孙跃进
（山东新华制药股份有限公司，山东 淄博 255005）
摘要：通过分析目前国内小袋包装机存在的问题，提出了相应的改进方法，以解决包装热封强度不均匀问题。
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关键词 ：热封温度均匀性；热电偶；热电阻；新型滑环
1 问题的提出
1.1 热电偶与铜滑环对加热辊温度的测量问题
目前，国内基本上都是采用热电偶与铜滑环测量多列四边封小袋包装机的加热辊温度，其原理是通过铜滑环将转动着的热封辊上的热电偶信号传送到温度控制器，以进行温度测量和控制。铜滑环在此成为热电偶测量回路中的实际冷端。当加热辊温度渐渐升高后，铜滑环的温度也随之被慢慢导热升高。在试车验收时，测量铜滑环表面温度可达55 ℃，这样冷端产生的附加反向电动势，抵消了一部分正常测量信号的毫伏值，使测量显示温度比实际温度值低许多。当温度控制器的定值按膜正常热封温度设置不变时，虽然加热辊的显示温度会在正常设定值，但实际温度比显示温度要高出至少30 ℃。由于纵封加热辊密封面始终压着包装膜，温度过高会直接影响膜的热封效果，小袋包装容易出现过封现象，纵封上出现细微裂纹，使得小袋密封质量得不到保证。
因此，根据包装的热封情况，要不断地改变温度控制器的温度定值，以保持良好的小袋包装热封强度，防止过封问题的出现。
然而，时常调整温度定值，使密封质量控制点成为一个变量，没有一个明确的温度控制范围，影响生产工艺质量的控制，这是不符合新版GMP要求的。
1.2 加热辊温度不均匀
在设备出厂验收时，用红外测温仪检测多通道四边封小袋包装机的纵封加热辊表面温度时发现，纵封加热辊上各道热封面的温度存在差异，中间温度偏高，两边温度偏低。在产品包装时，容易造成两边的小袋纵封强度不够，而中间小袋的纵封却出现过封的现象。
另外，纵封加热辊的温度差异不仅表现在长度上的不均匀，而且从升温到开始热封的过程中，加热辊的表面温度还有如下变化：
（1）升温阶段，加热辊表面的热封温度暂时均匀；
（2）升温一段时间后，有温度超调现象出现；
（3）持续升温后，热电偶信号传递所用的旋转铜滑环作为热电偶的冷端其温度升高，造成加热辊实际温度比显示温度高出许多，导致小袋过封，对此要经常调整热封温度定值；
（4）运行时间长了以后，温度向两端扩散达到平衡后，中间温度又开始变高。
1.3 包装物料扬粉影响横封强度
含有粉子的包装物在灌装时会出现扬粉现象，导致包装横封时夹粉而影响热封强度。
2 原因分析
2.1 加热辊温度不均匀原因分析
（1）加热辊较长，且加热辊两端存在不加热区域，使得中间升温快，两端升温慢，导致加热辊温度不均匀。
（2）纵封加热辊的形状和安装方式的影响：一方面，纵封加热辊上各道的热封是按小袋宽度等间距分隔排列，使得热量传递不均匀；另一方面，纵封加热辊两端通过轴承安装在金属固定板上，加热辊的驱动侧还装有链轮，两端都没有隔热措施，这样加热辊的两端就会向两侧传导和扩散热量，造成两端散失热量多于中间散失热量。
（3）电加热管有效长度短：拆下加热管，根据加热管的加热痕迹可以测出它的有效加热长度，其有效加热长度比纵封加热辊长度短，且没有考虑两端多余非加热长度的热量散失所应留有的加热余量。
2.2 物料扬粉原因分析
由于物料粒度分布不同，含有粉子，导致灌装物料在下落的过程中或是遇到冲击时出现扬粉反扑现象。
3 解决方法
3.1 加热辊温度不均匀问题的解决方法
3.1.1 纵封加热辊分段加热
