煙用爆珠脈沖滴制裝置的改進

陳帥偉，蘇海建，任 浩，杜文杰，孫帥帥，劉 群，胡蘇林，張新龍，王志勇，韓宜廷

（山東中煙工業有限責任公司，山東濟南 250014）

“爆珠添加”技術是一種卷煙過濾嘴生產成型技術，在過濾嘴的生產過程中復合添加1粒或者多粒易捏破的香味膠囊，實現在卷煙吸食過程中人為可控的特色香味釋放，減少外界環境對吸味的影響和造成的香精損失，豐富卷煙吸食口味，實現吸食過程的保潤增濕[1]。爆珠滴制工序是整個爆珠生產線的核心，其中爆珠滴制機是工序的主要核心設備,脈沖爆珠滴制機是行業內生產爆珠的專用設備，現有脈沖滴制設備滴制方式通常是直接通過切割液將膠液切斷，切斷后的膠丸跌落入循環液中，這個過程由于爆珠受力不均衡，容易導致爆珠變形、爆珠內產生小氣泡，甚至出現爆珠被打碎的現象[2]。

近年來，隨著爆珠卷煙的熱銷，針對爆珠技術在卷煙中的應用研究已有部分報道，但由于爆珠滴制設備多為制藥企業滴丸設備改造而來，暫時還沒有專業生產爆珠滴制設備的企業，尚未發現相關研究文獻[3]。為此，結合同心滴制生產工藝與脈沖滴制數學模型，設計出一種新型脈沖切割滴制裝置，使脈沖作用力能夠同步均勻地在同心流柱周圍施加，提高切割精度，使其發生均勻的形變，進而達到提高爆珠壁材的均勻度、爆珠的圓度和爆珠成品品質的目的。

1 問題分析

1.1 脈沖壓力

目前脈沖滴制設備滴制方式通常是直接通過切割液將膠液切斷，切斷后的膠丸跌落入循環液中，這個過程由于爆珠受力不均衡，容易導致爆珠變形、爆珠內產生小氣泡，甚至出現爆珠被打碎的現象。對于脈沖爆珠滴制機而言，脈沖壓力的控制是保證爆珠大小均一、產品一致性的重要因素。脈沖壓力過小，爆珠分不開，形成雙粒丸；脈沖壓力大，則爆珠會產生旋轉，切口變壞，而且爆珠的外壁變得不均勻，若壓力過大，則爆珠容易被打碎，呈微小顆粒，并與冷卻液一起在管道內流動而聚積在各個部位，引起管道堵塞，影響正常爆珠滴制，而且嚴重影響產品的合格率。如果壓力繼續升高，超過極限值，還會導致脈動泵連接軸扭斷，以至于無法進行正常生產。

傳統爆珠成型方法示意圖見圖1。

圖1 傳統爆珠成型方法示意圖

1.2 設備參數

目前，爆珠成型裝置內沒有回液容器、導流片、溢流圈，故在實際生產中存在以下問題：首先，原有結構不能夠使得循環液液面平衡，不能將液面固定某一高度處不變，進而會導致循環液流動所產生拉力不均勻；其次，由于原有結構沒有導流片，循環液流入玻璃漏斗時，流動不均勻、不充分，會形成漩渦，會有扭力產生，嚴重影響爆珠成型的效率和成品率；此外，原有方式是直接通過切割液將膠液切斷，切斷后的爆珠跌落入循環液中，這個過程中由于爆珠受力不均衡，容易導致爆珠變形、爆珠內產生小氣泡，甚至出現爆珠被打碎的現象。

1.3 穩定系統

爆珠生產過程中，爆珠膠液隨著生產的進行膠液在不斷減少，膠液的液面也隨之降低，膠液液面的降低直接影響爆珠滴制滴頭處膠液出口的壓力，從而影響批次爆珠的品質穩定。傳統爆珠滴制設備沒有配備完善的膠液補充設備和膠液液面穩定系統，爆珠生產過程中人為補充膠液，會破壞膠液穩定性，且在傾倒膠液的同時會產生大量氣泡，膠液的補充導致爆珠生產設備個別參數需要重新調節標定，影響生產效率。

2 改進方法

2.1 環形切割

根據同心滴制生產工藝與脈沖滴制數學模型，通過改變原有切割方式，創新性地將單一方向切割改為環形切割，在不切斷同心流柱的基礎上，使液柱被定頻脈沖擠壓成串珠狀。

環形脈沖切割裝置整體設計見圖2。

環形脈沖切割滴制裝置包括壁材膠液箱、芯材膠液箱、滴頭、冷卻柱及脈沖裝置。壁材膠液與芯材香精在滴頭中形成同心流柱，芯材在內層，壁材膠液在外層，向同心流柱施加若干個沿同心流柱周向均勻分布的同步脈沖作用力，將同心流柱切割成為串珠狀，爆珠落入冷卻循環液中，在冷卻循環液中斷裂，在表面張力的作用下迅速形成單珠，即可得到初步成型的爆珠，經過冷卻液定型作用，最終沿運輸管道進入收集裝置。

圖2 環形脈沖切割裝置整體設計

2.2 滴頭結構

由液滴直徑與成型前射流直徑的數學模型，噴孔半徑是爆珠粒徑大小的決定性參數。噴孔的內外徑比和內壁粗糙度直接影響爆珠成丸效果。相同流速下，內外半徑比的增大將促進液柱的成型。為了獲得良好的成型效果，應該最大程度地增加噴孔的內外半徑比。

2.3 噴射壓力

在爆珠滴制過程中，漏斗中的循環液平面高度與切割口相平，壁材膠液和芯材香精形成同心流柱后經過膠液滴頭流出，經過環形脈沖切割裝置切割口處，將同心流柱切割成一段相連的串珠狀形狀的膠液柱體后，落入漏斗中；同時循環液從循環液入口進入后，經過導流片進入漏斗中，同心流柱被下落的循環冷凝液所產生的拉力拉斷，進而冷卻收縮形成爆珠。其中，切割液噴射壓力值是爆珠流暢滴制的重要影響因素之一，通過相關試驗驗證，壓力值為0.02～0.10 MPa時，此新型滴制方式較原有滴制方式在滴制過程中切割液的力量更加均勻、柔和，可將同心流柱均勻地切割成球體，使爆珠大小均一、芯材含量穩定，對爆珠的滴制過程達到了精準控制，實現了爆珠同質化生產，保證了產品一致性。

2.4 膠液補充裝置

增加一個膠液補充裝置，目的是維持膠液恒定高度、控制滴頭處的壓力恒定、增強膠囊滴制的穩定性、提高膠囊產品品質。此裝置的膠液儲存槽有一個溢流口，膠液通過蠕動泵緩慢補充至膠液槽中，且將蠕動泵所使用的管子做保溫特殊處理，以保持膠液良好的流動性。

3 結論

通過改變原有切割方式，增加切割液盤、切割體、漏斗、回液容器、膠液滴頭、溢流圈、切割蓋等輔助裝置，優化滴頭結構和切割液噴射壓力，此新型滴制方式較原有滴制方式在滴制過程中切割液的力量更加均勻、柔和，可將同心流柱均勻地切割成球體，循環液能夠吸收一定量的脈沖力，起到緩沖作用，避免出現爆珠中存在氣泡的現象，使爆珠大小均一，保證了循環液流動時所產生的拉力平衡，芯材含量穩定，實現了爆珠同質化生產，保證了爆珠產品的品質。