雙軟管灌裝封尾機研究現狀與發展趨勢

孟爽，黎光輝，，張煒，劉松昀，，吳朝武

（1.哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱 150028；2.浙大寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3.浙江日高智能機械股份有限公司，浙江 溫州 325003）

0 引言

隨著經濟的發展，以及人們生活水平的顯著提高，人們對化妝品、牙膏等日常生活用品的需求不斷地增加，膏體包裝市場的規模也在不斷地擴大[1-2]。軟管灌裝封尾機是藥膏、化妝品、牙膏等膏體包裝生產線的核心設備[3-5]，國內此類膏體的包裝廣泛采用單軟管灌裝封尾設備，但由于單軟管灌裝封尾機的生產效率較低，已不能滿足當前膏體包裝的市場需求。針對這一問題，需對智能雙軟管灌裝封尾機進行研究與創新，進而保證產品生產的質量和穩定性[6]。若國產智能雙軟管灌裝封尾機研發成功，不僅可以高速、高效、高質量地對膏體進行灌裝封尾[7-8]，還將大大降低工作人員的工作強度，同時也能提高企業的生產效率[9]。本文將結合國產單軟管灌裝封尾機的發展現狀，對比國外先進企業生產的雙軟管灌裝封尾機，分析、闡述我國雙軟管灌裝封尾機的發展現狀及今后的發展方向。

1 軟管灌裝封尾機現狀

國內軟管灌裝封尾機的研究與開發是近十幾年才開展的，對于單管設備已經掌握較成熟的技術，但是對于雙軟管灌裝封尾機的研究，基本上是處于研發的初始階段。軟管灌裝封尾機的自動化程度及各機構運行的協調性要求高，灌裝精度、運行穩定性等技術要求高，制造研發難度較大。國內對該設備的研發主要在是引進、吸收國外企業先進技術的基礎上圍繞國內市場需求開展的。目前國內膏體包裝仍廣泛采用單軟管灌裝封尾設備，對于雙軟管灌裝封尾機的應用幾乎都是依靠進口。國內生產軟管灌裝封尾機的企業有浙江日高、上海龍騰科技、江蘇無錫諾亞、瑞安華聯等，這些企業生產的軟管灌裝封尾機速度能夠達到70～120 支/min的中低速灌裝膏體的水平；國外生產軟管灌裝封尾機的先進企業有德國的IWK公司、瑞典的NORDEN公司、意大利的BERGAMI公司等，這些企業的灌裝速度基本在200 支/min以上甚至更快，已具備了較為成熟的雙管灌裝封尾技術。

1.1 國外研究現狀

1.1.1 德國IWK公司的FP 34-2灌裝封尾機

德國IWK公司軟管封尾機全程采用伺服控制，可實現自動送管、智能上管、自動灌裝、自動檢重與裝盒[10]。IWK公司的FP34-2設備（如圖1）是目前較為先進的雙軟管灌裝封尾機。其主要優點為：1）高科技伺服驅動。設備采用5個伺服驅動器，4個附加的伺服驅動器可供選擇，保證智能操作、運行穩定、灌裝精度高，具備良好的可訪問性，通過使用伺服技術實現最大的工藝可靠性。2）標準化程度高。FP系列設備的部分產品是可以互換的，實現配件通用，簡化了備件的存儲、維護與服務。3）高速度與高精度。FP機型的生產效率高達300 支/min，而型號為FP34-2的雙管灌裝封尾設備的生產效率可達220 支/min。采用橢圓軌道輸送，鑄造鏈環，鏈條不存在伸展現象，堅固耐用的鏈條可實現高精度定位，全程伺服電動機驅動，高精度行星齒輪傳動，實現高精度運行與灌裝。

圖1 德國IWK公司FP34-2灌裝機

IWK公司FP系列灌裝封尾機的熱封機構如圖2（a）所示，采用最先進的熱空氣冷卻系統，可持續節約能源。雙管灌裝封尾設備采用旋轉葉片泵灌裝，如圖2（b）所示，能夠實現在線清洗，灌裝精度高，并具有優化的產品流量和更有效的易清洗設計結構，采用無死角設計，清潔更加方便，大大減少了清洗時間，密封件（易損件）數量減少。

