M8超高速卷煙機在線自動取樣系統(tǒng)優(yōu)化設計

徐玉中，倪雄軍，金春山

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠，浙江杭州 310024）

M8超高速卷煙機在線自動取樣系統(tǒng)優(yōu)化設計

徐玉中，倪雄軍，金春山

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠，浙江杭州 310024）

針對德國虹霓公司M 8超高速卷煙機在生產(chǎn)過程中對大流量卷煙產(chǎn)品實施在線自動取樣時所面臨的取樣穩(wěn)定性及煙支流擾動現(xiàn)象，運用三因素三水平正交實驗，通過對取樣爪運動模式及最優(yōu)尺寸的研究，設計出一種不影響卷煙物理指標且能夠實時取樣的在線自動取樣系統(tǒng)。結果表明，當取樣爪長90 mm，接觸弧長12 mm，真空度為-30 kPa時，取樣器在抓取煙支時，樣品物理特性的完整性較好。對比試驗表明，新設計的取樣器性能穩(wěn)定可靠，相對于原取樣器在煙支打橫的控制方面有一定程度的優(yōu)化和改進。

超高速卷煙機；在線取樣器；速度編碼器；正交實驗

隨著卷煙生產(chǎn)制造領域設備技術的不斷發(fā)展，設備生產(chǎn)效率也日漸提升，為進一步提高產(chǎn)品產(chǎn)能和品質，杭州卷煙廠引進德國虹霓公司設計制造的M8型超高速卷煙機組。作為世界上生產(chǎn)速率最高的卷煙生產(chǎn)設備，M8機組生產(chǎn)速率為20 000支·min-1。在M8機組正常運作的同時，如何有效完成對卷煙產(chǎn)品的在線自動取樣，從而實現(xiàn)產(chǎn)品品質的實時監(jiān)控，已成為當今國際煙草行業(yè)研究的焦點［1］。

目前，國內外對于卷煙產(chǎn)品在線自動取樣系統(tǒng)的研究多集中在PROTOS-70卷煙機組上（7 000支· min-1）［2］，對M8機組在線自動取樣系統(tǒng)的研究并不多見。M8自帶取樣器利用真空吸附方式進行上下垂直運動，定時吸取煙支通道上的產(chǎn)品。但由于取樣運動與煙支傳遞運動處于2個互相垂直的平面，實際取樣時，取樣器在一定程度上會干擾煙支傳遞，導致煙支打橫及煙庫堵塞，在一定程度上影響了卷煙品質，降低生產(chǎn)效率［3］。

本試驗通過研究取樣器運動曲線與煙支傳送的適配性以及取樣爪尺寸和真空度對取樣產(chǎn)品完整性的影響，設計出一種不影響卷煙物理指標且能夠實時取樣的在線自動取樣系統(tǒng)，為進一步發(fā)揮M8超高速機組生產(chǎn)效能并提升產(chǎn)品品質提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

M8超高速卷煙機（德國虹霓公司），C2綜合測試臺（德國虹霓公司），QTM卷煙測試平臺（意大利G.D.公司）。

浙江中煙工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的利群（長嘴）烤煙。

1.2 處理設計

根據(jù)煙支的長度和直徑，取樣爪長度分別設定為80，90和100 mm；取樣爪與煙支圓周實際接觸的弧長分別設定為8，10和12 mm。根據(jù)單根煙支的重量，取樣爪真空度分別設定為-20，-30和-40 kPa。

采用三因素三水平正交組合試驗，選用L9（34）正交試驗表進行試驗設計［4］，因素1-3水平，取樣爪長（A）分別為80，90和100 mm，接觸弧長（B）分別為8，10和12 mm，真空度（C）分別為-20，-40和-30 kPa。

1.3 指標設計

1.3.1 煙支抓取率

煙支抓取率是指取樣爪在運動過程中從煙支傳送帶上抓取煙支的成功概率。抓取率/%=100×成功抓取煙支次數(shù)/抓取總次數(shù)。

1.3.2 煙支物理指標

煙支的重量、吸阻和圓周是衡量卷煙質量標準的重要參數(shù)。其中圓周指標用標準偏差（SD）值表示，即煙支端截面圓與標準圓之間的差異程度。1.3.3 煙支表面褶皺的評分判定

