徐智 馬長帥

摘要：通過對氣調(diào)式盒式食品包裝機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，同時對于機器的設(shè)計生產(chǎn)有重大指導(dǎo)意義。

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

0? ? 引言

氣調(diào)式盒式食品包裝機械是指通過充保鮮氣將食品包裝在密封盒子中的機械，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。使用機械包裝產(chǎn)品可提高生產(chǎn)率，減輕勞動強度，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)式盒式食品包裝機械概述

氣調(diào)式盒式食品包裝機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。

模具通過上述動作完成對食品的包裝，使盒子中的食品處于一個不與外界大氣接觸相對隔絕的小環(huán)境中，同時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盒子的輻射造成的，隨著輻射的時間不同盒子的內(nèi)部溫度也是變化的。

3.1? ? 當(dāng)P上=P下時封口膜處于水平狀態(tài)

如圖3（a）所示，此時上、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)的溫度在短時間內(nèi)相對保持不變，在這個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，膜的表面會形成不良的壓痕，以上因素都會影響盒子的美觀，降低包裝食品的銷售檔次。

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

如圖3（c）所示，此時上、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，此時盒內(nèi)的壓力小于盒子外部的壓力，所以盒子會出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。

這種有凹陷的盒子從模具里出來后凹陷會加重，同時盒子內(nèi)的保鮮氣量不足，會縮短保鮮時長，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合理的比值內(nèi)，就會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。因為盒子的材料、密封膜的材料是根據(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驗獲得。同時在設(shè)計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。在這個過程中，密封盒子內(nèi)部壓力、體積都會變化，壓力是一個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封膜盒子的內(nèi)部溫度相對比較高，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，室溫時盒子體積為V室溫，室內(nèi)溫度為10 ℃≤T室≤35 ℃。

因為盒子中間質(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工溫就會變大到V室溫，直到P盒內(nèi)=P盒變時盒子的體積才不變;當(dāng)壓力變化恒定后，隨著溫度的下降，盒子的體積也會下降，當(dāng)T工=T室時體積又變化到一個新的恒定壓力。

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由于壓力比外界大，溫度比外界高，其體積在很短的時間內(nèi)是變大的;隨著溫度的緩慢下降盒子的體積也會下降，隨著溫度的穩(wěn)定，體積達(dá)到新的平衡點。

注意充氣壓力P下不能過大，在實際調(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，會浪費包裝材料，影響盒子的封貼美觀度。

5? ? 結(jié)語

通過對氣調(diào)式盒式食品包裝機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，對設(shè)計、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，需要建立更深奧的數(shù)學(xué)模型，這里不再說明。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 成大先.機械設(shè)計手冊[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：食品機械設(shè)計。