塑料软管灌装封尾机的工艺分析及关键技术

孟爽，黎光辉，刘松昀，张炜，吴朝武，许佩华

塑料软管灌装封尾机的工艺分析及关键技术

孟爽1，黎光辉1，刘松昀1，张炜2，吴朝武3，许佩华3

（1.哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028；2.浙大宁波理工学院，浙江 宁波 315100； 3.浙江日高智能机械股份有限公司，浙江 温州 325003）

通过分析国内外塑料软管灌装封尾机的发展现状和特点，针对国内中小型企业研发新型高端软管灌装封尾机存在的技术难点等问题，对设备的生产工艺路线和关键技术进行深入剖析和总结。对软管灌装封尾机的整体布局和生产工艺进行分析，对比国内外知名企业研发生产的软管灌装封尾机关键工位的结构特点，详细分析设备的上管、对标、灌装和热封尾等工艺路线。通过对软管灌装封尾机的工艺路线分析发现，未来软管灌装封尾机的传动机构将更加融合伺服控制技术，设备也朝更加智能化、高速化、高效化等方向发展。对软管灌装封尾机的生产工艺路线和关键技术进行了详细的介绍，为国内新型软管灌装封尾的发展提供基础，为研发高性能软管灌装封尾的企业和人员提供参考。

粘稠物料；膏体；软管；灌装；封尾机

近年来，人们的生活水平有了很大的改善，人们对塑料软管热封尾的包装要求也逐渐提高[1]。塑料软管包装广泛应用于牙膏、药膏、化妆品等膏体的灌装封尾[2—7]，软管包材主要以PE为主，其灌装容量从几克到四五百克，灌装品质主要从2个方面管控：灌装克重偏差，以及软管尾部封尾和剪尾质量。随着经济和科技的快速发展以及市场需求的多样化，软管灌装封尾机已成为牙膏、药膏、化妆品等粘稠膏体灌装封尾的核心设备[8—12]，其整线的灌装效率与灌装头数息息相关，例如德国IWK、瑞典NORDEN给行业顶尖企业配置的灌装设备的灌装数量达到9头，生产效率高达1000支/min。当前国内如浙江日高、华联药机、上海龙腾等比较知名企业大多只能够研发生产单灌装头的设备，灌装速度基本为80支/min，很少有企业有能力达到200支/min。

塑料软管灌装封尾机的发展从行业需求的角度分析，灌装效率要求从数十支每分钟到数百支每分钟。从生产工艺角度来分析，工艺顺序为自动上管、光电对标检测、管内吹气清洁、膏体灌装、软管加热封尾、剪尾和下管[13—17]。当前国内生产软管灌装封尾机的企业在设备的生产效率、生产工艺等方面的关键技术与国外知名企业（如德国IWK、瑞典NORDEN）相比还有很大的差距。文中将基于软管灌装封尾的基本工艺流程和设备布局，注重介绍软管灌装封尾机的发展现状和其产品生产工艺等关键技术路线，并进一步对国内外典型软管灌装封尾机的相关机构进行详细阐述，同时总结国内设备生产存在的问题和未来发展的方向。

1 塑料软管灌装封尾机总体工艺和设备布局

1.1 灌装封尾工艺

塑料软管包装的产品见图1，这种包装方式具有成本低、使用方便、携带便捷，以及能够满足产品封合要求的密封性、美观性等优点[18—19]。膏体的灌装精度、软管热封尾的密封性和剪尾美观性等都与塑料软管灌装封尾机的总体工艺息息相关。

塑料软管灌装封尾机的生产工艺见图2，大致分为以下步骤。

1）自动上管。软管的自动上管有2种方式，一种采用连杆凸轮机构插管式，另一种为机械手插管式。

2）软管对标检测。软管的对标检测以软管尾部黑色的小黑块为检测色标，主要检测软管是否完好无损。若软管有缺陷，相关信息将被反馈到控制系统，则停止对该软管进行膏体灌装。当软管的材料为铝塑管时，检测时一般还有圆度检测，塑料软管则不需要。

3）软管清洁。软管内部材料直接与灌装膏体接触，而且软管在生产或搬运过程中可能会有灰尘或者纤维屑，对软管管内进行吹气和吸气，一般吹入的气体为氮气或空气等，软管吹气清洁能够保证灌装膏体不被其他杂质所污染。

