球形水果塑料發泡網套包裝機設計與試驗

徐勤超，陳紅，潘海兵，李善軍

（華中農業大學工學院，農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢430070）

0 引 言

塑料發泡網套能有效降低運輸過程中球形水果發生機械損傷的概率，而且材料成本低[1-3]。目前市場上幾乎沒有水果網套自動包裝的機器。蘋果、臍橙等球形水果的網套包裝只能通過人工的方式進行。而人工包裝勞動強度大，效率低，不能滿足現代農業生產的需要[4-5]。為了解決這一問題，急需研制一種能對蘋果、臍橙等球形水果進行自動快速網套包裝的機器。

國外在果蔬包裝機械方面研究起步較早，設備大多針對多種對象進行包裝，自動化程度比較高，速度快，而且維修方便[6-15]。而國內果蔬包裝設備的研究起步較晚，其技術含量也在逐漸提高，自動化趨勢愈加顯著[16-24]。趙寧等[25]設計了一種球形水果自動包裝機，采用“水平送料，長卷包裝，橫縱封口”的包裝技術，可以實現普通卷筒膜的自動制袋、高質薄膜的單個封口功能，智能化程度較高。李如虎等[26]設計了一套對柚子進行清洗、分級和包裝的自動包裝生產線，可實現全過程自動化處理。2016年由江西綠萌科技有限公司生產一種XB-3220 大型水果自動包裝機，其優點是既能對水果進行套袋包裝，也可以對水果進行套網包裝，但是套網包裝連續性較低，包裝效果差。

本文在分析蘋果和臍橙生物力學特性的基礎上，提出了一種柔性擴膜錐體擴膜、倒刺卡筒下膜的包裝工藝方案，確定了關鍵部件結構參數，設計了部件組合運行控制時序，并加工了試驗樣機，樣機機構設計合理性。

1 球形水果網套包裝機的組成與工作原理

1.1 球形水果網套包裝機的組成

球形水果網套包裝機外形尺寸為800 mm×526 mm×1 240 mm，采用步進電機驅動，滾珠絲杠和同步帶線性模組傳動。其主要由主機架、網套膜轉盤、進料裝置、下膜裝置、擴膜裝置、切膜裝置和出料滑道等部分組成，具體結構如圖1。

主機架由40 mm×40 mm×3 mm 的方管焊接而成，其他部件通過螺栓連接固定在機架上。擴膜錐體固定在豎直固定在滾珠絲杠滑臺上；倒刺下膜卡筒、托盤、水果分離裝置相互固連，整體構成懸臂結構，由滾珠絲杠滑臺驅動；夾子與舵機相連，舵機可帶動夾子夾緊與閉合；推切機構固定在水平滾珠絲杠滑臺上。動作部件的位置控制通過固定在機架上的霍爾傳感器實現。

1.2 球形水果網套包裝機的工作原理

球形水果網套包裝機啟動前，夾子處于張開狀態，擴膜錐體在上止點并支撐擴膜圓柱筒，下膜卡筒和托盤在上止點。開啟機器，下膜卡筒、托盤向下運動，下膜卡筒內壁的倒刺勾住網套沿下膜卡筒和擴膜錐體運動，托盤向下運動到下止點時，水果從分離裝置進入托盤。夾子閉合，夾住網套及擴膜圓柱筒，擴膜錐體下降從擴膜圓柱筒下端移出。托盤將水果托送至擴膜錐體內的固定位置，同時下膜卡筒向上復位。擴膜錐體下降，由于錐片為柔性材料，水果撐開錐體進入網套中。推切機構向右運動，電熱絲切斷網套，已包好的水果順勢沿滑道滑出。最后，擴膜錐體復位，運動至擴膜圓柱筒孔中，支撐擴膜圓柱筒，夾子張開。具體包裝工藝流程如圖2。

圖1 球形水果網套包裝機結構簡圖Fig.1 Structural of spherical fruit netting packaging machine

圖2 球形水果網套包裝工藝流程Figure.2 Package process for for spherical fruit

2 包裝機關鍵部件設計

2.1 球形水果力學特性分析

為了確定網套包裝機，利用高度尺（量程為0～250 mm，精度為0.02 mm）對市場上隨機選取的30 個紅富士蘋果樣品和30 個贛南臍橙樣品的果徑、果高進行了測量。結果表明，臍橙樣品的果高主要分布在80～100 mm區間范圍內，最大值為118.22 mm；果徑主要分布在75～85 mm 之間，最大值為90 mm；蘋果樣品果高主要分布在77～83 mm 范圍內，最大值86.56 mm，果徑主要分布在75～87 mm 范圍內，最大為95 mm。因此，樣機設計主要針對果徑范圍為75～95 mm范圍內的球形水果。

