MAX1-8接裝機最后切割裝置的改進

王己鋒，黃建龍，饒 偉，邱勇杰，余 濱，吳俊春，張小杭，黃許立

龍巖煙草工業有限責任公司，福建省龍巖市新羅區1299號 364000

PROTOS1-8卷接機組是德國HAUNI公司生產的中速卷接設備，生產能力為8 500支/min。MAX1-8接裝機是PROTOS1-8卷接機組的核心設備，其最后切割裝置主要完成雙倍長濾嘴煙支的切割，但在生產7.6 mm空管二元復合濾嘴煙支過程中，切割后的煙支存在濾嘴切口毛邊、拉絲，接裝紙褶皺等問題。研究表明，煙支濾嘴切割質量主要與復合濾嘴的物理特性和切割裝置的生產性能有關［1-3］，而目前關于復合濾嘴的研究主要集中在對卷煙煙氣中有害成分的影響以及提高成型機組生產適應性等方面。其中，姚二民等［4］研究了茶質紙-醋酸纖維二元復合濾嘴在卷煙中的應用，該方法可減少煙氣中焦油、煙堿等成分；金勇等［5］對異型、復合結構濾嘴的技術特點及降焦減害效果進行了分析；何海鵬等［6］通過對現有檢測裝置進行改進，解決了ZJ118卷接機組無法檢測超細支空管二元復合濾嘴煙支的問題，實現了不合格煙支和缺嘴煙支的識別和剔除；徐思民等［7］對YL23C濾棒成型機組進行了優化改進，解決了無法生產超細支（5.3 mm）復合濾棒的問題。此外，姜冬子等［2］設計了YJ212接裝機最終分切鼓輪切割機構的圓刀清潔裝置，王永峰等［3］改進了ZJ17卷接機組最后切割和磨刀裝置，有效改善了煙支濾嘴切割質量。但對于提高7.6 mm空管二元復合濾嘴煙支切割質量的研究報道較少。為此，基于切割原理對最后切割裝置的支撐方式、圓刀參數等進行了改進，以期提升復合濾嘴的生產適應性，降低卷煙輔材消耗量。

1 問題分析

1.1 切割鼓支撐方式

MAX1-8接裝機最后切割裝置主要由電機（1）、主動輪（2）、V型帶（3）、從動輪（4）、夾刀板（5）和（7）、圓刀（6）、最后切割鼓（9）等部分組成，見圖1。在生產中，由切割電機帶動主動輪旋轉，再經V型帶驅動從動輪進而帶動圓刀旋轉，完成對雙倍長復合濾嘴煙支的切割。

圖1 改進前最后切割裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of final cutting unit before modification

圖2可見，原切割鼓承煙槽由12段與煙支直徑相匹配的半圓槽組成，與煙支有效接觸面積較小。生產中，五角星管狀濾嘴段與普通濾嘴段組合位置恰好位于寬度3 mm的凹槽中，基本處于懸空狀態。由于復合濾嘴組合位置剛度較小，在受到較大切割力時復合濾嘴容易發生錯位，由此造成濾嘴切口毛邊、接裝紙褶皺等質量問題。

圖2 改進前最后切割鼓支撐方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of support means of final cutting drum before modification

1.2 圓刀工作原理

圖3可見，圓刀在法向力F的作用下，采用滑切方式沿速度V方向運動，完成對濾嘴煙支的切割。在圓刀切割濾嘴煙支過程中，法向力F越大越容易出現濾嘴切口毛邊和變形現象。圖3中的夾角α為滑切角，滑切系數tgα=Vt/Vn，該系數主要取決于切割過程中濾嘴煙支在切割平面上的運動狀態以及圓刀刃口形狀和安裝位置［1］。

圖3 圓刀工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of working principle of circular knife

根據圖1可計算得出圓刀轉速：

式中：n圓—圓刀轉速，r/min；n電—電機轉速，r/min；D主—主動輪直徑，m；D從—從動輪直徑，m。

當圓刀切割濾嘴煙支時，轉速越高對濾嘴的切割力越小。取n電=1 400 r/min，D主=0.055 m，D從=0.063 m，根據式（1）計算可得n圓=1 222 r/min，轉速相對較低。

