危化品双层包装袋内袋扎口装置的设计

王　帆，黎厚斌，张国全，王　娈 ，王北海

(1.武汉轻工大学机械工程学院，武汉 430023；2.武汉大学，武汉 430072)



危化品双层包装袋内袋扎口装置的设计

王帆1，黎厚斌2，张国全1，王娈1，王北海1

(1.武汉轻工大学机械工程学院，武汉 430023；2.武汉大学，武汉 430072)

摘要：为提高危化品双层包装袋封装的自动化程度，分析双层包装袋扎口装置的工作原理，建立双层包装袋扎口装置主要部件的设计思路和结构模型，并对关键参数进行优化处理。最终得出双层包装袋扎口装置设计方案。

关键词：危化品；双层包装袋；内袋；扎口装置

0引言

近些年，我国易爆品的包装技术发展非常的迅速，最大的体现就是包装机种类的增多以及包装性能的卓越。除铵梯炸药外，炸药生产工艺从原材料投放到制成炸药(包装前)已逐步实现半连续化或全连续化作业，尤其是乳化炸药和固体粉状乳化炸药已实现了微机监控全连续自动化生产工艺技术[1-3]。

相比较而言，某些特种行业小颗粒状危化品的包装工艺较为落后，包装过程大部分还采用人工完成，机械化程度低、工艺比较落后，劳动强度大，且存在较大的安全隐患。随着技术的进步与发展，必须对其生产过程进行改造和提高，以适应和匹配大生产要求的连续自动化作业，以期全面提高小颗粒状危化品的生产水平[4-5]。所以本文着重研究小颗粒状危化品封装双层包装袋内袋扎口装置的工作原理及设计思路。

1双层包装袋扎口工作原理

1.1处理对象基本参数(袋、桶模型)

包装袋:包装袋尺寸为502×926mm，采用两层塑料袋充填，袋口半径160mm。

包装桶:桶的材料为纸桶，桶内腔尺寸：深度420mm，直径340mm。

1.2现有手工扎口方式

现有的扎口方式先将装好袋的物料装入包装桶内，然后将包装袋进行一次缠绕扎口，然后将扎口位置对折后用塑料绳进行二次扎口。

1.3扎口原理

1.3.1袋口分离策略

为了使该双层包装袋的内层袋和外层袋分离，便于内层袋的扎口。设计内层袋比外层袋高出一定距离，使内层袋高出部分被夹块夹住后，外层袋可以被顺利下拉至桶口处，便于内层袋的扎口。

1.3.2收袋口方式

收袋口分两次收口，第一次收口后进行排气，然后再次收口并扎口。第一次收口时，袋口由圆形变成一条直线，由于袋口的直径为320mm，当收成一条直线时，袋口长度达到502mm，长度较长影响二次收口，此处，将第一次收口夹内侧改成波浪形，如图1所示(图中波浪曲线的长度约为502mm)，尽量缩短夹块的长度，方便二次收口。第二次收口时，要尽量使袋口收成一个圆形，并要使圆形直径越小越好。因此，二次收口夹做成如图2所示，可将袋口收成一簇直径不超过60mm的圆形，便于扎口装置扎口。

1.3.3排气原理

为了使扎口前袋内尽量不存在空气，需要在第一次夹口后，排出袋中剩余空气。排气方式采用气囊充气挤出包装袋内的空气。

1.3.4扎口方式选择

为了达到消除静电的要求，以及结构的尽量简化，拟采用自锁式尼龙扎带进行扎口，且对本双层包装袋进行3次扎口，内层袋扎口2次，外层袋扎口1次。

2系统结构组成及关键参数优化

2.1主要结构组成

(1)夹块组件。夹块组件主要完成夹住内层包装袋的功能。当传感器检测到双层包装袋运动到指定位置时，夹块组件的两个夹块在两个夹袋气缸的作用下夹住内层包装袋的上部。在夹内层袋时，方便第二次收口，第一次夹袋的夹块(图1)采用了波浪形状；同时，为了防止排气时，内层包装袋袋内的物料飞出，在夹块的上方加入了收气口，采用负压抽走物料回收。

(2)下拉外袋组件。当夹块组件夹住内层袋后，分布在包装袋袋口4个对顶角位置的下拉外袋组件开始工作。如图3，每个下拉外袋组件，先在双杆气缸1的作用下，将夹指气缸2的夹指3伸入到外层包装袋内；然后夹指气缸夹住外包装层袋袋口；随后，一个小气缸向后拉动双杆气缸，使外层包装袋被拉紧；最后，在向下拉袋气缸的作用下，拉动整个外层包装袋下移。在该过程中，为了实现下拉外袋的稳定性，采用在袋口圆形外接正方形4个对顶角的位置安装4个下拉组件同时下拉的方法。

(3)排气组件。当外层包装袋被拉下后，2个推气囊气缸推动2个充气气囊从两侧靠近内层包装袋，然后，开始对气囊缓慢充气，缓慢挤出内层包装袋内的空气。

(4)夹口组件。夹口组件位于夹块组件的下方。首先，在侧夹袋气缸的作用下，将夹口组件推到包装袋袋口轴线位置；然后，夹口组件中的2个收袋口夹(图2)在2个夹口气缸的作用下，将内层袋口收拢。

