ZJ116B卷接機(jī)組煙絲束緊頭成形研究與改進(jìn)

王先明，秦承剛，蓋志強(qiáng)，尹剛，曲澤釗，武江，孫珊珊

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東青島 266101）

0 引言

ZJ116B 型卷接機(jī)組是以ZJ116A 型為技術(shù)平臺(tái)研制的國(guó)產(chǎn)雙煙道細(xì)支煙高速生產(chǎn)設(shè)備，額定生產(chǎn)速度為10 000支/min，是卷煙企業(yè)細(xì)支煙生產(chǎn)的主力設(shè)備。供絲機(jī)的功能是將風(fēng)送煙絲加工為煙絲束，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量是卷煙品質(zhì)的基礎(chǔ)。不同機(jī)型的供絲機(jī)構(gòu)造不同，在工藝性能表現(xiàn)上參差不齊。雙道卷煙機(jī)的前、后道也存在差異，在吸絲成形的末端工序上，雙道的零部件結(jié)構(gòu)、形位尺寸、有效長(zhǎng)度、吸絲帶運(yùn)行路徑等方面都有不同。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，前、后道對(duì)于煙絲結(jié)構(gòu)、目標(biāo)質(zhì)量等變化的工藝適應(yīng)性能并不相同，個(gè)別品牌質(zhì)量指標(biāo)的標(biāo)偏或空頭剔除率會(huì)顯著變差，經(jīng)常出現(xiàn)前道的空頭剔除率數(shù)倍于后道的現(xiàn)象。從測(cè)量?jī)x器給出的煙支緊頭密度實(shí)測(cè)圖形可見(jiàn)，后道煙支的緊頭密度明顯高于前道，亦即后道緊頭煙絲的質(zhì)量比例高于前道；在質(zhì)量目標(biāo)和控制水平相同的情況下，前道煙條中兩緊頭中間區(qū)段的煙絲質(zhì)量比例高于后道，雙道煙支的煙絲結(jié)構(gòu)存在著由設(shè)備造成的固有差異[1-3]。為提升供絲成形性能，業(yè)內(nèi)同行做了很多改進(jìn)，但針對(duì)超高速卷接組雙道緊頭密度的差異性鮮見(jiàn)研究報(bào)道。為此，通過(guò)研究質(zhì)量控制原理，分析煙絲束成形工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)改進(jìn)了前道質(zhì)量調(diào)整輪擺臂、削刷點(diǎn)上方的吸絲帶支撐導(dǎo)輥，創(chuàng)立了新的目標(biāo)質(zhì)量適應(yīng)性調(diào)整方式，提升雙道同質(zhì)化水平，減少空頭煙支剔除浪費(fèi)。

1 問(wèn)題分析

1.1 質(zhì)量控制與緊頭成形原理

卷接機(jī)組的質(zhì)量控制是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)目標(biāo)質(zhì)量、實(shí)測(cè)值控制質(zhì)量調(diào)整輪或劈刀機(jī)構(gòu)的高低位置，調(diào)整兩個(gè)修整盤與其上方吸絲帶之間的相對(duì)距離，兩者之間的煙絲進(jìn)入煙槍形成煙條，修整盤之下的煙絲被刷絲輪削刷掉落，經(jīng)傳輸裝置回送到供絲機(jī)后身的貯料區(qū)，再次進(jìn)入供絲循環(huán)。由圖1可見(jiàn)，以ZJ116B型卷接機(jī)組前道為例，兩個(gè)修整盤的中心連線與其外圓的交點(diǎn)是與刷絲輪外圓的最近點(diǎn)，是劈刀機(jī)構(gòu)的削刷點(diǎn)。質(zhì)量調(diào)整輪上下調(diào)整幅度為5 mm，上限位置是與其相鄰的左導(dǎo)輥與右導(dǎo)輥外圓的公切線，即被兩導(dǎo)輥支撐的吸絲帶；正常工作位置應(yīng)位于調(diào)整幅度的中間，即上限向下2.5 mm處。調(diào)整輪根據(jù)微波質(zhì)量檢測(cè)控制系統(tǒng)的指令上下浮動(dòng)，維持煙支平均質(zhì)量的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。緊頭的成形是一個(gè)機(jī)械加工過(guò)程，修整盤凹槽的長(zhǎng)度、深度決定著緊頭的結(jié)構(gòu)形狀，其密度是煙絲束成形質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)空頭、水松紙包卷等外觀質(zhì)量影響較大，與通風(fēng)度、品吸感觀等內(nèi)在品質(zhì)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。緊頭部位額外加入的煙絲量越多，在整段煙支中所占的煙絲質(zhì)量比例越大，密度值越高，緊頭之間的中間段的煙絲質(zhì)量占比就相對(duì)變小。緊頭密度取決于劈刀機(jī)構(gòu)對(duì)煙絲束的成形加工質(zhì)量，而質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)緊頭密度只檢測(cè)，不調(diào)整[4-5]。

