利用交棒原理解決復合濾棒成型機組中的疊棒問題

金風凱

中煙機械技術中心有限責任公司，上海市浦東新區金海路1000號10號樓 201206

近年來，國內卷煙（材料）生產企業先后進口了一批國際領先水平的復合濾棒成型機組[1-2]，如德國HAUNI公司的MULFI-E型500 m/min復合濾棒成型機組[3]和MERLIN型600 m/min復合濾棒成型機組[3]等，國內也先后自行設計了YL43型200 m/min[4]和ZL41型400 m/min復合濾棒成型機組[5]。該類設備的主要工藝流程之一是由交接裝置將兩種或幾種不同材質的濾棒組傳遞到煙槍布帶上進行卷制成條。在復合濾棒成型過程中使用布帶驅動濾棒條，經濟實用，但濾棒組在布帶上會出現打滑現象[6]，由此造成濾棒組運動速度不穩定，容易出現疊棒問題。而國內關于交接（輪）裝置向煙槍布帶傳遞濾棒組的研究較少，國外研究資料也尚未公開，因此在設計過程中缺乏理論依據。為此，在交接輪設計過程中，通過分析交棒原理，計算調整結構數據，實現合理的速度匹配，以解決疊棒問題的產生，保證國產設備高速穩定運行。

1 存在問題

進口500 m/min和 600 m/min、YL43、ZL41復合濾棒成型機組中，基礎濾棒分切組合后向成型煙槍傳遞過程中都需要有交接裝置。根據結構原理可將交接裝置分為兩種，一種是用于YL43型復合濾棒成型機組的定位輸送鏈和撥動輸送輪裝置，另一種是用于其他幾種機型的交接輪裝置[7-8]。其中，用于YL43型的輸送鏈和輸送輪裝置屬于早期設計的輸送結構，技術含量較低，僅適合于低速傳送物料，不在本研究內容范圍。交接輪裝置采用負壓傳送交接方式，處理濾棒更加柔和，適合于高速傳送，交接輪交棒原理見圖1。但是由于濾棒在煙槍布帶上容易打滑，會出現后續濾棒的前端壓在前面濾棒末端之上的現象，即疊棒(或疊壓)現象。當出現疊棒現象時，會使連續若干支成品復合濾棒變成廢品，嚴重時會造成通道堵塞、設備跑條[9]等故障而停機，產生更大浪費。研究分析發現，進口改制的500 m/min型和國產ZL41機型，在部分規格的復合濾棒生產中不同程度的存在疊棒現象，有的是由于基礎濾棒有缺陷或分切偏差造成的，屬于偶然問題，對癥處理即可解決；有的則是由于交接速度不當造成的，是本文分析解決的主要技術問題。

圖1 交接輪交棒原理示意圖

2 交棒原理分析

在濾棒成型部件中，表面平整的布帶包裹著濾棒穿過煙槍通道，驅動濾棒條并使之成型。柔性的布帶依靠摩擦力驅動濾棒包封紙和濾棒條前進，在拉伸力、壓縮力和摩擦力的綜合作用下，布帶和物料不可避免地會出現拖延或打滑現象。特別是復合濾棒成型時，當兩元或多元濾棒段交替排列時，物料呈現不連續狀態，打滑會造成濾棒段之間出現縫隙[10]，縫隙過大則引起疊棒現象。因此，在交棒與成型兩個重要環節中，除了盡可能增大布帶表面的摩擦力、減小煙槍通道表面的摩擦力外，必須對交接輪裝置進行改進，才能達到既減少打滑又消除疊棒現象的目的。

2.1 定性分析

在ZL41型復合濾棒成型機組的研發過程中，為了消除濾棒段之間的縫隙，在交接輪設計時提出了超速的概念。由圖1可見，交接輪吸爪向煙槍交付濾棒組時的水平速度應大于煙槍布帶的速度[11]，其速度差值即超速量△與煙槍布帶速度的比值稱為超速率，用符號t表示：

式中：V交=2πr n交；n交——交接輪的轉速(r/min)；r——吸爪的旋轉半徑(mm)，為吸爪自轉中心到公轉中心之間的距離；V布——布帶速度(m/min)，即設備的額定生產速度。

