M型包裝袋掛面包裝機套袋裝置設計及模態分析

付瑞玲，李文方

黃河科技學院（鄭州 450063）

掛面作為一種重要主食，在日常飲食中占有重要地位，尤其受歡迎于我國北方市場[1-2]，據中國食品學會2019年調查數據表明，中國掛面2019年產能約812萬噸，相對于2018年增加約12%，中國掛面行業的發展不斷提升[3]，伴隨著掛面產能的提高，有關掛面自動包裝裝置的研究變得尤為關鍵。M型包裝袋（袋口兩端側褶呈M型）因其容量大、方便存放的特點成為一種重要的包裝袋形式[4-5]。

國外對于包裝袋式自動包裝研究起步相對較早，瑞士布勒公司研發新型MWPG全自動包裝機，可以完成常規物料的包裝，但無法將包裝袋側褶處完全撐開，不能適用于掛面包裝[6-8]。國內孫明遷等[9]模仿人工包裝方式設計一套自動包裝方案，孔祥勝[10]開發一種對稱型套袋裝置，其退袋裝置采用兩氣缸機構，存在氣缸不同步，退袋不順風險；國內外開展諸多包裝袋式自動包裝機的研究，但針對于掛面這種具有易碎、長條特性物料自動化包裝研究較少。

自動套袋裝置作為掛面自動化包裝重要的一環，對其結構的合理設計尤為重要，基于M型包裝袋，設計一種自動套袋裝置，并對其動態特性進行研究。

1 M型包裝袋掛面包裝特點及參數設定

M型包裝袋如圖1所示，在未填充掛面的狀態下，其開口左右兩側呈M型向內部褶皺。M型包裝袋實現自動套袋功能的主要難點在于面條的易碎性和獨特的開口模式[11]，由于掛面易碎、受力小，在充填干涉的情況下經常出現問題，比如包裝袋開口小于面條尺寸時如圖2（a）所示，會發生斷裂、破碎的現象，因此要保證掛面順利進入包裝袋一定要保證開口完全如圖2（b）所示。另外，為了保證自動套袋裝置可適應多個規格大小的M型包裝袋，其可撐開的口徑大小的是可調節的，同時在工作過程中需具備高可靠性和低干涉風險。

圖1 M型包裝袋

圖2 M型包裝袋袋口撐開示意圖

設定的自動套袋裝置技術參數表如表1所示。

表1 技術參數表

2 自動套袋裝置設計

自動套袋工序位于取袋工序段后，模仿人工套袋所需要的環節，將取袋裝置輸送過來的掛面包裝袋采用機構將袋口撐開，移位到落料口下方接受掛面，機構順利從袋口取出，完成套袋操作[12-13]。

基于掛面自動包裝機的工藝流程和自動套袋裝置所需具備的功能設計2種套袋裝置方案，如圖3所示。

圖3 掛面包裝機套袋裝置兩種方案

套袋裝置方案1主要可分為四大部分：齒輪轉向模塊、凸輪撐開模塊、高度提升模塊、寬度調節模塊。其工作方式如下，凸輪撐開模塊位于滑軌的最下側，2個撐袋桿處于合攏狀態，取袋裝置將包裝袋運往套袋裝置時，伺服電機控制齒輪轉向模塊將撐袋桿所在平面與豎直平面平行，此時位于兩撐袋桿邊緣的方形支撐板進入包裝袋內，撐袋桿由合攏狀態向兩側打開，完成撐袋環節；同時包裝袋在支撐板支撐力作用下可隨撐袋桿移動，齒輪轉向模塊將支撐桿旋轉90°，使原本水平袋口水平朝向的包裝袋變為豎直向上；此時伺服電機1控制提升模塊將凸輪撐開機構向上提升使包裝袋對準落料口處和下一工站的支撐板上；撐袋桿再次合攏通過齒輪轉向模塊再次旋轉90°脫離包裝袋，完成袋口取出動作；凸輪撐桿機構復位，處于初始裝袋等待下一次套袋動作。如果包裝袋的口徑規格發生變化，通過調節模塊上的調節手輪來控制支撐桿之間的距離從而實現不同規格包裝袋的套袋。

套袋裝置方案2與方案1除將凸輪撐開機構轉變為連桿撐開機構，其余保持一致，連桿機構設計簡單但在撐袋桿進出包裝袋時氣缸無法完美控制有產生與包裝袋干涉風險，導致包裝袋破損等不良現象。2種方案相比如表2所示。

