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    PASSIM 卷煙機(jī)煙支定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置的研發(fā)

    2022-03-10 01:45:26曹炳強(qiáng)周靖博
    設(shè)備管理與維修 2022年1期
    關(guān)鍵詞:鼓輪卷煙機(jī)煙支

    曹炳強(qiáng),周靖博

    (紅云紅河煙草(集團(tuán))有限公司紅河卷煙廠,云南紅河 652300)

    0 引言

    國家煙草專賣局在相關(guān)工作報告中多次對新型煙草制品的發(fā)展提出明確要求:“鼓勵研發(fā)加熱不燃燒煙草的新型產(chǎn)品,鼓勵在境外市場大膽試水,謀求突破。”基于此,云南中煙前瞻性確定了“雙重體驗的新型煙草制品關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與運(yùn)用”研究方向,明確了紅河“雙享”(中支)周向加熱不燃燒卷煙新品研究計劃——滿足既可低溫加熱又可點(diǎn)燃抽吸的兩種抽吸方式。

    作為新型加熱不燃燒卷煙實現(xiàn)降溫的一項核心關(guān)鍵工藝,激光打孔效果對于新型煙草的研發(fā)起著至關(guān)重要的作用。紅河卷煙廠目前使用PASSIM 卷煙機(jī)生產(chǎn)中支卷煙,該設(shè)備不能滿足中支卷煙在線激光打孔需求,煙支無法搓轉(zhuǎn)整周以實現(xiàn)完整的周向均勻打孔,無法滿足新型煙草配套工藝的需求。

    綜上所述,對紅河“雙享”加熱不燃燒卷煙工業(yè)化生產(chǎn)配套技術(shù)進(jìn)行研究,創(chuàng)新性應(yīng)用鼓輪交替夾持、煙支加速定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)技術(shù),較好實現(xiàn)了PASSIM 卷煙機(jī)中支卷煙在線周向激光打孔工藝,為加熱不燃燒卷煙的研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保障。

    1 激光打孔工藝流程設(shè)計

    1.1 激光打孔工藝

    紅河“雙享”卷煙滿足既可低溫加熱又可點(diǎn)燃抽吸的兩種抽吸方式,煙支濾棒段采用雙排激光打孔工藝,激光孔貫穿水松紙和中空濾嘴,使外部空氣進(jìn)入濾嘴腔體,配合點(diǎn)煙器使用,實現(xiàn)抽吸過程中煙氣降溫效果,滿足消費(fèi)者舒適性的需求。

    激光打孔工藝如圖1 所示,固定激光頭,鼓輪上的煙支軸心與激光頭垂直時,激光打孔啟動,煙支定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周,旋轉(zhuǎn)過程中激光頭同步完成孔貫穿水松紙和中空濾嘴周向打孔。

    圖1 激光打孔工藝示意

    1.2 激光打孔工藝要求

    1.2.1 激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配

    為實現(xiàn)新型卷煙在線工業(yè)化生產(chǎn),必須通過設(shè)備改造實現(xiàn)在線激光打孔功能。紅河卷煙廠現(xiàn)有用于生產(chǎn)中支卷煙的設(shè)備為PASSIM 卷煙機(jī),對PASSIM 卷煙機(jī)進(jìn)行激光打孔工藝技術(shù)改造,激光設(shè)備位于卷煙機(jī)8 號鼓輪下方(圖2)。

    圖2 PASSIM 卷煙機(jī)在線激光打孔改造

    通過對PASSIM 鼓輪結(jié)構(gòu)改造,搓煙輪凹凸面的設(shè)計,使煙支在搓轉(zhuǎn)前、搓轉(zhuǎn)時、搓轉(zhuǎn)后被搓煙輪和搓板交替夾持,實現(xiàn)煙支整周旋轉(zhuǎn),與卷煙機(jī)配套生產(chǎn),在線完成激光打孔,達(dá)成激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配的目標(biāo)。

    1.2.2 孔間距整周分布均勻

    煙支在線激光打孔工藝中,激光頭位置是固定的,煙支要完成360°的周向打孔,需將傳遞鼓輪槽距加寬,并在打孔鼓輪下方增加撥煙輪,與鼓輪共同夾持并搓轉(zhuǎn)煙支,使煙支實現(xiàn)定點(diǎn)周向自旋轉(zhuǎn)。

    通過對PASSIM 卷煙機(jī)鼓輪進(jìn)行改造,保持8 號鼓輪的槽數(shù)不變,將原8 號鼓輪更換為槽距較寬的8 號鼓輪,為煙支搓轉(zhuǎn)提供空間。

    但經(jīng)過現(xiàn)場測量和建模計算發(fā)現(xiàn),在此方式下8 號鼓輪輪槽弧長小于中支卷煙周長,無法完成整周打孔,達(dá)不到激光打孔的工藝需求。

