双软管灌装封尾机研究现状与发展趋势

孟爽，黎光辉，，张炜，刘松昀，，吴朝武

（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）

0 引言

随着经济的发展，以及人们生活水平的显著提高，人们对化妆品、牙膏等日常生活用品的需求不断地增加，膏体包装市场的规模也在不断地扩大[1-2]。软管灌装封尾机是药膏、化妆品、牙膏等膏体包装生产线的核心设备[3-5]，国内此类膏体的包装广泛采用单软管灌装封尾设备，但由于单软管灌装封尾机的生产效率较低，已不能满足当前膏体包装的市场需求。针对这一问题，需对智能双软管灌装封尾机进行研究与创新，进而保证产品生产的质量和稳定性[6]。若国产智能双软管灌装封尾机研发成功，不仅可以高速、高效、高质量地对膏体进行灌装封尾[7-8]，还将大大降低工作人员的工作强度，同时也能提高企业的生产效率[9]。本文将结合国产单软管灌装封尾机的发展现状，对比国外先进企业生产的双软管灌装封尾机，分析、阐述我国双软管灌装封尾机的发展现状及今后的发展方向。

1 软管灌装封尾机现状

国内软管灌装封尾机的研究与开发是近十几年才开展的，对于单管设备已经掌握较成熟的技术，但是对于双软管灌装封尾机的研究，基本上是处于研发的初始阶段。软管灌装封尾机的自动化程度及各机构运行的协调性要求高，灌装精度、运行稳定性等技术要求高，制造研发难度较大。国内对该设备的研发主要在是引进、吸收国外企业先进技术的基础上围绕国内市场需求开展的。目前国内膏体包装仍广泛采用单软管灌装封尾设备，对于双软管灌装封尾机的应用几乎都是依靠进口。国内生产软管灌装封尾机的企业有浙江日高、上海龙腾科技、江苏无锡诺亚、瑞安华联等，这些企业生产的软管灌装封尾机速度能够达到70～120 支/min的中低速灌装膏体的水平；国外生产软管灌装封尾机的先进企业有德国的IWK公司、瑞典的NORDEN公司、意大利的BERGAMI公司等，这些企业的灌装速度基本在200 支/min以上甚至更快，已具备了较为成熟的双管灌装封尾技术。

1.1 国外研究现状

1.1.1 德国IWK公司的FP 34-2灌装封尾机

德国IWK公司软管封尾机全程采用伺服控制，可实现自动送管、智能上管、自动灌装、自动检重与装盒[10]。IWK公司的FP34-2设备（如图1）是目前较为先进的双软管灌装封尾机。其主要优点为：1）高科技伺服驱动。设备采用5个伺服驱动器，4个附加的伺服驱动器可供选择，保证智能操作、运行稳定、灌装精度高，具备良好的可访问性，通过使用伺服技术实现最大的工艺可靠性。2）标准化程度高。FP系列设备的部分产品是可以互换的，实现配件通用，简化了备件的存储、维护与服务。3）高速度与高精度。FP机型的生产效率高达300 支/min，而型号为FP34-2的双管灌装封尾设备的生产效率可达220 支/min。采用椭圆轨道输送，铸造链环，链条不存在伸展现象，坚固耐用的链条可实现高精度定位，全程伺服电动机驱动，高精度行星齿轮传动，实现高精度运行与灌装。

图1 德国IWK公司FP34-2灌装机

IWK公司FP系列灌装封尾机的热封机构如图2（a）所示，采用最先进的热空气冷却系统，可持续节约能源。双管灌装封尾设备采用旋转叶片泵灌装，如图2（b）所示，能够实现在线清洗，灌装精度高，并具有优化的产品流量和更有效的易清洗设计结构，采用无死角设计，清洁更加方便，大大减少了清洗时间，密封件（易损件）数量减少。

