國產溝槽棒成型機工藝優化設計

李 柯 楊步充

（許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌 461000）

0 前言

隨著煙草行業的不斷發展，傳統煙草制備工藝逐漸完善，消費者對新型煙草[1-3]種類與數量的需求越來越明顯。瓦楞香煙作為新型煙草的一部分，具備大部分香煙所不具備的優點：1）吸阻小。以溝槽濾棒代替普通濾棒，溝槽的外形能有效減小吸阻[4]，利于煙草燃燒后混合煙霧的通過率，增強消費者的體驗感。2）健康指標高。溝槽濾棒由于其特殊的制備工藝，在成型的過程中使用的膠含量低，能有效降低燃燒后甲醛等有害物質的含量，比普通香煙更健康。3）外觀精美。根據壓花輥的設計與調節，溝槽形狀可變換為三角形、半圓形、梯形等，為消費者提供更多的選擇，頗具美觀性。

但是，國內市場的溝槽棒成型機組多數是德國HAUNI公司的進口產品，購買成本高，維護周期長且困難大，因此機型國產化具有重大的研究意義。該文在HAUNI 公司KDF4瓦楞棒成型機組的研究基礎上，對機器生產工藝以及布局進行優化設計[5]：1）紙張力部分優化瓦楞紙的走紙路徑。2）加熱部分采用平行式雙加熱器加熱，加熱面積增大。3）加濕部分根據經驗設計注水量額定關系曲線，確保水潤濕作用的均勻性。4）壓花部分采用左右壓印方式，后置紙平衡結構，有效減小斷紙風險。

1 控制系統設計

溝槽棒成型模塊采用Profibus-DP 架構，以西門子S7-300 為核心邏輯控制單元，通過IPC 界面寫入控制參數給PLC，經過程序的邏輯處理過程后，通過DP 總線協議與從棧之間交換輸入輸出信號，從而控制各個執行機構的動作，伺服電機的控制主要通過AMK伺服控制器接受PLC 的信號協同各個輥之間的運動控制，控制系統的框架如圖1 所示，實物控制系統電控柜如圖2、圖3 所示。

圖1 控制系統構架

圖2 控制電柜

2 紙張力部分設計

紙張力部分是溝槽模塊的重要部分，當溝槽紙進入模塊后，需要對紙的路徑以及紙張力進行控制。路徑控制是為了保證溝槽紙能夠快速地進入成型部分，紙張力部分則是通過各個導向輪以及平衡輪和拖紙輥之間的配合，使模塊中通過的紙張力維持在正常水平，既不能斷紙也不能讓紙松落[6]。HAUNI 公司的紙張力部分（圖3）采用7 個導向輪，3 個平衡輪以及一對拖紙輥機構組成，脫紙輥的力臂升降機構采用步進電機驅動，拖紙輥壓下后速度跟隨力臂升降調整送紙速度。國產化溝槽棒模塊紙張力部分（圖4）采用11 個導向輪，3 個平衡輪以及托紙輥對，有效紙張力部分溝槽紙的長度可達3300mm，在空間布局設計以及紙平衡功能上優于HAUNI 的模塊機。另外，張力臂部分采用獨立伺服電機驅動，與步進電機控制相比，伺服電機電機具有啟動快、反應迅速、閉環特性良好等優點。可以根據紙張力的變化快速精確地對拖紙輥速度進行控制，很大程度上減少了紙帶抖動以及斷紙的情況，保障機器穩定地運行。

圖3 HAUNI 公司紙張力部分

圖4 國產化機型紙張力部分

3 加濕與加熱部分設計

溝槽紙要最終壓出帶槽的花紋，需要經過加熱與加濕的過程，兩個過程都是為了改變成型紙的熱形變特性，使壓出的花紋清晰且不易回彈。HAUNI 機器的加濕部分功能（圖5）：水箱中的水經過水泵抽取并加熱后傳送至噴嘴，當壓縮空氣閥打開時，將水柱分散成水霧，對溝槽紙上面兩個維度進行噴灑，噴灑水的量與機器生產速度相關，但不呈完全的比例關系，噴灑量的設定可在IPC 界面進行。國產化機型在延續加濕部分的基礎上，根據機器運行經驗總結出噴灑量與機器速度的曲線關系（圖6），同時在控制程序中對機器速度設置閾值，使噴水量能完全按照曲線的方式噴灑，保證潤濕效果。