濾嘴棒定量傳遞原理可表示為：

式中：K——交接輪上的吸爪個數；L——復合結構[10]長度的 2倍(mm)。

式（2）表明，單位時間交接輪傳遞到煙槍的濾棒組長度之和等于布帶單位時間沿直線走過的距離。用符號α表示吸爪等分角，因吸爪等分圓周，α=360°/K；L即為每個吸爪傳遞的二元濾棒組的長度。將公式V交=2πr n交和式（2）代入式(1)整理得到，超速率 t=2πr/(K×L)-1。根據超速起始角度的概念，在交接輪轉動過程中，每個吸爪向煙槍交付濾棒組之前，其水平分速度等于布帶速度時的偏角，簡稱超速角，用符號β表示，推導得出：

同時，可得超速角與超速率之間的關系式：

等分角α與超速角β之差占等分角α的比值稱為角差率，用符號 w 表示，w=(α-β)/α。在圖 1中，吸爪自轉中心01繞公轉中心O順時針旋轉，01轉至A點時吸爪從另一鼓輪接收濾棒，轉至B點時吸爪向煙槍放置濾棒即交棒；02為與B點交棒吸爪相鄰且吸附著濾棒的吸爪中心，故α為等分角；當02轉至C點時其水平分速度等于煙槍布帶速度，由此開始超速，至B點時達到最大，故β為超速角。交接輪連續地從鼓輪接收濾棒，然后連續向成型煙槍交付濾棒。

超速過程中超速率和超速角的大小會受到多個因素的影響，如復合結構、交接輪吸爪數、吸爪的旋轉半徑和布帶速度等，同時也會影響復合濾棒的產品品質。理論上，為了消除濾棒段之間的縫隙，超速量△（或超速率t）應當取大值，超速角β（或角差率w）應當取小值；相反，為了避免對濾棒造成較大撞擊和出現疊棒現象，超速率取小值、角差率取大值則較合理。因此，超速率t和角差率w均應有適當的取值范圍。為了延長交接輪零件壽命并使其運轉平穩，其轉速應盡可能低。根據式(2)得知，當濾棒復合結構確定，即L確定后，吸爪數K越多則交接輪轉速越低。吸爪數K與吸爪的旋轉半徑r成正相關關系，即吸爪的旋轉半徑r越大，則吸爪數K越多。半徑r是以相關部件結構尺寸為參考的設定值，設計中可取符合比例的數值。初定K值時的計算原則為連續交棒，即K=2πr/L。為避免發生干涉或疊棒現象，K值應在試算后取較小的整數，然后重新計算并校核，選取較為可靠與合理的數據組合。

2.2 定量分析

基于上述理論和定性分析，通過研究進口500 m/min和600 m/min型復合濾棒成型機組，針對自行設計的ZL41型400 m/min復合濾棒成型機組，計算其超速率t和角差率w，找到符合規律的量化數據。

(1)進口500 m/min型復合濾棒成型機組。該套設備已使用多年，性能良好，正常狀態下沒有出現過疊棒現象。已知復合結構為（12+12）mm，L=48 mm，V布=500 m/min，測得r=113 mm，K=14，根據上述分析和式(2)得：

(2)進口600 m/min型復合濾棒成型機組。該套設備技術先進，是目前運行速度最高的復合濾棒成型機組，其交接輪裝置運行良好，很少出現疊棒現象。已知復合結構為（14+10）mm，L=48 mm，V布=600 m/min，測得r=150 mm，K=19。計算結果如下：n交=657.895 r/min，V交=620.051 m/min，超 速 量△=20.051 m/min，α =18.947°，β =14.611°，t=0.033，w=0.229。

另外還計算核對了復合結構（15+10）mm的500型和復合結構（15+15）mm的600型復合濾棒成型機組的相關數據。綜合來說，能夠穩定運行的交接輪，其設計結構均滿足以下規則：超速率t＜0.1，角差率w＞0.1。

(3)ZL41型400 m/min復合濾棒成型機組。復合結構為（14+10）mm，L=48 mm，同樣按上述進口機型運用的公式并參照有關數據進行計算，驗證上述規則。