圖1 質(zhì)量控制執(zhí)行裝置及劈刀機(jī)構(gòu)主要組件示意圖

1.2 存在的問(wèn)題

ZJ116B卷接機(jī)組雙道導(dǎo)軌的煙絲束路徑高低錯(cuò)列、互相避讓；路徑上有差異，前、后道上質(zhì)量調(diào)整輪與各自削刷點(diǎn)的相對(duì)位置也明顯不同，經(jīng)常出現(xiàn)前道調(diào)整輪壓得很低、與削刷點(diǎn)較為接近的現(xiàn)象。由圖2可見(jiàn)，右側(cè)示意的前道質(zhì)量調(diào)整輪擺臂的指向與煙絲束運(yùn)動(dòng)方向相反，當(dāng)需要減小煙支質(zhì)量時(shí)，調(diào)整輪向下運(yùn)動(dòng)，輪體向兩個(gè)修整盤中心連線上的削刷點(diǎn)靠近；當(dāng)增加煙支質(zhì)量時(shí)，調(diào)整輪向上運(yùn)動(dòng)，輪體遠(yuǎn)離削刷點(diǎn)；而左側(cè)示意的后道的調(diào)整輪與削刷點(diǎn)的距離相對(duì)于煙支質(zhì)量變化的反應(yīng)與前道相反。當(dāng)某一牌號(hào)的煙支目標(biāo)質(zhì)量較低或煙絲填充值較小時(shí)，前道調(diào)整輪離削刷點(diǎn)距離變小，而后道的變大，雙道調(diào)整輪相對(duì)于各自削刷點(diǎn)的距離的綜合差異會(huì)變得顯著，超出5 mm的情況經(jīng)常出現(xiàn)。煙絲束從深導(dǎo)軌到達(dá)劈刀盤處兩個(gè)頰板組成的淺導(dǎo)軌后，煙絲束下層受到的吸附力會(huì)變小，調(diào)整輪過(guò)于靠近削刷點(diǎn)處的淺導(dǎo)軌等同于更嚴(yán)重地封堵了此處的負(fù)壓吸風(fēng)，而且將煙絲束過(guò)多地壓出到淺導(dǎo)軌的夾持之外，使進(jìn)入修整盤凹槽的煙絲束下層煙絲趨于蓬松，緊頭的煙絲量比例會(huì)相對(duì)減小，密度變低。

圖2 前、后道的質(zhì)量調(diào)整輪與擺臂安裝方向示意圖

當(dāng)前道的質(zhì)量調(diào)整輪壓低且與削刷點(diǎn)接近時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)整輪與左導(dǎo)輥之間的吸絲帶傾角比后道的增大更多，這段吸絲帶與修整盤平面的夾角決定了煙絲束削刷成形時(shí)的傾角狀態(tài)。取決于目標(biāo)質(zhì)量、煙絲填充性、修整盤高度等因素，煙絲束在削刷點(diǎn)處的傾角有上仰、下沖、平行3種狀態(tài)，通過(guò)三維模型與布爾運(yùn)算可以得到3種不同狀態(tài)下煙絲束的成形截面形狀。由圖3可見(jiàn)，截面為矩形的長(zhǎng)條模擬煙絲束，雙圓柱體模擬修整盤，布爾運(yùn)算后交線表示煙絲束與修整盤接觸被剪切的靜態(tài)軌跡，交線的截面方向視圖即為動(dòng)態(tài)過(guò)程中煙絲束被削刷成形后的外廓示意圖。

