KDF2濾棒成型機快速更換甘油裝置的研制

沈宗毅，柴 雷，呂獻周，李 乾

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

ZL22型濾棒成型機組（圖1）是德國虹霓公司KDF2濾棒成型機組的國產(chǎn)型號，由ZL12 開松機（AF2）、YL22 成型機（KDF2）和YJ37 裝盤機（HCF80）三部分組成，完成絲束開松到濾棒裝盤的工藝[1]。在絲束開松環(huán)節(jié)包括了甘油施加的過程，調(diào)香濾棒原理是對普通甘油加入香精香料進行調(diào)香工藝處理，可以顯著改善了煙支抽吸舒適性，提升煙氣甜潤感。

圖1 ZL22型濾棒成型機組

以新版云煙（小熊貓）為例，對濾棒使用的甘油便進行了調(diào)香處理，精研加香加料。在傳統(tǒng)的濾棒生產(chǎn)作業(yè)模式下，甘油的規(guī)格不予變更，調(diào)香濾棒的加入，使得在每次換牌轉(zhuǎn)制過程中需要大量人工介入，進行甘油更換工作。

在推行柔性化生產(chǎn)的今天，實現(xiàn)濾棒生產(chǎn)“快速換牌”工作，是煙草制造行業(yè)追求降本增效、精益制造等理念的根本需要，對濾棒的生產(chǎn)制造水平提出了新的要求，對濾棒“快速換牌”工作提出了新的挑戰(zhàn)。

經(jīng)考察，市場上所有煙用濾棒成型機型設(shè)計層面都未考慮到快速更換甘油系統(tǒng)，因此以ZL22型濾棒成型機為試點，設(shè)計一套快速更換甘油裝置。

1 存在的問題及原因分析

1.1 工作原理

在濾棒生產(chǎn)制造中，甘油的施加是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對于濾棒的硬度、重量、吸阻等工藝指標產(chǎn)生直接影響。經(jīng)過設(shè)備改造后，淘汰了原機自帶的單面毛刷噴霧的施加方式，目前使用噴嘴霧化的方式進行甘油施加。

無論是單面毛刷噴霧方式還是噴嘴霧化方式，甘油只在施加方式上有所區(qū)別，其共同點都是只有一條甘油回路，如圖2 所示，甘油經(jīng)過輸送泵提升，經(jīng)過輸送軟管輸送至加熱箱加熱，由施加系統(tǒng)對絲束進行甘油施加，多余甘油由回流輸送管回收至甘油箱內(nèi)，完成甘油施加循環(huán)。

圖2 噴嘴霧化方式結(jié)構(gòu)示意

1.2 甘油變更時存在的問題

1.2.1 人力物力的浪費及作業(yè)時間的增加

普通濾棒和加香濾棒牌號來回切換時，都要進行一次甘油種類的更換。在常規(guī)操作中，由于剩余甘油量得不到精準控制，加之只有一條使用回路，為保障加香甘油的配比，不得不對甘油系統(tǒng)進行一次全面清洗，甘油更換因此變得十分復(fù)雜，其中包括抽吸殘余甘油、清潔甘油桶、甘油調(diào)香、調(diào)香甘油添加等步驟，造成了人力物力的浪費、時間成本的增加。2017 年7 月濾棒生產(chǎn)工段甘油換牌平均耗時統(tǒng)計見表1。

表1 甘油箱及甘油更換步驟耗時統(tǒng)計

1.2.2 增加原輔材料消耗

在多次甘油換牌過程中，甘油回收工作不方便進行，殘余甘油大多進行直接報廢處理，造成甘油的浪費。由于浮子開關(guān)的低液位保護功能使得甘油箱中存有的甘油含量最少占甘油箱容積的20%以上，再加之濾棒的計劃生產(chǎn)，導(dǎo)致每次生產(chǎn)結(jié)束后的殘余甘油只多不少，造成甘油的大量浪費。

1.2.3 影響設(shè)備穩(wěn)定性

甘油存儲輸送系統(tǒng)不存在總成備件，一旦發(fā)生故障，必須停止生產(chǎn)進行現(xiàn)場維修，對設(shè)備連續(xù)運行產(chǎn)生影響。若維修時間較長，造成濾棒儲備不夠，會直接影響卷包工段的濾棒供給，阻斷卷煙連續(xù)生產(chǎn)過程。