第一種數據組合：取r=115 mm，初始計算K=2πr/L=15.053。按較大超速量△=30 m/min(超速率t=0.075)試算，則：

由V交=2πr n交，得：

代入式(2)：

取整K=14（比初始計算K值小的整數），再由V布=400 m/min，r=115 mm，K=14，等分角α =360 °/14=25.714°，重新計算對應的超速率與角差率：

根據該數據組合設計的ZL41型400 m/min復合濾棒成型機組交接輪裝置的超速交棒見圖2，該組數據符合由上述分析計算獲得的規則。

圖2 ZL41型復合濾棒成型機組復合結構(14+10)mm超速交棒示意圖

第二種數據組合：取r=113 mm，初始計算K=2πr/L=14.792。按超速量△=25 m/min（超速率t=0.0625）試算，則：

取整K=14（比初始計算K值小的整數），重新計算各值，n交=595.238 r/min，V交=422.619 m/min，β =18.83°，t=0.057，w=0.268。

當 K=14（n交=595.238 r/min保持不變）時，還計算了r=114 mm和r=112 mm對應的數據組合，均符合經驗規則。數據分別為：

取 r=114 mm，計算得 V交=426.359 m/min，β=20.252°，t=0.066，w=0.212。

取 r=112 mm，計算得 V交=418.879 m/min，β=17.267°，t=0.047，w=0.328。

以上3組數據作為備選，是否比第一種數據組合更加合理還有待實踐檢驗。

綜合以上所有計算結果，驗證了經驗規則并獲得優先取值范圍為：超速率0.03＜t＜0.08，角差率0.15＜w＜0.35。

3 解決疊棒問題

（1）引進改制的500 m/min型復合濾棒成型機組[復合結構（10+10）mm]，生產運行中經常出現疊棒現象。首先判斷并非偶然因素而引起，于是按上述交接原理和獲得的經驗規則要求分析其產生原因。設備數據為V布=500 m/min，r=115 mm，L=40 mm，K=17，計算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=531.299 m/min，β=19.765°，t=0.063，w=0.067。

對照經驗規則可知，超速率t=0.063＜0.1，符合要求，能夠確保消除濾棒段之間的縫隙。而角差率w=0.067偏小，不符合w＞0.1的規則要求，是造成疊棒現象的根本原因。為解決疊棒問題，應當增大角差率，將設備數據中吸爪的旋轉半徑改為r=114 mm，縮小超速率t值，增大角差率w值。

取r=114 mm，其他數據不變，計算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=526.679 m/min，β =18.315°，t=0.053，w=0.135。設備采用改進數據，即將r=115 mm改為r=114 mm后，超速率t值和角差率w值均符合經驗規則要求，基本消除了疊棒現象。

經過分析計算，如果將r=115 mm改為r=113 mm，計算得超速率t=0.044，角差率w=0.211，也符合經驗規則要求，并且在優先取值范圍內，效果應當更好，可以應用于以后的設計改進中。

（2）ZL41型400 m/min復合濾棒成型機組[復合結構（14+10）mm]中，為消除濾棒段之間縫隙，最初設計中取交接輪旋轉半徑r=116 mm，實物調試中經常出現疊棒現象。利用上述方法計算并對照規則，得知超速率t=0.085偏大，角差率w=0.114偏小，確定是造成疊棒問題的根本原因。初步改進設計中采用了2.2定量分析中的第一種數據組合，即超速率t=0.075，角差率w=0.161。由于符合經驗規則，目前設備的交棒環節及濾棒成型過程運行良好，沒有產生疊棒問題，成品復合濾棒中濾棒段之間的縫隙很小，完全滿足復合濾棒品質的標準要求[10]。

4 結語

通過分析計算和實踐檢驗表明，在復合濾棒生產交接過程中，復合濾棒成型機組交接輪裝置滿足設備功能需要的經驗規則是：超速率t＜0.1（優選0.03～0.08），角差率w＞0.1（優選0.15～0.35）。該規則能夠用于指導同一類型的結構設計，確保物料交接過程穩定準確并可最大限度地解決疊棒問題。

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