PROTOS MAX-M8 濾嘴接裝機(jī)供膠裝置的改進(jìn)

余宇文，李德法，趙 龍

1. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)東沙環(huán)翠南路88 號(hào) 510385 2. 許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南省許昌市永昌路6 號(hào) 461000 3. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東省青島市株洲路137 號(hào) 266000

PROTOS M8 卷接機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)M8 機(jī)組）和PROTOS M5 卷接機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)M5 機(jī)組）是德國(guó)HAUNI 公司生產(chǎn)的當(dāng)前最先進(jìn)的超高速卷接設(shè)備。M8 機(jī)組由VE-M8 供料成條機(jī)、SE-M8 卷煙機(jī)和MAX-M8 濾嘴接裝機(jī)組成，生產(chǎn)能力為2 萬(wàn)支/min；M5 機(jī)組由VE-M5 供料成條機(jī)、SE-M5 卷煙機(jī)和MAX-M5 濾嘴接裝機(jī)組成，生產(chǎn)能力為1.2萬(wàn)支/min。其中，MAX-M8 與MAX-M5 接裝機(jī)均采用噴涂式供膠裝置，將乳膠加壓后在程序控制下打開(kāi)或關(guān)閉噴嘴，實(shí)現(xiàn)接裝紙上膠功能。在生產(chǎn)運(yùn)行中，MAX-M5 供膠裝置性能穩(wěn)定，能夠滿足濾嘴接裝要求；但MAX-M8 在生產(chǎn)速度提高后，供膠裝置容易出現(xiàn)故障，導(dǎo)致接裝后煙支產(chǎn)生泡皺、漏氣、濾嘴脫落等質(zhì)量問(wèn)題，檢查發(fā)現(xiàn)乳膠中有氣泡現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槟z壓不足而造成設(shè)備停機(jī)。為保證煙支濾嘴接裝質(zhì)量，陳瑜等［1］將PASSIM 卷接機(jī)組改進(jìn)為膠池式上膠；王英等［2］改進(jìn)了YJ24 接裝機(jī)供膠系統(tǒng)；張衛(wèi)賓等［3］、王永峰等［4］分別改進(jìn)了YJ29 接裝機(jī)和PROTOS 卷接機(jī)組的控膠輥；尹洪禹等［5］、梁志宏等［6］應(yīng)用氣動(dòng)隔膜泵分別改進(jìn)了ZJ17 和PROTOS70 卷接機(jī)組供膠裝置。針對(duì)超高速卷接機(jī)組，周斌等［7］、盛浩然等［8］分別對(duì)M8 機(jī)組的煙支切割技術(shù)和切煙管輪技術(shù)進(jìn)行了研究；李理等［9］對(duì)M5 機(jī)組的梗簽輸送裝置進(jìn)行了改進(jìn)；蔡培良等［10］優(yōu)化設(shè)計(jì)了M5 機(jī)組的殘煙自動(dòng)回收分類(lèi)裝置。上述改進(jìn)設(shè)計(jì)有效提高了卷接機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，但對(duì)于MAX-M8 供膠裝置的研究及改進(jìn)則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，通過(guò)對(duì)MAX-M8 供膠裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)用流體力學(xué)原理對(duì)供膠裝置進(jìn)行改進(jìn)，以期提高濾嘴卷煙的接裝質(zhì)量。