图2 IWK FP系列灌装机核心机构

1.1.2 德国IWK 公 司TFS80-2 灌装封尾机

IWK公司的TFS80-2设备（如图3）与其他软管灌装封尾机的最大区别在于其整机的布局形式较为特殊，绝大多数软管灌装封尾的输送轨道采用平面式，上管采用垂直式，而TFS80-2设备的输送轨道采用立体式，上管采用水平式。其生产速度可以达到180 支/min，能够满足长为50～250 mm、容量为10～400 mL的软管灌装封尾。TFS80-2双管灌装封尾的生产效率在TFS80系列中并不算高，现在IWK公司机型为TFS80-8的生产速度可达750 支/min。

图3 德国IWK公司TFS80-2灌装机

TFS80-2灌装封尾机具有以下优点：1）在管座尺寸范围内，能够灌装封尾多种规格型号不同的软管，具有较好的柔性与灵活性；2）采用伺服驱动控制的双管灌装系统，灌装精度高，速度快；3）彩色触摸屏操作面板，操作、维护和服务支持可通过一个屏幕模块进行；4）可仅通过接合或分离联轴器，实现快速更换不同的封管系统实现；5）平滑的机器表面便于机器快速清洁；6）通过使用伺服控制技术取代传统的纯机械传动，使设备的运行更加稳定；7）设备总体布局符合人体工程学的要求。

1.1.3 瑞典NORDEN 公司NM1702灌装封尾机

瑞典NORDEN公司的NM系列机型中，NM1702双软管灌装封尾机（如图4）的生产速度可以达到170 支/min，而机型为NM5002的生产效率可达到500 支/min。NM系列机型的灌装精度高，膏体的计量精度达到0.1%～0.5%。NM1702机型的灌装封尾机对膏体的最大的灌装容量能够达到300 mL，能够满足长度为50～250 mm、直径为10～50 mm的软管的灌装。

图4 瑞典NORDEN公司NM1702灌装机

NM1702灌装封尾机具有以下特点：1）采用椭圆形管座运输系统，可实现顺时针与逆时针的双向传输，允许客户选择最适合的线路布局；2）封尾装置对软管为铝塑复合材料或全塑料是适合可用的，能够满足对多种不同规格型号的软管进行调整，给软管的封合提供最大的灵活性；3）设备外型线条简洁，便于清理、更换和维护。NORDEN创新的在线校验称重系统，确保了灌装精度，同时进一步提高了生产效率；4）NM1702采用NORDEN独特的封闭隧道式灌装封尾，适用于洁净或无菌要求的药品包装。

1.1.4 意大利BERGAMI公司TF200灌装封尾机

意大利BERGAMI公司机型为TF200封尾机（如图5），具有双通道直线自动灌封尾，适用于金属、塑料、层压管，具有高容量的进给系统。灌嘴结构设计简单，方便清洗，能够达到防止膏体泄漏的标准。灌装机构的运动由伺服电动机控制的运动，其自下而上填充，防止在管中形成气穴，保证了高黏度产品在高速情况下也能稳定精确地灌装。设备较适合管径为φ11～42 mm的金属软管，管径为φ11～50 mm的塑料软管，长度为50～240 mm的软管类型，灌装膏体的范围为3～250 mL，能够满足多种规格型号的软管进行灌装封尾。

图5 意大利BERGAMI 公司的TF200封尾机

1.2 国内研究现状

1.2.1 浙江日高单管灌装封尾机

浙江日高公司的RGNF-80B的单管灌装封尾机（如图6）生产效率可以达到80 支/min，灌装量误差不超过±1%。该设备的自动送管机构、光标检测机构、灌注机构、热封尾机构等机构的同步精度高，长时间运转时故障率低，灌装精度准确且稳定性好，能够满足中黏性、高黏性物料的高速灌装及高质量封装的要求[11]。设备与膏体物料接触部分的材料全部采用316L不锈钢材料，符合GMP要求。

图6 浙江日高封尾机

1.2.2 上海龙腾软管封尾机

上海龙腾的软管封尾机（如图7）的转阀采用ABB伺服驱动器，缸体、活塞、转阀采用陶瓷泵，封尾机灌装机构的升降采用凸轮和直线导轨，灌装机构的运作稳定，灌装精度高，能够保证系统的稳定性。软管灌装封尾机的稳定生产速度为100～120 支/min，膏体产品的灌装封尾能够满足美观、密封等要求。