1.2.4 影響產(chǎn)品的工藝質(zhì)量

在對甘油箱及輸送回路的清洗過程中，如有疏忽、遺漏，甘油的香料配比將會產(chǎn)生變化，因為沒有檢測設(shè)備，便會導(dǎo)致大量不滿足工藝配比的濾棒流入下道工序，直接對卷煙口感產(chǎn)生影響，影響產(chǎn)品質(zhì)量和品牌形象。

1.2.5 嚴重影響設(shè)備有效作業(yè)率

在對甘油的頻繁更換過程中，作業(yè)人員必須長時間停止設(shè)備運行，進行甘油更換工作，期間設(shè)備大多處于上電狀態(tài)，長時間的停機導(dǎo)致設(shè)備作業(yè)率下降，增加了各項能源損耗。

2 改進方案

針對存在的問題，設(shè)計一套雙回路甘油輸送系統(tǒng)，利用電控系統(tǒng)切換工作路徑，實現(xiàn)普通甘油和加香甘油的“一鍵轉(zhuǎn)換”功能。

（1）電控分析。利用電磁閥、接觸器及開關(guān)便可控制，由于沒有加入復(fù)雜控制電路，不需經(jīng)控制器控制，屬于半自動系統(tǒng)，因此實施難度不高。電磁閥、接觸器等原件為通用件，采購成本較低，開關(guān)的“一鍵操作”大大降低了設(shè)備操作人員的操作難度。

（2）設(shè)計制造。結(jié)合現(xiàn)有的加工制造水平，自主設(shè)計制造甘油箱、回流過濾器等，甘油輸送軟管及三通接頭為通用件可直接購買，設(shè)計制造成本較低，安裝難度不大，便于實現(xiàn)。

根據(jù)系統(tǒng)組成（圖3）對整套快速更換甘油裝置進行細化。

圖3 快速更換甘油裝置部件組成

2.1 電子組件（圖4）

圖4 涂膠嘴組件

2.1.1 電磁閥

根據(jù)《電磁閥的選型、維護及應(yīng)用》[2]對電磁閥進行參數(shù)選型，從工作原理、工作位置、材質(zhì)等三個方面對電磁閥進行選型?？紤]到停機狀態(tài)下甘油回流的穩(wěn)定性，選用常閉式電磁閥，因此電磁閥選擇二位三通常閉式電磁閥（圖5）。

圖5 二位三通常閉式電磁閥

甘油學(xué)名三乙酸甘油脂，化學(xué)性能屬弱酸性，從電磁閥閥體的安全性出發(fā)，電磁閥閥體材料需要具備抗酸性介質(zhì)能力，查閱《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[3]給出幾種金屬材料在純度100%三乙酸甘油中的抗腐蝕性能（表2）。表中，A表示材料完全適合使用，腐蝕幾乎可以忽略；B 表示材料適合使用，腐蝕率<0.8 mm/a；C 表示材料可用，腐蝕率<1.6mm/a；D 表示腐蝕率大，在實際條件下，未經(jīng)實驗不可使用；E 表示材料不耐腐蝕，不可使用。

表2 常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能

根據(jù)室溫下幾種常見電磁閥閥體金屬用材對三乙酸甘油脂的耐腐程度，電磁閥閥體材料選擇304 不銹鋼。最終確定電磁閥實體模型（圖6）及技術(shù)參數(shù)（表3）。

表3 電磁閥選型技術(shù)參數(shù)

圖6 電磁閥實體模型

2.1.2 接觸器

根據(jù)《交流接觸器選型手冊》[4]對接觸器型號進行選擇，選定24 V直流式1 常開型接觸器（3TH30-1X 1NO）。

2.2 電機選型

查閱《三相異步電動機的型號及選用》及對KDF2 成型機進行實地勘察，1#KDF2 成型機采用的是二級甘油提升系統(tǒng)，具有二級增壓系統(tǒng)，其供電方式為自插式AC 380 V，選用一級供油系統(tǒng)可以忽略定量供給的要求。為了更好的契合原機，滿足備件的互換性，減少以后的維修強度，再有考慮此次活動的經(jīng)濟性，此次設(shè)計三相電機選用和原機匹配的電機型號，確定KTF 52/300-051X+127型三相電機作為動力原件。

