ZJ116B型卷接機(jī)組濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的改進(jìn)

潘恒樂，鄧燦，李小平

常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長庚路999號 415000

ZJ116型卷接機(jī)組是第一代國產(chǎn)雙煙道高速卷接設(shè)備，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)目前已形成ZJ116A、ZJ116B等系列化產(chǎn)品，其中ZJ116B型卷接機(jī)組主要用于生產(chǎn)細(xì)支煙［1-3］。與常規(guī)卷煙生產(chǎn)相比，ZJ116B機(jī)組濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的切割輪上容易出現(xiàn)濾嘴缺失問題，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，影響生產(chǎn)效率。近年來，針對細(xì)支煙生產(chǎn)設(shè)備已有諸多研究，王震等［4］研制了一種煙絲結(jié)構(gòu)柔性調(diào)控設(shè)備，改善了細(xì)支煙煙絲結(jié)構(gòu)分布；厲德俊等［5］針對GD121A型卷接機(jī)組設(shè)計(jì)了一種壓絲塊，提高了細(xì)支煙產(chǎn)品合格率；湯治國［6］對ZJ114型卷接機(jī)組的風(fēng)室部件進(jìn)行改進(jìn)，解決了輸送至煙槍的煙絲束零亂、煙絲通道堵塞等問題；潘恒樂等［7-8］基于ZJ116B型機(jī)組研制了一種吹氣裝置和短型搓板，提高了設(shè)備有效作業(yè)率。但對于如何解決卷接機(jī)組切割輪缺失濾嘴的問題則鮮見報(bào)道。為此，基于ZJ116B機(jī)組對切割輪濾嘴缺失原因進(jìn)行分析，并對濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期減少濾嘴缺失數(shù)量，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

1 問題分析

1.1 工作原理

ZJ116B型卷接機(jī)組濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)主要由濾棒（4倍長濾嘴）貯存庫、濾棒料斗、切割輪、錯(cuò)位輪、并行輪和加速輪等組成，見圖1。其中，濾棒貯存庫（1）在濾嘴供應(yīng)與接收中斷時(shí)向?yàn)V棒料斗（2）連續(xù)供應(yīng)濾棒，再由濾棒料斗中的橫向輸送皮帶（8）將濾棒輸送至切割輪（3）承煙槽中；承煙槽內(nèi)設(shè)置有負(fù)壓風(fēng)孔，通過負(fù)壓作用將濾棒吸附在承煙槽上，使濾棒隨切割輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；切割輪正上方安裝有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的撥料輥（10），將未進(jìn)入承煙槽的濾棒擋住，確保一個(gè)承煙槽只容納一支濾棒；承煙槽中濾棒隨切割輪旋轉(zhuǎn)至切刀（9）位置時(shí)被切割成雙倍長濾嘴，再經(jīng)錯(cuò)位輪（4）錯(cuò)位、并行輪（5）排列、加速輪（6）加速后送入煙條供應(yīng)系統(tǒng)的匯合輪（7），與煙條結(jié)合后形成組煙。

圖1 濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of filter plug supply system

1.2 存在問題

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)切割輪上吸附有濾棒的承煙槽在經(jīng)過撥料輥前，容易出現(xiàn)兩支濾棒被同時(shí)吸附到承煙槽邊緣而無法下落至承煙槽等問題，兩支卡阻的濾棒隨切割輪轉(zhuǎn)動并被撥料輥全部撥走，由此造成切割輪上濾棒缺失，見圖2。當(dāng)B41M傳感器連續(xù)檢測到錯(cuò)位輪上出現(xiàn)12個(gè)空煙槽時(shí)，設(shè)備停機(jī)報(bào)警。調(diào)節(jié)切割輪承煙槽的負(fù)壓大小發(fā)現(xiàn)，濾棒缺失數(shù)量隨負(fù)壓的降低而減少，說明切割輪承煙槽的負(fù)壓過大是導(dǎo)致濾棒卡阻的主要原因。由圖3可見，濾嘴接裝機(jī)主風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓吸風(fēng)分6路輸出，對整個(gè)卷接機(jī)組的鼓輪負(fù)壓進(jìn)行分段控制，其中一路經(jīng)金屬軟管進(jìn)入濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)為切割輪、錯(cuò)位輪、并行輪以及加速輪的承煙槽提供負(fù)壓［9］。由于濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)各鼓輪的負(fù)壓吸風(fēng)入口位于設(shè)備內(nèi)部且位置緊湊，單獨(dú)調(diào)節(jié)切割輪負(fù)壓難以操作，若通過降低主風(fēng)機(jī)的負(fù)壓來降低切割輪承煙槽的負(fù)壓，則可能導(dǎo)致卷接機(jī)組其他鼓輪上出現(xiàn)煙支掉落、交接不穩(wěn)等問題。

圖2 濾棒卡阻示意圖Fig.2 Schematic diagram of filter plug jamming

圖3 濾嘴接裝機(jī)主風(fēng)機(jī)負(fù)壓吸風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)Fig.3 Negative pressure air supply system of main fan in filter assembler