图7 上海龙腾封尾机

1.2.3 无锡诺亚SGF塑料软管灌装封尾机

江苏无锡诺亚机械有限公司的SGF塑料软管灌装封尾机（如图8）的生产能力为70 支/min，计量精度为2%，供气压力为0.6 MP。该设备采用回转式的柱塞式灌装机构，灌装精度高，采用光电控制方式，软管尾部内加热封尾等所有工作均采用高精度气缸全程控制，满足运行稳定、灌装量调节方便、灌装速度可调等性能要求。该灌装封尾机能够满足各种规格型号的复合软管的膏体灌装、软管加热、封尾及切尾等工序。SGF塑料软管灌装封尾机生产出来的产品不仅外形美观整齐，还满足密封性能、灌装计量精度等要求。SGF塑料软管灌装封尾机还可以根据灌装膏体特性的不同，选择合适的膏体配料斗加热系统、膏体防拉丝灌装头等。

图8 江苏无锡诺亚SGF塑料软管灌装封尾机

1.2.4 浙江瑞安华联软管灌装封尾机

浙江瑞安华联的GF-400/800/F/自动软管灌装封尾机（如图9）采用12工位设计，可以实现金属软管的多种折叠形式的封尾，同一台设备能够简单方便地通过更换不同的模具和相适应配件实现塑料软管及金属软管的封尾。

图9 华联封尾机

GF-400L软管灌装封尾机的生产能力为30～70 支/min，灌装容量可以达到400 mL，适合直径为12～42 mm、长度为50～220 mm的软管，膏体灌装精度为1%，热封功率为3kW。GF-800F软管灌装封尾机，生产能力范围为60～120 支/min，灌装容量也可以达到400 mL，适合直径为13～50 mm、长度为50～220 mm的软管，膏体灌装灌装精度为1%，热封功率为6 kW。

华联软管灌装封尾机优点有：1）采用按钮与显示屏的结合，能够实现对设备的无级调速控制和相关参数的设置，方便工作人员对设备的操作；2）采用了全自动化生产，实现智能供送软管、软管对标、吹氮气、膏体灌装、软管尾部的加热及封尾、喷码等生产目标；3）对标系统的精度高，能够降低软管外体及色标的色差范围；4）各种装置调节部位外置，调节方便、操作简单（适用多种规格、多品种的生产）；5）采用机电一体化的智能生产方式，可实现无管不灌装，以及气压不够、安全防护门不关紧等问题的报警显示等功能。

1.3 国内外软管灌装封尾机参数对比

我国的软管灌装封尾机生产企业基本以中小型企业为主，生产规模比较小，自主研发投入不足，研发能力较弱[11-21]。因此，企业产品技术含量比国外低[22]，灌装速度能够达到120 支/min的企业寥寥无几，灌装精度普遍为1%，而国外设备的灌装精度基本能够达到0.1%。当前国内多采用单软管灌装封尾机，而双软管灌装封尾机主要依靠进口。国外企业（如德国的IWK、瑞典的NORDEN等企业）生产的软管灌装封尾机，不仅生产速度快、效率高，而且设备灌装精度高，灌装膏体容量的范围广。国内外高端软管灌装封尾机技术参数对比如表1所示。

表1 国内外软管灌装封尾机技术参数对比

2 发展趋势

在最近的几年，我国的软管灌装封尾机的发展一直保持着稳定的增长速度。2020年我国食品机械总的市场规模达到了6000多亿美元。可见，软管灌装封尾机在国际上的市场需求依旧很大，同时竞争也日益激烈。单管设备的生产效率已经不能满足膏体包装市场的需求。未来双软管灌装封尾机将迎合现代社会发展的需求，其将朝着以下几个方向发展。