4）膏体物料灌装。灌装的物料大都为粘稠的膏体，而且膏体的灌装要求快速、精确、卫生，特别是针对灌装药膏等昂贵的粘稠物料，其灌装的精度要求更高。膏体灌装的时候不能产生滴漏或拉丝的现象，否则可能会影响到后续软管封尾的密封性等性能要求。

5）软管尾部加热。软管尾部的加热一般有2种形式：内热和外热。目前对于塑料软管如PE等材料的加热形式基本采用热风加热的内热方式，软管尾部封合的区域需要加热，使其达到封合的温度，并处于熔融状态，为了把加热的温度控制在一定的范围，加热装置需要有冷却装置，一般都采用水冷的方式。

6）软管封合夹紧。软管加热完成后需要进行 夹紧封合，软管尾部的封合需要达到产品密封性的要求。

7）软管尾部的剪尾。软管热封后需要对软管尾部进行剪尾，剪尾的目的是使产品封合美观。

8）产品装盒。剪尾完成后对产品进行生产日期、批号的打码，接着对产品进行检测，检测前面的工艺是否达到成品要求，对符合要求的产品会被打包装盒，最后通过传送带把成品输出。

图1 软管包装产品

1.2 设备整体布局

目前，软管灌装封尾机的整体布局按结构形式基本上分为2种类型：圆盘式和链带跑道式[20—21]。

1）圆盘式。转盘的布局方式更多应用于单管或者双管灌装设备。单管圆盘式的软管灌装封尾机一般应用于低速生产，生产能力在80支/min以下的场合，其转盘的边缘上周期排布软管杯座，依次完成上述灌装工艺步骤。双管圆盘式生产速度较低，跑道速度最快是IWK TFS220双管圆盘式软管灌装机，共有10个双管杯座工位，其灌装生产的速度可达到220支/ min，灌装容量不明。

2）链带跑道式。跑道式设备布局较圆盘式在设备配置、效率上具有更好的柔性，占用的场地较大，更加适合于机械手多管上料方式。其速度范围涵盖低速到高速，灌装数量可以从单头到6头，灌装的杯座超过100。目前，此种布局设备以德国IWK和瑞典NORDEN领先。

当前国内生产的软管灌装封尾机的布局方式基本为圆盘式，对链带跑道式的应用还不广泛，主要的问题在于对链带跑道式的结构布局、多管灌装、封尾等工艺路线结构布局的研究还处于初始阶段。圆盘式与链带跑道式整体布局的结构特点见表1。

软管灌装封尾机的结构布局对其生产效率有很大联系，当前国内生产的软管灌装封尾机普遍采用圆盘式的结构布局，生产速度基本上达不到200支/min，这也是国内设备生产速度不高的原因之一。链带跑道式的结构布局广泛应用在高速、高精度、高质量的软管产品生产线上，特别是能够满足当前市场对双色、三色膏体的灌装要求。链带跑道式的传动机构较复杂，需要更高的技术要求，制造、安装、调试都很麻烦，需要投入的成本较高。

2 关键工位

2.1 上管装置

上管装置主要分为连杆凸轮机构插管式和机械手插管式[22]。前者最多实现3个软管的上管，机构设计复杂，在高速生产过程中容易产生噪声。连杆凸轮机构插管通过自动上管装置把待灌装的软管通过真空吸附旋转90°，把软管从水平放置成垂直，再依次自动插入转盘的管座内，见图3a。后者可实现10支以上软管的上管，效率高。随着现代社会发展的需求，越来越多的企业倾向于采用机械手上管。由图3b可知，IWK公司的机械手芯棒伸入成排的管中，双排错开抓取多支软管，快速准确地把软管插进转盘的管座。超高速的灌装机可能需要采用2个机器人互相配合，现已达到600支/min的灌装速度。

表1 圆盘式、链带跑道式结构布局特点

当前软管灌装封尾机的上管形式基本采用凸轮机构插管和机械手插管。凸轮机构插管式大多只能在中低速生产场合中应用，主要为方便安装固定零部件，凸轮基本上都采用对半开的结构设计。凸轮对半开的结构破坏了凸轮轮廓曲线的完整性，在双半凸轮连接处存在细小的缝隙，凸轮在高速转动的过程中容易造成从动件滚子的跳动，在频繁高速运行过程中会产生较大的噪音。为了解决这个问题，工程上普遍采用弹簧或气缸对从动件进行压紧，使得滚子与凸轮轮廓紧贴运动，这种方法虽然能使滚子跳动的问题得到一定的解决，但是在工程应用中的效果不够完美。对此可以考虑保持凸轮轮廓曲线的完整性，在凸轮端面伸出的部分设计成两半，只需要对凸轮端面伸出部分进行抱紧固定，同时考虑把凸轮设计成内沟槽凸轮，这能够对凸轮滚子起到良好的导向作用，这种方法的缺点是凸轮的加工成本较高。机械手式插管能够快速实现软管的插管输送，更能满足高速生产的需求，机械手式插管的缺点是需要工作人员具备较高的技术本领，成本较高。