1 問(wèn)題分析

1.1 存在問(wèn)題

MAX-M5 與MAX-M8 濾嘴接裝機(jī)均采用噴涂式供膠裝置，該裝置主要由供膠單元、噴嘴單元、噴嘴水清洗單元3 部分組成，見(jiàn)圖1。其中，供膠單元包括閥島（1）、冷卻裝置（2）、氣動(dòng)隔膜泵（3）、儲(chǔ)膠桶（5）、電控裝置（9）等；噴嘴單元包括噴膠控制閥（6）、噴嘴等；噴嘴水清洗單元包括排水泵（7）、水箱（4）、灑水裝置（8）等。生產(chǎn)中乳膠存放于密閉的塑料桶內(nèi)，當(dāng)需要對(duì)接裝紙噴涂上膠時(shí)，供膠裝置通過(guò)閥島（1）上的電磁閥控制氣動(dòng)隔膜泵（3）工作，將乳膠加壓到0.41 MPa，再由噴膠控制閥（6）對(duì)氣動(dòng)隔膜泵（3）輸出的乳膠壓力進(jìn)行調(diào)整，將乳膠壓力調(diào)整至0.2 MPa 后，提供給接裝機(jī)的噴嘴式上膠器，由噴嘴將乳膠均勻噴涂到接裝紙上，完成接裝紙上膠。當(dāng)接裝機(jī)停止工作，接裝紙停止噴涂上膠時(shí)，噴嘴旋轉(zhuǎn)到清洗位置，利用清水清洗噴嘴并保持濕潤(rùn)。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)MAX-M8 供膠裝置經(jīng)常因乳膠氣泡或膠壓不足產(chǎn)生漏氣、泡皺、濾嘴脫落等質(zhì)量缺陷煙支，甚至因膠壓不足導(dǎo)致故障停機(jī)；而MAX-M5 供膠裝置工作穩(wěn)定，能夠滿足濾嘴接裝要求?？梢?jiàn)，卷接機(jī)組生產(chǎn)速度由1.2 萬(wàn)支/min 提高到2 萬(wàn)支/min 時(shí)，供膠裝置無(wú)法滿足MAX-M8的生產(chǎn)要求，需要對(duì)供膠裝置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

圖1 改進(jìn)前MAX-M8 接裝機(jī)供膠裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler before modification

1.2 原因分析

分析發(fā)現(xiàn)，MAX-M8 生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生乳膠氣泡或膠壓不足的原因：一是乳膠黏度高、流動(dòng)性差，中高速機(jī)組要求的乳膠黏度為1 400～3 000 mPa·s。二是乳膠輸送管道過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致壓力損失過(guò)大。由圖1 可見(jiàn)，氣動(dòng)隔膜泵位于供膠裝置上部，而儲(chǔ)膠桶和噴膠控制閥位于供膠裝置下部，氣動(dòng)隔膜泵需要通過(guò)較長(zhǎng)管道抽吸乳膠，對(duì)乳膠加壓后再通過(guò)較長(zhǎng)管道壓入噴膠控制閥，因此產(chǎn)生較大的壓力損失。三是氣動(dòng)隔膜泵的流量、壓力等參數(shù)無(wú)法滿足正常生產(chǎn)需求。

2 改進(jìn)方法

由圖2 可見(jiàn)，改進(jìn)后MAX-M8 供膠裝置將氣動(dòng)隔膜泵（3）由上置式改為下置式，并將其布置于儲(chǔ)膠桶（5）及噴膠控制閥（6）的一側(cè)；縮短氣動(dòng)隔膜泵（3）的管道長(zhǎng)度，同時(shí)將抽吸乳膠方式改為重力壓入乳膠，經(jīng)氣動(dòng)隔膜泵（3）加壓輸出的乳膠直接進(jìn)入噴膠控制閥（6），減少管道壓力損失，提高乳膠壓力穩(wěn)定性。

2.1 縮短管道長(zhǎng)度

由于MAX-M8 供膠裝置的管道長(zhǎng)、轉(zhuǎn)彎及接頭數(shù)量多，根據(jù)流體力學(xué)原理［11］，直圓管層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失計(jì)算公式為：

圖2 改進(jìn)后MAX-M8 接裝機(jī)供膠裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler after modification

管道入口、出口、轉(zhuǎn)彎、接頭等局部的壓力損失為：

式中：ΔPr─局部壓力損失，Pa/m；ζ─局部阻力系數(shù)。

因此，在流體的黏度、密度、壓力及流速相同時(shí)，管路總壓力損失為：

由公式（2）可知，當(dāng)輸送管道直徑和乳膠黏度不變時(shí)，在流速基本穩(wěn)定的前提下，輸送管道越長(zhǎng)，其輸送液體的壓力損失越大，因此縮短管道長(zhǎng)度可減少乳膠的壓力損失。已知接裝乳膠黏度μ=2 100 mPa·s，密度ρ=1 200 kg/m3，管道直徑d=0.022 m，機(jī)組全速運(yùn)行時(shí)乳膠需求量Q=0.125 L/min，則乳膠的流速V=0.055 m/s。分別取管道長(zhǎng)度L=2.5 m 和1.3 m，根據(jù)公式（2）計(jì)算可得管道沿程壓力損失ΔPf=19 090 Pa/m 和9 927 Pa/m。改進(jìn)后取消了7 個(gè)擴(kuò)口式接頭、1 個(gè)變徑接頭和2 個(gè)管道轉(zhuǎn)彎，查詢(xún)資料得到ζ擴(kuò)=2，ζ變=11，ζ彎=1.04［11］，根據(jù)公式（3）計(jì)算可得局部壓力損失ΔP r≈500 Pa/m。分析可見(jiàn)，將管道長(zhǎng)度縮短1.2 m，管道接頭數(shù)量由原來(lái)的14 個(gè)減少到6 個(gè)后，乳膠輸送管道的壓力損失可降低50%。

