細(xì)支濾棒成型機(jī)的設(shè)備參數(shù)分析與改進(jìn)

高明奇 ，顧 亮，賈學(xué)偉，朱 紅

（1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.牡丹江卷煙材料廠有限責(zé)任公司，黑龍江 牡丹江 157013）

1 引言

細(xì)支卷煙做為中式卷煙新品類，以其低焦低害、外觀新穎的優(yōu)勢(shì)獲得越來越多的消費(fèi)者喜愛[1]。由于當(dāng)前設(shè)備、工藝等都是基于常規(guī)卷煙設(shè)計(jì)，雖然根據(jù)細(xì)支卷煙的圓周變化進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，但還是缺乏深入系統(tǒng)研究，細(xì)支卷煙的煙支吸阻、重量、通風(fēng)率、硬度等指標(biāo)的穩(wěn)定性均低于常規(guī)卷煙。在卷煙輔材中，卷煙濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響卷煙的吸阻、重量、通風(fēng)等指標(biāo)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[2]表明細(xì)支濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定性顯著差于常規(guī)濾棒。

文獻(xiàn)[2]考察了細(xì)支濾棒用特種規(guī)格醋纖絲束的卷曲加工工藝，結(jié)果表面，所成型細(xì)支濾棒吸阻變異系數(shù)顯著高于常規(guī)濾棒吸阻穩(wěn)定性水平。文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果顯示醋纖絲束規(guī)格不變時(shí)，螺紋輥壓力、輥速比、穩(wěn)定輥壓力及空氣噴嘴壓力等工藝參數(shù)決定了醋纖絲束開松穩(wěn)定性和成型效果，同時(shí)，作者對(duì)濾棒成型的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)了加工工藝技術(shù)對(duì)濾棒質(zhì)量穩(wěn)定性的控制作用。文獻(xiàn)[5]以提高濾棒成型質(zhì)量穩(wěn)定性為目的，利用正交試驗(yàn)法在KDF-2成型機(jī)上采用規(guī)格為2.4 Y34000的醋纖絲束，對(duì)螺紋輥壓力、穩(wěn)定輥壓力、輥速比和空氣噴嘴壓力等4個(gè)濾棒成型關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化。結(jié)果表明穩(wěn)定輥壓力對(duì)濾棒壓降和壓降變異系數(shù)、硬度及單支重量有顯著影響，螺紋輥壓力對(duì)濾棒硬度變異系數(shù)影響顯著，在考察參數(shù)范圍內(nèi)，噴嘴壓力和輥速比對(duì)濾棒質(zhì)量的影響相對(duì)較小。文獻(xiàn)[6]為改善KDF-2濾棒成型機(jī)生產(chǎn)濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定性，選用規(guī)格為2.7Y/35000的醋纖絲束在KDF-2成型機(jī)上對(duì)關(guān)鍵參數(shù)開展了正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：穩(wěn)定輥壓力顯著影響濾棒單支重量、壓降及硬度，螺紋輥壓力對(duì)濾棒硬度的變異系數(shù)影響顯著，噴嘴壓力和輥速比對(duì)濾棒吸阻、硬度等指標(biāo)穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

從上述文獻(xiàn)報(bào)道可看出濾棒對(duì)細(xì)支卷煙的質(zhì)量穩(wěn)定影響較大，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)得知，與常規(guī)圓周卷煙相比，圓周在17.00mm左右的細(xì)支卷煙濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，特別是壓降波動(dòng)較大，這是導(dǎo)致細(xì)支卷煙煙支吸阻穩(wěn)定性差的關(guān)鍵原因。“高單旦、低總旦”規(guī)格絲束是帶來細(xì)支濾棒壓降波動(dòng)較大的固有原因，降低壓降與提高穩(wěn)定性似乎是存在矛盾的對(duì)立面，但是絲束特性曲線加工點(diǎn)、絲束開松比、絲束卷曲能穩(wěn)定性、送絲噴嘴、螺紋輥負(fù)載比、預(yù)開松張力等也是影響濾棒壓降穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。與此相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道主要集中于常規(guī)濾棒[7-9]，為此，對(duì)影響細(xì)支濾棒質(zhì)量穩(wěn)定性的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，重點(diǎn)關(guān)注成型機(jī)設(shè)備因素的影響，通過考察不同設(shè)備構(gòu)造及參數(shù)的影響，改進(jìn)細(xì)支濾棒成型設(shè)備參數(shù)，旨在為提高細(xì)支卷煙的質(zhì)量穩(wěn)定提供參考和技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

