水烟膏灌装包装机结构设计与工作原理分析

朴洪伟，金勇华，苏亮，司豪，刘元生，张文龙

（1.吉林烟草工业有限责任公司技术研发中心，吉林 长春 130000；2.上海华勒实业有限公司，上海 201600）

1 前言

如今人们提起水烟，指的就是“阿拉伯水烟”。水烟阿拉伯名：SHI SHA。据西方权威学者考证，水烟初见于印度，后在波斯流行，逐渐风靡到阿拉伯世界。阿拉伯人将水烟发展到登峰造极的地步。近年来，随着各国控烟力度逐渐加强，烟草发展环境发生了巨大变化，烟草制品结构正朝着多样化和无烟化方向加快调整。新型烟草制品层出不穷，美国国家烟草公司的一组数据表明，全球各地传统水烟每年所用的烟草消费量美国2000吨、中东20 万吨、欧洲12000 吨、亚洲35000 吨、俄罗斯（包括乌克兰）20000 吨、南美10000 吨、北非15000 吨。作为国际水烟市场三大品牌之一的Nakahla（纳克拉）烟草公司，曾经借助推出“双苹果”旗舰产品，加之28 种口味的独特配方，很快成为世界上最畅销的水烟品牌，跻身该领域引领者行列。日本烟草注意到纳克拉的崛起，并于2013 年完成了收购，以增加其全球业务（JTI），如今Nakahla 已成为全球第二大水烟品牌，可见跨国卷烟巨头早已布局国际水烟市场。

近年来，国家局高度重视新型烟草制品发展，鼓励企业积极开展科技创新性研究。目前，在国内烟草行业，水烟属于“灰色地带”产业，鉴于国际市场存在巨大的需求，在国家提出“一带一路”“走出去”发展规划的引领下，各烟草工业公司纷纷通过出口与沿线国家进行互通互联互利合作，加快对新型烟草制品的研究与开发。通过新产品、新技术提升自主创新能力，同时，为国内新型烟草制品市场的逐步开放做技术储备，至今尚未有国内烟草工业企业涉足水烟规模化生产，目前有关水烟包装设备的设计与开发鲜见。

水烟膏灌装包装机由水烟膏加料灌装机和铝塑泡罩包装机组成。了解了灌装的过程和原理，得出了灌装系统对提高包装质量、包装卫生和安全有着重要作用。灌装机从对物料的包装角度可分为液体灌装机、膏体灌装机、粉剂灌装机、颗粒灌装机等。泡罩包装所用设备称为泡罩包装机，因所用材料多为塑膜和铝箔，故又称其为铝塑泡罩包装机。本文拟设计制作水烟膏灌装包装机，并对其结构和工作原理予以解析，以其为阿拉伯水烟膏规模化包装生产提供新的技术路径。

2 水烟膏灌装包装机设计结构与工作原理

水烟膏灌装包装机就由水烟膏加料灌装机和铝塑泡罩包装机组成，其设计结构与工作原理分析如下。

2.1 依据原料特性分析的水烟膏加料灌装机设计

阿拉伯水烟烟膏为半流体膏状物，密度1.88g/cm3,因其密度较大，流动性差。通过学习借鉴糊状食物的灌装机，我们对烟膏采用螺旋挤压的方式进行灌装，并予以定量25g/板、2 板/盒，通过双机并联加工设计，可采用一种或两种口味的烟膏包装方式，其设备结构见图1。由图1 可知，烟膏自动加料灌装机由双机身、料斗、下料系统、伺服控制定量系统等四大部分组成。机身是整套设备的基础，用于固定和支撑整套设备；料斗是用于烟膏的加注和储存；下料系统由电机带动两套旋桨和丝杆同时以顺时针和逆时针方向进行双向运动，把料斗内的烟膏搅拌均匀，并给它以向下运行的足够推力，顺畅地输送至伺服控制装置；伺服控制定量系统是通过伺服控制丝杆运动，把烟膏按设定的定量要求推入装量阀门内，达到定量标准后阀门自动打开，通过加料嘴加注到泡罩盒内。

图1 烟膏加料灌装机结构

其工作原理为，采用双机并联加工方式，双料斗内加注和储存一种或两种口味的烟膏，下料系统把料斗内的烟膏搅拌均匀，并以挤压的方式，给于烟膏向下运行的足够推力，顺畅地输送至伺服控制装置，通过伺服控制丝杆运动，把烟膏按设定的定量要求推入定量阀门内，当达到定量标准时，阀门自动打开，通过加料嘴加注到泡罩盒内。

2.2 自动铝塑泡罩包装机设计

自动铝塑泡罩包装机系改进型设备,采用变频调速与机、电、光、气一体化控制技术。并严格按照医药行业(GMP)标准进行创新性设计，在国内处于领先水平，该机功能先进、操作简单、产量高，是制药、保健品和食品行业理想的包装设备。其设备结构见图2。由图2可知，铝塑泡罩包装机由铝塑泡罩成型、烟膏填充、热封、批号、压痕、冲裁等设备组成，该机器的整体采用模块化设计，开放式布局结构，各工序可视性好，维修操作方便，新颖安全的外观防护设计，保证操作安全性。