圖2 IWK FP系列灌裝機核心機構

1.1.2 德國IWK 公 司TFS80-2 灌裝封尾機

IWK公司的TFS80-2設備（如圖3）與其他軟管灌裝封尾機的最大區別在于其整機的布局形式較為特殊，絕大多數軟管灌裝封尾的輸送軌道采用平面式，上管采用垂直式，而TFS80-2設備的輸送軌道采用立體式，上管采用水平式。其生產速度可以達到180 支/min，能夠滿足長為50～250 mm、容量為10～400 mL的軟管灌裝封尾。TFS80-2雙管灌裝封尾的生產效率在TFS80系列中并不算高，現在IWK公司機型為TFS80-8的生產速度可達750 支/min。

圖3 德國IWK公司TFS80-2灌裝機

TFS80-2灌裝封尾機具有以下優點：1）在管座尺寸范圍內，能夠灌裝封尾多種規格型號不同的軟管，具有較好的柔性與靈活性；2）采用伺服驅動控制的雙管灌裝系統，灌裝精度高，速度快；3）彩色觸摸屏操作面板，操作、維護和服務支持可通過一個屏幕模塊進行；4）可僅通過接合或分離聯軸器，實現快速更換不同的封管系統實現；5）平滑的機器表面便于機器快速清潔；6）通過使用伺服控制技術取代傳統的純機械傳動，使設備的運行更加穩定；7）設備總體布局符合人體工程學的要求。

1.1.3 瑞典NORDEN 公司NM1702灌裝封尾機

瑞典NORDEN公司的NM系列機型中，NM1702雙軟管灌裝封尾機（如圖4）的生產速度可以達到170 支/min，而機型為NM5002的生產效率可達到500 支/min。NM系列機型的灌裝精度高，膏體的計量精度達到0.1%～0.5%。NM1702機型的灌裝封尾機對膏體的最大的灌裝容量能夠達到300 mL，能夠滿足長度為50～250 mm、直徑為10～50 mm的軟管的灌裝。

圖4 瑞典NORDEN公司NM1702灌裝機

NM1702灌裝封尾機具有以下特點：1）采用橢圓形管座運輸系統，可實現順時針與逆時針的雙向傳輸，允許客戶選擇最適合的線路布局；2）封尾裝置對軟管為鋁塑復合材料或全塑料是適合可用的，能夠滿足對多種不同規格型號的軟管進行調整，給軟管的封合提供最大的靈活性；3）設備外型線條簡潔，便于清理、更換和維護。NORDEN創新的在線校驗稱重系統，確保了灌裝精度，同時進一步提高了生產效率；4）NM1702采用NORDEN獨特的封閉隧道式灌裝封尾，適用于潔凈或無菌要求的藥品包裝。

1.1.4 意大利BERGAMI公司TF200灌裝封尾機

意大利BERGAMI公司機型為TF200封尾機（如圖5），具有雙通道直線自動灌封尾，適用于金屬、塑料、層壓管，具有高容量的進給系統。灌嘴結構設計簡單，方便清洗，能夠達到防止膏體泄漏的標準。灌裝機構的運動由伺服電動機控制的運動，其自下而上填充，防止在管中形成氣穴，保證了高黏度產品在高速情況下也能穩定精確地灌裝。設備較適合管徑為φ11～42 mm的金屬軟管，管徑為φ11～50 mm的塑料軟管，長度為50～240 mm的軟管類型，灌裝膏體的范圍為3～250 mL，能夠滿足多種規格型號的軟管進行灌裝封尾。

圖5 意大利BERGAMI 公司的TF200封尾機

1.2 國內研究現狀

1.2.1 浙江日高單管灌裝封尾機

浙江日高公司的RGNF-80B的單管灌裝封尾機（如圖6）生產效率可以達到80 支/min，灌裝量誤差不超過±1%。該設備的自動送管機構、光標檢測機構、灌注機構、熱封尾機構等機構的同步精度高，長時間運轉時故障率低，灌裝精度準確且穩定性好，能夠滿足中黏性、高黏性物料的高速灌裝及高質量封裝的要求[11]。設備與膏體物料接觸部分的材料全部采用316L不銹鋼材料，符合GMP要求。

圖6 浙江日高封尾機

1.2.2 上海龍騰軟管封尾機

上海龍騰的軟管封尾機（如圖7）的轉閥采用ABB伺服驅動器，缸體、活塞、轉閥采用陶瓷泵，封尾機灌裝機構的升降采用凸輪和直線導軌，灌裝機構的運作穩定，灌裝精度高，能夠保證系統的穩定性。軟管灌裝封尾機的穩定生產速度為100～120 支/min，膏體產品的灌裝封尾能夠滿足美觀、密封等要求。