8.0 Y15000規(guī)格二醋酸纖維素絲束；11.0Y15000規(guī)格二醋酸纖維素絲束；KDF2濾棒成型機(jī)；ML204型電子分析天平（感量：0.1mg）；SODIMAX全功能綜合測試臺(tái)；濾棒物理指標(biāo)綜合測試臺(tái)；KBF型恒溫恒濕箱；SM450-PC107直線型吸煙機(jī)；6890A氣相色譜儀。

2.2 方法

表1 細(xì)支濾棒樣品要求Tab.1 Physical Parameters of Fine Filter Rod Samples

后續(xù)試驗(yàn)均在KDF2/AF2成型機(jī)進(jìn)行，成型機(jī)運(yùn)行速度試驗(yàn)采用醋纖絲束規(guī)格為11.0Y15000，其他試驗(yàn)均采用8.0Y15000規(guī)格醋纖絲束。所成型細(xì)支濾棒樣品質(zhì)量要求，如表1所示。采用GB/T 16447—2004《煙草及煙草制品調(diào)節(jié)和測試的大氣環(huán)境》的條件調(diào)節(jié)濾棒樣品。按照GB/T 22838—2009《卷煙和濾棒物理性能的測定》的方法抽取濾棒樣品，并檢測濾棒物理性能，并對(duì)濾棒樣品的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出其穩(wěn)定性指標(biāo)數(shù)據(jù)。設(shè)備參數(shù)的調(diào)整設(shè)置以成型機(jī)電子屏幕系統(tǒng)顯示為準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 成型機(jī)運(yùn)行速度影響

以11.0Y15000規(guī)格二醋酸纖維素絲束為試驗(yàn)樣品，以濾棒壓降3200Pa為加工中心值，考察了KDF2/AF2成型機(jī)不同車速對(duì)濾棒質(zhì)量的影響，如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)可以得出，將速度從200m/min提升至300m/min和350m/min，濾棒的硬度、圓周等參數(shù)都可符合要求，但濾棒壓降穩(wěn)定性明顯提高，分析原因?yàn)榻z束打包壓力較大，絲束易粘連，車速較低時(shí)，絲束抽提不連續(xù)，絲束抖動(dòng)明顯，造成絲束喂入不穩(wěn)，從而引起壓降波動(dòng)。同時(shí)，在生產(chǎn)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，車速高于300m/min時(shí)，由于送絲器空氣流量不足，導(dǎo)致二醋酸纖維素絲束喂入不足，無法正常成型濾棒，且車速過高容易出現(xiàn)繞輥斷絲等問題造成停車。綜合考慮，11.0Y15000規(guī)格二醋酸纖維素絲束在KDF2/AF2成型機(jī)的適宜加工車速為300m/min，且經(jīng)過普查得知，目前煙草行業(yè)細(xì)支濾棒成型機(jī)運(yùn)行速度都在300m/min左右。因此，對(duì)于細(xì)支濾棒成型而言，車速過高或過快都會(huì)對(duì)濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定造成不利影響。

3.2 捕絲器

捕絲器是濾棒成型機(jī)組連接開松和成型部分的重要組件，用于將開松后的絲束收縮成束并輸送至成型腔[10]。捕絲器主要根據(jù)文丘里效應(yīng)設(shè)計(jì)[11]。對(duì)于捕絲器而言，當(dāng)氣體流經(jīng)捕絲器最窄處時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力達(dá)到最大值，靜態(tài)壓力也達(dá)到最小值，氣體流速因涌流橫截面積變化而上升，在同一時(shí)間整個(gè)涌流都經(jīng)歷了橫截面積快速縮小的過程，同時(shí)，壓力也在同一時(shí)間降低到小于正常大氣壓強(qiáng)，從而在捕絲器內(nèi)形成負(fù)壓[12]。因此，捕絲器的匹配性會(huì)直接影響到成型機(jī)的送絲效果，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度和外圍配置等都會(huì)影響其性能，容易造成濾棒的壓降發(fā)生較大波動(dòng)。

