馮立玲，張明宇，郭 松，胥文玲，王清華，白曉玲

蒙牛乳業(yè)（灤南）有限責任公司，河北唐山 063500

0 引言

吸管是吸取飲品時最常用的工具，主要材質(zhì)包括聚丙烯（PP）、聚乳酸（PLA）、可降解樹脂、紙質(zhì)等[1]。吸管廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)企業(yè)，涵蓋飲料、牛奶等產(chǎn)品的加工制造。市面上隨處可見一次性吸管[2]的身影，由于使用的便捷性，吸管如今已經(jīng)成為很重要的日常用品之一，消費者對于吸管的使用依賴程度也越來越高[3]。

由于各種因素、環(huán)節(jié)的影響，吸管在運輸、使用等過程中會存在破損、開裂等現(xiàn)象，在一定程度上給產(chǎn)品包裝的完美性帶來不利影響，也給消費者的使用帶來困擾，因此吸管的抗沖擊性能檢測驗證顯得尤為重要。

衡量吸管使用性能的指標包括吸管的沖擊開裂率、彎管螺紋斷裂率、吸管破膜率和螺紋牙成型率等[4]，其中吸管沖擊開裂率是一項可以評價吸管韌性的指標，可以反映吸管產(chǎn)品抗沖擊性能是否滿足要求。目前通過對吸管抗沖擊性能檢測方法來計算吸管沖擊開裂率，需要對被檢測吸管連續(xù)進行100 次測試[4]，這對于吸管到貨入廠檢測快速轉(zhuǎn)序存在困難。

為實現(xiàn)吸管抗沖擊性能項目高效準確檢測的目的，本文從吸管受外力撞擊開裂的角度出發(fā)，設(shè)計了一種檢測吸管抗沖擊性能的方法，同時開發(fā)研制出一種吸管撞擊試驗儀，利用激光定位和磁力升降系統(tǒng)等方式進行方法改善，通過檢測數(shù)據(jù)來衡量吸管的抗沖擊性能，為吸管韌性指標的監(jiān)控提供重要的試驗依據(jù)。

1 試驗原理

依據(jù)《GB/T 9639.1—2008 塑料薄膜和薄片抗沖擊性能試驗方法自由落鏢法》[5]第1部分梯級法的理念：材料突然收到?jīng)_擊會破裂，反應(yīng)材料抗沖擊作用的能力，是衡量材料韌性的指標。利用一定質(zhì)量的砝碼從固定高度自由落體落下撞擊吸管，觀察吸管被撞擊部位的破裂狀態(tài)。

2 材料與方法

2.1 儀器與設(shè)備

吸管撞擊試驗儀：輔助定位裝置；直尺、砝碼（200 g）：作為自由落體重物使用，檢測過程中會有耗損，可不需要進行檢定校準。

2.3 試驗方法

2.3.1 檢測步驟

準備工作：準備好待檢測的吸管樣品及砝碼。

2.3.2 不使用輔助定位裝置

在不使用輔助定位裝置測量時，具體操作如下：（1）取20 根吸管于實驗臺上；（2）將200 g砝碼懸在吸管上方200 mm位置處；（3）使砝碼自由落體垂直落下，撞擊吸管待測部位（吸管兩端切口處）；（4）觀察吸管是否破裂；（5）記錄結(jié)果：①撞擊位置均無破裂，結(jié)果出具符合；②撞擊位置任一位置出現(xiàn)破裂，結(jié)果出具不符合。

2.3.3 使用輔助定位裝置

在上述檢測方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合重物自由落體撞擊待檢測吸管的試驗思路，優(yōu)化試驗步驟，制作設(shè)計開發(fā)一種吸管撞擊試驗儀，通過自動化儀器設(shè)備檢測，實現(xiàn)吸管抗沖擊性能項目的數(shù)智化檢測。（1）吸管撞擊試驗儀設(shè)計思路

