基于加熱卷煙降溫材料的預(yù)折疊收束系統(tǒng)設(shè)計

代 怡，薄立朗，汪金鵬，柴祎迪，龍思宇，馮炎春，閆 信

1. 四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司成都卷煙廠，成都市錦江區(qū)成龍路一段56 號 610068

2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢市洪山區(qū)獅子山街1 號 430070

加熱卷煙是新型煙草制品中最接近傳統(tǒng)卷煙抽吸體驗的產(chǎn)品，其加熱溫度一般在350 ℃以下，可有效減少燃燒和熱裂解過程中有害和潛在有害化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生，使用時將煙彈插入煙具中加熱，使煙彈中的煙堿及香氣物質(zhì)穩(wěn)定揮發(fā)釋放，以滿足吸煙者需求。煙彈由發(fā)煙段、降溫段、空管段、濾嘴段組成，因煙彈長度較短，煙氣吸阻較低，這種工藝結(jié)構(gòu)不可避免地會造成入口煙氣溫度過高。為解決煙氣入口過燙的問題，國內(nèi)外各大煙草公司在加熱卷煙降溫段的材料、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面進(jìn)行了大量研究，其降溫措施主要集中在應(yīng)用特殊的降溫材料和設(shè)計特定的降溫結(jié)構(gòu)等方面［1-2］。菲利普·莫里斯國際公司（PMI）的iQOS 加熱卷煙采用多段構(gòu)造，其降溫段采用在176 ℃附近具有單一相變吸熱功能的聚乳酸（PLA，polylactic acid）膜進(jìn)行壓皺聚攏而成［3-4］；英美煙草公司（BAT）的glo 加熱卷煙降溫段采用空管大氣流管狀濾棒，通過空管濾棒為煙氣提供更大的氣流通道，以降低煙氣溫度，且減少對煙氣的吸附［5］；韓國煙草人參公社（KT&G）推出的lil 加熱卷煙為中心針式加熱產(chǎn)品，其配套的Fiit 煙支使用玉米纖維（Corn Fiber）編織束進(jìn)行降溫；湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“MOK”煙支使用打孔壓紋聚乳酸膜和高透成型紙進(jìn)行降溫［6］；云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“MC”煙支使用10 mm 的壓紋聚攏聚乳酸膜包裹散熱片與增香纖維［7］，達(dá)到降溫增香的目的；廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“MU”煙支使用23 mm 的淀粉空管作為降溫段，淀粉空管由淀粉、相變材料和多元醇三者協(xié)同制備而成［8］。分析可見，當(dāng)前主要通過單一相變降溫材料聚乳酸膜對高溫?zé)煔膺M(jìn)行降溫處理，在降溫原理和降溫材料應(yīng)用上較為單一。因聚乳酸膜相變焓值較低，只能作用在（178±15）℃溫度范圍內(nèi)，降溫效果有限且聚乳酸膜生產(chǎn)成本較高；而以菲利普·莫里斯國際公司為代表的各大煙草公司在加熱卷煙煙用輔材、煙支結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了大量的專利布局。為突破降溫段聚乳酸膜的技術(shù)壁壘，四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司開發(fā)了多級相變降溫膜紙（復(fù)合生物膜紙），相比聚乳酸單一相變材料，該膜紙適用溫度范圍廣，可在低溫范圍內(nèi)實現(xiàn)相變吸熱降溫，具有降溫能力強(qiáng)、成本低、安全穩(wěn)定、煙氣吸附少、支撐載香等優(yōu)點。但多級相變降溫膜紙本身應(yīng)力大，且克重及厚度均高于其他加熱卷煙降溫材料，在設(shè)備加工適應(yīng)性上低于單層聚乳酸膜。在生產(chǎn)過程中，降溫基礎(chǔ)棒由一定幅寬的多級相變降溫膜紙經(jīng)開卷褶切機(jī)縱向壓紋后，再經(jīng)ZL22D濾棒成型機(jī)組收束、壓縮、粘接、包裹成型、分切加工而成。在膜紙材料收束過程中因膜紙擺動幅度過大，成型后的降溫基礎(chǔ)棒容易出現(xiàn)端面孔隙直徑過大、圓度數(shù)據(jù)合格率低等問題。為此，以成都卷煙廠加熱卷煙降溫基礎(chǔ)棒生產(chǎn)線為研究對象，設(shè)計了一種降溫材料預(yù)折疊收束系統(tǒng)，并利用濾棒成型機(jī)組生產(chǎn)9J11 中式烤煙降溫基礎(chǔ)棒進(jìn)行測試，以期提高加熱卷煙降溫基礎(chǔ)棒生產(chǎn)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