當(dāng)前國內(nèi)煙草行業(yè)細(xì)支濾棒成型主要通過對(duì)KDF2/AF2成型機(jī)改造實(shí)現(xiàn)的，其中捕絲器多為常規(guī)圓周濾棒適用型號(hào)，并不利于細(xì)支濾棒的成型。捕絲器負(fù)壓區(qū)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。本試驗(yàn)對(duì)照了不同喂絲器的應(yīng)用效果，如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可以看出，1#常規(guī)捕絲器所成型濾棒的壓降穩(wěn)定性明顯差于改造后的捕絲器（2#、3#），捕絲器區(qū)別主要在于負(fù)壓區(qū)內(nèi)徑（a）的大小不同。常規(guī)濾棒用捕絲器內(nèi)徑更適用于高總旦規(guī)格（35000左右）醋纖絲束，而細(xì)支濾棒采用的是低總旦規(guī)格（15000左右）醋纖絲束，常規(guī)捕絲器對(duì)于其內(nèi)徑過大，成型時(shí)絲束容易抖動(dòng)纏繞，從而造成濾棒壓降不穩(wěn)定。

圖1 捕絲器局部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Local Structure Drawing of Wire Catcher

表3 不同捕絲器的細(xì)支濾棒檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Wire Catchers

3.3 開松輥速比

絲束開松是濾棒成型的關(guān)鍵工序，絲束開松是指將一束卷曲的絲束通過開松輥和空氣開松器的共同作用達(dá)到橫向和縱向的同時(shí)展開，打亂絲束的分布排序，利于增塑劑的施加及濾棒穩(wěn)定均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。絲束開松寬度和開松程度，其對(duì)濾棒硬度、吸阻的穩(wěn)定性、過濾效率、外觀等均會(huì)產(chǎn)生顯著影響。開松不足會(huì)使濾棒重量過重，過濾效率低以及濾棒變軟。開松過量將導(dǎo)致飛花、斷絲、纏輥及過濾效率降低，如圖2所示。

圖2 開松機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure Diagram of Loosening Machine

開松時(shí)速比包括擴(kuò)展輥F2與喂料輥F1的速度比（開松比V2/V1）和擴(kuò)展輥F2與輸出輥的速度比（回速比V2/V3）。兩者對(duì)細(xì)支濾棒成型質(zhì)量的穩(wěn)定性均會(huì)有所影響。一般而言，當(dāng)V2/V1速度比一定時(shí)，隨著V2/V3速度比的增大，吸阻和硬度稍有增高。當(dāng)V2/V3速度比一定時(shí)，隨著V2/V1速比的增大，吸阻與硬度稍有降低[13]。本試驗(yàn)著重考察了開松比的影響結(jié)果，如表4所示。開松比適當(dāng)加大，濾棒壓降和硬度稍有降低，且穩(wěn)定性有提高，但當(dāng)開松比低于1.10時(shí)，濾棒縮頭明顯，壓降穩(wěn)定性較差，硬度均勻性較差；當(dāng)開松比高于1.40以上時(shí)，濾棒硬度不均勻，且飛花大量產(chǎn)生。因此，對(duì)于8.0Y15000規(guī)格醋纖絲束而言，在KDF2/AF2成型機(jī)上成型本試驗(yàn)的目標(biāo)細(xì)支濾棒，適宜的開松比范圍為（1.10～1.40）。

表4 不同開松輥速比的細(xì)支濾棒檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Tow Opening Ratio

3.4 螺紋輥壓力

螺紋輥壓力會(huì)直接影響絲束在運(yùn)行過程中被擴(kuò)展輥牽引所受力的大小，如圖3所示。若螺紋輥壓力過小，絲束在成型過程中會(huì)得不到足夠的拉伸張力，不僅易造成絲束運(yùn)行波動(dòng)，開松不充分，絲束產(chǎn)率降低，而且會(huì)導(dǎo)致硬度變異系數(shù)增大；若螺紋輥壓力過大，絲束在運(yùn)行中所受的拉伸張力加大，易導(dǎo)致絲束帶過窄，絲束卷曲度喪失，甚至易造成絲束斷裂并產(chǎn)生大量的飛花，同時(shí)，會(huì)增大兩輥間的摩擦力，造成設(shè)備磨損[3]。從表5看出，當(dāng)螺紋輥壓力增大時(shí)，濾棒壓降也隨之增大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺紋輥壓力為小于0.18MPa時(shí)，絲束明顯開松較差，可見部分絲束未開松；而當(dāng)螺紋輥壓力大于0.23MPa時(shí)，絲束開松過大，飛花嚴(yán)重，且濾棒壓降硬度不穩(wěn)定。因此，對(duì)于8.0Y15000規(guī)格醋纖絲束而言，在KDF2/AF2成型機(jī)上成型本試驗(yàn)的目標(biāo)細(xì)支濾棒，適宜的螺紋輥壓力范圍為（0.18～0.23）MPa，但需要根據(jù)設(shè)備條件及濾棒規(guī)格進(jìn)行具體優(yōu)化調(diào)整。