图2 铝塑泡罩包装机结构

铝塑泡罩包装加工技术工艺流程见图3。由图3 可知，包装过程主要由PVC 储料、PVC 牵引、PVC 加热、泡罩成型、物料充填、热封、压印批号与压痕( 撕裂线)、版块冲切、成品收集、盒包装等工序组成。其工作原理为，以2.2kW 电机为主动力通过齿轮减速箱，经机械传动链传动, 带动主轴运转实现整机各运动部位，片材加热、泡罩成型、热封、打印批号、压制撕裂线、版块冲裁等工序按程序标准同步运行。

图3 铝塑包装工艺流程图

（1）泡罩成型工序中，运用PLC 控制技术，研制应用于手能减轻工人劳动强度，且提高质量。开机在屏幕上手动模式下按功能控制键,上加热板闭合,启动机器，PVC 塑片在上、下加热板之间进行加温软化，加温软化后在牵引的作用下进入泡罩成型模，成型上模气道板固定，成型下模在凸轮作用下上升至上极限并压紧PVC 塑片，此时，气阀打开，经过过滤减压阀的压缩空气经成型上模气道板进入成型下模模腔，将PVC 塑片正压成型。

加热部件采用内加热式电加热，耗电少，效率高，能有效防止由于加热温度过高造成PVC 的分解。

（2）物料填充工序中，水烟膏由加料灌装机的加料口进入泡罩内,在一定的温度和压力下，与泡罩封合在一起。在热封工序中，把已填料的PVC 塑片泡罩在牵引作用下进入热封模装置时与背封材料( 铝箔封合面一侧涂有胶合物) 紧密黏封。当热封模(热封下模)上升至最高位时(上止点),气缸会使网纹板(热封上模)向下运动把成型后的包装材料(此时已成泡罩并装有包装物品)和背封材料(铝箔)在热封模(热封下模)表面压住(成型的泡罩及包装物品会嵌入热封模相对应的模腔中所以不会被压坏)形成一定的压力,由于网纹板(热封上模)已经被加热到预定的温度(约160°)在压住背封材料(铝箔)时能融化背封材料表面的胶合物,因为上下模表面有着相对应且均匀细密的网纹，所以在一定压力下能达到成型材料与背封材料的完全密封，完成热封。

（3）批号工序中，把热封后的膏板进入批号模,批号下模在凸轮作用下上下运动，当批号下模上升至最高位时(上止点)在批号上模对应的位置便打印上批号，批号工序与压痕工序可共用, 也可以将钢字模安装在热封模的网纹板热封上模上。

（4）压痕工序中，当膏板进入压痕模落入压痕下模膏窝，压痕模上装有压痕刀, 压痕下模在凸轮作用下上下运动。当压痕下模上升至最高位时(上止点)在膏板相应的位置便留下压痕线即撕裂线。

（5）冲裁工序中，采用落料——冲孔复合冲压模式。牵引机构将膏板送入冲裁模具，在冲裁箱体内装有偏心轮及联动环，主轴转动驱动冲裁下模与上模做上下运动，在牵引的作用下，膏板穿过冲裁模具，当冲裁下模上升至最高位时(上止点)冲裁模具按凹凸模相对应膏板进行冲切、落料，废料卷材自动收卷。膏板自动输出成品，把合格品顺利输出至成品收集框内。

DPP-260A 泡罩包装机与同类型产品结构对比见表1。由表1 可知，DPP-260A 泡罩包装机机身采用槽钢框架式分体结构，同类泡罩包装机采用墙板式结构，牵引装置采用伺服电机带动辊轮牵引，模具采用模块化抽拉式设计，其结构设计比同类型产品合理，具有机身结构更加稳定，设备运行时更加平稳，工作误差小，使用寿命更长，便于进入小空间，牵引长度在牵引尺寸范围内在触摸屏上任意调节，牵引精度高，调节牵引尺寸方便，更换模具方便简单，对工人技术要求低，更换时间短，不影响生产效率等特点。

表1 DPP-260A 泡罩包装机与同类泡罩包装机结构对比

3 结语

本文为实现“长白山”品牌水烟膏灌装包装的自动化生产，设计制作水烟膏灌装包装机，并对其结构和工作原理进行分析。水烟膏灌装包机就由烟膏加料灌装机和铝塑泡罩包装机组成，烟膏加料灌装机采用螺旋挤压定量灌装方式，使大密度烟膏加料均匀且定量精准，通过双机并联加工设计，可采用1 种或2 种口味的烟膏包装形式；铝塑泡罩包装机整体采用模块化设计，开放式布局结构，各工序可视性好，维修操作方便，新颖安全的外观防护设计，保证操作安全性，与同类型产品相比，机身采用槽钢框架式分体结构，使结构更加稳定，设备运行时更加平稳，牵引装置采用伺服电机带动辊轮牵引，牵引长度于牵引尺寸范围内，在触摸屏上任意调节，模具采用模块化抽拉式设计，更换方便，简单适用等创新性技术特征。设计制作的水烟膏灌装包装机，结构合理、实用，其工作原理符合自动化生产的需求，可为阿拉伯水烟膏规模化包装生产提供新的技术路径。