2 改進(jìn)方法

為避免切割輪上出現(xiàn)濾棒卡阻問題而導(dǎo)致濾嘴缺失和設(shè)備停機(jī)，同時(shí)確保機(jī)組其他鼓輪運(yùn)行穩(wěn)定，改進(jìn)后在濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)壓管道上增加閥門機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)負(fù)壓值（圖4），并對切割輪承煙槽上負(fù)壓風(fēng)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)閥門機(jī)構(gòu)安裝位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of installation position of valve in filter plug supply system

2.1 閥門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥門機(jī)構(gòu)由閥板、安裝座、刻度法蘭、閥軸、手柄以及連接管等部分組成，見圖5a。兩個(gè)刻度法蘭（2、3）通過螺釘固定在安裝座（7）上；閥軸（4）一端與手柄（5）連接，另一端依次穿過刻度法蘭、安裝座、閥板（1）和刻度法蘭后通過螺釘（9）將其擰緊；閥板通過彈性銷（8）固定在閥軸上隨閥軸同步轉(zhuǎn)動；安裝座與連接管（6）連接，與機(jī)組的負(fù)壓系統(tǒng)接通。通過手柄帶動閥板轉(zhuǎn)動可以控制負(fù)壓管道的通風(fēng)截面（閥門開度），進(jìn)而調(diào)整濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)壓值。如圖5b所示，刻度法蘭0°～90°之間每隔15°對應(yīng)的閥門開度依次為0、1/6、1/3、1/2、2/3、5/6、1。

圖5 閥門機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of valve mechanism

2.2 閥門開度計(jì)算

2.2.1 濾嘴運(yùn)動分析

如圖6所示，切割輪在A點(diǎn)連通負(fù)壓將濾棒吸入承煙槽，濾棒被分切后在B點(diǎn)因負(fù)壓斷開而落入護(hù)軌并進(jìn)入錯(cuò)位輪；錯(cuò)位輪在C點(diǎn)將濾嘴吸入承煙槽，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動經(jīng)過D點(diǎn)后在E點(diǎn)斷開負(fù)壓并將濾嘴交接給并行輪；并行輪在M點(diǎn)將濾嘴吸入承煙槽，利用負(fù)壓吸風(fēng)將并行輪中心線兩側(cè)的濾嘴吸向鼓輪中間，使濾嘴排成一列后在N點(diǎn)傳遞給加速輪；加速輪在J點(diǎn)將濾嘴吸入承煙槽并帶動濾嘴逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，再在K點(diǎn)斷開負(fù)壓將濾嘴交接給煙條供應(yīng)系統(tǒng)的匯合輪。切割輪、錯(cuò)位輪、并行輪和加速輪的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。當(dāng)機(jī)組以額定生產(chǎn)速度10 000支/min運(yùn)行時(shí)，4個(gè)鼓輪的角速度分別為4.84、12.44、1.98、37.38 rad/s。

表1 切割輪、錯(cuò)位輪、并行輪和加速輪的固有參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Intrinsic and operating parameters of cutting,grading,shifting and accelerating drums

圖6 切割輪、錯(cuò)位輪、并行輪和加速輪上濾嘴運(yùn)動和受力分析Fig.6 Movement and load analyses of filter plugs on cutting，grading，shifting and accelerating drums

2.2.2 濾嘴受力分析

分析發(fā)現(xiàn)，濾嘴隨切割輪、錯(cuò)位輪和加速輪轉(zhuǎn)動時(shí)會因承煙槽負(fù)壓過小而掉落；隨并行輪轉(zhuǎn)動時(shí)雖有蓋板和擋板阻擋不會掉落，但會因負(fù)壓吸風(fēng)過小而橫移不到位，從而導(dǎo)致匯合輪上的組煙不完整［10］。因此，濾嘴在切割輪、錯(cuò)位輪和加速輪上的受力情況相似。由圖6可知濾嘴在B點(diǎn)、D點(diǎn)和K點(diǎn)最容易掉落，對這3點(diǎn)進(jìn)行受力分析可得：

式中：F1、F2、F3分別為避免濾嘴在切割輪、錯(cuò)位輪和加速輪上掉落的最小吸力，N；Fn1、Fn2、Fn3分別為濾嘴在切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪上受到的向心力，N；G1、G2、G3分別為切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪上一個(gè)承煙槽內(nèi)濾嘴受到的重力，N；m為單倍長濾嘴質(zhì)量，取0.1 g；ω1、ω2、ω3分別為切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪的角速度，rad/s；R1、R2、R3分別為切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪的半徑，mm；g為重力加速度，取9.8 m/s2；θ1、θ3分別為B點(diǎn)和K點(diǎn)與垂直方向的夾角，（°）。

已知θ1=30°、θ3=27°，計(jì)算可得F1≈0.004 4 N、F2≈0.004 46 N、F3≈0.025 2 N。根據(jù)負(fù)壓計(jì)算公式可得：