圖7 上海龍騰封尾機

1.2.3 無錫諾亞SGF塑料軟管灌裝封尾機

江蘇無錫諾亞機械有限公司的SGF塑料軟管灌裝封尾機（如圖8）的生產能力為70 支/min，計量精度為2%，供氣壓力為0.6 MP。該設備采用回轉式的柱塞式灌裝機構，灌裝精度高，采用光電控制方式，軟管尾部內加熱封尾等所有工作均采用高精度氣缸全程控制，滿足運行穩定、灌裝量調節方便、灌裝速度可調等性能要求。該灌裝封尾機能夠滿足各種規格型號的復合軟管的膏體灌裝、軟管加熱、封尾及切尾等工序。SGF塑料軟管灌裝封尾機生產出來的產品不僅外形美觀整齊，還滿足密封性能、灌裝計量精度等要求。SGF塑料軟管灌裝封尾機還可以根據灌裝膏體特性的不同，選擇合適的膏體配料斗加熱系統、膏體防拉絲灌裝頭等。

圖8 江蘇無錫諾亞SGF塑料軟管灌裝封尾機

1.2.4 浙江瑞安華聯軟管灌裝封尾機

浙江瑞安華聯的GF-400/800/F/自動軟管灌裝封尾機（如圖9）采用12工位設計，可以實現金屬軟管的多種折疊形式的封尾，同一臺設備能夠簡單方便地通過更換不同的模具和相適應配件實現塑料軟管及金屬軟管的封尾。

圖9 華聯封尾機

GF-400L軟管灌裝封尾機的生產能力為30～70 支/min，灌裝容量可以達到400 mL，適合直徑為12～42 mm、長度為50～220 mm的軟管，膏體灌裝精度為1%，熱封功率為3kW。GF-800F軟管灌裝封尾機，生產能力范圍為60～120 支/min，灌裝容量也可以達到400 mL，適合直徑為13～50 mm、長度為50～220 mm的軟管，膏體灌裝灌裝精度為1%，熱封功率為6 kW。

華聯軟管灌裝封尾機優點有：1）采用按鈕與顯示屏的結合，能夠實現對設備的無級調速控制和相關參數的設置，方便工作人員對設備的操作；2）采用了全自動化生產，實現智能供送軟管、軟管對標、吹氮氣、膏體灌裝、軟管尾部的加熱及封尾、噴碼等生產目標；3）對標系統的精度高，能夠降低軟管外體及色標的色差范圍；4）各種裝置調節部位外置，調節方便、操作簡單（適用多種規格、多品種的生產）；5）采用機電一體化的智能生產方式，可實現無管不灌裝，以及氣壓不夠、安全防護門不關緊等問題的報警顯示等功能。

1.3 國內外軟管灌裝封尾機參數對比

我國的軟管灌裝封尾機生產企業基本以中小型企業為主，生產規模比較小，自主研發投入不足，研發能力較弱[11-21]。因此，企業產品技術含量比國外低[22]，灌裝速度能夠達到120 支/min的企業寥寥無幾，灌裝精度普遍為1%，而國外設備的灌裝精度基本能夠達到0.1%。當前國內多采用單軟管灌裝封尾機，而雙軟管灌裝封尾機主要依靠進口。國外企業（如德國的IWK、瑞典的NORDEN等企業）生產的軟管灌裝封尾機，不僅生產速度快、效率高，而且設備灌裝精度高，灌裝膏體容量的范圍廣。國內外高端軟管灌裝封尾機技術參數對比如表1所示。

表1 國內外軟管灌裝封尾機技術參數對比

2 發展趨勢

在最近的幾年，我國的軟管灌裝封尾機的發展一直保持著穩定的增長速度。2020年我國食品機械總的市場規模達到了6000多億美元。可見，軟管灌裝封尾機在國際上的市場需求依舊很大，同時競爭也日益激烈。單管設備的生產效率已經不能滿足膏體包裝市場的需求。未來雙軟管灌裝封尾機將迎合現代社會發展的需求，其將朝著以下幾個方向發展。