圖5 HAUNI 潤濕部分

圖6 噴灑量與速度曲線

加熱部分工藝原理為溝槽紙經過被加熱管加熱的金屬塊表面，快速加熱后改變紙的熱形變特性，使其發生形變以后不容易恢復，從而保持溝槽定型特性。國外機型（圖7）的設計利用兩個加熱塊斜對稱完成二次加熱，但是處在紙抖動的情況下，紙會發生與加熱塊分離的情況，影響加熱效果，進而影響溝槽成型。該文機型（圖8）在原有雙加熱塊的基礎上，調節加熱塊方向至水平平行，增大加熱塊表面積，同時加熱塊表面相比HAUNI 來說，增大了加熱塊表面的凸角，一方面使紙在加熱塊上充分加熱，另一方面可以進一步中和紙抖動對加熱的影響，促成后續的壓花工藝。

圖7 HAUNI 公司加熱部分

圖8 國產化機型加熱部分

4 壓花設計

溝槽成型最后也是最重要的部分就是壓花部分，壓花部分常采用輥對控制，壓花輥通過氣缸鎖死位置固定不變，壓輥在機器處于運行狀態時通過程序控制向壓花輥行進，兩者保持極小縫隙后以相同的線速度運行，將印花后的溝槽紙送至成型機部分。HAUNI 公司的壓輥方式采用的是上下輥（圖9）的方式，該方式下在機器平穩運行時效率較高，但是在機器啟動制動以及加減速的過程中，容易出現卡紙或者斷紙的情況。為了改善此類狀況，國產化機器（圖10）采用豎直方向上的壓輥方式，同時在進入成型部分之前增加一塊導紙版消除紙抖動帶來的負面影響。同時在程序控制方面，優化了壓輥行進過程中的邏輯控制方法，使氣缸行程由單一的前進-制動變為前進-一級減速-二級減速-制動，避免了氣缸行程出現偏差時兩個輥的撞擊，延長了使用壽命。

圖9 HAUNI 公司壓花部分

圖10 國產化機型壓花部分

5 優化工藝效果

國內首臺溝槽棒成型機組已于2021 年初發往紅塔遼寧沈陽卷煙廠調試，該機型是基于對接溝槽棒模塊的特種濾棒成型機組，最大運行速度為3500 支/min，經過近一年的調試，現機器已經處于可正常生產狀態。成品溝槽棒均符合沈陽卷煙廠提出的細支溝槽技術指標（表1），在運行過程中對比HAUNI 公司的機型：溝槽紙的抖動幅度以及抖動次數出現明顯減少；VISU 界面對壓花位置的調節周期明顯減少；紙張力的大小浮動明顯減弱，溝槽紙趨于平穩狀態。

表1 沈陽卷煙廠提出的細支溝槽技術指標

筆者對連續10d 的檢測平臺數據進行分析，得出表2 的結果。

表2 中每組數據都是以每日不同時段的隨機抽取樣本進行檢測得到結果的平均值。從表2 中的數據可以看出，對接國產溝槽模塊生產的濾棒在保證其普通棒標準的前提下，溝槽數量、溝槽深度以及外觀均達到驗廠標準，對比HAUNI 公司的產品如圖11 所示。

表2 溝槽棒細支技術指標

由圖11 可知，ZL26D 長度更為平穩，溝槽數變化在界定誤差范圍內，且浮動較小；溝槽深度變化趨勢更平緩，對比HAUNI 機型來說更具優勢。

圖11 溝槽技術指標對比

6 結論

根據優化設計工藝的結果可知，國產對接溝槽模塊具有以下優點：成本低、便于維護、長度、溝槽數以及溝槽深度指標變化平穩。這使得溝槽棒機型的國產化成為了可能，但是要想真正實現國產化，還存在以下未解決的問題：1）壓花輥機械件對精度要求高，目前只能使用進口件。2）對紙張力的控制還需要進一步研究，減少斷紙松紙的問題。3）需要解決壓花輥對接觸時發熱對溝槽指標的影響。下一步將對這些問題進行進一步研究。