2.1 多功能与专用高速两极化

随着食品包装业的不断发展，对日常生活用品如牙膏、化妆品等膏体包装的要求也越来越高，传统的软管灌装封尾机和控制模块已经不能满足现代社会发展的需求，需要采用高新的技术提升设备的使用性能。软管灌装封尾机的目的在于提高产品的生产效率和产品的多样化[23]。这就使得软管灌装封尾机将朝着多功能与专用高速化的方向发展[24-25]。多功能化要求软管灌装封尾机的功能模块可以根据包装不同产品类型进行柔性及灵活性的变换与组合[26-33]。高速化生产要求软管灌装封尾机不仅能实现自动、高速、高效化的生产，还要能够实现多支软管同时灌装膏体，其生产效率比单软管灌装封尾机更高。因此，多功能与专用高速两种类型的双软管灌装封尾机将是今后发展的必然趋势。

2.2 标准化

我国的软管灌装封尾机的生产主要以中小型企业为主，不同企业的零部件都有着不一样的标准，很难形成统一的标准，这也是这些中小型企业很难变大变强的因素之一。当前，我国已经有一部分企业为了完善软管灌装封尾机的行业标准，共同参与起草并发布了区域性的标准，标准化是未来软管灌装封尾机发展的方向之一。软管灌装封尾机规格型号、零部件等的标准化有利于企业的发展，不仅能够对产品、设备等形成统一的规范，对产品质量的提高也能起到推动的作用，并对国内的产品走向国际市场起到一定的促进作用[34-35]。

2.3 智能化

随着现代社会的发展，提高灌装封尾机整体生产力和实现多品种产品的自动化生产是很重要的[36-42]。自动化能够满足产品快速生产的要求，信息化能够实现产品精确生产的目标。随着社会劳动成本的增加及人口老龄化的发展，实现智能化生产使企业降低成本，为设备增加智能元素，进一步提高市场的竞争能力。在智能化方面，德国IWK、瑞典NORDEN、意大利BERGAMI等公司在软管灌装封尾机工作中能够实现机械手同时快速上管，全程智能自动化生产。今后智能化的软管灌装封尾机不仅能够高速、高效地生产，还能够进行远程控制、远程诊断，自动排查并处理故障等智能化服务[43]。为了进一步快速抢占国内外包装市场，我国软管灌装封尾机需要朝着智能化的方向发展，以满足客户及市场的需求[44]。

2.4 无人及无菌化

软管灌装封尾机的料仓是具有一定的空间局限的，不能一次性放置很多软管，只能依靠人工放置并经常需要补充软管，这不仅大大增加了劳动力成本，还容易造成第二次污染。而且牙膏、药膏等膏体都是与软管进行直接接触的，如果软管不能保证无菌化，生产包装出来的产品就不能达到食品卫生要求。因此日常用品类膏体的整个生产及包装过程需要进行无菌化处理。无人化不仅能减轻企业的劳动成本，还能避免因生产工作人员不当操作而产生的不良影响。无人、无菌化是很多生产研发软管灌装封尾机企业追求的目标，这也是这些企业发展的时代要求与市场机遇。

3 结语

我国对软管灌装封尾机的生产基本都是中小型企业，对其研究也是近十几年来才开展的，虽然在单软管灌装设备上的研究已经取得了较大的成功，但是在双管甚至多管灌装设备上的研发还是处于初始阶段。我国中小企业生产研发的单管灌装封尾机不论在设备的运行稳定性、灌装速度、精度等技术方面，还是在设备的布局设计方面，都与世界先进技术存在很大的差距。但是，随着我国经济的发展及科技水平的提高，相信我国将有更多的中小企业在双软管灌装封尾机甚至多软管灌装封尾机的研发生产方面取得突破性的进展。

国产双软管灌装封尾机能够应用于我国市场，将为我国化妆品、牙膏等类膏体的包装企业带来更大的经济效益，同时也能为我国软管灌装封尾机提高国际竞争力和走向国际创造条件。随着市场需求不断发展，今后双软管灌装封尾机的发展将向多功能与专用高速、标准化、智能化、无人、无菌化等方向发展，未来高效的双软管灌装封尾机也将更受企业的青睐。