式中：P1、P2、P3分別為切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪在運(yùn)行過程中所需的最小負(fù)壓，Pa；S1、S2、S3分別為濾嘴切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪上一個(gè)承煙槽的負(fù)壓風(fēng)孔面積，m2；r1、r2、r3分別為濾嘴切割輪、錯(cuò)位輪、加速輪上負(fù)壓風(fēng)孔的半徑，mm。

計(jì) 算 可 得P1=114.33 Pa、P2=177.46 Pa、P3=501.34 Pa，即加速輪所需負(fù)壓大于切割輪和錯(cuò)位輪。濾嘴在并行輪上因受力復(fù)雜而難以計(jì)算所需最小負(fù)壓，通過調(diào)節(jié)閥門開度檢測錯(cuò)位輪上濾嘴缺失數(shù)量和匯合輪上不完整組煙數(shù)量（表2），發(fā)現(xiàn)閥門開度≤2/3時(shí)，濾嘴在并行輪上無法橫移到位進(jìn)而導(dǎo)致匯合輪上出現(xiàn)不完整組煙。因此，閥門開度應(yīng)＞2/3。

2.3 切割輪負(fù)壓風(fēng)孔尺寸優(yōu)化

由表2可知，閥門開度為5/6時(shí)，匯合輪上未出現(xiàn)不完整組煙，但濾嘴缺失數(shù)量較多。經(jīng)檢測，閥門開度為5/6時(shí)加速輪負(fù)壓值為9 500 Pa，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算要求的負(fù)壓值501.34 Pa，說明濾嘴缺失是由于切割輪上出現(xiàn)濾棒卡阻而非濾嘴從鼓輪上掉落所致。因此，需要縮小切割輪負(fù)壓風(fēng)孔直徑以減小承煙槽負(fù)壓，避免發(fā)生濾棒卡阻現(xiàn)象。考察不同切割輪負(fù)壓風(fēng)孔半徑（1.50、1.25和1.00 mm）和閥門開度（1和5/6）下機(jī)組運(yùn)行情況，結(jié)果見表3。可見，切割輪負(fù)壓風(fēng)孔半徑為1.25 mm、閥門開度為5/6時(shí)，濾嘴缺失數(shù)量為7支/班次，不完整組煙數(shù)量僅有1組/班次，停機(jī)次數(shù)為0，該測試結(jié)果優(yōu)于其他組合。

表2 不同閥門開度下濾嘴缺失及不完整組煙數(shù)量①Tab.2 Numbers of missing filter plugs and incomplete cigarette groups at different valve openings

表3 不同閥門開度和切割輪負(fù)壓風(fēng)孔半徑下卷接機(jī)組運(yùn)行情況①Tab.3 Operating status of filter cigarette maker at different valve openings and vacuum hole radiuses of cutting drum

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“南京（煊赫門）”細(xì)支煙（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠提供）。

設(shè)備：ZJ116B型卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：ZJ116B型卷接機(jī)組的運(yùn)行速度設(shè)置為10 000支/min，濾嘴接裝機(jī)主風(fēng)機(jī)的負(fù)壓設(shè)置為-12 000 Pa，統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后ZJ116B機(jī)組3個(gè)班次（每個(gè)班次運(yùn)行7 h）的濾嘴缺失數(shù)量、不完整組煙數(shù)量以及停機(jī)次數(shù)（濾嘴連續(xù)缺失12支造成的設(shè)備停機(jī)），取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表4可見，改進(jìn)后濾嘴缺失數(shù)量由402支/班次減少至9.67支/班次，降幅97.59%，且未出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)現(xiàn)象；由于調(diào)節(jié)閥門后，濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)壓值降低導(dǎo)致并行輪上的負(fù)壓吸風(fēng)減弱，不完整組煙數(shù)量由0增加至0.33組/班次，但因數(shù)量極少可忽略對設(shè)備的影響。不完整組煙和設(shè)備啟停階段的煙支會被全部剔除，因此濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的改進(jìn)有效提高了機(jī)組運(yùn)行效率并減少了原輔材料的浪費(fèi)。

表4 濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)改進(jìn)前后機(jī)組測試數(shù)據(jù)①Tab.4 Test data of filter plug supply system before and after modification

4 結(jié)論

通過在ZJ116B型卷接機(jī)組濾嘴供應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)壓管道上安裝閥門機(jī)構(gòu)（閥門開度設(shè)為5/6），同時(shí)將濾嘴切割輪負(fù)壓風(fēng)孔半徑縮小至1.25 mm，有效解決了切割輪上濾棒卡阻問題，大幅減少了濾嘴缺失數(shù)量。以淮陰卷煙廠生產(chǎn)的“南京（煊赫門）”細(xì)支煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后ZJ116B機(jī)組切割輪上濾嘴缺失數(shù)量由402支/班次減少至9.67支/班次且未出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)現(xiàn)象，有效提高了卷接質(zhì)量以及設(shè)備運(yùn)行效率。該技術(shù)可在其他細(xì)支煙卷接機(jī)組上推廣應(yīng)用。