降溫材料預(yù)折疊收束系統(tǒng)主要由熱壓裝置（1）、折疊裝置（2）、收束裝置（3）、后段送料裝置（4）以及控制系統(tǒng)等組成，見圖1。多級相變降溫膜紙經(jīng)開卷褶切機(jī)縱向壓紋后，進(jìn)入熱壓裝置的導(dǎo)紙板預(yù)熱，使膜紙受熱軟化減小應(yīng)力；通過折疊裝置，完成兩次對中折疊收束；經(jīng)收束裝置的導(dǎo)向錐形筒對膜紙再次加熱收束；最后由后端送料裝置的成型輪壓縮定型并送至ZL22D濾棒成型機(jī)組煙槍入口處。膜紙在進(jìn)入煙槍前經(jīng)過2 次加熱，4 次折疊收束，2 次膨脹工序，有效降低了膜紙在成型階段橫截面不規(guī)則應(yīng)力。

圖1 降溫材料預(yù)折疊收束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of prefolding and funneling system for cooling material

1.1.1 熱壓裝置設(shè)計

熱壓裝置由上導(dǎo)紙板（4）、下導(dǎo)紙板（5）、升降氣缸（8）以及支架板（11）等組成，見圖2。上下導(dǎo)紙板寬度大于膜紙幅寬，采用具有電磁加熱功能的黃銅材質(zhì)制作而成，溫度控制范圍60～150 ℃。通過上下導(dǎo)紙板對膜紙進(jìn)行加熱軟化，以減小后續(xù)膜紙折疊工序的不規(guī)則應(yīng)力，使膜紙折疊、收束更加順暢。支架板通過螺釘連接固定在機(jī)架臺板上，上導(dǎo)紙板與支架板通過連接板（1）固定且不可移動，下導(dǎo)紙板通過升降氣缸使其沿直線滑軌（10）上下移動，以實現(xiàn)上下導(dǎo)板的開合，從而滿足膜紙導(dǎo)入以及靠攏加熱等功能。

1.1.2 折疊裝置設(shè)計

折疊裝置由被動輥組（1）、壓輪組（2）、限位部件組（3）、側(cè)邊惰輪組（4）、收緊惰輪組（5）、橫輪組（6）、二折收緊紙輥組（7）等組成，見圖3。被動輥組與膜紙運行高度一致，以保證膜紙平穩(wěn)通過；壓輪組惰輪始終作用于膜紙的中心線上，并對其施加垂直向下的壓力，完成第一次對中折疊；限位部件組對膜紙的兩側(cè)進(jìn)行夾持約束，避免膜紙外翻影響下道工序；側(cè)邊惰輪組和收緊惰輪組將第一次折疊后的膜紙左右兩邊合并收緊，為第二次折疊做好準(zhǔn)備；橫輪組惰輪、壓輪組惰輪與二折收緊紙輥組中心處于同一平面高度，通過橫輪組惰輪再次對膜紙施加垂直于紙面的壓力，完成第二次對中折疊；最后通過二折收緊紙輥組收縮壓緊后進(jìn)入下道工序。其中，被動輥組、壓輪組、橫輪組以及二折收緊紙輥組的惰輪或紙輥均能夠?qū)崿F(xiàn)上下移動，且所有輥組和輪組都通過螺釘與底座（8）連接，底座固定于機(jī)架臺板。通過調(diào)整螺紋孔位可調(diào)節(jié)空間位置，從而得到最優(yōu)位置配合。

圖3 折疊裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of folding device

1.1.3 收束裝置設(shè)計

收束裝置由上固定壓板（1）、導(dǎo)向錐形筒（2）、通道底座（3）以及隔熱塊（4）等組成，見圖4。折疊后膜紙若直接進(jìn)入成型輪，因收束角度過大會導(dǎo)致收束阻力增加，破壞膜紙已約束形成的折疊樣式，使生成的濾棒截面膜紙分布不均、孔隙較大。為此，利用導(dǎo)向錐型筒的收束錐度提高膜紙收束的一致性。經(jīng)實驗可得，導(dǎo)向錐型筒的錐度∠a處于15°～20°之間，收束效果最佳。此外，導(dǎo)向錐型筒材質(zhì)要求硬度高、粗糙度低，以減少筒壁的磨損，降低膜紙材料高速運行阻力。通道底座同樣為具有加熱功能的黃銅材質(zhì)，溫度控制范圍30～150 ℃，利用通道底座熱傳遞至導(dǎo)向錐形筒，進(jìn)一步對膜紙加熱軟化，使收束過程更加順暢。隔熱塊與機(jī)架臺板連接固定。

圖4 收束裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of funneling device

1.1.4 后段送料裝置設(shè)計

后段送料裝置由單反絲桿（1）、成型輪（2）、機(jī)架（3）、伺服電機(jī)（4）、導(dǎo)向塊（5）等組成，見圖5。成型輪對第一次收束后自然膨脹的膜紙進(jìn)行再次壓縮收束，并為膜紙?zhí)峁┮欢ǖ尿?qū)動力，以平衡多級約束后造成的摩擦阻力，然后由導(dǎo)向塊進(jìn)入煙槍。成型輪工作面為半圓形凹槽，兩個成型輪上下配合形成收束圓槽，圓槽直徑應(yīng)小于導(dǎo)向錐形筒出口直徑且小于成品基礎(chǔ)棒直徑，通過不同規(guī)格濾棒實驗可得到最佳成型輪凹槽匹配直徑。此外，該組成型輪由獨立的伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，伺服電機(jī)與成型輪之間通過同步帶傳遞動力，單反絲桿通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)而帶動兩個成型輪沿相反方向運動，實現(xiàn)兩輪的分離與貼合，便于開機(jī)或斷紙時導(dǎo)入膜紙。