2.2 增大氣動(dòng)隔膜泵流量

氣動(dòng)隔膜泵是一種新型流體輸送裝置，MAX-M8 供膠裝置使用的是德國(guó)ALMATEC 公司的CX20EES 氣控型氣動(dòng)隔膜泵。CX20EES 氣動(dòng)隔膜泵以水為介質(zhì)時(shí)，每個(gè)脈動(dòng)液體輸出量為20 mL，當(dāng)工作頻率為3、5 和7 Hz 時(shí)的流量分別為3.6、6.0 和8.8 L/min，流量與揚(yáng)程（表示輸出壓力，1 mmH2O=9.8 Pa）的特性曲線見(jiàn)圖3。當(dāng)輸入氣動(dòng)隔膜泵的空氣壓力為0.5 MPa，工作頻率分別為3、5 和7 Hz 時(shí)，流量與揚(yáng)程基本呈反比關(guān)系。改進(jìn)前當(dāng)卷接機(jī)組啟動(dòng)及低速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)隔膜泵設(shè)定的工作頻率為3 Hz；當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到2 萬(wàn)支/min 時(shí)，用膠量增大，氣動(dòng)隔膜泵設(shè)定的工作頻率為5 Hz。

圖3 CX20EES 氣動(dòng)隔膜泵流量特性曲線Fig.3 Characteristic curve of flow rate of CX20EES pneumatic diaphragm pump

研究發(fā)現(xiàn)，流體黏度與流量呈反比關(guān)系，黏度越大，泵送流量越?。?2］，流體黏度與流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。當(dāng)乳膠黏度達(dá)到2 000 mPa·s 時(shí)，氣動(dòng)隔膜泵的流量會(huì)降低到清水流量的3%；當(dāng)黏度達(dá)到3 000 mPa·s 時(shí)，泵送流量?jī)H能達(dá)到清水流量的2.5%。MAX-M8 工作時(shí)乳膠需求量約為7.5 L/h（即0.125 L/min），當(dāng)乳膠黏度達(dá)到3 000 mPa·s時(shí)，乳膠與清水輸出流量的比率為2.5%，故折算成清水時(shí)的輸出流量為0.125 L/min÷2.5%=5 L/min?？紤]到管道壓力損失及輸出穩(wěn)定的需要，乳膠輸出量應(yīng)不低于使用量的150%（即7.5 L/min），而此時(shí)CX20EES 氣動(dòng)隔膜泵折算成清水時(shí)的理論流量為20 mL×5 Hz×60 s= 6 L/min，無(wú)法滿足正常使用需求。將氣動(dòng)隔膜泵的工作頻率調(diào)整至7 Hz，折算成清水時(shí)的理論流量為8.4 L/min，但由于乳膠黏度高、流動(dòng)性差，供膠速度未有明顯改善，乳膠中依然存在氣泡現(xiàn)象。為此進(jìn)行了乳膠黏度試驗(yàn)，在黏度為3 000 mPa·s，質(zhì)量為20 kg 的乳膠中加入500 mL 蒸餾水進(jìn)行稀釋?zhuān)瑢⑷槟z黏度降低到2 100 mPa·s 后再加入MAX-M8 供膠裝置開(kāi)始生產(chǎn)，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到2 萬(wàn)支/min 時(shí)仍出現(xiàn)漏氣、泡皺甚至濾嘴脫落煙支，說(shuō)明通過(guò)降低乳膠黏度的方法無(wú)法解決現(xiàn)存問(wèn)題。