2.2 对标装置

软管制造采用塑料片折圆热封，在封口处采用双侧塑料热压熔合，其力学性能、热封性能与其他单层片材不同，同时由于包装图案的正面展示性，需要将色标转动固定的方位[23]。光标检测需要把软管顶起并旋转，光标检测工位中的测管光电开关通过色标传感器检测软管上的定位点，由色标传感器将检测到的信号反馈传到控制系统，从而实现对标的功能[24]。对标装置常用的执行机构有2种，分别为纯齿形（见图4）、电磁铁式。为了增加可靠性，齿形传动处可增加永磁铁。

电磁铁需要通电才能与管座的铁片吸合完成对标。德国IWK公司型号为TFS220的双管圆盘式软管灌装封尾的电磁铁式对标装置见图5。在杆件升降过程中，需要针对特定高度控制电磁铁的通断。软管清洁装置一般与对标装置在一起或相邻，大部分企业采取的吹气方式是当软管的盖子盖上后直接吹气、吸气，去除软管内部可能存在的灰尘和纤维屑。软管内部吹入的气体大多为空气或者氮气。

图3 上管装置

图4 齿形对标

图5 IWK型号TFS220电磁铁式对标装置

纯齿形传动对标是一种可靠的对标方式，在高速生产的过程中需要以较快的速度实现齿形的啮合，在这过程中会造成下方传动齿形与杯座齿形的冲击，在高速频繁工作的情况下容易造成齿形之间的磨损，从而造成对标精度不高，需要经常对磨损的齿形器件进行更换。电磁铁式对标传动机构相对简单一些，需要解决的技术难点是在磁性吸附对标停止时可能会产生微小的滑移，影响对标的精度。

2.3 灌装装置

2.3.1 灌装原理

灌装装置需要根据灌装膏体粘性的不同，采用正确的灌装原理和相应的灌装阀[25]。比较常用的灌装方法有等压式、常压式、真空负压式和机械压力式 等[26—29]。对于日用化妆品、牙膏等，其流体粘度大，靠自身重力难以流动，必须靠外压力才能更好地进行流动。此类流体在灌装时应采用压力法灌装。柱塞式灌装具有良好的输送和定量特性，广泛应用于高粘稠物料的灌装[30—31]。

对于粘性较强会产生拉丝的膏体，灌装完后可能存在膏体从灌嘴泄漏产生拉丝的情况，要求灌装机构带有止漏装置结构[32]。对于粘稠膏体的灌装，需要改善膏体灌装机构，防止灌注产生拉丝[33]。如果产生膏体拉丝容易对软管尾部产生污染，从而影响后面的封尾效果，甚至造成产品的不合格。对于粘性较强的膏体灌装，需要考虑设计吹断剪切装置，以及灌装嘴口开闭堵漏装置。柱塞式灌装头是灌装机构的重要组成部分[34—35]，常用柱塞灌装结构的安装方式有竖直型（见图6a）和水平型（见图6b），不管采用哪种安装方式，在频繁灌装膏体时柱塞缸中的密封圈总是容易磨损，密封圈的寿命一般在3～5 d。

对于灌装速度，需要考虑物料的粘度和相关的特性，灌注的速度并不是越快越好。在灌注时物料不飞溅的前提下，灌注的速度越快越好。这是整台设备速度最重要的限制条件。灌装膏体时，必须防止空气滞留在产品中，这样可以减少顶空真空[36—37]。灌装时灌嘴伸入软管的底部，实现边灌装边退出（见图7），确保物料不会因空气的进入产生空段而出现膏体溢出[38]。

