气动技术在食品包装机械上的应用

气动技术在食品包装机械上的应用中国的食品包装机械经过近二十年的发展，已经形成了一定的规模，成为是机械工业中的重要组成部分。现在国内食品加工的大部分包装工作，尤其是较复杂的包装过程基本还是人工操作，从而极可能对被包装产品造成污染，这种状况极需得到改变。目前国家加大力度实施食品质量安全市场准入制度，食品包装设备也正在逐步纳入食品质量安全准入体系中，对食品包装机械行业是个实现产业升级的的良好契机。现代食品包装机械汇集了多种学科最先进的技术，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，并正向智能化、集成化方向发展，其中的基础组成部分之一是气动技术。气动技术，全称气压传动与控制技术，是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一，具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于轻工机械领域中，在食品包装及生产过程中也正在发挥越来越重要的作用，奶粉充填包装机、酸奶塑杯成型灌装封切机、饮料啤酒灌装机、果冻充填包装机、饼干和面包包装机枕式、薯片充填包装机、灌酱机、肉类包装机等均有大量使用，可以缩短加工辅助时间，减轻工人劳动强度，充分发挥设备的高效性能。但由于食品包装机械必须要符合食品机械安全的相关要求和规定，而且工作现场环境一般又较为复杂苛刻，如果使用了不适当的气动元件，往往会出现不正常现象；而现代的食品包装机械，通常是集机械、电气、液压、气动等干一体的设备，组成设备的各部分之间具有密切的联系，其中任何一部分发生故障均会影响其他部分的正常工作，大型食品包装设备内有成千上万只元器件，故障的检查、维修难一向是最棘手的问题之一，因此，在食品包装机械的气动设计与应用中，一定要选用可靠的、切合实际的厂家与产品。气动技术在食品包装机械中的基本应用在食品生产中，不同的生产区对卫生有不同要求；欧洲的EN1672-2标准将食品加工机械的环境定义为三个工作区，食品区、飞溅区和非食品区；根据不同的区域，所需要使用的气动技术及产品也不尽相同。在食品区和飞溅区，气动技术主要用于分配、装瓶、成形、灌装、配剂、密封等装置中，由于气动元件需要直接或间接与主要生产原料接触，为了防止产生对最终产品产生污染的可能性，其材质应为无毒、无吸收性、耐腐蚀的不锈钢；如果使用铝合金，则应具有一定抗腐蚀能力、无毒性、无吸收性；元件内部所使用的橡胶制品如密封件等应符合相应的卫生要求，在工作环境中应具有耐热、耐酸碱、耐油的稳定性，可接受正常清洗和消毒，不溶解，无毒性、无吸收性，不得有影响产品的气味；工作空气过滤装置应保证不得使5μm以上的尘埃通过；结构及表面应平滑、耐久、易于清洁并达到良好的洗净效果。尽管飞溅区的设计需要和食品区域相似，但材料要求可酌情降低，同时必须保证该设计对食物产品无负面影响。在这两种环境中应用的典型的气动产品有不锈钢气缸、洁净型气缸、易清洗阀岛、不锈钢气源处理元件等，而其中最具有代表意义的，是洁净型气缸，例如图1中所示的英国Norgren的PVA系列洁净型气缸，这种气缸的洁净式设计消除了食物颗粒可能附着的空腔、缝隙和锋利边角，具有自排水功能，所以液体可以直接流掉；缸筒材质采用阳极氧化铝，活塞杆采用镀硬络不锈钢，所用的密封件采用聚氨酯，气缸整体符合IP67，不仅耐腐蚀，还可进行反复清洗；而且这种气缸是符合ISO6431的标准化产品，具有可替换性，甚至连安装件也都采用标准件，安装维修都极为方便。非食品区，在这个区域，气动技术主要用于封袋、包装、贴标、检测、加盖等装置中，尽管这个区域的气动元件不需要接触生产原料，但通常仍然需要具有标准化、易清洗、智能环保、结构紧凑等特点。由于现在的食品包装设备要求在有限的空间内实现更多的功能，因此对于气动元件的尺寸也要求越来越紧凑、集成、模块化；典型产品有如图2所示的英国Norgren的易清洗阀岛VM系列，宽度仅10mm的阀体可提供430L/min的流量，可2至20位集成，多种功能、压力可集成使用，且符合IP65，是食品包装中复杂控制的趋势。此外，先进的食品包装设备普遍采用由过滤器、减压阀和不供油润滑的阀、气缸等组成的无给油润滑气动系统，这种系统在元件需要润滑处预先封入润滑脂，无需油雾器，可长时间工作而不需补充润滑脂，可降低油耗、改善环境、成本低、维修方便、性能稳定。气动技术在食品包装机械中的应用发展趋势随着食品加工工艺的日益提高，食品包装的自动化水平也在不断提高，目前，食品包装机械的研发正朝着高速、多功能化及控制智能化的方向发展，工业机器人、微电子、电脑、智能型和图像传感技术等将会得到越来越广泛应用，而应用于食品包装机械的气动技术的智能化、网络化也就将成为必然。智能化气缸是气缸智能化的集大成者，以图3中所示英国Norgren的智能化气缸为例，这种气缸内置有电磁阀、速控阀、气缸开关等附件，根据其气路设计，无论单作用还是双作用气缸，均只需一端接气，使用这样一个气缸配上过滤减压阀，就可以替代传统的整条气动回路，而且由于省去了中间气管传输等过程的耗气因素，空气消耗也大大减少，非常节能环保；根据食品行业的洁净需要，这类气缸具有IP66防护等级，属于可直接冲洗类气缸；根据标准化的需要，这类气缸还应符合ISO/VDMA标准，这样就可以和普通标准气缸实现互换，从而满足自动化升级在设计上的简化需求。这类气缸在电气控制上也非常简易、集成和柔性化，该气缸仅需一个电气接口即可实现远程集中控制，既可以选择多针接口也可以使用AS-I接口，如果选择ASI接口，如图4所示，通过由一台AS-I主控器连出的通信电缆（黄色）和一组智能化气缸连接，就可以进行总线远程集中控制，该系统的具体回路图可以参考图5。智能化气动三联件（见图6）则使空气处理系统的自我诊断成为可能，大多数气动系统的故障因空气处理系统而起，而传统的气源处理存在一些缺陷，主要是缺乏状态的监控和反馈，例如过滤器滤芯阻塞、调压阀调压不正常等问题常常出现，影响整个气动系统的正常运行；而智能化三联件则有效地解决了这一难题，它可以对气动系统进行持续的监控并随时通过Fieldbus及ASI连接显示相关数据，告知何时需要更换滤芯、润滑油，压力状态是否正常、记录使用时间，从而使故障率达到最低、减少维护维修成本，提高系统及设备的正常运行时间和生产能力。总结这些智能化、网络化的高新气动技术已经在一些西方国家得到了开发和应用，实现了食品包装机械进一步智能化，通过对这些技术的了解和研究吸收，国内食品包装机械的水平也有望得到提升和发展，减少食品加工过程中的人为或机器差错，确保食品机械的可靠运行，实现安全生产和清洁生产，实现食品包装过程的连续化生产，早日与国际接轨。