圖5 后段送料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of rear feeder

1.2 參數(shù)優(yōu)化

1.2.1 參數(shù)選擇

選取上模溫度（上導(dǎo)紙板）、下模溫度（下導(dǎo)紙板）以及收卷溫度（通道底座）3個影響折疊收束效果的因素，并分別取3 個水平進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，各因素水平見表1。

表1 因素水平表Tab.1 Levels of factors（℃）

1.2.2 正交試驗設(shè)計

根據(jù)三因子三水平正交表L9（33）設(shè)計試驗方案，見表2。按照表2 中9 種方案對安裝有預(yù)折疊收束系統(tǒng)的ZL22 成型機(jī)組進(jìn)行上機(jī)測試，設(shè)置預(yù)折疊收束系統(tǒng)的三因子參數(shù)和工作時間，使其在9種方案下各運行20 s，統(tǒng)計生產(chǎn)的降溫基礎(chǔ)棒圓度合格率。在相同試驗條件下重復(fù)3次，取圓度合格率的平均值。

表2 降溫基礎(chǔ)棒圓度合格率正交試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results of roundness acceptable rate of cooling base rods

1.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

由極差R可知，收卷溫度（因素C）對圓度合格率影響最顯著，其次是下模溫度（因素B），上模溫度（因素A）對圓度合格率影響最小。最優(yōu)組合為A2B2C2，即上模溫度為70 ℃，下模溫度為70 ℃，收卷溫度為40 ℃。

1.3 控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)預(yù)折疊收束系統(tǒng)工作速度與ZL22D濾棒成型機(jī)組實時匹配，設(shè)置外掛編碼器讀取成型機(jī)組布帶輪運行速度，并反饋到預(yù)折疊收束系統(tǒng)工控機(jī)；工控機(jī)通過伺服控制器調(diào)節(jié)成型輪處伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證成型輪的線速度與布帶輪的線速度相同。系統(tǒng)控制流程見圖6。

圖6 預(yù)折疊收束系統(tǒng)控制流程圖Fig.6 Control flow of prefolding and funneling system

2 應(yīng)用效果

2.1 實驗設(shè)計

材料：多級相變降溫膜紙（85 g/m2×114 mm，四川寬窄紙品有限責(zé)任公司）；成型紙（78 g/m2×24.5 mm，牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司）。

設(shè)備：開卷褶切機(jī)、ZL22D 濾棒成型機(jī)組（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；降溫材料預(yù)折疊收束系統(tǒng)（自制）。

方法：預(yù)折疊收束系統(tǒng)應(yīng)用前后，由ZL22D濾棒成型機(jī)組生產(chǎn)9J11 中式烤煙降溫基礎(chǔ)棒，以連續(xù)生產(chǎn)10 min 為一組，抽檢30 支降溫基礎(chǔ)棒，測量基礎(chǔ)棒的圓度平均值和最大端面孔隙，計算合格率，各取10組數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由圖7可見，系統(tǒng)應(yīng)用后基礎(chǔ)棒的圓度平均值顯著下降，在±0.3 mm 范圍內(nèi)波動并趨于穩(wěn)定，符合生產(chǎn)工藝要求。由表3可見，系統(tǒng)應(yīng)用前后基礎(chǔ)棒圓度合格率由25.3%增加至97.3%，端面孔隙合格率由15.1%增加至100%，完全消除了端面直徑≥1 mm 的孔隙。

表3 預(yù)折疊收束系統(tǒng)應(yīng)用前后降溫基礎(chǔ)棒圓度和端面孔隙合格率Tab.3 Acceptable rates of roundness and rod end porosity of cooling base rods before and after application of prefolding and funneling system（%）

圖7 預(yù)折疊收束系統(tǒng)應(yīng)用前后降溫基礎(chǔ)棒圓度均值曲線Fig.7 Mean roundness of cooling base rods before and after application of prefolding and funneling system

3 結(jié)論

基于加熱卷煙多級相變降溫膜紙設(shè)計了一種預(yù)折疊收束系統(tǒng)，膜紙在進(jìn)入煙槍前經(jīng)過2 次加熱，4次折疊收束，2 次膨脹工序，有效降低了膜紙橫截面應(yīng)力，提高了膜紙分布均勻性。采用ZL22D 濾棒成型機(jī)組對預(yù)折疊收束系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)應(yīng)用后，降溫基礎(chǔ)棒圓度合格率平均增加72百分點，端面孔隙合格率達(dá)到100%，有效提高了加熱卷煙降溫基礎(chǔ)棒工藝質(zhì)量水平。