氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械盒子在封盒過程中的狀態(tài)分析

徐智 馬長帥

摘要：通過對(duì)氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械盒子在封盒過程中的狀態(tài)分析，了解封盒過程中在不同壓力、不同溫度下各個(gè)階段盒子的狀態(tài)變化，通過盒子狀態(tài)的變化判斷盒子的密封質(zhì)量、外觀效果。根據(jù)盒子狀態(tài)的變化及時(shí)調(diào)整抽真空或充氣的壓力、溫度等參數(shù)，可以使包裝盒子的產(chǎn)品質(zhì)量得到提升，同時(shí)對(duì)于機(jī)器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)有重大指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械;盒子;狀態(tài)分析

0? ? 引言

氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械是指通過充保鮮氣將食品包裝在密封盒子中的機(jī)械，其采用保護(hù)性混合氣體（通常為CO2、N2、O2）置換包裝盒子內(nèi)的空氣，達(dá)到產(chǎn)品密封保鮮的效果。使用機(jī)械包裝產(chǎn)品可提高生產(chǎn)率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，并滿足清潔衛(wèi)生的要求。

1? ? 氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械概述

氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)需要在外接氣源壓力、流量穩(wěn)定的條件下工作。模具結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，模具是由上、下兩個(gè)真空室組成的，上部真空室內(nèi)由燙板、切刀等構(gòu)件組成，下部真空室是由一個(gè)腔室組成，封盒的膜置于上、下真空室之間，盒子放在下真空室內(nèi)。

模具的具體動(dòng)作流程如下：上、下真空室先合體（圖1a）→上、下真空室抽真空后充氣或置換氣體充氣→燙板下壓使膜和盒子粘合（圖1b）→切刀動(dòng)作將多余的膜切除（圖1c）→上下真空室放氣口打開使上下真空室內(nèi)氣壓與外部氣壓平衡→上、下模具分開。

模具通過上述動(dòng)作完成對(duì)食品的包裝，使盒子中的食品處于一個(gè)不與外界大氣接觸相對(duì)隔絕的小環(huán)境中，同時(shí)在保鮮氣體的作用下達(dá)到保鮮的目的。

2? ? 封口膜在模具中間的狀態(tài)分析

在圖2（a）中上、下真空室閉合，封口膜處于上、下真空室中間，設(shè)上真空室的充氣壓力是P上，封口膜受壓面積為S上，下真空室的充氣壓力是P下，封口膜受壓面積為S下，上、下真空室合體時(shí)的工作溫度40 ℃≤T工≤190 ℃。如果不讓膜變形產(chǎn)生塌陷等現(xiàn)象，需要使膜的上、下面壓力平衡，則有：

在真空室中膜的上、下受力面積是相等的，即：

則由式（1）得到：

在圖2（b）中，若P上>P下，則有膜凹陷，膜有可能提前粘貼在盒口上影響盒子的封貼效果。

在圖2（c）中，若P上

通過以上分析可知，上、下真空室合體后上、下真空室的壓力相等才能使膜在上、下真空室中間保持不變形，所以在抽真空或充氣的過程中需要上、下真空室壓力平衡。

3? ? 盒子在模具中的狀態(tài)分析

盒子在模具中封口后，盒子內(nèi)部的壓力就是下真空室的壓力，盒子內(nèi)部的溫度主要是燙板對(duì)盒子的輻射造成的，隨著輻射的時(shí)間不同盒子的內(nèi)部溫度也是變化的。

3.1? ? 當(dāng)P上=P下時(shí)封口膜處于水平狀態(tài)

如圖3（a）所示，此時(shí)上、下真空室的壓力是相等的，在切刀的作用下，中間的膜被切斷后上下真空室的壓力還是保持不變，盒內(nèi)的溫度在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)保持不變，在這個(gè)過程中盒子和膜基本保持不變形。

3.2? ? 當(dāng)P上

如圖3（b）所示，此時(shí)上、下真空室的壓力是不相等的，上真空室的壓力小于下真空室的壓力，燙板將膜封貼在盒子上，在切刀的作用下，上下真空室的壓力變成相等的，但盒內(nèi)的壓力仍然保持原來下真空室的壓力。新的上、下真空室壓力P切小于盒內(nèi)的壓力P下，大于原來上真空室的壓力P上，即P上<

P切

密封膜鼓起的程度決定了密封的效果，如果有一定程度的鼓起，拿到室溫中冷區(qū)后密封膜處于水平狀態(tài)是最佳效果，在實(shí)際操作中需要通過多次調(diào)整上、下壓力等參數(shù)獲得。

如果鼓起的高度太高容易造成盒子變形，同時(shí)由于膜的鼓起造成膜與燙板接觸面積過大，局部溫度過高，膜的表面會(huì)形成不良的壓痕，以上因素都會(huì)影響盒子的美觀，降低包裝食品的銷售檔次。