圖3 螺紋輥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagram of Thread Roller

表5 不同螺紋輥壓力的細(xì)支濾棒檢測數(shù)據(jù)Tab.5 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Pressure on Threaded Rolls

3.5 穩(wěn)定輥壓力

穩(wěn)定輥的作用是為了減少濾棒成型過程中絲束帶的張力變化，使絲束能夠保持穩(wěn)定的速度和寬度進(jìn)入開松輥進(jìn)行開松處理[3]，穩(wěn)定輥壓力對(duì)細(xì)支濾棒的質(zhì)量穩(wěn)定性有顯著影響。對(duì)于常規(guī)圓周濾棒而言，隨穩(wěn)定輥壓力的變化，濾棒壓降和硬度均會(huì)發(fā)生明顯變化，即隨穩(wěn)定輥壓力的增加，濾棒的壓降和硬度值有所增加[6]。本試驗(yàn)選擇8.0Y15000規(guī)格醋纖絲束成型細(xì)支濾棒，對(duì)穩(wěn)定輥壓力進(jìn)行了調(diào)整試驗(yàn)，如表6所示。當(dāng)穩(wěn)定輥壓力在（0.06～0.10）MPa范圍時(shí)，濾棒的壓降和硬度穩(wěn)定性相對(duì)較好；當(dāng)穩(wěn)定輥壓力小于0.06MPa或超過0.10MPa時(shí)，隨穩(wěn)定輥壓力的增加，濾棒的壓降和硬度穩(wěn)定性明顯變差。對(duì)于8.0Y15000規(guī)格醋纖絲束而言，在KDF2/AF2成型機(jī)上成型本試驗(yàn)的目標(biāo)細(xì)支濾棒，適宜的穩(wěn)定輥壓力范圍為（0.06～0.10）MPa，但需要根據(jù)設(shè)備條件及濾棒規(guī)格進(jìn)行具體優(yōu)化調(diào)整。

表6 不同穩(wěn)定輥壓力的細(xì)支濾棒檢測數(shù)據(jù)Tab.6 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Pressure on Stabilizer Rolls

4 結(jié)論

（1）考察了KDF2/AF2型細(xì)支濾棒成型機(jī)運(yùn)行速度、不同規(guī)格捕絲器、絲束開松比、螺紋輥壓力及穩(wěn)定輥壓力對(duì)細(xì)支濾棒壓降和硬度等指標(biāo)穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)，在絲束規(guī)格一定的情況下，上述設(shè)備因素不同參數(shù)對(duì)細(xì)支濾棒質(zhì)量均有一定影響，但是成型機(jī)運(yùn)行速度和捕絲器影響更為顯著。（2）結(jié)合細(xì)支濾棒檢測數(shù)據(jù)，針對(duì)不同成型機(jī)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了考察優(yōu)化，結(jié)果表明：①對(duì)于11.0Y15000規(guī)格的絲束，成型機(jī)運(yùn)行速度以300m/min左右為宜；②③對(duì)于8.0Y15000規(guī)格的絲束，KDF2/AF2型濾棒成型機(jī)捕絲器內(nèi)徑為17.0mm為宜；④對(duì)于8.0Y15000規(guī)格的絲束，開松比為（1.10～1.40）；螺紋輥壓力控制在（0.18～0.23）MPa；穩(wěn)定輥壓力控制在（0.06～0.10）MPa較適宜。（3）對(duì)于細(xì)支濾棒成型，成型機(jī)設(shè)備參數(shù)是影響細(xì)支濾棒質(zhì)量穩(wěn)定性的重要方面，需要進(jìn)行考察優(yōu)化，且絲束規(guī)格和成型機(jī)型號(hào)不同，設(shè)備因素都需要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。