葉絲結構均勻性在線調控系統的設計

范 磊，李少平，郭 越，吳俊萍，高麗君，宋 剛，張龍云，楊龍飛，劉 陽，王紅霞

1. 河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南省許昌市城鄉一體化示范區明禮街1 號 461000

2. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街10 號 450000

在卷煙加工過程中葉絲結構是一項重要指標，與卷煙卷制質量及煙絲消耗密切相關[1-2]。葉絲結構反映的是葉絲長度特征及不同長度葉絲的比例，其中葉絲長度＞3.35 mm 為長絲，葉絲長度在2.50～3.35 mm 之間為中絲，葉絲長度＜1.00 mm 為碎絲，且要求整絲率（2.50 mm 以上葉絲所占比例）≥80.0%，碎絲率（1.00 mm 以下葉絲所占比例）≤2.0%[3-4]。但在實際生產中存在長絲分布不均勻等問題，最大葉絲長度達到100 mm 以上，這些過長葉絲在加工過程中容易交織結團，對卷煙卷制質量的穩定性影響較大，但降低葉絲長度會增大葉絲碎絲率和原料消耗。研究表明，卷煙質量的波動主要來自于葉絲結構差異[5]，與葉絲結構均勻性關系密切[6-7]。其中，堵勁松等[8]采用灰色關聯方法研究了煙絲結構分布與卷煙物理指標的相關關系，結果發現為獲得較為理想的卷煙物理指標及其穩定性，葉絲結構分布的最佳長度為2.00～4.75 mm，且應盡量減少小于1.40 mm 的葉絲比例。趙亮等[9]采用煙絲結構分布方程研究了溫度對成品煙絲造碎率及煙絲結構分布均勻性的影響，結果發現煙絲造碎率和煙絲結構均勻性都隨溫度的升高而降低，溫度越高，造碎煙絲尺寸分布越不均勻。申曉鋒等[10]通過對不同結構煙絲進行篩分和統計分析，建立了能夠準確描述煙絲及其在加工過程中結構分布規律的表征方法。綜上可知，通過調整葉絲結構可以有效提高卷煙卷制質量的穩定性，但上述研究主要為理論分析，關于生產中如何實現葉絲結構優化的研究則較少。TRIZ 分割原理是將同一對象相互矛盾的需求分開，從而使矛盾雙方都得到滿足的一種理論方法，例如空間分離、時間分離、條件分離、整體和部分分離等，在工程技術、航空、交通等領域被廣泛應用[11-12]。為此，基于TRIZ 分割原理設計了一種葉絲結構均勻性在線調控系統，先將長絲與短絲有效分離，再對長絲進行單獨處理，將長絲轉變成中短絲，以期實現葉絲結構均勻性的精準控制，提高卷煙質量穩定性。

1 系統設計

葉絲結構均勻性在線調控系統主要由滾筒式分選裝置、剪切式處理裝置、倉儲喂料機及輔聯輸送裝置組成，其工藝流程包括切絲、葉絲松散篩分、長絲分切、葉絲混勻、烘絲等部分，見圖1。物料經切絲機切割為寬度符合要求的葉絲后，由振動輸送機輸送到雙向皮帶。當雙向皮帶順時針轉動時，葉絲按設定的生產流程輸送到倉儲喂料機，再進入烘絲機進行干燥處理。當雙向皮帶逆時針轉動時，葉絲由振動輸送機送入滾筒式分選裝置，隨著滾筒的轉動，長度大于5 mm 的長葉絲（可根據工藝需求確定篩分尺寸）由出料端輸出，經振動輸送機送入剪切式處理裝置進行處理；篩分出的短絲由設備下端輸出，與經剪切式處理裝置處理后的葉絲匯入同一輸送皮帶，送往倉儲喂料機，再進入烘絲機進行干燥處理。

1.1 滾筒式分選裝置

圖1 葉絲結構均勻性調控工藝流程圖Fig.1 Technological flow chart of size uniformity control of cut strips