3.3? ? 當(dāng)P上>P下時(shí)盒子上的封口膜處于凹陷狀態(tài)

如圖3（c）所示，此時(shí)上、下真空室的壓力是不相等的，上真空室的壓力大于下真空室的壓力，燙板將膜封貼在盒子上，在切刀的作用下，上、下真空室的壓力變成相等的，但盒內(nèi)的壓力仍然保持原來下真空室的壓力。新的上、下真空室壓力P切大于下真空室的壓力P下，小于原來上真空室的壓力P上，即P上>P切>P下。通過上面的分析可知，此時(shí)盒內(nèi)的壓力小于盒子外部的壓力，所以盒子會(huì)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。

這種有凹陷的盒子從模具里出來后凹陷會(huì)加重，同時(shí)盒子內(nèi)的保鮮氣量不足，會(huì)縮短保鮮時(shí)長，并影響盒子的美觀，降低包裝食品的銷售檔次。

通過上面三種壓力狀態(tài)的分析可以知道，上、下壓力如果不能控制在一個(gè)合理的比值內(nèi)，就會(huì)造成盒子的密封外觀不理想，影響產(chǎn)品保鮮期及產(chǎn)品質(zhì)量。因?yàn)楹凶拥牟牧?、密封膜的材料是根?jù)客戶的要求制作的，材質(zhì)是多變的，所以上、下真空室壓力比值需要通過實(shí)驗(yàn)獲得。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中要控制住上、下模具的空腔體積，上、下真空室的空腔體積差不能太大，這樣有利于控制密封盒子質(zhì)量。

4? ? 盒子從模具中拿出置于室溫的過程中盒子的狀態(tài)分析

將密封盒子從模具中拿出置于室溫的過程就是將密封盒子由高溫區(qū)放到室溫區(qū)的過程，溫度的變化是由高到低的過程。在這個(gè)過程中，密封盒子內(nèi)部壓力、體積都會(huì)變化，壓力是一個(gè)從高壓到低壓變化的過程，體積是從大到小的變化過程。

盒子與膜在燙板的作用下粘合到了一起，封膜盒子內(nèi)部的壓力與下真空室的壓力一致為P下，溫度為T工，封膜后盒子的體積為V工溫，當(dāng)封膜盒子從模具中拿出時(shí)封膜盒子的內(nèi)部溫度相對(duì)比較高，冷卻后盒子的內(nèi)部壓力變?yōu)镻盒內(nèi)，盒子變形產(chǎn)生的壓力為P盒變，室溫時(shí)盒子體積為V室溫，室內(nèi)溫度為10 ℃≤T室≤35 ℃。

因?yàn)楹凶又虚g質(zhì)量不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程則有：

由公式（4）可知，在盒內(nèi)溫度T工不變的情況下，只要P盒內(nèi)的壓力大于盒子變形產(chǎn)生的壓力P盒變，盒子的體積V工溫就會(huì)變大到V室溫，直到P盒內(nèi)=P盒變時(shí)盒子的體積才不變;當(dāng)壓力變化恒定后，隨著溫度的下降，盒子的體積也會(huì)下降，當(dāng)T工=T室時(shí)體積又變化到一個(gè)新的恒定壓力。

通過上面的壓力、溫度、體積分析可知，封膜盒子從模具中拿出來時(shí)由于壓力比外界大，溫度比外界高，其體積在很短的時(shí)間內(nèi)是變大的;隨著溫度的緩慢下降盒子的體積也會(huì)下降，隨著溫度的穩(wěn)定，體積達(dá)到新的平衡點(diǎn)。

注意充氣壓力P下不能過大，在實(shí)際調(diào)試中，上、下真空室的充氣壓力一般不超過大氣壓兩倍，過大容易使盒體產(chǎn)生塑性變形，盒子不能恢復(fù)原形，會(huì)浪費(fèi)包裝材料，影響盒子的封貼美觀度。

5? ? 結(jié)語

通過對(duì)氣調(diào)式盒式食品包裝機(jī)械封盒全過程的狀態(tài)分析，不難看出，本文主要是由盒子不同階段的狀態(tài)分析來找出封盒過程中的變化規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試等環(huán)節(jié)有重大指導(dǎo)意義。本文只是從原理上做了簡明分析，沒有做更深一步的數(shù)據(jù)分析，如果做數(shù)據(jù)分析還需要知道盒子及膜的材料力學(xué)特性，需要建立更深?yuàn)W的數(shù)學(xué)模型，這里不再說明。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：徐智（1971—），男，江蘇人，工程師，研究方向：食品機(jī)械設(shè)計(jì)。