对纵封加热辊可采用分段加热方式。首先，将电加热管的电热丝分成3段，每段可采用不同的电压，根据辊表面温度分布情况分别调整电压。然后，再通过各自的温度控制器控制各自电流通断，以达到加热辊整个长度上的温度均匀。
这种加热方式下的铜滑环要相应增多，并需要人事先整定电流，为了控制各段温度，最好各段都有自己单独的温度检测点。
3.1.2 在改变加热管的电热丝绕制方式的基础上增加加热管有效长度
另一种方法是改变加热管的电热丝绕制方式，用不等距绕制，使加热管内的电热丝中间疏，两头密，减少中间的热量，使得加热辊的整体温度均匀。同时，增加加热管的有效长度和总的加热功率，使升温时间缩短，加热均匀。这种方法不用增加铜环滑和温度检测点，也不用事先调压。
加热管的长短和绕制方式，要按实际加热辊的长度和现场加热辊的温度分布情况来确定，可用红外测温仪，分时间段分别测量，在加热1.5 h以后，可有效掌握加热辊表面的温度分布和变化情况，最后确定电热丝的绕制疏密程度。加热管的长度要考虑加热管本身两端封装的死区长度，一般加热管两边封装各有20～30 mm的死区，引线封装端相对长一点。
因此，电热丝的绕制长度一定要略长于热封辊的热封长度，要兼顾到加热辊两端的有效温度。经过对温度分布和加热管有效加热长度的测量，在原电加热管长度的基础上，加长48 mm，同时留出测温元件的安装空间。
通过加长加热管的有效加热长度和改变电热丝的绕制方式，以及增加加热功率，解决了热封辊两端温度比中间温度低的问题，温差至少减小了7 ℃，使各列小袋包装的纵封强度均匀性得到了提升，保证了各列小袋包装的纵封撕拉强度和一致性。
3.1.3 手动前馈调节
通过采用手动前馈调节，解决了温升超调问题。在温度升温接近至定值时，将定值下调几度，过几分钟后再调回到原定值，这样既可以缩短升温时间，又可以解决升温阶段的温度超调问题。另外，现在温度控制器都有自整定功能，在正常自动控制下，温度偏差都很小，一般稳定控制在1.5 ℃之内，因此一般不用单独调整PID参数。升温阶段通过手动前馈调节，超调量只要控制在膜正常热封温度限度内，并且在自动状态下，经过两次先上升后下降的波动后能很快得到稳定控制即可。
3.1.4 对夹式热封方式
国外小袋包装机的热封方式大部分已采用对夹式，每个通道有各自局部的条型加热块，前后两排对夹，避免了加热辊温度不均匀的问题。
3.2 热电偶与铜滑环测量问题的解决方法
3.2.1 调整热封温度，选用热封性更好的膜
当前很多小袋包装机的生产操作都是通过调整热封设定温度，找出能使小袋密封合格的热封强度的温度值，然后在此温度值的基础上，在生产过程中进行一定范围内的上下调整。
由于显示温度并不是膜的实际热封温度，如果有的膜热封温度范围较窄，加上辊的温度均匀性差，那么这种膜就不能正常使用，就要选用热封性更好的膜，这样就会导致包材成本上升，生产成本也相应增加。这适用于产品附加值较高的产品。
3.2.2 热电偶安装到与热封辊滑动接触的小滑块上
将热电偶安装到一个与热封辊滑动接触的小滑块上，不再装在热封辊内，以此间接地测量加热辊的温度作为热封温度控制的相对参考点。因此，热电偶信号就不用通过铜滑环传递，从而避免了冷端问题。但是，这种测量与实际温度会有较大的误差，只能作为相对参考点来进行温度控制。
3.2.3 延长铜滑环固定轴的长度
通过延长铜滑环固定轴的长度，可以减小热封辊对铜滑环温度的影响，也就是减小对热电偶冷端温度的影响。
3.2.4 铜滑环上加冷端补偿元件
在铜滑环上加冷端补偿元件，再接到温度控制器端子上，以作实时冷端温度补偿。然而，现代温度控制器内部大多采用的是内部电路板贴片补偿，外部不留冷端补偿端子，而且在碳刷上不能安装热电偶。