2.3.2 灌装驱动方式

正确灌装动作需要转阀、柱塞、托管和堵料开闭这4个动作合理配置，一般堵料开闭由气缸驱动，其他3个动作可以由凸轮连杆、伺服机构单独或组合驱动。

中低速的软管灌装封尾机常采用凸轮连杆机构实现上述3个灌装动作的配合。凸轮连杆机构能够实现整组灌装机构的上下移动[39]，是保证灌装设备平稳、快速地实现复杂动作的核心部件[40]。浙江日高企业的RGNF-80B机型见图8，该机型的灌装装置采用纯凸轮机构进行传动，为了能够实现大容量灌装，凸轮需要较大的推程，凸轮的尺寸会相对较大。凸轮连杆机构在轨迹参数设计、加工等方面存在一定的难度，若凸轮连杆机构的相关参数设计得不合适，设备一旦高速运行便会出现抖动现象，虽然设备出现抖动对产品的生产不会造成很大的影响，但是各执行机构之间的传动会有一定的冲击，设备在频繁运行后会产生较大的噪音。

图6 灌装机构

图7 灌装

图8 日高纯凸轮机构传动封尾机

浙江日高企业新研发的双软管灌装封尾机见图9，转阀采用凸轮驱动，柱塞和托管采用伺服驱动。日高新型的双软管灌装封尾机简化膏体灌装机构，柱塞采用滚珠丝杆驱动，托管采用伺服电机同步带机构，转阀采用摆杆凸轮机构。IWK公司率先采用纯伺服驱动[41—42]，3个主要动作都采用伺服驱动，并且采用曲柄连杆滑块机构（见图10）。

灌装装置是软管灌装封尾机的核心部件之一，并且能够实现粘稠膏体的定量灌装，目前灌装装置中尚有2个关键技术难点需要解决，其中一个是密封件易损问题，另一个是传动机构的纯伺服驱动控制。用于灌装机构的密封圈一般采用食品级材料的O型密封圈，经过多年的工程实践发现，在设备正常运行的情况下柱塞缸中活塞频繁往复运动加剧了密封圈与柱塞缸的干摩擦，密封圈最长的寿命约为7 d，提高密封圈的使用寿命是当前膏体灌装生产需要解决的技术难题之一。纯伺服传动驱动控制是实现设备智能化生产的前提，当前国内设备大多采用传统的纯凸轮传动机构，少部分能够采用伺服和凸轮传动组合的结构。传统凸轮传动机构的传动路线复杂，而且在设备高速运行过程中容易发生抖动等现象，这也是国内设备目前存在的问题之一。

图9 日高凸轮与伺服电机组合灌装封尾机

图10 IWK纯伺服传动灌装封尾机

2.4 热封尾

软管进行尾部封合前，其内侧必须处于熔融 状态，同时外侧平整。加热方式为内热的热风加热封尾[43]。热风加热封尾利用电加热器产生的热风进入加热装置的内腔，加热装置内腔的热喷头会发热，利用热喷头产生的热量对软管尾部进行熔融密封，见图11。塑料软管的热封一般不采用高频、电加热和超声波等加热方式[44]，高频密封技术只适用于极性材料的介电密封，如聚氯乙烯或需要金属元件的感应密封，如铝[45]，超声波密封主要适用于粉末、咖啡、面粉等松散物料的灌装封尾[46]。

热风加热塑料软管时温度需要控制在一定的范围，温度过高容易造成软管膜损坏，影响外观质量[47]。加热机构需要设置冷却装置，如图11中的冷却管道，这样可以防止热封的温度过高。热封的传动机构也有2种，分别为软管上升和加热装置下降。需要其能够根据软管规格型号的不同进行上下升降行程的调节。

图11 加热装置

软管加热和封尾是软管灌装封尾机的2个关键技术，封尾需要控制合适的压力和间隙。热封夹头有2种设计：控制压力和控制间隙。控制压力通常采用气缸进行夹紧密封；控制间隙需要有能够微调的间隙，采用凸轮插片凸轮式来微调。同时，一般这两者的传动机构都可以采用凸轮连杆机构来实现，上下升降的行程可以通过调节连杆的长度来实现。

当前采用较多的塑料软管的加热方式是内热的热风加热，这种加热方式在国内外的应用都很成熟。热喷头吹出来的热风还不能实现回收利用，而是直接排到大气中。若能对热喷头吹出的热气经过滤回收利用，能有效减少资源浪费，同时也是未来高端软管灌装封尾机发展的方向之一。