表2 套袋裝置兩種方案比較

因此在大規模自動化生產時，為防止干涉導致的不良現象及產能影響，建議采用凸輪撐開機構的方案進行。

3 自動套袋裝置動態特性分析

自動套袋裝置作為掛面自動包裝裝置最為核心的一環，對其動態分析尤為重要，因為凸輪撐開機構是在私服電機的驅動作用下進行工作，對套袋裝置的激振作用不能忽視，因此要保證設計的結構不會因為共振問題而被破壞。

3.1 模態分析簡介

模態分析是以結構測試或基于有限元分析的仿真作為基礎對線性結構動態特性的研究。這些動態特性包括諧振頻率（也稱為“固有頻率”或“本征頻率”）和結構模式（或稱“本征模”），常用來對新設計結構件動態特性的預計及優化，在結構件故障診斷方面起著重要作用。

模態分析計算方式是通過對線性系統振動微分方程組求解從而獲得相應的模態參數[14]，多自由度系統受迫振動微分方程如式（1）所示。

式中：M、C、K、F分別為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和外應力矩陣。模型無阻尼系統和外應力時微分方程如式（2）所示。

設微分方程的解為：

式中：A為振幅陣列；ω為圓頻率；φ為初相位。

將式（3）對時間進行二次求導可得到廣義加速度矩陣方程式（4）。

將式（3）和（4）代入式（2）可得：

對式（5）線性方程組求解，行列式有非零解的條件為系數值等于0，即：

將式（6）展開可得到關于ω2的代數方程組，它的根即為特征值，開平方后則得到該系統的各階固有頻率值ω1，ω2，ω3，…，將特征值代入式（5）后可得到對應的特征向量A1，A2，A3，…，則代表各階振型。

3.2 自動套袋裝置模態響應分析

ANSYS Workbench雖自帶建模功能，但相對于專業軟件（SolidWorks、Proe）還是有所不足，由于自動套袋裝置的三維機構復雜，因此采用Proe軟件繪制如圖3（a）所示的模型后導入Workbench中。由于太多的零部件特征會占用ANSYS資源和影響網格劃分精度，因此模型省略如凸臺、螺母、螺栓等對整體振動特性幾乎無影響的細小零件特征。

結構材料定義：采用的材料屬性為結構鋼，彈性模量206 Gpa，密度7.8×103kg/m3，泊松比0.3。網格劃分參照類型采用Mechanical（結構力學分析）。采用Workbench自動網格劃分方式，網格大小設置為3 mm。在自動套袋裝置轉軸位置設置施加柱面支撐約束方式，軸向和徑向設置為固定約束方式。

利用ANSYS Workbench自帶默認的模態求解器對建立起的自動套袋裝置結構有限元模型進行求解[15]，因為低階模態下的固有頻率對結構件的振動特性影響較大，容易受到共振影響，因此只針自動套袋裝置的前6階固有頻率進行求解如圖4~圖9所示。

圖4 套袋裝置1階振型

圖9 套袋裝置6階振型

自動套袋裝置各階振型頻率和振型形態總結如表3所示。

從表3可以看出，自動套袋裝置的固有頻率從1階到6階呈現遞增趨勢，其中1階固有頻率最低也最為重要為47.5 Hz，由第1小節可知套袋頻率和驅動電機的激振頻率分別為0.17 Hz和（13.3±1.67）Hz，遠低于1階固有頻率，因此套袋裝置結構件不會受到共振的傷害，振型形態符合實際工況，證明自動套袋裝置設計的合理性和模型建立的準確性。

表3 自動套袋裝置6階固有頻率及其振型

圖5 套袋裝置2階振型

圖6 套袋裝置3階振型

圖7 套袋裝置4階振型

圖8 套袋裝置5階振型

4 結論

自動套袋裝置作為掛面自動包裝裝置里最為核心的一環，結構件的運行工況也最為復雜。結合人工套袋方式對凸輪型和連桿型套袋裝置均進行設計，通過對比分析選擇凸輪型自動套袋裝置，基于該設計采用Proe建立自動套袋裝置的三維模型、采用ANSYS Workbench軟件對該模型的動態特性進行求解，得到自動套袋裝置前6階固有頻率和振型，各階頻率均大于套袋頻率和驅動電機激振頻率，振型方式也符合實際工況，證明自動套袋裝置設計和模型建立的準確性。試驗結果為掛面包裝自動套袋裝置結構的設計和動態特性分析提供理論指導。