圖3 煙絲束相對(duì)于修整盤的3種傾角狀態(tài)成形模擬示意圖

圖3（a）所示的是煙絲束與修整盤平行的狀態(tài)，成形截面呈矩形，底面平整，是理想的成形截面。圖3（b）所示的是煙絲束相對(duì)于修整盤下沖的狀態(tài)，成形截面的底部?jī)蓚?cè)凸、中間凹，凹陷會(huì)使緊頭缺失煙絲，但兩側(cè)凸起的煙絲在下沖時(shí)能向中間補(bǔ)充；緊頭縱向外廓顯示，中線左側(cè)部分的煙絲量增多，會(huì)使右側(cè)的內(nèi)排煙支緊頭煙絲量減少，但由于煙絲束在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)受到與運(yùn)行方向相反的阻力而回退，使緊頭底部外廓趨于正中。圖3（c）所示的是煙絲束相對(duì)于修整盤上仰的狀態(tài)，煙絲束從低到高以斜向上的運(yùn)動(dòng)方向與平準(zhǔn)盤邊沿接觸后削刷成形，成形截面的底部是一個(gè)中間凸起的尖角，同等質(zhì)量情況下緊頭煙絲量的比例變小、密度變低；緊頭縱向外廓顯示，中線左側(cè)部分的煙絲量減少，煙絲束的運(yùn)行受阻回退會(huì)使左側(cè)的煙絲量比例趨于更小，這不但會(huì)使外排煙增加更多的空頭缺陷，而且會(huì)增大內(nèi)、外排煙支的差異性，使質(zhì)量、吸阻等指標(biāo)的標(biāo)偏加大。

兩個(gè)修整盤旋轉(zhuǎn)中心線所構(gòu)造的平面在削刷點(diǎn)與兩側(cè)吸槽頰板、吸絲帶、修整盤表面組成一個(gè)矩形，這個(gè)矩形的面積決定了一定長(zhǎng)度內(nèi)煙絲束的體積，也決定了煙支質(zhì)量。當(dāng)吸絲帶與平整盤平行時(shí)，如果檢測(cè)質(zhì)量與目標(biāo)質(zhì)量相符，成形煙絲束趨向于圖3（a）所示的狀態(tài)；如果檢測(cè)質(zhì)量小于目標(biāo)質(zhì)量，調(diào)整輪抬高使削刷點(diǎn)部位的吸絲帶向上以擴(kuò)大矩形，使成形煙絲束體積增大，成形煙絲束趨向于圖3（b）所示的狀態(tài)；如果檢測(cè)質(zhì)量大于目標(biāo)質(zhì)量，質(zhì)量調(diào)整輪壓低以縮小矩形，成形煙絲束趨于圖3（c）所示的狀態(tài)。由圖2中右側(cè)的前道示意圖可見(jiàn)，左、右導(dǎo)輥水平布置，調(diào)整輪在上限位置時(shí)，吸絲帶與質(zhì)量修整盤面平行，在正常工作位置與下限位置時(shí)，吸絲帶相對(duì)于修整盤斜向上運(yùn)行，這種兩導(dǎo)輥水平布置的設(shè)計(jì)使圖3（a）所示的狀態(tài)較少出現(xiàn)；圖3（b）所示的狀態(tài)屬于目標(biāo)質(zhì)量很高的情況，與降耗降焦的發(fā)展方向不符，更少出現(xiàn)。為追求降低煙葉單耗，圖3（c）所示的狀態(tài)在前道上是最為常見(jiàn)的情況，這種最差狀態(tài)制約了卷接機(jī)組生產(chǎn)工藝性能的提高。

1.3 常規(guī)方法的局限

增加回絲量是改善煙絲束成形的一種常規(guī)方法，但削刷回絲也是造碎的過(guò)程，回絲量越大意味著供絲機(jī)內(nèi)會(huì)循環(huán)更多的碎絲，使煙支內(nèi)原絲比例減小，碎絲比例增加。尤其是當(dāng)回絲在前、后道上的分配比例嚴(yán)重不均時(shí)，對(duì)雙道的同質(zhì)化極為不利。

更換高度更小的頰板及提高修整盤的高度是另一種常規(guī)方法，所需的更換與調(diào)試工作比較多，也有負(fù)面效果。修整盤上方的導(dǎo)軌變淺，煙絲束上部受導(dǎo)軌的夾持變?nèi)?，底部則更多地暴露在導(dǎo)軌之外，吸力小而變蓬松，緊頭密度變低。當(dāng)頰板高度較小時(shí)，其固定面與修整盤面間隙狹窄而緊固困難，導(dǎo)致積土煙末壓實(shí)變硬，引發(fā)驅(qū)動(dòng)過(guò)載故障。