三相異步電機功率0.14 kW，頻率50 Hz，與原設(shè)備電機之間采用接觸器控制，通過按鈕裝置24 V 電壓輸送，可實現(xiàn)兩臺電機工作位的來回切換。根據(jù)原機尺寸，三相電機與離心過濾器之間連接軸設(shè)計尺寸為250 mm×Φ20 mm，支撐軸為壁厚2 mm通軸，用于輸送甘油至上位機構(gòu)。

2.3 回流過濾器設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于方形過濾器不適合操作、維保作業(yè)，設(shè)備有3 條回流回路，過濾器設(shè)計為四通孔圓柱式回流過濾器?？紤]到與原設(shè)備之間的備件互換性，根據(jù)原機過濾器尺寸進行設(shè)計，過濾器主體尺寸為Φ90 mm×155 mm，頂蓋尺寸Φ120 mm×5 mm，頂蓋上分別焊接3 個回流接頭，公稱直 徑Φ12 mm、Φ12 mm 和Φ8 mm。見圖7。

圖7 回流過濾器設(shè)計圖

（2）材料確定。根據(jù)《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[2]，考慮到經(jīng)濟性，回流過濾器殼體的材料選擇304 不銹鋼，濾網(wǎng)規(guī)格選用200 目75 μm，為保障過濾效果，此次回流過濾器選用雙層濾網(wǎng)。

2.4 輸送、回流元件選型

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。為滿足甘油供給流量要求，輸入路徑選用內(nèi)徑10 mm 的軟管；閥門選用2 個三通分流器（圖8），與軟管連接處直徑10 mm；一個四通分流器（圖9），與軟管連接處直徑分別為10 mm、8 mm、8 mm和5 mm。

圖8 三通分流器CAD 設(shè)計圖

圖9 四通分流器CAD 設(shè)計圖

（2）材料確定。軟管與原機使用的選材相同，采用常見的PVC 塑膠；根據(jù)對金屬材料耐酸性能的比較，選擇304 不銹鋼作為分流連接器的材料。

2.5 甘油箱及蓋板設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。甘油箱主體尺寸為550 mm×300 mm×400 mm（圖10）,液位計和放油閥安置在箱體上，因此箱體外側(cè)底邊留兩孔（孔徑20 mm），中心點坐標分別為（85 mm，35 m）（455 mm，35 mm）。

圖10 甘油箱主體CAD 設(shè)計圖

（2）蓋板尺寸：600 mm×350 mm×3 mm（圖11），電機孔徑140 mm，中心點坐標（435，120），蓋板處開孔孔徑100 mm 以放置回流過濾器，中心點坐標（155，120）。

圖11 甘油箱蓋板CAD 設(shè)計圖

（3）材料確定。查閱《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[2]，考慮甘油僅是弱酸性，沒必要提高經(jīng)濟成本，選用304 不銹鋼即可達到耐腐要求。

2.6 電氣控制原理設(shè)計（圖12）

圖12 電氣原理

3 快速更換甘油裝置工作原理及過程

快速更換甘油系統(tǒng)工作原理及過程：如圖13 所示，當進行生產(chǎn)時，由按鈕來接通或斷開兩條回路的工作狀態(tài)。按鈕開關(guān)按下時，接通循環(huán)回路Ⅱ（淺色箭頭），電磁閥左側(cè)暢通，此時按鈕開關(guān)給控制輸送電機Ⅱ連接的接觸器提供24 V控制電壓，接觸器線圈閉合，輸送電機Ⅱ開始工作，經(jīng)淺色輸送管進入過濾器過濾，最后進入甘油霧化噴灑系統(tǒng)加熱并給跑動的絲束施加甘油。切換按鈕開關(guān)的工作位置，可以改變甘油輸送回路，此時切換至循環(huán)回路Ⅰ（深色箭頭），電磁閥左側(cè)關(guān)閉，右側(cè)接通，此時按鈕開關(guān)給控制輸送電機Ⅰ連接的接觸器提供24 V控制電壓，接觸器線圈閉合，輸送電機Ⅰ開始工作，經(jīng)輸送管進入過濾器，隨后進入甘油霧化噴灑系統(tǒng)加熱霧化并施加，實現(xiàn)甘油快速變更的一鍵切換。