利用TMS-PRO質構儀（精度為0.01N）對樣品的力學性能進行了測量[27]，部分結果如圖3。通過測量，蘋果樣品的平均硬度為18.1N，最大不超過20N，臍橙擠壓的屈服力在200-400N 范圍內，臍橙樣品平均硬度為342.4N。因此網套包裝機對蘋果和臍橙作用力應小于其硬度要求。

2.2 擴膜錐體設計

擴膜錐體的主要作用是支撐擴膜圓柱筒、引導網套下膜、擴張網套。擴膜錐體結構設計為底座和錐片，具體結構如圖4。

圖3 測量載荷位移曲線Fig.3 Force and displacement curves

圖4 擴膜錐體結構簡圖Fig.4 Structure of expandable cone

為了保證水果能從錐片中穿出，擴膜錐片必須具有一定柔韌性。因此把錐片的變形簡化為細長懸臂梁，并對其撓曲變形進行分析。球形水果在向上運動過程中始終與錐片相切，對錐片的正壓力FN垂直于錐片，如圖5a。

由于要保證水果不發生擠壓損傷，極限正壓力FN應在水果屈服極限范圍內。取極限正壓力作用在錐片頂部進行計算。錐片上任一點的撓度w（x）計算為：

式中E 為錐片材料的彈性模量，MPa；I 為錐片材料的慣性矩，m4；l為錐片的長度，m；x為錐片上任意點到固定端的距離，m。

圖5 擴膜過程Fig.5 Expansion of foam net

球形水果被推出擴膜錐體時（圖5b）。錐片頂部的最大變形量WB為：

式中RA為球形水果的半徑，m；R2為擴膜錐體頂面的半徑，

R1為擴膜錐體底面的半徑，m；h為擴膜錐體高度，m；a為錐片傾斜的角度，rad。

當球形水果半徑RA，擴膜錐體底面半徑R1和擴膜錐體高度h確定時，通過式（1）～式（4）建立錐片傾斜角度和錐片材料參數之間的關系。通過設計計算確定擴膜椎體底面直徑為100 mm，頂面直徑為50 mm，錐體的高度為110 mm，8片錐片材料為0.3 mm不銹鋼。

2.3 擴膜圓柱筒設計

擴膜圓柱筒是包裝機實現的關鍵部件之一，主要將扁平的網套膜擴開，同時是網套膜向下運動時附著的載體，具體結構如圖6。

圖6 擴膜圓柱筒簡圖Fig.8 Foam nets expanding cylinder

在下膜過程中擴膜圓柱筒是由擴膜錐體伸進圓柱臺支撐的，錐片必須承受整個圓柱筒的重力以及下膜過程中網套膜與圓柱筒的摩擦力作用。由于錐片的撓性設計，因此必須對錐片的承受能力進行校核，才能保證擴膜圓柱筒的穩定性。

下膜時圓柱筒重量及網套膜與圓柱筒的摩擦力作用在錐片上，且該力由錐體的8片不銹鋼片共同承受，錐片材料屬性參考文獻[28-29]。由于蘋果樣品最大硬度不超過20 N，所以作用在膜片上的力也應小于20 N。在作用力為20 N 時，對擴膜圓柱筒的穩定性進行分析。采用有限元分析軟件ANSYS進行計算，擴膜錐體的應力應變計算結果如圖7。

圖7 擴膜錐體應力應變圖Fig.7 Stress and deformation of expandable cone

結果顯示，在作用力為20 N時，應力均勻分布在8片不銹鋼上，且在支撐鐵片與圓臺基體結合部位應力最大，276.8 Pa遠小于材料的屈服強度，而最大變形量在錐片頂部,為0.03 mm，能夠支撐整個圓柱筒，保證圓柱筒的穩定。

圖8 推切裝置示意圖Fig.8 Punching device

2.4 下膜卡筒裝置設計

下膜卡筒主要是將寬度為7 cm的成卷網套沿著擴膜圓柱筒向下拉動，到達擴膜錐體的指定位置時，完成下膜功能。同時在卡筒復位過程中，卡筒與膜脫離，不會帶動膜運動。因此，下膜卡筒設計為帶有倒刺的內圓柱形狀。根據擴膜圓柱筒套網套后的寬度確定下膜卡筒倒刺刺尖所組成的內包絡線的直徑為68 mm。根據網套孔距的大小確定倒刺距軸向距離為15 mm，根據圓周方向的網孔數確定卡通內壁一圈倒刺個數為16個，共設置4圈，其高度為80 mm，內圈直徑為76 mm。

