封切机热封刀热封局部不牢的原因分析

姜庆胜

浙江省杭州市杭州万向职业技术学院

摘要：针对塑料薄膜封切机长条形多热源的热封刀热封局部不牢的问题进行了研究，根据热封刀的加热控制系统和长条形热封刀的结构原理，分析了多变量控制多目标的控制方法造成的问题原因，提出了基于长条形热封刀加热控制采用单数据采集单控制输出的解决方法，有效解决了长条形热封刀局部热封不牢的问题，效果显著。

关键词：封切机，长条热封刀，多变量控制，热封局部不牢

0 引言

塑料薄膜封切机是一种常见的塑料袋自动化制作机器，制作的流程如图1所示。对于塑料袋封切机的热封不牢的常见故障分析杜玉宝^[1]等做了分析，对加热控制系统的故障分析和设计杨娜^[2]，覃羡烘^[3]和温玉春^[4]等做了设计和研究。而对于宽度在1.3米左右的大塑料袋的制作方面的缺陷研究却很少见，本文针对这种长条形热封刀热封不牢的一种设计缺陷做了研究分析和改进。

图1 全自动连续封切机流程示意图

1 问题提出

1.3米左右长的长条形热封刀，由于长度过长，最常见的问题是热封不均匀导致的局部热封不牢，某种型号的自动连续封切机热封刀加热结构如图2所示。

图2 热封刀加热结构

整根长条形的热封刀截面如图3所示。热封刀材质是铜，两侧包裹如图2中的A、B、C、D四片加热片，并且由两套独立的供电系统供电。A、C由一路控制回路供电，B、D由另一路控制回路供电，每路供电部分受温度传感器1和2分别控制。由于常常出现不稳定的热封现象，而且每次出现热封不均匀的位置都不一样，热封不牢的位置也不断的变化，既使两路温度设置数值一致也是如此。

图3 热封刀截面

作者对整条热封刀每间隔2.5厘米设置一个测温点，使用红外线测温枪，测得数据曲线如图4所示，图4中两条曲线是间隔10分钟前后的温度测量值，由图4温度曲线所示可以发现，不但整条温度不均匀，而且每点的温度都会发生比较大的变化。这就造成了长条形热封刀温度不均匀现象。

图4 热封刀10分钟前后温度曲线对比

3原因分析

根据文献[1-8]可知，造成原因有：热封刀热容量不够造成的温度前后变化大而缺乏温度的稳定性；塑料薄膜的质量特性有问题；热封刀本身加热温度不均匀，这种加热温度不均匀可能是由于加热方式不正确所造成的结果。

3.1 金属热容量与温度的关系

根据魏秀芳^[5]的金属比热容与温度关系的实验研究中可以发现，金属铜的热容量和温度有密切的关系，当金属的体积越大，温度越高，热容量就越大，这符合爱因斯坦的理论。根据实验结果，如果能够保持热封刀足够大的体积，那么温度的变化就不会很快。

3.2 常见塑料薄膜的特性

热封^[6,7,8]是一种在包装上广泛采用且较为简便的封口形式是利用外界加热条件（电加热、高频加热、超声波等）使塑料基材薄膜的封口部分变成粘流状态并借助于热封刀具间的压力使上下两层薄膜彼此融合为一体冷却后保持一定的强度广泛应用于塑料包装袋的制作。采用电加热方式来制作塑料袋是最常见的加热方式之一，而温度是强度的重要因素之一，在厚度一定的情况下，常见的塑料包装袋热封时最适宜的温度都不不一样，如表1所示。

表1 各种塑料材料热封的最适宜温度

一般情况下，根据最适宜的融合温度，在温度控制的恒温设定上都会设置稍微高一点，根据不同的塑料薄膜材质，一般设置150度，200度比较常见。

3.3 热封不均匀的其他常见故障

对于采用加热方式的连续自动制袋机的塑料薄膜热封常见的问题一般有：（1）热封温度不够；（2）热封速度过快；（3）热封压力不够；（4）塑料薄膜质量不好；（5）热封刀面不平整；（6）热封刀温度不均匀；（7）热封刀温度变化；（8）热封刀温度控制不正确。对于热封控制方面存在的问题比较隐蔽，文献[6,7,8]等通过对热封刀的PID控制方式进行了改进。因此对于由于控制系统产生的热封故障可见是常见故障，而且非常的隐蔽，所以对这种隐蔽性比较强的故障原因是需要研究的重点之一。