2 改進(jìn)方法

以后道的緊頭密度、空頭剔除率等為指標(biāo)參照，改進(jìn)前道的調(diào)整輪擺臂、削刷點(diǎn)的吸絲帶支撐導(dǎo)輥，提升雙道同質(zhì)化水平，并且創(chuàng)建一種簡(jiǎn)單精細(xì)的目標(biāo)質(zhì)量適應(yīng)性調(diào)整方式。

2.1 加長(zhǎng)前道擺臂

根據(jù)原來(lái)的調(diào)整輪擺臂形位尺寸，前道擺臂長(zhǎng)度增加5 mm。由圖2可見(jiàn)，延長(zhǎng)擺臂能使前道調(diào)整輪工作位置相對(duì)于削刷點(diǎn)的距離與后道的趨于一致，消除雙道調(diào)整輪相對(duì)于各自削刷點(diǎn)距離差異顯著的現(xiàn)象，有利于減輕前道調(diào)整輪向下浮動(dòng)時(shí)對(duì)頰板淺導(dǎo)軌內(nèi)吸風(fēng)的阻滯及將煙絲束壓出淺導(dǎo)軌的程度，有利于減小調(diào)整輪與左導(dǎo)輥之間的吸絲帶的傾角，減小圖3（c）所示的煙絲束相對(duì)于修整盤上仰的角度，減少煙支空頭缺陷。擺動(dòng)半徑增大，會(huì)略微增大調(diào)整輪的實(shí)際浮動(dòng)范圍，在閉環(huán)的質(zhì)量控制沒(méi)有影響。

2.2 增大左導(dǎo)輥直徑

由圖4可見(jiàn)，調(diào)整輪與左、右導(dǎo)輥的公切線是質(zhì)量調(diào)整的上限位置，軸心向下2.5、5.0 mm分別是中間、下限位置；當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量較低時(shí)，調(diào)整輪的中間位置或上下浮動(dòng)范圍會(huì)被調(diào)整下移；公切線即為吸絲帶的運(yùn)行路徑，由圖中調(diào)整輪與左導(dǎo)輥公切線可見(jiàn)，煙絲束在削刷點(diǎn)基本是上仰狀態(tài)，目標(biāo)質(zhì)量越低，上仰傾角越大。調(diào)整輪到削刷點(diǎn)的距離約是左導(dǎo)輥的3倍，調(diào)整輪浮動(dòng)變位對(duì)削刷點(diǎn)導(dǎo)軌深度的影響遠(yuǎn)小于左輥輪的直徑變化，圖中將左輥輪直徑模擬加大，可見(jiàn)與調(diào)整輪在中間位置時(shí)的公切線趨于水平，能夠大幅減少、減輕煙絲束削刷成形時(shí)的上仰狀態(tài)。

圖4 調(diào)整輪位置變化對(duì)煙絲束傾角影響示意圖

原導(dǎo)輥的直徑是15 mm，保持材質(zhì)與其他尺寸不變，加大外徑，定制了φ16、φ17、φ18、φ19 mm共4種輥，半徑分別增加0.5、1.0、1.5、2.0 mm。用4種導(dǎo)輥分別代替原機(jī)的左導(dǎo)輥，設(shè)備穩(wěn)定全速運(yùn)行后，取樣檢測(cè)煙支密度，結(jié)果表明，隨著輥輪直徑的加大，煙支緊頭密度值增加，采用φ18的導(dǎo)輥時(shí)，對(duì)于當(dāng)前牌號(hào)的煙支，前道緊頭密度與后道的最為接近。將φ18的導(dǎo)輥安裝到左導(dǎo)輥位置，沿吸絲帶運(yùn)行方向后續(xù)的兩個(gè)導(dǎo)輥分別用φ17、φ16的導(dǎo)輥，直徑上以0.5 mm半徑差值小幅遞減到原機(jī)導(dǎo)輥的φ15。由圖5可見(jiàn)，加長(zhǎng)擺臂、擴(kuò)徑導(dǎo)輥，使削刷點(diǎn)上方的吸絲帶在調(diào)整輪設(shè)定范圍的中間位置趨于與修整盤平行的狀態(tài)，比改進(jìn)前使煙支緊頭截面底部的形狀更多地趨于圖3（a）、 圖3（b）所示的狀況，有利于提高緊頭密度，減少空頭缺陷。