為便于統(tǒng)計，將取樣爪抓取煙支時造成的表面褶皺依嚴重程度進行分值設定：無褶皺，0分；略有褶皺，1分；輕微褶皺，2分；明顯褶皺，3分；非常明顯褶皺，5分。

1.3.4 煙支打橫停機率

煙支打橫停機率系煙支打橫造成的停機次數(shù)與總停機次數(shù)的比值。煙支打橫停機率/%=100×煙支打橫停機次數(shù)/停機總次數(shù)。

1.4 參照樣品的選擇

卷煙物理指標中心值，即卷煙生產(chǎn)工藝標準中所規(guī)定的最佳工藝值。本研究所使用的品牌煙支重量為850 mg，吸阻為108 mm H2O，圓周為0，表面褶皺分值為0。

人工手取煙支通過QTM測試平臺進行離線檢測［5］；M8原自帶取樣器吸取的煙支通過C2綜合測試臺進行在線檢測。

1.5 統(tǒng)計方法

正交試驗中，每組試驗重復10次，每次試驗獲取煙支樣品20支，取平均值用于結果分析。停機率試驗中，記錄M8高速機組連續(xù)5個工作日內（15個班次）的停機次數(shù)和由于煙支打橫造成的停機次數(shù)，并作數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 取樣器改進原理

2.1.1 取樣器的運動模式

在線自動取樣器包括取樣臂和取樣爪，取樣爪固定在取樣臂的下方。取樣爪的取樣端面上有一溝槽，溝槽兩端附近有兩個負壓吸氣孔。當取樣爪與煙支接觸時，利用負壓真空可以從煙支傳送帶上吸取一根煙支。本試驗將取樣器取樣爪的運動軌跡設定為圓周曲線運動，當取樣爪吸取樣品時，其瞬時速度矢量與煙支傳送帶移動速度矢量相同。取樣器結構及運動模式如圖1所示。由于取樣爪和煙支流在接觸瞬間的速度矢量一致，避免了因為兩者運行速度或運動方向不匹配而造成的煙支流擾亂，降低了樣品取樣過程中所造成的物理損傷，從而確保樣品檢測數(shù)據(jù)的準確性和有效性。

2.1.2 取樣器的程序控制

取樣器取樣時與煙支傳送帶保持速度一致，關鍵在于PLC程序的精確控制。C2綜合測試臺向取樣器發(fā)送取樣指令或停止取樣指令，取樣器每接到一個取樣指令后就啟動取樣程序，從卷煙機的輸送皮帶上抓取一支煙，然后把它送到C2綜合測試臺測量各項物理指標［6］。取樣器接到停止取樣指令后，則不啟動取樣程序（如果此時正在取樣過程中，則完成本次取樣），進入等待狀態(tài)。取樣器的PLC程序如圖2所示。

圖1 改良取樣器的工作原理

圖2 PLC程序的流程

2.2 取樣爪不同參數(shù)對煙支樣品物理特性的影響

取樣爪尺寸與負壓真空的變化對煙支樣品的物理特性存在一定程度的影響，試驗結果如表1所示。對上述試驗結果進行數(shù)據(jù)處理，各因素在不同試驗水平時的極差分析如表2所示。

5個物理指標中，均以C因素（真空度）的極差R值要顯著大于A因素（取樣爪長）和B因素（接觸弧長），表明C因素（真空度）是影響煙支樣品物理指標的最主要因素。

本試驗結果表明，真空度越大，煙支抓取率越高，而煙支表面受到的擠壓力越大。當真空度達到-40 kPa時，煙支抓取率為100%，但表面褶皺的k1分值為1.67，端面圓周SD值達0.073，煙支外表面略有形變。煙支表面形變會導致吸阻增大，同時也會使煙支端部輕微落絲，質量減輕。真空度為-20 kPa時，雖然能夠使煙支保持良好的外觀形態(tài)和物理特性，但吸力不足，煙支抓取率僅為95%，這會導致在生產(chǎn)過程中某些樣品的漏檢。真空度為-30 kPa時各項指標較好，為最佳水平。