    如圖3 所示,8 號鼓輪輪槽弧長10.82 mm,紅河“雙享”中支加熱不燃燒卷煙圓周標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 mm。要滿足激光孔整周分布均勻、孔間距極差小于0.2 mm 的需求,只有使煙支搓轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。

    圖3 8 號鼓輪槽距及增加輪槽后打孔效果

    煙支搓轉(zhuǎn)角度不受輪槽弧長的限制,確保煙支在整周范圍內(nèi)均勻打孔,煙支搓轉(zhuǎn)時,搓煙輪的線速度與打孔鼓輪的線速度相同。但由于PASSIM 卷煙機(jī)的鼓輪結(jié)構(gòu)和空間的局限性,搓板的設(shè)計無法直接采用,且煙支搓轉(zhuǎn)角度有限。若煙支搓轉(zhuǎn)速度與傳遞速度一致,即v搓轉(zhuǎn)=v傳遞,可使煙支在8 號鼓輪輪槽上搓轉(zhuǎn)的角度為:

    在鼓輪槽距無法改變的情況下,若煙支搓轉(zhuǎn)速度v搓轉(zhuǎn)改變,則傳遞速度隨之改變,改變的規(guī)律為:

    為了使煙支在有限的空間里旋轉(zhuǎn)更大的角度,增加搓轉(zhuǎn)速度十分必要(表1)。

    表1 搓轉(zhuǎn)速度與角度關(guān)系

    考慮到煙支圓周的波動性,應(yīng)使煙支搓轉(zhuǎn)角度留有一定余量,可取v搓轉(zhuǎn)=2v傳遞。

    其次,鼓輪轉(zhuǎn)動由伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并且激光頭脈沖正常,則激光孔就不會出現(xiàn)堆積、稀疏的現(xiàn)象。通過改造鼓輪結(jié)構(gòu),并采用加速搓轉(zhuǎn)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)煙支在線整周打孔的功能,確??组g距均勻性。

    綜上所述,為了給新品卷煙的研發(fā)提供有力保障,自主研發(fā)一套用于PASSIM 卷煙機(jī)生產(chǎn)中支卷煙的定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置。

    2 煙支定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計

    結(jié)合PASSIM 卷煙機(jī)8 號鼓輪安裝位置結(jié)構(gòu),以及鼓輪、撥煙輪傳動方式需求,裝置大體分為8 號鼓輪交替夾持、撥煙輪、加速控制3 個功能設(shè)計:①8 號鼓輪交替夾持功能設(shè)計,實現(xiàn)煙支交接傳遞功能并具備加速搓轉(zhuǎn)條件;②撥煙輪設(shè)計,配合8 號鼓輪實現(xiàn)煙支定點(diǎn)加速搓轉(zhuǎn)功能;③加速控制功能設(shè)計,加速控制需滿足動力傳遞、速度跟隨控制條件。

    2.1 8 號鼓輪交替夾持功能設(shè)計

    激光打孔只在煙支的濾棒段,通過設(shè)計交替夾持加速搓轉(zhuǎn)裝置的總體方案,將原8 號鼓輪設(shè)計為兩部分(圖4),一部分用于傳遞煙支,稱為交接鼓輪,另一部分用于搓轉(zhuǎn)煙支,通過新增動力進(jìn)行驅(qū)動以實現(xiàn)加速,稱為加速鼓輪。當(dāng)雙倍長煙支隨鼓輪運(yùn)行到搓轉(zhuǎn)位置時,煙支由交接鼓輪傳遞到加速鼓輪,通過撥煙輪與加速鼓輪的加速搓轉(zhuǎn),使煙支在相同的槽距下加速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°,進(jìn)而由激光頭完成打孔工藝。

    圖4 打孔過程示意

    如圖5 所示,加速鼓輪位于兩端,搓轉(zhuǎn)時煙支兩端受到夾持,激光孔到煙支端面的距離為13 mm,雙倍長煙支夾持長度最大為75 mm×2=150 mm。搓轉(zhuǎn)時煙支兩端受到夾持,煙支搓轉(zhuǎn)穩(wěn)定,不易擺動,可保證打孔效果良好。

    圖5 8 號鼓輪打孔效果示意

    交接鼓輪的作用是完成煙支的傳遞,其動力可采用卷煙機(jī)原8 號鼓輪的驅(qū)動力,不需新增傳動機(jī)構(gòu)。而加速鼓輪需要完成煙支的搓轉(zhuǎn),其動力需要額外提供,采用同步帶傳動作為新增的傳動機(jī)構(gòu)方式,傳動平穩(wěn),滿足安裝條件。

    2.2 撥煙輪設(shè)計

    2.2.1 撥煙輪結(jié)構(gòu)

    針對煙支搓轉(zhuǎn)不打滑來選取搓轉(zhuǎn)面結(jié)構(gòu),采用梯形齒面結(jié)構(gòu)的搓轉(zhuǎn)面,效果良好,滿足煙支搓轉(zhuǎn)不打滑的需求。