①設(shè)計撞擊板，將待測吸管固定在吸管撞擊試驗儀的撞擊板上。②設(shè)計X、Y、Z軸滑軌：采用9 mm、5 mm空心設(shè)計，抗壓減重；X軸滑軌采用雙滑軌設(shè)計使裝置更穩(wěn)定；Z軸滑軌安裝標尺，可以精確調(diào)整并測量高度；Z軸滑塊與套筒固定卡子無縫焊接穩(wěn)固牢靠。③采用可調(diào)節(jié)激光十字定位器，調(diào)整激光聚焦于吸管切口處，可以清晰準確確定樣品待檢測部位。④定位螺栓可以鎖定滑軌位移位置。⑤選擇直徑合適，內(nèi)壁光滑的套筒，本裝置選擇透明套筒可直觀進行觀察并有效監(jiān)控砝碼降落過程。⑥磁力系統(tǒng)中安裝了偏心電機，設(shè)計使用傳動軸；并安裝電磁鐵可將200 g吸?。煌瑫r在電磁鐵上端安裝鋼絲繩纏繞輪，通過電機帶動纏繞輪運轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)電磁鐵的升降運動，從而解決砝碼自動吸放及升降的功能；⑦安裝控制器，可以控制電機帶動鋼絲繩的運動軌跡；另外，控制器電路板可定時控制電機正反轉(zhuǎn)向和電磁鐵消磁間隔。

（2）吸管撞擊試驗儀外觀結(jié)構(gòu)

吸管撞擊試驗儀結(jié)構(gòu)具體名稱及功能如圖1。①底板：承受撞擊力；②吸管固定卡線：固定樣品；③Y軸滑軌：前后移動；④X軸滑軌：左右移動；⑤Z軸滑軌：上下移動；⑥套筒：砝碼落體定位；⑦激光定位器：切口中心點定位；⑧標尺：校正位移距離；⑨定位螺栓：鎖定滑軌位移位置；⑩控制器：控制磁力系統(tǒng)工作；?磁力系統(tǒng)：吸放、升降砝碼。

圖1 吸管撞擊試驗儀外觀結(jié)構(gòu)

（3）吸管撞擊試驗儀主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

吸管撞擊試驗儀結(jié)構(gòu)設(shè)計圖具體名稱及功能如圖2。①偏心電機：提供動力；②齒輪組：動力傳導(dǎo)；③傳動軸：動力傳導(dǎo)；④纏繞輪：纏繞鋼絲繩；⑤鋼絲繩：拉動電磁鐵升降；⑥電磁鐵：吸附砝碼；⑦砝碼：用于撞擊試驗的重物；⑧套筒：砝碼落體定位；⑨控制器：控制電磁鐵升降及砝碼脫落。

圖2 吸管撞擊試驗儀主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

（4）輔助定位裝置設(shè)計原理

輔助定位裝置設(shè)計原理：采用X、Y、Z不同方向滑軌設(shè)計及激光十字快速定位方式，準確確定待測吸管的檢測位置；同時設(shè)計磁力自動升降系統(tǒng)，采用蝸桿電機、傳動軸、電磁鐵、控制器實現(xiàn)重物自動升降。

（5）吸管撞擊試驗儀操作步驟

使用輔助定位裝置（吸管撞擊試驗儀）測量時，具體操作如下：①連接電源，打開吸管撞擊試驗儀；②將待測吸管固定在吸管撞擊試驗儀的撞擊板上；③操作控制器上升按鈕使砝碼位于初始位置；④打開激光十字定位裝置，調(diào)整激光使其聚焦于吸管檢測點；⑤調(diào)整套筒高度，使套筒壓住激光聚焦的吸管的檢測點，砝碼圓柱體最高線與筒體高度平齊，砝碼和吸管的垂直距離為200 mm；⑥按下控制器下降按鈕，砝碼自由落體垂直落下，撞擊筒底部的吸管待測部位；⑦將套筒位置升高，操作控制器上升按鈕使砝碼恢復(fù)初始位置；⑧觀察吸管是否破裂，撞擊位置均無破裂現(xiàn)象為符合，出現(xiàn)破裂現(xiàn)象為不符合，記錄檢測結(jié)果。⑨試驗結(jié)束，關(guān)閉儀器。

