果一致，证明理论分析的正确性。

图5 输出端角速度曲线

图6 输出端角加速度曲线

4 结语

对旋转式横封机构、往复式横封机构、旋转往复式横封机构做了分析介绍，旋转式横封机构更适合小袋食品包装，对旋转式横封机构常用的转动导杆结构作了深入分析，建立数学模型，得到机构的速度与加速度方程，运用ADAMS软件对其进行运动学分析，随着导杆转角变化，机构的角速度、角加速度随之变化，通过仿真曲线得到机构具有最大角速度与角加速度时，分别对应的导杆角度值，证明理论分析的正确性。此次研究为包装机横封机构的研究及控制系统的设计提供理论依据，为食品包装机的设计提供技术支持。