    如圖6 所示,要保證煙支搓轉(zhuǎn)平穩(wěn),適配安裝空間,撥煙輪搓轉(zhuǎn)面弧長L 應(yīng)不小于36.51 mm,撥煙輪直徑盡可能大但不大于45 mm。

    圖6 撥刀示意

    已知撥刀數(shù)為N,搓轉(zhuǎn)面弧長L=36.5 mm,則撥煙輪周長C與N 關(guān)系為C=N×L。不同撥刀數(shù)對應(yīng)的撥煙輪周長計算見表2。

    表2 撥刀數(shù)設(shè)計值

    當(dāng)撥刀數(shù)為2 時,撥煙輪直徑過小,難以保證煙支平穩(wěn)搓轉(zhuǎn);當(dāng)撥刀數(shù)為4 時,撥煙輪直徑大于45 mm,不滿足安裝空間要求。撥刀數(shù)選擇應(yīng)為3。

    2.2.2 傳動機(jī)構(gòu)

    撥煙輪傳動機(jī)構(gòu)需滿足效率大于0.95、電機(jī)輸出軸到撥煙輪中心距55~70 mm、穩(wěn)定性好等要求。采用齒輪傳動,效率0.97~0.99,穩(wěn)定性好、精度高、傳動平穩(wěn),適用近距離傳動,伺服電機(jī)到撥煙輪中心距合適,滿足安裝空間。

    2.3 加速控制裝置

    確定新結(jié)構(gòu)8 號鼓輪的交接鼓輪部分動力由原8 號鼓輪輪系提供之后,加速鼓輪部分和撥煙輪需要新增動力源,該動力源不僅需要滿足實現(xiàn)加速鼓輪和撥煙輪的精準(zhǔn)控制,還需要與卷煙機(jī)生產(chǎn)速度匹配,從而有效實現(xiàn)煙支搓轉(zhuǎn)功能。

    因此,采用G70AP011MVCL1N 型伺服電機(jī)、E94ASHE0034型驅(qū)動器、AFS60A-THAK262144 編碼器以及E2E-X4ME1-Z傳感器等設(shè)備可滿足調(diào)控要求。

    3 項目實施

    對PASSIM 卷煙機(jī)進(jìn)行試驗煙生產(chǎn),在3000~4000 支/min 的生產(chǎn)速度下,分別抽取50 支樣品進(jìn)行檢查,統(tǒng)計煙支激光打孔合格率(表3)。結(jié)果表明,激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配。

    表3 激光打孔完成情況統(tǒng)計表

    在4000 支/min 的生產(chǎn)速度下隨機(jī)抽取樣品,使用讀數(shù)顯微鏡測量50 支煙支各激光孔間距(圖7),并計算孔間距極差,結(jié)果見表4。

    圖7 用讀數(shù)顯微鏡測量煙支激光孔間距

    表4 激光孔間距極差統(tǒng)計表

    如圖8 所示,從折線圖中可以看出,激光孔間距極差平均值為0.070 7 mm,所有樣本值均滿足工藝要求,孔間距均勻,極差小于0.2 mm 的目標(biāo)達(dá)到驗證預(yù)期。

    圖8 激光孔間距極差折線圖

    4 項目效益

    (1)保障了加熱不燃燒新型卷煙規(guī)?;a(chǎn)制造能力。PASSIM 卷煙機(jī)具備了中支卷煙在線激光打孔的功能,煙支激光打孔速度達(dá)到4000 支/min,滿足中支加熱不燃燒卷煙規(guī)模化生產(chǎn)需求,對企業(yè)自主生產(chǎn)加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。

    (2)保障了設(shè)備柔性化生產(chǎn)多牌號卷煙的能力。改造后的設(shè)備不僅能夠生產(chǎn)具有激光打孔工藝的卷煙,同時不會影響生產(chǎn)普通卷煙的功能,只需要關(guān)閉激光設(shè)備,即可用于生產(chǎn)其他無打孔工藝設(shè)計的卷煙產(chǎn)品,對多牌號卷煙生產(chǎn)的兼容性更好。

    項目不僅促進(jìn)了企業(yè)卷煙機(jī)設(shè)備通用性的提升,更為新型煙草的研發(fā)提供了有力的技術(shù)保障支撐,對云南中煙品牌戰(zhàn)略發(fā)展將產(chǎn)生巨大效益。

    5 結(jié)束語

    PASSIM 卷煙機(jī)煙支定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置的研發(fā),滿足了PASSIM卷煙機(jī)在線激光打孔的工藝需求,技術(shù)上屬于行業(yè)首創(chuàng)。該裝置煙支交替夾持加速搓轉(zhuǎn)的思路使煙支搓轉(zhuǎn)角度不受鼓輪槽距的限制,對于不同卷煙機(jī)型、不同規(guī)格卷煙(細(xì)支、中支和正常支)在線激光配套打孔工藝生產(chǎn)都適用,在行業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

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