3 結(jié)果分析

3.1 不使用輔助定位裝置測量

不使用輔助定位裝置進行測量，每次對單批（20 根）吸管檢測用時、砝碼距目標位置偏移進行跟蹤統(tǒng)計，具體結(jié)果如表1。

表1 不使用輔助定位裝置測量數(shù)據(jù)匯總

3.2 使用輔助定位裝置測量

使用輔助定位裝置進行測量，每次對單批（20根）吸管檢測用時、砝碼距目標位置偏移進行跟蹤統(tǒng)計，具體結(jié)果如表2。

表2 使用輔助定位裝置測量數(shù)據(jù)匯總

3.3 兩種方式數(shù)據(jù)對比

將不使用和使用輔助定位裝置兩種方式進行吸管抗沖擊性能檢測的平均數(shù)據(jù)進行對比繪制柱形圖，具體如圖3。從圖3可以看出，在操作過程檢測用時方面，使用與不使用輔助定位裝置差異不明顯；不使用輔助定位裝置，在控制砝碼與吸管樣品待檢測位置過程存在人為誤差，而且人員力度不同，造成目標位置偏移較大，影響檢測結(jié)果的準確性。使用輔助定位裝置可以降低人為操作誤差，在檢測用時、砝碼距目標位置偏移方面更具優(yōu)勢。

圖3 使用與不使用輔助定位裝置檢測對比圖

3.4 重復(fù)性檢測

使用吸管撞擊試驗儀作為輔助定位裝置進行吸管抗沖擊性能重復(fù)性檢測，檢測30 根同一批次吸管，具體結(jié)果如表3。

表3 使用輔助定位裝置重復(fù)性檢測數(shù)據(jù)匯總

通過對3 0 根吸管抗沖擊性能進行重復(fù)檢測，檢測結(jié)果一致，參考GB/T6739.1—2004[6]中重復(fù)性內(nèi)容中定性項目：“用相同的方法，同一試驗材料，在相同條件下獲得的一系列結(jié)果之間的一致程度”，使用吸管撞擊試驗儀作為輔助裝置進行30組樣品重復(fù)性檢測，符合檢測要求。

3.5 合格率統(tǒng)計

使用吸管撞擊試驗儀作為輔助定位裝置進行吸管抗沖擊性能合格率統(tǒng)計，按照檢測要求每批到廠吸管分別抽取20 根，觀察每一根吸管撞擊位置是否有裂口，計算對應(yīng)合格率。統(tǒng)計2023年1—6月合格率數(shù)據(jù)，具體如表4。

表4 吸管抗沖擊性能合格率統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總

通過對半年吸管抗沖擊性能合格率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，使用吸管撞擊試驗儀作為輔助定位裝置可以監(jiān)控吸管到廠檢測合格率指標，避免抗沖擊性能差的吸管投入使用。

3.6 吸管撞擊試驗儀應(yīng)用的可行性

傳統(tǒng)的人工檢測方法，存在效率低、工作量大、準確率不高等缺點[7]。不使用輔助定位裝置檢測過程中，采用套筒壓住吸管自由落體隨機撞擊檢測，不能將吸管位置進行固定，吸管待撞擊部位不能準確定位，不能高效的連續(xù)檢測多個樣品。引入吸管撞擊試驗儀其中利用標尺和激光十字定位可以，準確確定吸管切口位置；同時，具備磁力自動升降系統(tǒng)的吸管撞擊試驗儀解決了吸管抗擊性能檢測過程中反復(fù)手動操作、人為干預(yù)砝碼升降及砝碼的自動脫落問題，可以實現(xiàn)多個樣品連續(xù)檢測，在實現(xiàn)快速、高效、準確的同時，也提升了儀器運行效率和智能化程度，同時沉淀了技術(shù)經(jīng)驗，作為行業(yè)內(nèi)技術(shù)首創(chuàng)，2022年3月已成功獲得《吸管撞擊試驗裝置的電磁鐵升降系統(tǒng)及吸管撞擊實驗裝置》專利[8]。

4 結(jié)論與討論

本文通過對吸管抗沖擊性能進行研究，利用一定質(zhì)量的砝碼從固定高度自由落體落下撞擊吸管，觀察吸管被撞擊部位的破裂狀態(tài)，從而確立了吸管抗沖擊性能快速檢測方法，并設(shè)計出一種吸管撞擊試驗儀，利用該儀器的激光定位及磁力升降功能，能夠快速、準確、高效完成吸管抗沖擊性能項目的檢測，實現(xiàn)了吸管到廠數(shù)智化檢測的目的。該項目研究不僅可以為解決終端產(chǎn)品因吸管破裂帶來的客戶投訴問題，提供有效的監(jiān)控手段；而且為吸管物料入廠檢驗標準制定，提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，可簡化工作流程沉淀技術(shù)經(jīng)驗，并作為行業(yè)內(nèi)有效試驗方法有很大的推廣價值。