3.2.5 热电阻取代热电偶，新型滑环取代铜滑环
为了能有效地解决热电偶在铜滑环处的冷端问题，笔者采用热电阻彻底取代热电偶，并用新型滑环取代铜滑环。
将检测点安装在转动的热封辊内部以测量温度，其特点是与实际温度偏差小，测量温度值基本为实际热封温度。但是，在生产应用中，目前还是普遍用热电偶经过铜滑环把旋转工件的温度信号有线传输出去，无线温度传感器在高温和低温中很少得到应用。30多年来，制药包装设备也几乎很少采用热电阻与铜滑环组合的方式进行温度测量和温度控制。其原因在于，热电偶是毫伏信号，它对接触电阻的变化不太敏感，而热电阻是利用阻值对温度的线性关系，经过电桥回路来精确测量温度，它对线路阻值的变化非常敏感，而一般铜滑环接触阻值都会发生变化，一切油汽、水汽、氧化、表面磨损和污染都会改变滑动接触表面阻值，从而影响热电阻温度测量的准确性，时常引起显示温度大范围的波动。
我们对此进行了改造：先用热电阻替换热电偶进行温度测量，原铜滑环不变，在铜滑环处改接成热电阻的三线制，同时改变温度控制器测量元件，由热电偶改为热电阻。然后，进行热封实验，结果表明：热电阻温度测量显示比原热电偶温度测量显示提高了至少30 ℃，同样的膜，热封温度从原来的78～84 ℃上升到105～118 ℃。热电阻较实际地反映出了膜的热封温度，且即使连续一个班次的运行，也不用再调整热封温度，使包装热封温度控制稳定，热封质量可靠。
但是，在次日开机的时候发现，温度显示在不断跳动。经过对铜滑环和碳刷表面进行清洁，温度显示又恢复了正常，经过几次运行都是这样。这说明铜滑环在不停机连续运转时，滑动表面没有形成阻值不等的变化，当停止运转后，油汽冷凝和磨损污染混合物在铜滑环和碳刷表面形成不等的阻隔层，破坏了铜滑环和碳刷表面的正常接触阻值，造成显示跳动。
通过改造我们看到，热电阻在用于转动体的温度测量时，它的测量结果比较准确和稳定，但它的信号在通过滑动接触传递中又极易受滑动表面阻值的变化而影响其测量稳定性。这也就是为什么一般不用热电阻与铜滑环配合测量温度的原因，大家默认旋转工件不用热电阻而用热电偶测量。
为解决热电阻滑动接触阻值变化的问题，即解决油汽冷凝与磨损混合物或氧化层对滑动接触表面的污染问题，必须寻找一种新的在高温下既可精确传输弱信号，又可让大功率电流通过的新型滑环，同时保证高温下滑环材料的机械强度和绝缘强度不变。
经过查询和实验，我们选用了一种新型滑环，使热电阻信号得到了稳定准确的传递，解决了热电偶冷端问题和热电阻通过铜滑环产生的阻值变化问题，经过多批次的生产使用，小袋包装的热封质量稳定可靠，铝复合膜的热封温度范围也得以拓宽，膜的生产成本降低，保证了工艺质量控制点的稳定。
3.3 物料扬粉影响横封强度问题的解决方法
首先，调整好下料时间与横封位置，使其最佳同步配合。采用真空吸粉，将吸尘口改造为长槽形，插在膜和下料管之间，从而有效吸取加料管和膜之间的扬粉。在有条件的情况下，还可采用闸式下料器，以避免出现扬粉。
另外，可选用抗污染膜，膜内层的粘结剂要有很好的抗粉性和强粘结性，而且在保证膜热封外观不变的情况下，热封温度范围越宽越好。
4 结语
在包装设备出厂和车间现场试车及验证过程中，我们经过技术改造，使热封温度分布均匀，解决了加热辊旋转体温度测量不稳定的问题，消除了物料扬粉对横封强度的影响，保证了复合膜包装的热封均匀和强度，生产控制精确稳定。
收稿日期：2015-08-03
作者简介：孙跃进（1959—），男，山东荣成人，高级工程师，研究方向：制剂设备。