ZJ17卷接機組印刷系統噴墨裝置的優化

劉世明，李昕，黃開友，曹小東，楊梅，朱金祥，杜甫

ZJ17卷接機組印刷系統噴墨裝置的優化

劉世明，李昕，黃開友，曹小東，楊梅，朱金祥，杜甫

（湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠，湖北 宜昌 443100）

為了解決ZJ17卷接機組生產在線印刷鋼印卷煙產品時，噴墨裝置在設備停機再啟動時的油墨外溢成團，造成的鋼印印刷不清晰或鋼印色差類廢品率高問題。從油墨截斷方式、多余油墨儲存、油墨噴嘴通道形狀以及氣路控制等方面入手，研發了一種新型噴墨裝置。既保證了正常生產時油墨的供應，又實現了噴墨量在設備重復啟停時的有效控制，使鋼印不清晰廢煙量從優化前0.229 kg/箱降低到0.016 kg/箱，鋼印色差廢煙量從優化前0.219 kg/箱降低到0.013 kg/箱，有效降低了廢品量。該裝置對提高卷煙產品質量、降低材料消耗、減少人工勞動強度具有顯著效果，可以有效解決行業內在線印刷鋼印卷煙產品生產普遍存在的問題。

卷接機組；油墨供應；噴墨裝置；色差；印刷質量

ZJ17卷接機組是20世紀90年代由德國HUANI公司開發，常德煙機廠引進的卷煙機[1-2]，被國內卷煙生產企業廣泛應用[3-5]，該卷煙機配備有完善的智能檢測和印刷控制系統，具有穩定性好、控制精度高、產品質量管控較好等特點[6]。印刷系統是ZJ17卷接機組生產在線印刷鋼印牌號卷煙的重要部位，也稱牌子箱，其作用是牽引卷煙紙，使其以與布帶同步的線速度在送往煙槍的過程中打印上符合要求的商標圖案[7]，其中噴墨裝置是印刷系統的主要組成部分[8]。當設備停止運行時，噴墨裝置電磁閥得到信號，通過釋放壓縮空氣使得油墨罐出口端的橡膠密封墊動作關閉油墨出口，防止停機后油墨繼續供應。但在實際生產中發現，從橡膠密封墊關閉點到油墨噴嘴出口還有約10 cm油墨輸送段，油墨噴嘴處會存在油墨外溢成團的情況，再次啟動設備后，成團的油墨附著在油墨輥勻墨輥表面，傳至鋼印輥，使煙支鋼印印刷不清或產生色差，同時清潔外溢的油墨也會增大操作人員的勞動強度，降低設備生產效率。

1 現狀調查

2019年1月，湖北中煙工業有限責任公司三峽卷煙廠調查統計了生產車間1—4號ZJ17卷煙機生產在線印刷鋼印品牌和自帶鋼印品牌（非在線印刷鋼印）的卷煙紙、濾棒消耗情況，見表1。

表1 不同鋼印印刷方式物料消耗統計

Tab.1 Material consumption of different steel seal printing methods

從表1中可以看出，4個機臺生產在線印刷鋼印品牌的卷煙紙、濾棒消耗均高于自帶鋼印品牌，且在線印刷鋼印品牌消耗最低值大于自帶鋼印品牌的最高值，材料消耗高的主要原因是大量不合格產品報廢造成的，而降低材料消耗是企業增產節支的主要途徑[9]。為此，以設備生產效率最高的2號機臺作為調查對象，對2號機臺2月份的鋼印不合格廢煙數據進行分類統計，見圖1。

圖1 在線印刷鋼印品牌廢煙缺陷類型

從圖1中可以清晰的看出，生產在線印刷鋼印品牌煙支時，鋼印不清晰和鋼印色差的廢煙消耗分別為0.229 1 kg/箱和0.218 7 kg/箱，而鋼印位置不齊和鋼印殘缺的廢煙則相對較少，分別為0.047 8 kg/箱和0.009 9 kg/箱。

2 原因分析

通過統計數據發現鋼印不清晰和鋼印色差2個缺陷產生的廢煙占所有在線打鋼印品牌廢煙的88.58%，于是對其產生的具體原因進行了進一步分析。

2.1 印刷系統工藝流程

印刷系統的噴墨裝置將油墨罐中的油墨通過氣缸帶動推墨頂桿送至噴嘴處，在油墨輥與均墨輥的相互配合下，使油墨均勻涂抹在傳墨輥的表面上[10]，最后鋼印輥蘸取傳墨輥上的油墨將其印刷到卷煙紙上，其工藝流程見圖2。