A因素（取樣爪長）3個水平對煙支物理指標的影響差異不大，當取樣爪長為90 mm時，煙支抓取率最高，為最佳水平。在取樣爪長一定時，取樣爪與煙支的接觸弧長越長，接觸面積越大，則取樣爪與煙支接觸時的壓強越低，可降低煙支表面的物理形變；同時由于接觸面積大，漏氣率低，有利于提高煙支抓取率。因此，接觸弧長以12 mm為最佳水平。綜上，優(yōu)選方案為A2B3C3，即取樣爪長90 mm，接觸弧長12 mm，真空度-30 kPa。

表1 三因素三水平正交試驗的結果

表2 三因素三水平正交試驗的結果分析

2.3 改良取樣器性能可靠性分析

將通過人工手取、M8原自帶取樣器與改良取樣器等3種方式取樣的煙支樣品進行試驗，測量樣品的物理特性，結果如圖3-7所示。3種取樣方式對煙支樣品的重量和吸阻指標的影響差別不大，而對圓周和表面褶皺等指標影響較大。從表面形變來看，以人工手取樣品的表面形變最小，改良取樣器樣品的表面形變略小于M8原自帶取樣器。

圖3 不同取樣方式對煙支重量的影響

圖4 不同取樣方式對煙支吸阻的影響

取樣爪在取樣過程中造成的煙支流擾動，會使煙支在煙庫中無序排列，致使下煙通道阻塞，引起上游包裝機停機。如圖7所示，采用人工手取、M8原自帶取樣器和改良取樣器3種方式在生產(chǎn)過程中造成的煙支打橫停機率分別8.2%，13.3%和9.9%。可見，人工取樣對煙支樣品的物理特性影響最小且不易引起煙支流擾動，但是對于生產(chǎn)速率高達20 000支·m in-1的M8高速卷煙機，人工取樣效率過低、且工作量大；改進后的取樣器在保持樣品物理特性和對停機率的影響方面要優(yōu)于M8原自帶取樣器，而且通過在線自動取樣，可減輕人工勞動強度，有效避免了因人為因素造成的操作誤差，同時可實現(xiàn)卷煙生產(chǎn)動態(tài)取樣檢測，提高產(chǎn)品質量的實時可控性。

圖5 不同取樣方式對煙支圓周的影響

圖6 不同取樣方式對煙支表面褶皺的影響

圖7 不同取樣方式對煙支打橫停機率的影響

3 小結

本研究表明，當取樣爪長90 mm，接觸弧長12 mm，真空度-30 kPa時，取樣器在抓取煙支時，樣品物理特性的完整性較好。對比試驗表明，改良取樣器性能穩(wěn)定可靠，并且相對于原取樣器在煙支打橫的控制方面有一定程度的優(yōu)化和改進，實現(xiàn)了低故障、高效率的作業(yè)模式，有效降低了維護保養(yǎng)成本。

［1］ 胡啟秀，蔣錦鋒，趙繼俊，等.卷煙抽吸模式研究現(xiàn)狀概述［J］.中國煙草學報，2013，19（3）：98-102.

［2］ 高紹梁.PROTOS70型卷煙機改變煙支長度所需的調整［J］.煙草科技，2003（4）：12-15.

［3］ 唐小雪，陳智明，胡中軍，等.卷煙機設備運行參數(shù)與煙支重量穩(wěn)定性關系研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展：上半月，2012（8）：49-51.

［4］ 李云燕，胡傳榮.試驗設計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［5］ 戴昕，侯明.煙支在線取樣器的設計與應用［J］.自動化應用，2013（12）：57-59.

［6］ 陳良元.煙草生產(chǎn)工藝技術［M］.鄭州：河南科學技術出版社，2002.

（責任編輯：高 峻）

TS 43

B

0528-9017（2014）09-1434-04

2014-05-13

徐玉中（1970-），男，浙江嘉興人，工程師，本科，主要從事煙草機械設備技術方面的研究工作。

文獻著錄格式：徐玉中，倪雄軍，金春山.M8超高速卷煙機在線自動取樣系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.浙江農業(yè)科學，2014（9）：1434-1437.