圖13 快速更換甘油裝置工作原理

甘油箱Ⅱ為新設(shè)計的甘油箱，為節(jié)省成本、降低難度，沒有加入浮子開關(guān)檢測液位，液位監(jiān)控通過玻璃液位計來觀測。

循環(huán)回路Ⅱ設(shè)計主要使用加香甘油，加香甘油有一定的保質(zhì)時間（24～48 h），故每批次加香濾棒生產(chǎn)結(jié)束后，為保障濾棒的質(zhì)量，需將加香甘油進行排空報廢處理，在甘油箱底部裝有放油閥，生產(chǎn)結(jié)束后可將甘油從放油閥放出，并進行報廢處理。

4 三維建模及加工安裝

采用Solidworks 對項目部件進行了三維建模，帶有離心泵的三相異步電機實物及三維模型見圖14，回流過濾器實物及三維模型見圖15，甘油箱及蓋板實物及三維模型見圖16。

圖14 帶有離心泵的三相異步電機建模

圖15 回流過濾器建模

圖16 甘油箱及蓋板建模圖

5 改進后效果驗證

在KDF2濾棒成型機機組進行改裝試用，收到顯著的效果。

5.1 提高甘油換牌效率

改裝后統(tǒng)計3 個月的7 次換牌更換甘油用時記錄，相關(guān)用時、用人數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4。

表4 甘油換牌用時統(tǒng)計

快速更換甘油裝置的加入，將甘油換牌用時縮短至平均6.4 min/次，大大提升了甘油的換牌效率，在換牌時達到了快速、高效的效果。

5.2 降低人工

快速更換甘油裝置的加入，將原來需要3 個人才能完成的工作壓縮至1 人完成，免去了甘油箱清洗、殘余甘油抽出等工作，減輕了勞動強度。

5.3 提升設(shè)備運行效率

濾棒設(shè)備快速換牌、快速更換甘油環(huán)節(jié)的作業(yè)率得到了有效提升，利用效率提升公式（效率提升率=（改善后的效率-改善前效率）÷改善前效率×100%），對快速更換甘油系統(tǒng)的作業(yè)效率提升進行測算。

工作總量為D，改善前更換甘油平均用時t1=28 min，改善后更換甘油平均用時t2=6.4 min。改善前的效率η1=D/t1；改善后的效率η2=D/t2。提升效率Δη=（η1-η2）/η1=337.5%。

6 經(jīng)濟效益分析

從“節(jié)約材料、燃料、動力、工具等消耗類”“節(jié)約工時類”“增加產(chǎn)量類”等方面進行分析。

快速更換甘油裝置的加入，對甘油節(jié)約起到了很大作用，在換牌時甘油的更換浪費減少至最低，剩余甘油也免去了報廢處理，對7 次換牌時更換甘油時所節(jié)省的甘油量進行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5 統(tǒng)計，平均每次更換甘油所節(jié)省的普通甘油為25.3 kg/次，加香型甘油為13.5 kg/次，每月平均換牌為2 次，一年可節(jié)省普通型甘油303.6 kg，加香型甘油162.0 kg，普通甘油的采購價格16 568.3 元/t，加香型甘油采購價格18 425.8 元/t，計算得出普通型甘油節(jié)省價值5030.1 元/年，加香型甘油節(jié)省價值2984.9 元/年。

表5 7 次換牌節(jié)約甘油量統(tǒng)計

根據(jù)月平均統(tǒng)計，取年均工作日220 d，每月更換牌號平均5 次左右，改進后每次耗時減少至6.4 min，平均每次節(jié)約23.6 min，人工費用按80 元/h 計，全年計劃節(jié)約時間（日均工作時長縮減額）339 840 元/a。

KDF2濾棒成型機自動甘油更換系統(tǒng)改造成本為50 000元/臺，直接節(jié)省成本48 796.1 元/臺。

改造經(jīng)濟效益總計：396 651.1 元/年。

7 總結(jié)

KDF2濾棒成型機快速更換甘油的成功研制，解決了甘油更換費時、費力的問題，提高了甘油更換效率和可靠性，提高了設(shè)備的運行效率，減少了剩余甘油的浪費量。

濾棒生產(chǎn)換牌環(huán)節(jié)無需再對甘油箱進行清洗等繁瑣操作，濾棒的快速換牌在卷包車間得到了很好的體現(xiàn)。此次設(shè)備改進使設(shè)備有效作業(yè)率得到大幅提高，貫徹落實了精益生產(chǎn)提出的降本增效理念，同時減輕了操作工的勞動強度，提高了濾棒的產(chǎn)品合格率。