圖2 印刷系統工藝流程

2.2 噴墨裝置結構及工作原理

噴墨裝置是用來給印刷系統供給油墨的，原裝置結構見圖3，油墨控制機構工作時，利用氣壓將密封蓋板1下的密封墊吹開，并將油墨罐2中的油墨送入油墨通道，油墨從噴墨口噴出；3為油墨推進機構，作用是將油墨罐中的油墨推出；4為噴嘴壓蓋，設置型腔和噴墨口；5為噴嘴；6為底座，設置油墨通道；7為手柄，當油墨罐中的油墨用完時，搖動手柄，將油墨推進機構3退回，取出油墨罐，更換油墨罐后繼續工作。設備停機時，密封墊封閉油墨罐出口，油墨罐中的油墨不再流出。

1.密封墊蓋板；2.油墨罐；3.油墨推進機構；4.噴嘴壓蓋；5.噴嘴；6.底座；7.手柄。

2.3 印刷不清或色差產生原因

原機噴墨裝置的油墨通道和型腔在噴墨口的上方，控制油墨噴出的密封機構在噴墨罐的出口。設備停機時油墨罐中的油墨不再流出，但殘留在油墨通道和噴嘴型腔中的油墨沒有封閉，在重力作用下仍會繼續流動，油墨在噴嘴處堆積形成油墨團[11]，附著在油墨輥和勻墨輥表面，污染其他組件。導致設備停機時油墨成團的主要原因有三個方面：首先是原噴墨裝置中實現截斷功能的橡膠墊不能保證停機時油墨100%被截斷；其次，停機后油墨的突然截斷會產生一定壓力，造成通道內油墨繼續流動；第三方面，因油墨本身具有流動性，噴墨裝置噴嘴處的油墨通道形狀設計不合理，設備停機后，殘留在油墨通道和噴嘴型腔中的油墨，在重力作用下也會繼續流出，從而污染傳墨組件和煙支。

3 優化方法

為了解決印刷不清或鋼印色差問題，從油墨截斷方式、多余油墨儲存、油墨噴嘴通道形狀以及電氣控制等方面入手，研發了一種防止油墨外溢成團的新型噴墨裝置。

3.1 油墨截斷方式的優化

如圖4所示，重新設計了油墨通道和型腔，將其置于噴墨口的下方。在油墨進入型腔前的油墨通道處增加氣缸3，利用密封瓷珠對油墨通道進行封閉與開放。設備正常工作時，噴墨裝置中的密封瓷珠5提起，保證設備正常工作時需要的油墨量；當設備停機時，氣缸3動作，推動密封瓷珠5向下運行，封閉油墨通道，使油墨通道中的油墨不再流入型腔。此控制閥利用氣缸配合密封瓷珠替代原噴墨裝置中密封墊去實現油墨關斷的方式，用于阻斷來自油墨罐4方向的油墨，可以有效避免密封墊因密封不嚴，油墨無法被及時截斷的現象。

1.油墨推進機構；2.負壓氣缸；3.密封氣缸；4.油墨罐；5.密封瓷珠；6.噴墨嘴。

3.2 多余油墨儲存的優化

如圖5所示，氣缸桿動作推動磁珠關斷油墨通道后，會有等體積的油墨量向噴嘴方向輸送，從而造成噴嘴與勻墨輥處的油墨量增加。為解決這一問題，在油墨通道末端設計了一個儲墨池（負壓腔），采用雙作用氣缸。設備停機時，氣缸桿帶動活塞向上運動[12]，將來自控制閥方向的油墨向負壓腔內儲存，避免油墨向噴嘴繼續輸送；再開機時，氣缸桿推動活塞緩慢下移，推動油墨緩慢回到油墨通道內，避免噴嘴處油墨量的瞬時增加。此項優化通過增加儲墨池有效解決了油墨突然被截斷后，繼續向后續通道流動的現象，將多余油墨進行了臨時保存，并在設備開機后重新緩慢供給。

圖5 儲墨池結構

3.3 控制氣路的優化

如圖6所示，在控制氣路上加裝了氣動調節閥。氣動調節閥就是以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執行器[13]。優化后的整個油墨控制系統采用2條氣路進行控制。控制閥處選用單作用氣缸，設備正常工作時，氣缸不動作；設備停機時，氣缸通氣，推動氣缸桿向下快速運動，瓷珠堵塞油墨通道，此處氣壓設置為30 kPa。負壓腔處采用雙作用氣缸，當設備停機時，雙作用氣缸下管路通氣，推動氣缸活塞向上運動，釋放來自控制閥方向的壓力，將前面等體積的油墨向負壓腔內抽離，此處氣壓設置為30 kPa；當設備再開機工作時，上管路通氣，推動活塞向下移動，此處氣壓設置為20 kPa，控制負壓腔內的油墨緩慢回到油墨通道內。整個控制氣路的壓力大小由調壓閥進行調節，PLC進行控制。通過對控制氣路的優化，既保證了設備正常運行時油墨的供應，又實現了噴墨了在設備啟停時的有效控制，噴墨裝置中油墨的控制起到了快速泄壓、緩慢回流的效果。