圖4可知，刀片刃口上某質點進入物料時，滑切刃口角r=arctan（DE/AE），r越小切割越省力［1］。原切割圓刀為硬質合金，刀片厚度0.3 mm，直徑100 mm，滑切刃口角r為11.4°，角度相對較大。分析可知，圓刀轉速過低、滑切刃口角過大是造成濾嘴切口毛邊、接裝紙褶皺等問題的主要原因。

圖4 滑切刃口角度示意圖Fig.4 Schematic diagram of angle of slide cutting edge

1.3 復合濾嘴物理特性

管狀復合濾嘴是將纖維基材加入水溶性膠水后進行輥壓，再使用空心模型壓制得到管狀濾嘴，然后利用卷煙紙將普通濾嘴段和管狀濾嘴段連接包裹成型。對比復合濾嘴與普通濾嘴的外形結構可以發現，前者濾嘴端面為中空五角星圓，后者為實心圓。以長度108 mm、直徑7.6 mm的二元復合濾嘴為例進行分析（圖5），復合濾嘴由20 mm普通濾嘴段、14 mm五角星管狀濾嘴段、40 mm普通濾嘴段、14 mm五角星管狀濾嘴段、20 mm普通濾嘴段共5段組合而成，一切四后濾嘴段長27 mm、直徑7.6 mm，其中五角星管狀濾嘴段長7 mm，星尖直徑3.0 mm。

圖5 二元復合濾嘴結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure of dual filter

濾嘴煙支的切割位置位于五角星管狀濾嘴段中間。表1可見，五角星管狀濾嘴段與普通濾嘴段的硬度分別為94.6%與86.5%，相差8.1%。因此，硬度差異可能會影響濾嘴煙支切割質量。

表1 管狀濾嘴段和普通濾嘴段硬度測試Tab.1 Hardness tests of dual and common filter rods（%）

在相同批次煙絲、輔材、生產設備條件下，對復合濾嘴和普通濾嘴進行對比測試。PROTOS1-8卷接機組穩定運行后，每隔10 min，抽取10組各1 000支煙檢查濾嘴切口質量。表2可見，每1 000支煙中復合濾嘴的缺陷煙支為26支，而普通濾嘴未檢出質量問題。由此可見，復合濾嘴本身物理特性是導致煙支質量缺陷的主要原因，只有對最后切割裝置進行改進，才能提高7.6 mm空管二元復合濾嘴煙支的生產適應性。

表2 復合濾嘴和普通濾嘴切割缺陷煙支數量①Tab.2 Amounts of cigarettes with defective filter cut per thousand cigarettes with dual filter or common filter （支）

2 改進方法

2.1 切割鼓支撐方式

煙支在最后切割鼓上的受力分析為［8］：

式中：F—最后切割鼓承煙槽對煙支的吸附力，N；FN—最后切割鼓承煙槽對煙支的支持力，N；F切—圓刀的切割力，N；F離—煙支的離心力，N；S—等效接觸面積，m2；P—最后切割鼓承煙槽對煙支的壓強，Pa；L—等效接觸長度，m；C—等效接觸弧長，m。

由圖6可見，改進后的最后切割鼓承煙槽由4段組成，長度分別為0.025、0.030、0.035、0.020 m。由于吸附力F、切割力F切、離心力F離均不改變，則最后切割鼓承煙槽對煙支的支持力也不變，由此可得：

式中：1、2分別代表改進前后。

由式（6）計算結果可知，改進后最后切割鼓承煙槽與煙支等效接觸長度L由0.050 m增加到0.110 m，承煙槽對煙支的壓強P為原來的0.45倍，有效減少了煙支濾嘴的彈性變形，降低了切割鼓承煙槽對復合濾嘴煙支的影響，避免煙支出現褶皺。

圖6 改進后最后切割鼓支撐方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of support means of final cutting drum after modification

2.2 圓刀參數

2.2.1 圓刀轉速

分析可知，復合濾嘴煙支切割過程滿足高略契金常數定理［1-3］：

式中：F—切割力，N；S—滑移長度，mm；C—常數。

根據式（7），當圓刀切割濾嘴時，圓刀滑移長度S與圓刀切向速度Vt成正比。因此，通過改變最后切割裝置主傳動輪與從動輪之間的傳動比，提高圓刀轉速，可以降低切割力F對復合濾嘴切口質量的影響。