(5)扎口组件。如图4所示，首先，送扎带气缸将扎带送至拉扎条进座1，同时夹扎带夹指气缸2夹住扎带的一头；然后，在下移扎带气缸的作用下，推动扎口组件向下移动，使收好口的内层包装袋口通过扎口导向套3穿过扎带；最后，在拉紧扎带气缸的作用下，拉紧扎带，从而扎紧袋口。

由上可知，通过对气缸的协调控制，完成了扎口的各个动作。本装置有结构紧凑、动作连贯、稳定性与可靠性高等优点。为了保证本装置具有较高的工作效率、可靠性和稳定性，需要对本装置的两个关键组件，夹块组件和扎口组件的关键参数进行分析和优化。

2.2关键参数优化

假设扎口装置从双层包装袋运动到该工位到完成扎口的最大运行时间为T；内层袋比外层袋高L1；夹块组件中夹块的长度为L2；扎带扎口位置离扎带存放初始位置的距离为L3；为简化计算，袋子厚度不作为主要参数考虑；在运行过程中，夹块组件中夹块运行速度为v1，下拉外袋组件中外袋被下拉的速度为v2，夹口组件中收袋口夹运行速度为v3，扎口组件中扎带下移速度为v4，拉紧扎带时拉动速度为v5，假设排气组件排气所需时间为T1。同时，定义双层包装袋袋宽为N，内袋高为L，木桶深度为H，扎带初始半径为r1，扎紧后半径为r2。相关结构尺寸如图5所示。

为提高设备生产效率，以该工位各组件运行最大工作时间T的最小值为目标函数，建立其优化模型如下：

目标函数：

(1)

约束条件：

2πR=2N

(2)

L1<100

(3)

L2<2R

(4)

r1<30

(5)

50

(6)

(7)

式中N=502；L=926；H=420。

目标函数式(1)由6项组成，是双层包装袋运动到该工位到完成扎口的最大运行时间，不是系统的工作周期。式(3)和式(4)因结构需要，对取值范围进行限制。对上述模型进行优化处理后，可得出L1，L2，L3的近似最优解。

2.3各组件运动循环图

根据各组件之间运动的配合，将5个组件按驱动件的推程(拉程)与回程段和一个移动件在一个周期时间内对各件所需的时间与起、停点与等待时间绘制成表1所示的各工作组件运动循环图，表1中循环周期T为整个扎口装置完成扎口所需时间。

表1各组件运动循环图

在表1中，推程段表示驱动件(如气缸)从初始位到终止位(下拉外袋组件的初始位置为气缸推杆的伸长状态，终止位为气缸推杆收缩状态)，回程段表示驱动件从终止位返回初始位。粗线表示各组件推程与回程所需的时间，空白处为组件停止运行的时间。

3系统实现

按上面得出的结构近似最优解与各组件动作循环图,物化出如图6所示的三维模型图。

为了消除生产过程中粉尘和静电可能引发的危险，在该装置中对各运动件和连接件采用防尘密封技术的设计，并对容易产生粉尘的部位采用负压除尘技术；同时采用非接触式静电消除技术，并对每个工位都采取接地保护设计。

4结束语

基于传统的手工扎口方式，本文构造出自动完成双层包装袋内袋扎口的机械设备。该设备能自动完成外袋的下拉、内袋的收口和扎口工作。为提高系统运行效率,优化处理了扎口装置的关

键结构参数,提出了各组件运动循环图。

参考文献：

[1] 张国全,梅文清,董结,等.民爆中包包装与装箱全自动生产线方案设计[J].轻工机械,2006, 24 (4) : 161-164.

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[3] 孙牧青.大袋包装方式与设备的选择[J].包装与食品机械，2003，21(4)：28-31．

[4] 张进.工业炸药中包裹包机理的研究[J].煤矿爆破，2008，37(3)：11-13．

[5] 王晓花,丁世云,张国全,等.大袋包装机自动套袋装置设计[J].包装与食品机械，2010，28(6)：21-24．

Design on Inside Bag Enlaceing Device of Hazardous Chemicals in Double Bags

WANG Fan1LI Hou-bin2ZHANG Guo-quan1WANG Luan1WANG Bei-hai1

(1.School of Mechanical Engineering Wuhan Polytechnic University ,Wuhan 430023,China;2. Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Abstract:In order to improve the automation level of double bag packaging for hazardous chemicals, the working theory of enlaceing device of double bags was analyzed, Design ideas and structural model of main components were established to double bag enlaceing device,and the key parameters were optimized. Finally, the design of double bags enlaceing device was gained.

Key words:hazardous chemicals;double bag;inside bag;enlaceing device

doi:10.3969/j.issn.1005-1295.2016.01.010

中图分类号：TB486.1

文献标志码：A

文章编号：1005-1295(2016)01-0038-03

作者简介：王帆(1991- ) ，男，硕士，研究方向为包装机械设计、智能控制。通信作者： 张国全(1962- )，男，博士，教授 研究方向为机械设计及理论、包装工艺，

通信地址：430072 湖北武汉市东西湖区马池路特1号 武汉轻工大学机械工程学院，E-mail:gquanzh@sina.com。

收稿日期：2015-08-07;修稿日期： 2015-08-27