3.4 长条形热封刀的加热方式

对于电加热型的长条形热封刀最大的特点就是太长，而且体积不能设计的很大，所以很难使热封刀的温度保持一致。对于长条的热封刀材料常常采用导热性能好的铜材料，一些进口的制袋机往往采用在铜热封刀的中间嵌入电热管的加热方式，这种方式制作工艺比较复杂，而国产的制袋机长条热封刀往往采用电加热片电阻丝缠绕的方式加热，如图所示结构。

3.5 多参数控制多目标

由图2的热封刀结构可以知道，这是一个典型的双输入，但输出的多维输入多维输出的控制系统。

假设 是一个多维输入，多维输出的受控系统，则有：

_式（1）

其传递函数是：

_式（2）

对于多输入多输出的控制室方式，为了可控，往往需要对控制系统进行解耦，改成一对一的控制方式，如上式（1）（2），所以可将控制方式改成一对一的方式，即采用一个温度采集传感器，输出采用一路控制器的方式。

4 方案提出与实验

4.1 根据图4所示以及3.5节的多维输入控制多维输出的解耦方案，将热封刀的结构和供电控制方式改成如图5所示，即两边各一片加热片，使用一个温度传感器来同时控制A、B两片加热片。

图5 改进结构后的热封刀

根据新的热封刀结构和新的控制方式，仍然采用每间隔2.5厘米设置一个测温点，测得间隔10分钟两次的温度曲线如图6，图中显示，虽然每点温度有变动，但是总体变动都是跟随原来的温度值变化，如果是平均温度，则基本一致，只是随时间会有变化。

图6 热封刀采用单输入单输出前后温度对比

4.2 根据金属的比热容和温度的研究，增大热封刀的体积。针对热容量的研究结果，将热封刀增大体积，以便防止如图6中出现的温度跳变过快现象。增大后的热封刀如图7所示。

图7 增大体积后的热封刀

将热封刀增大体积后，重新对热封刀每隔2.5厘米测量温度值，得到曲线基本如图8所示，均匀性就比较好了。

图8 热封刀增大体积后的温度变化

5 结论

根据现代控制理论中多参数控制多目标的理论可知，在实践中应该对这样的控制系统进行解耦，实现单个参数控制单个目标的方式，此案例并不需要解耦，直接改成单输入控制单输出的方式，同时，通过增大热容量来减缓温度跳变，从而改变整条温度不均匀和每点温度跳变过快的问题。经过改造之后，大塑料带的热封非常稳定，没有再次出现热封不均匀和局部热封不牢的问题。

参考文献：

[1]杜玉宝,骆光林.浅谈包装材料热封性能的影响因素[J].塑料包装,2007(04):29-32

[2]杨娜,武昆.基于双模糊PID的食品包装机热封温度控制研究[J].包装工程,2019,40(17):187-193.

[3]覃羡烘.基于模糊内模-PID的包装机热封切刀温度控制[J].包装工程,2019,40(11):166-171.

[4]温玉春,刘祺君.基于模糊PID的包装机热封切刀温度控制[J].包装工程,2017,38(03):109-113.

[5]魏秀芳.金属比热容与温度关系的实验研究[J].大学物理实验,2015,28(05):49-52.

[6]陈全东.浅谈软包装热封工艺与热封方式[J].塑料包装,2006(04):29-30+46.

[7]刘国东,祝锡晶.塑料薄膜超声波热封工艺实验研究[J].包装工程,2009,30(06):27-29+41.

[8]孙智慧,段青山,李萌萌. 包装塑料薄膜热封参数及强度的研究[A]. 中国机械工程学会包装与食品工程分会、中国农业机械学会农副产品加工机械分会、中国食品和包装机械工业协会.2005年全国农产品加工、食品和包装工程学术研讨会论文集[C].中国机械工程学会包装与食品工程分会、中国农业机械学会农副产品加工机械分会、中国食品和包装机械工业协会:中国农业机械学会农副产品加工分会,2005:7.

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