圖4 黏度對(duì)輸出流量的修正曲線Fig.4 Correction curve of viscidity to output flow

為提高氣動(dòng)隔膜泵的流量，改進(jìn)后MAX-M8供膠裝置選用CX50EES 代替CX20EES 氣動(dòng)隔膜泵。同樣，CX50EES 以水為介質(zhì)時(shí)，每個(gè)脈動(dòng)輸出液體量為50 mL，流量與揚(yáng)程的特性曲線見(jiàn)圖5。已知當(dāng)乳膠黏度達(dá)到2 100 mPa·s 時(shí)，氣動(dòng)隔膜膠泵的流量約為清水時(shí)的2.8%。改進(jìn)后供膠裝置仍將輸入氣動(dòng)隔膜泵的空氣壓力調(diào)整為0.5 MPa，當(dāng)卷接機(jī)組啟動(dòng)及低速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)隔膜泵的工作頻率分別設(shè)定為1 和3 Hz，此時(shí)氣動(dòng)隔膜泵折算成清水時(shí)的理論流量為3 和9 L/min；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行速度達(dá)到2 萬(wàn)支/min 時(shí)，用膠量增大，氣動(dòng)隔膜泵的工作頻率分別設(shè)定為3 和5 Hz，此時(shí)氣動(dòng)隔膜泵折算成清水時(shí)的理論流量為9 和15 L/min，均能滿足生產(chǎn)需求。

圖5 CX50EES 氣動(dòng)隔膜泵流量特性曲線Fig.5 Characteristic curve of flow rate of CX50EES pneumatic diaphragm pump

3 改進(jìn)效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“雙喜（硬經(jīng)典1906）”牌卷煙煙絲（廣州卷煙廠提供）；豎羅紋卷煙紙（規(guī)格為53 mm×4 000 m，民豐特種紙股份有限公司）；接裝紙（規(guī)格為39.5 g/m2×60 mm×2 500 m，廣州市都恒盛印刷包裝有限公司）；接裝膠為環(huán)保型乳膠［黏度為2 100 mPa·s，漢高（中國(guó)）投資有限公司］。

設(shè)備：PROTOS M8卷接機(jī)組（德國(guó)HAUNI公司）。

方法：在MAX-M8 供膠裝置中加入黏度為2 100 mPa·s 的乳膠，為保持乳膠壓力恒定和上膠均勻，要求上膠過(guò)程中需產(chǎn)生部分回流膠，回流乳膠量應(yīng)不低于使用量的50%，以保證供膠裝置具有一定冗余能力。M8 機(jī)組運(yùn)行速度為2 萬(wàn)支/min時(shí)，將輸入CX50EES 氣動(dòng)隔膜泵的空氣壓力調(diào)整至0.5 MPa，膠泵輸出乳膠壓力調(diào)整至0.41 MPa，分別以不同工作頻率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)后膠泵的供膠量及溢流量，以及改進(jìn)前后各3 個(gè)月的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，改進(jìn)后氣動(dòng)隔膜泵在3、5 和7 Hz這3 種工作頻率下，乳膠的溢流量均超過(guò)使用量的50%。雖然MAX-M8 采用溢流閥封閉溢流，避免產(chǎn)生膠液污染，但溢流量過(guò)大會(huì)造成乳膠發(fā)熱，影響乳膠黏度。為此，在M8 機(jī)組啟動(dòng)及低速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)隔膜泵工作頻率設(shè)定為1 Hz；機(jī)組高速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)隔膜泵工作頻率設(shè)定為3 Hz；當(dāng)供膠裝置的壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)到乳膠壓力低于0.41 MPa 時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)提高工作頻率，增加供膠量，以滿足濾嘴接裝要求。由表2 可見(jiàn)，改進(jìn)后乳膠供給故障由4 次/月減少到0，泡皺及漏氣煙支由115支/班次減少到37 支/班次。

表1 改進(jìn)后不同膠泵工作頻率下的供膠情況Tab.1 Test data of adhesive supplying under different frequencies of adhesive pump after modification

表2 改進(jìn)前后供膠裝置測(cè)試數(shù)據(jù)①Tab.2 Date of adhesive supply system before and after modification

4 結(jié)論

改進(jìn)后的MAX-M8 接裝機(jī)供膠裝置，調(diào)整了氣動(dòng)隔膜泵的安裝位置，將氣動(dòng)隔膜膠泵與儲(chǔ)膠桶直接相連，縮短了氣動(dòng)隔膜泵供膠管道長(zhǎng)度，使加壓后的乳膠以最短路線壓入噴膠控制閥，減小了管道壓力損失；重新設(shè)計(jì)選型并更換氣動(dòng)隔膜泵，以提高氣動(dòng)隔膜泵流量。以廣州卷煙廠提供的“雙喜（硬經(jīng)典1906）”牌卷煙煙絲及輔料為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后供膠裝置未出現(xiàn)因膠壓不足而產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象，接裝后泡皺及漏氣煙支由改進(jìn)前的115 支/班次減少到37 支/班次；機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，在同類(lèi)設(shè)備中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。