圖6 新型噴墨裝置控制氣路

3.4 油墨噴嘴通道形狀的優化

油墨為液體，而液體具有流動性[14]。油墨停止供給后，在沒有壓力的作用下，也會緩慢向前流動，造成油墨量增加。為解決這一問題，借鑒茶壺嘴設計原理，在不改變噴嘴通道出口位置的情況下，將原油墨噴嘴的平行式通道改進為階梯式通道，如圖7所示，出口底部改進為向上傾斜，通過對不同導向設置角度的模型進行計算[15]，經試驗論證，當角度設置為15°時，導向性能最優。通過對噴嘴通道形狀的優化，做到了既能保證設備正常運行時的油墨供給，又防止了設備停機時，噴嘴處因油墨流動而溢出的問題。

圖7 油墨噴嘴優化前后結構

4 應用效果

新型噴墨裝置設計改造完成后，設備運行穩定，出墨均勻，無異常狀況；在設備停機再啟動時，油墨噴嘴處無油墨外溢現象，卷煙紙著墨正常，不需要操作人員人為剔除啟動階段的煙支，廢煙量明顯減少，降低了生產消耗。噴墨裝置優化投入使用后，統計了2號機臺8、9月份在線印刷鋼印品牌不合格品廢煙，如表2所示。

表2 優化前后在線印刷鋼印廢煙統計

Tab.2 Statistics of discarded cigarettes printed with steel seal online before and after optimization

優化后的噴墨裝置，在生產在線印刷鋼印卷煙產品時，鋼印不清晰廢煙量從優化前的0.229 kg/箱降低到0.016 kg/箱，鋼印色差廢煙量從0.219 kg/箱降低到0.013 kg/箱，鋼印不清晰、鋼印色差質量缺陷的煙支得到有效控制，產品質量更加穩定。另外，新型噴墨裝置的應用，減少了操作人員在生產在線印刷鋼印卷煙產品時，停機清理保養調試印刷系統和處理不合格品的工作量，減輕了操作人員的勞動強度，勞動效率大幅提高。

5 結語

隨著消費者對卷煙產品質量要求的不斷提高，煙支外觀質量逐漸成為消費者關注的重點[16]。該項技術結合機械和電氣知識作為技術創新出發點，從油墨截斷方式、多余油墨儲存、油墨噴嘴通道形狀以及氣路控制等方面入手，研制出的一種防油墨外溢的新型噴墨裝置設計合理，電氣系統運行穩定，既能滿足正常生產時油墨的供應，又能有效控制設備重復啟停過程的油墨外溢現象，對于提高卷煙產品質量、降低材料消耗、減少人工勞動強度具有顯著效果，有效解決了行業內在線印刷鋼印卷煙產品在生產過程中存在的普遍問題，該新型噴墨裝置在ZJ17卷接機組上具有較好的適用性和推廣價值。

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Optimization of Inkjet Device for Steel Seal Printing System of ZJ17 Cigarette Machine

LIU Shi-ming, LI Xin, HUANG Kai-you, CAO Xiao-dong,YANG Mei, ZHU Jin-xiang, DU Fu

(Sanxia Tobacco Factory, China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Hubei Yichang 443100, China)

The work aims to solve the problem that the ink spills into a lump when the inkjet device was stopped and started again when ZJ17 cigarette machine was used to produce cigarette products with online steel steel printing, resulting in unclear steel seal printing or high scrap rate of steel seal printing color difference. A new inkjet device was developed from the aspects of ink blocking mode, excess ink storage, ink nozzle channel shape and gas path control. It not only ensured the supply of ink in normal production, but also realized the effective control of ink jet quantity when the equipment was repeatedly started and stopped, so that the discharged cigarette quantity of unclear steel seal was reduced from 0.229 kg/box before optimization to 0.016 kg/box, and the discharged cigarette quantity of steel seal chromatic aberration was reduced from 0.219 kg/box before optimization to 0.013 kg/box, effectively reducing the amount of discarded products. The device has significant effect on improving the quality of cigarette products, reducing material consumption and reducing labor intensity, and can effectively solve the widespread problems in the production of on-line printed steel seal cigarette products in the industry.

cigarette machine; ink supply; inkjet device; chromatic aberration; printing quality

TS43

A

1001-3563(2022)17-0000-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.030

2021–12–20

湖北中煙工業有限責任公司科技項目（2020JSZL4SX2C052）

劉世明（1977—），男，湖北中煙工業有限責任公司高級技師，主要研究方向為卷煙工藝裝備。

杜甫（1997—），男，湖北中煙工業有限責任公司助理工程師，主要研究方向卷煙工藝研究。

責任編輯：曾鈺嬋