2.1 多功能與專用高速兩極化

隨著食品包裝業的不斷發展，對日常生活用品如牙膏、化妝品等膏體包裝的要求也越來越高，傳統的軟管灌裝封尾機和控制模塊已經不能滿足現代社會發展的需求，需要采用高新的技術提升設備的使用性能。軟管灌裝封尾機的目的在于提高產品的生產效率和產品的多樣化[23]。這就使得軟管灌裝封尾機將朝著多功能與專用高速化的方向發展[24-25]。多功能化要求軟管灌裝封尾機的功能模塊可以根據包裝不同產品類型進行柔性及靈活性的變換與組合[26-33]。高速化生產要求軟管灌裝封尾機不僅能實現自動、高速、高效化的生產，還要能夠實現多支軟管同時灌裝膏體，其生產效率比單軟管灌裝封尾機更高。因此，多功能與專用高速兩種類型的雙軟管灌裝封尾機將是今后發展的必然趨勢。

2.2 標準化

我國的軟管灌裝封尾機的生產主要以中小型企業為主，不同企業的零部件都有著不一樣的標準，很難形成統一的標準，這也是這些中小型企業很難變大變強的因素之一。當前，我國已經有一部分企業為了完善軟管灌裝封尾機的行業標準，共同參與起草并發布了區域性的標準，標準化是未來軟管灌裝封尾機發展的方向之一。軟管灌裝封尾機規格型號、零部件等的標準化有利于企業的發展，不僅能夠對產品、設備等形成統一的規范，對產品質量的提高也能起到推動的作用，并對國內的產品走向國際市場起到一定的促進作用[34-35]。

2.3 智能化

隨著現代社會的發展，提高灌裝封尾機整體生產力和實現多品種產品的自動化生產是很重要的[36-42]。自動化能夠滿足產品快速生產的要求，信息化能夠實現產品精確生產的目標。隨著社會勞動成本的增加及人口老齡化的發展，實現智能化生產使企業降低成本，為設備增加智能元素，進一步提高市場的競爭能力。在智能化方面，德國IWK、瑞典NORDEN、意大利BERGAMI等公司在軟管灌裝封尾機工作中能夠實現機械手同時快速上管，全程智能自動化生產。今后智能化的軟管灌裝封尾機不僅能夠高速、高效地生產，還能夠進行遠程控制、遠程診斷，自動排查并處理故障等智能化服務[43]。為了進一步快速搶占國內外包裝市場，我國軟管灌裝封尾機需要朝著智能化的方向發展，以滿足客戶及市場的需求[44]。

2.4 無人及無菌化

軟管灌裝封尾機的料倉是具有一定的空間局限的，不能一次性放置很多軟管，只能依靠人工放置并經常需要補充軟管，這不僅大大增加了勞動力成本，還容易造成第二次污染。而且牙膏、藥膏等膏體都是與軟管進行直接接觸的，如果軟管不能保證無菌化，生產包裝出來的產品就不能達到食品衛生要求。因此日常用品類膏體的整個生產及包裝過程需要進行無菌化處理。無人化不僅能減輕企業的勞動成本，還能避免因生產工作人員不當操作而產生的不良影響。無人、無菌化是很多生產研發軟管灌裝封尾機企業追求的目標，這也是這些企業發展的時代要求與市場機遇。

3 結語

我國對軟管灌裝封尾機的生產基本都是中小型企業，對其研究也是近十幾年來才開展的，雖然在單軟管灌裝設備上的研究已經取得了較大的成功，但是在雙管甚至多管灌裝設備上的研發還是處于初始階段。我國中小企業生產研發的單管灌裝封尾機不論在設備的運行穩定性、灌裝速度、精度等技術方面，還是在設備的布局設計方面，都與世界先進技術存在很大的差距。但是，隨著我國經濟的發展及科技水平的提高，相信我國將有更多的中小企業在雙軟管灌裝封尾機甚至多軟管灌裝封尾機的研發生產方面取得突破性的進展。

國產雙軟管灌裝封尾機能夠應用于我國市場，將為我國化妝品、牙膏等類膏體的包裝企業帶來更大的經濟效益，同時也能為我國軟管灌裝封尾機提高國際競爭力和走向國際創造條件。隨著市場需求不斷發展，今后雙軟管灌裝封尾機的發展將向多功能與專用高速、標準化、智能化、無人、無菌化等方向發展，未來高效的雙軟管灌裝封尾機也將更受企業的青睞。