圖5 擺臂、左導(dǎo)輥改進(jìn)效果示意圖

擴(kuò)徑導(dǎo)輥將吸絲帶壓低，在削刷點(diǎn)位置減小了與修整盤的高度，代替了通過(guò)更換不同規(guī)格的頰板改變修整盤與吸絲帶相對(duì)高度以適應(yīng)目標(biāo)質(zhì)量變化的常規(guī)方法，安裝調(diào)整難度大幅降低；因擴(kuò)徑導(dǎo)輥的半徑差值相對(duì)于頰板規(guī)格的差異更小，調(diào)整精度更為精細(xì)；在生產(chǎn)目標(biāo)質(zhì)量較小的煙支時(shí)，避免使用高度過(guò)小的頰板；針對(duì)目標(biāo)質(zhì)量不同的卷煙，在工藝上建立擴(kuò)徑導(dǎo)輥的換裝標(biāo)準(zhǔn)，能夠提升精細(xì)化加工水平。對(duì)于多數(shù)卷接機(jī)組，消刷點(diǎn)上方的吸絲帶支撐件無(wú)論是導(dǎo)輥還是滑塊，都可以通過(guò)更換不同規(guī)格的支撐件或增減墊片的方式使緊頭密度明顯改變。這種方法為實(shí)現(xiàn)前、后道煙絲束成形結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一致性提供了一種切實(shí)可行的途徑，也為各型卷接機(jī)組達(dá)到較好的煙絲束成形截面以減少空頭缺陷提供了一種簡(jiǎn)單、有效的解決方案。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（顏悅）”牌卷煙（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠）。

設(shè)備：ZJ116B型卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司），MW4420 型煙支水分及密度剖面微波測(cè)量系統(tǒng)（德國(guó)TEWS 公司生產(chǎn)）。

方法：1）ZJ116B機(jī)組運(yùn)行速度為10 000支/min，分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前、后3周，每周5個(gè)工作日，對(duì)各班次的總空頭煙支剔除率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算每周的平均值；2）在改進(jìn)前、后3周內(nèi)每個(gè)工作日，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對(duì)卷煙進(jìn)行一次取樣檢測(cè)，每次分別取20支前道卷煙和20支后道卷煙，使用煙支水分及密度剖面微波測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量記錄煙支緊頭最大密度的平均值，計(jì)算各周的平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

前道的調(diào)整輪擺臂、削刷點(diǎn)上方左導(dǎo)輥等經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，空頭剔除率顯著降低，前道空頭剔除率比后道高出幾倍的情況從經(jīng)常出現(xiàn)變?yōu)榕紶柍霈F(xiàn)，雙道相差懸殊的現(xiàn)象變得稀少。由表1可見(jiàn)，總剔除率從0.53%下降到0.27%；前道煙支緊頭最大密度平均值明顯提高，達(dá)到297.81 mg/cm3，同期后道的值為294.28 mg/cm3，雙道趨于一致。

表1 改進(jìn)前后緊頭密度與空頭剔除率數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)煙絲束緊頭成形研究與改進(jìn)，揭示了煙絲束傾角狀態(tài)對(duì)成形質(zhì)量的影響機(jī)理，開(kāi)創(chuàng)了一種基于目標(biāo)質(zhì)量變化提高煙絲束成形質(zhì)量的技術(shù)解決方案。改進(jìn)后，解決了前、后道緊頭密度差異性較大的問(wèn)題，消除了前道空頭剔除率經(jīng)常幾倍于后道的現(xiàn)象。前道緊頭最大密度平均值提高了17.59 mg/cm3，設(shè)備總剔除率下降了0.26%?？疹^缺陷剔除數(shù)量減少及雙道煙絲束成形質(zhì)量同質(zhì)化水平的提高，有利于降耗增效和提升產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)，尤其是提高煙支品吸首口感覺(jué)的一致性，增強(qiáng)品牌的美譽(yù)度。該技術(shù)可在其他卷接機(jī)組上推廣應(yīng)用。