2.5 剪尾

剪尾机构与夹紧封尾机构的执行动作很相似，可以借鉴夹紧封尾机构。常见的软管剪尾形式（见图12）有波浪形、裙边形、圆弧形等。

为了保证剪尾效果的美观，需要注意剪尾刀的布局放置：外侧切刀平行安装，切尾时先到位，靠住已经封尾的外侧边；内侧切刀倾斜安装，切尾时后到位，完成切尾动作；外侧刀在垂直方向上应该浮动，补偿剪尾是切刀的垂直方向上的间隙，见图13。

图12 软管剪尾形式

图13 剪尾机构

上述软管剪尾形式都体现了剪尾机构能够实现多元化的软管尾部剪尾。在工程中还需考虑到实际应用的问题，例如直线型采用的是剪刀方式切边，受力区域是1个点，依次形成一条直线，这样切出的软管尾部才美观；曲线型（如弧线、波浪形状）切刀的形状和磨损特别严重，可能1次磨完尺寸就会有变化，曲线切割应该从中间向两边切开，刀具的磨损和刀具的布置是软管尾部剪尾需要解决的技术难点之一。

3 结语

概述了塑料软管灌装封尾机的工艺分析和关键技术的研究，并分析得到以下结论。

1）灌装机构中密封件寿命短，需要频繁更换的问题尚未得到有效的解决。在灌装机构中密封圈的应用比较多，密封圈的类型以食品级硅胶O型密封圈为主，若密封圈处于静密封的环境中寿命能够长达一两个月，处于动密封的环境中密封圈的使用寿命最长为7 d。对于膏体灌装密封问题，至今尚未找到一 种材料既满足食品卫生要求，又具备较长寿命的密 封圈。

2）在未来的设计和发展中，软管灌装封尾机的发展需要集多种新材料于一体，采用高新的技术提升设备的使用性能，进一步拓宽设备的使用范围，主要体现在设备的灌装机构具备易清洗结构、符合人机工程学、用途多、外观整洁美观，符合食品卫生等要求，以及设计过程中注入的环保意识强，节能化程度高等。

3）新型的软管灌装封尾机的结构布局将趋向于链带跑道式结构发展，生产也将朝着更加高速、高效化等方向发展，生产出来的产品更加美观，封尾、剪尾的图案类型也更加多元化。

4）未来高端的软管灌装封尾机的驱动方式将朝着纯伺服控制技术的方向发展，能够实现更加智能化生产，例如能够实现产品的在线称质量、远程控制诊断、自动排查处理故障等一系列的智能化服务。

文中详细介绍了软管灌装封尾的关键工艺和技术，分析了软管灌装封尾机的各个生产工艺路线，包括自动上管的不同方式、光电传感器对标检测的不同传动机构、灌装的工作原理，以及不同的结构类型、热封尾和剪尾形式等关键工位结构特点。文中还对比分析了国内外知名企业研发生产的典型软管灌装设备的关键装置和技术，为从事此类研发的人员提供了技术综述。

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Process Analysis and Key Technology of Plastic Hose Filling and Sealing Machine

MENG Shuang1, LI Guang-hui1, LIU Song-yun1, ZHANG Wei2, WU Chao-wu3, XU Pei-hua3

(1.School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 2.Ningbo Tech University, Ningbo 315100, China; 3. Zhejiang Rigao Intelligent Machinery Co., Ltd., Wenzhou 325003, China)

The work aims to analyze the development status and characteristics of plastic hose filling and sealing machines at home and abroad, in order to deeply analyze and summarize the production process route and key technologies of the equipment for solving the technical difficulties existing in the research and development of new high-end hose filling and sealing machines by domestic small and medium-sized enterprises. The overall layout and production process of hose filling and sealing machine were analyzed. Compared with the structural features of key stations of hose filling and sealing machines developed and produced by well-known enterprises at home and abroad, the process routes such as hose feeding, benchmarking, filling and heat sealing were investigated in details. Through the analysis on the process route of the hose filling and sealing machine, it was found that the transmission mechanism of the hose filling and sealing machine was more integrated with servo control technology, and the equipment would be more intelligent, high-speed and efficient in the future. The production process route and key technologies of hose filling and sealing machine are introduced in details, which provides a basis for the development of new hose filling and sealing machine in China and a reference for enterprises and personnel developing high-performance hose filling and sealing machine.

sticky materials; paste; hose; filling; sealing machine

TB486

A

1001-3563(2022)01-0042-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.006

2021-08-01

宁波市公益类科技基金（202002N3082）

孟爽（1979—），女，博士，哈尔滨商业大学副教授，主要研究方向为现代食品加工技术与装备。