2.5 推切裝置

推切裝置的作用是將連續的網套包裝膜按水果包裝大小切斷，并將包裝好的球形水果連同網套膜一起推出托盤。推切裝置主要由電熱絲、側推架、底座、連接架和同步帶滑臺組成。同步帶滑臺帶動推切裝置做往復直線運動，電熱絲負責切斷連續的網套膜，側推架則將包裝有網套膜的水果推出托盤，電熱絲安裝架兩內側邊距離為110 mm，電熱絲距離U形推板80 mm，具體結構如圖8。

電熱絲的選擇直接影響到發泡網套的切割效果，為了有效的切割發泡網套，電熱絲的溫度必須滿足發泡網套的切割溫度。電熱絲的切割溫度T2為：

式中T1為電熱絲初始溫度值，℃；Q 為電熱絲產生的熱量，J；m 為電熱絲的 質 量，kg；c 為電熱 絲比熱容，J/(kg·℃)。

由歐姆定律可知，電熱絲的發熱量為：

式中U 為電熱絲兩端電壓，V；R 為電熱絲電阻，Ω；t為電熱絲通電時間，s。

通過計算，推切裝置電熱絲為0.2 mm，兩端的電壓為6V時，能夠滿足發泡網套的切割溫度，且切口平整，受到的阻力較小。

3 包裝機控制系統設計

球形水果網套包裝機各部分動作由單片機控制電機實現。電機正反轉帶動滾珠絲杠和同步帶的往復直線運動，實現包裝機的下膜、擴膜、包裝、切膜、推果等一系列的動作。控制系統硬件包括：控制擴膜錐體運動的滾珠絲杠滑臺（型號KR100，行程200 mm）；控制下膜卡筒和托盤的滾珠絲杠滑臺（型號KR100，行程300 mm）；控制夾子的舵機（型號RDS3115，堵轉扭矩14.2 kg/cm）；控制推切機構水平滾珠絲杠滑臺（型號DSK45，行程200 mm）；控制位置的霍爾傳感器（型號NJK-5002C，檢測距離10 mm，檢測物體為磁鐵，輸出方式NPN）。具體控制時序如圖9。

圖9 包裝機控制系統時序Fig.9 Control system design of the packaging machine

4 樣機試驗

根據球形水果網套包裝機關鍵部件及控制系統設計結果，加工了試驗樣機，如圖10。通過實際包裝試驗，考核樣機的包裝功能，包裝過程的可靠性、穩定性，并測試樣機單果包裝時間及整體工作效率。

圖10 球形水果包裝機樣機Fig.10 Spherical fruit packaging machine prototype

在市場上隨機購買一批紅富士蘋果，選用30 個成熟度一致，表面均無損傷的樣本進行包裝試驗。樣品平均果高80±6 mm，平均果徑81±6 mm。試驗結果如表1。

表1 包裝試驗結果Table 1 Packaging test results

由表1 可知，包裝機750 s 完成30 個蘋果的包裝試驗。人工和機器均能實現對蘋果的包裝，成功率均為100%，損傷率均為0。包裝過程中樣機穩定運轉，單果的平均包裝時間為25 s，人工平均單果包裝時間約為6 s，但是人工包裝網套為提前剪切為包裝長度（140 mm）的網套，而機器包裝的網套為成卷網套。機器工作效率為35 kg/h，低于人工包裝效率144 kg/h。機器包裝，蘋果網套膜長在104～110 mm 范圍內，約占樣本總數的76.6%，膜長最大值為116mm，最小值為101mm，平均值為106.97mm，果面包覆完整，能夠起到減小其受到機械碰撞時所受到的損傷的功能。人工包裝，由于固定膜長，不能很好適應果徑的變化。

5 結論

1）本文研制了一種能對蘋果、臍橙等球形水果進行自動快速網套包裝的機器，該機器采用柔性擴膜錐體擴膜，倒刺卡筒下膜的方式，可實現連續包裝功能，網套包裝效果好。

2）樣機包裝試驗表明，樣機穩定運轉，包裝成功率100%，損傷率均0，平均單果的包裝時間為25 s，工作效率為35 kg/h，下膜長度主要分布在104～110 mm 范圍內，約占樣本總數的76.6%，果面包覆能夠起到減小其受到機械碰撞時所受到的損傷的功能。

3）樣機包裝效率低于人工包裝效率，可以優化包裝流程，采用多組同時包裝的方式提高效率。設計的機器可為后續球形水果網套包裝設備的研制和優化提供參考。