切割鼓轉速：

切割鼓線速度：

濾嘴煙支切割過程中經過的切割鼓弧長：

濾嘴煙支切割過程中經過圓刀的時間：

圓刀切向速度：

圓刀轉速：

式中：n圓—圓刀轉速，r/min；N—設備生產速度，取值范圍3 000～8 500支/min，為保證濾嘴煙支不被二次切割，只取低速狀態計算；c—最后切割鼓旋轉一周的煙支數目，支；R—最后切割鼓半徑，m；l—圓刀進入最后切割鼓的深度，m；r—圓刀半徑，m。

取N=3 000支/min，c=28支，R=0.085 m，l=0.001 2 m，根據式（13）計算可得n圓=200 9 r/min，即圓刀轉速為200 9 r/min。基于安裝位置選擇主動輪直徑為0.068 m，則從動輪直徑：

取最小值，從動輪直徑為0.048 m。主動輪與從動輪直徑確定后，需要校驗從動輪包角（圖7），計算公式為：

式中：α1—從動輪包角，（°）；θ—皮帶與中心線的夾角，（°）；α—帶輪中心距離，m。

圖7 V型帶傳動示意圖Fig.7 Schematic diagram of V-shaped belt drive

取α=0.21 m，D主=0.068 m，D從=0.048 m，根據式（15）和（16）計算可得α1=174.5°，即從動輪包角≥120°，符合機械設計要求［9］。

2.2.2 圓刀規格

圖4顯示，滑切刃口角r越小切割越省力，通過減少圓刀的厚度DE，可以減小滑切刃口角r的大小。但減少圓刀厚度會降低圓刀剛度，且圓刀剛度與圓刀直徑和夾刀板直徑也相關。為此，采用三因素三水平L9（33）試驗確定圓刀厚度A、圓刀直徑B、夾刀板直徑C這3個參數［9-10］對圓刀剛度的影響，見表3和表4。

表3 正交試驗因素水平設計Tab.3 Design of orthogonal experiment factor level(mm)

表4 正交試驗數據Tab.4 Data of orthogonal experiment

表5表明，圓刀厚度A、圓刀直徑B、夾刀板直徑C的P值均小于0.05，對復合濾嘴切割質量均有顯著影響，且影響程度依次是圓刀厚度A>圓刀直徑B>夾刀板直徑C。其中，當圓刀厚度A為0.2 mm時，復合濾嘴缺陷煙支數量最少；隨著圓刀直徑增加，復合濾嘴缺陷煙支數量增加，二者總體上呈正相關；當圓刀直徑B為92 mm時，復合濾嘴缺陷煙支數量最少；當夾刀板直徑C為72 mm時，復合濾嘴缺陷煙支數量最少。綜上，最佳參數組合為圓刀直徑92 mm，厚度0.2 mm，夾刀板直徑72 mm。

表5 方差分析①Tab.5 Variance analysis

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“古田光芒”牌卷煙復合濾嘴，長度108 mm，吸阻3 050 Pa（江蘇大亞濾嘴材料有限公司）；卷煙紙，定量29.0 g/m2，寬度26.5 mm，長度5 000 m（浙江民豐特種紙股份有限公司）；接裝紙，定量39.0 g/m2，寬度72 mm，長度2 500 m（廈門鑫業包裝材料有限公司）；“古田光芒”牌卷煙煙絲（龍巖煙草工業有限責任公司提供）。

設備：PROTOS1-8卷接機組（德國HAUNI公司）。

方法：分別對改進前后的最后切割裝置進行對比測試，在相同生產條件下，PROTOS1-8卷接機組穩定運行后，每隔10 min，抽取10組各1 000支煙檢查濾嘴切口質量，并對改進前后的輔材消耗情況進行統計，測試周期為7 d，重復2次。

3.2 數據分析

表6可見，在相同的生產條件下，改進后每1 000支煙中復合濾嘴的缺陷煙支由26支下降為0，有效改善了濾嘴煙支切割質量問題。

表6 改進前后濾嘴切割缺陷煙支數量Tab.6 Amounts of cigarettes with defective filter cut per thousand cigarettes with dual filter before and after modification （支）

表7可見，改進后“古田光芒”牌卷煙的卷煙紙消耗由730 m/萬支降低至560 m/萬支，接裝紙消耗由0.557 kg/萬支降低至0.441 kg/萬支，有效降低了輔材消耗。

表7 改進前后輔消耗對比Tab.7 Consumption of auxiliary materials before and after modification

4 結論