常用的振動式分選裝置容易堵料、不易清理且篩分效率低，而滾筒式分選裝置篩分效率高，網孔不易堵塞，對葉絲還具有松散作用，適用于含水率較高的葉絲分選。滾筒式分選裝置主要包括篩分滾筒、傳動托輥、清理排刷和出料口等部分，見圖2。其中，篩分滾筒由筒體輥道、導料板、勻料耙釘和筒壁組成，固定在傳動托輥上。傳動托輥由減速機驅動，帶動筒體轉動，滾筒轉速為變頻調速；筒體安裝位置與水平方向成3°夾角，便于葉絲進料和出料；筒壁為鋼絲編織網板，網孔尺寸4.75 mm；勻料耙釘的間距與耙釘長度可根據實際需要確定；清理排刷用于清理筒壁上粘附的葉絲。

生產時物料經過進料振槽、導料板均勻地進入篩分滾筒內，在勻料耙釘的作用下隨筒體轉動。其中，短絲和碎絲通過筒壁網孔從短絲出料口落下，長絲在滾筒的旋轉作用下繼續前行，從長絲出料口落下，少量堵塞筒壁網孔的葉絲在清理排刷的作用下散落入筒體內。

圖2 滾筒式分選裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of separating cylinder

1.2 剪切式處理裝置

圖3 剪切式處理裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of clipping device

剪切式處理裝置主要由進料振動輸送機、擋料板、彈絲輥、導流板、篦子、刀輥和固定支架等組成，分為葉絲松散、葉絲除雜、葉絲均勻性調控3個處理單元，可根據需要安裝于切絲后、烘絲后、加香前或加香后等位置，見圖3。該裝置采用剪切式長絲分切工藝，機械設備與葉絲接觸面積小，可減少機械加工對葉絲產生的造碎。生產中葉絲由進料振動輸送機按照設定流量送入剪切式處理裝置，在擋料板的作用下，葉絲由彈絲輥上方落下，彈絲輥可將葉絲中的結團葉絲充分松散，并對過長葉絲進行預處理，使過長葉絲在彈絲輥金屬絲的彈撥下轉變為中長葉絲。松散后葉絲下落到導流板上，經除雜后沿導流板下落到低速刀輥和高速刀輥上方，符合要求的短絲由兩刀輥間隙落下，長絲在高速刀輥、低速刀輥和篦子的共同作用下，根據工藝要求被剪切為中短絲由兩刀輥間隙落下，與短絲混合后由皮帶輸送至下一工序。

1.2.1 葉絲松散單元

葉絲松散單元由擋料板和彈絲輥組成，擋料板位于彈絲輥上方，主要使進料振動輸送機輸送的葉絲落入彈絲輥上方。彈絲輥由兩排韌性和強度較高的細金屬絲以及兩塊固定板和彈絲輥軸組成（圖4），其主要作用是對結團葉絲進行松散，并對過長葉絲進行預處理。彈絲輥由獨立電機控制，轉速可調。金屬絲端部設計為凸臺結構，分別穿過固定板上設置的一排打孔，再通過固定板上3個均勻分布的螺栓固定于彈絲輥軸上。金屬絲直徑1.5 mm，固定板打孔直徑2 mm，更換金屬絲時只需松開3 個螺栓便可將整排金屬絲拆下，操作方便，提高了維修和保養效率。

圖4 彈絲輥結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of picker roller

1.2.2 葉絲除雜單元

葉絲除雜單元主要由導流板組成，導流板以一定傾斜角度固定在機殼上，并安裝有強吸力磁鐵。除雜單元的作用是將松散后的葉絲送入葉絲均勻性調控單元中兩刀輥的正上方，同時防止金屬雜物混入葉絲。

1.2.3 葉絲均勻性調控單元

葉絲均勻性調控單元由高速刀輥、低速刀輥、篦子組成。高速刀輥和低速刀輥都為均布一定數量刀片的圓柱狀針輥，由星形刀片通過擋套間隔串聯在刀輥軸上，兩組刀輥的刀片交錯排列、反向轉動，刀輥位置、兩輥間距可通過調節裝置進行調節，刀片數量和刀片間隙可通過調整擋套大小進行調節，見圖5。刀片采用耐磨性較好的鋒鋼材料，刀片表面覆蓋有耐磨粒磨損涂層，以延長刀片使用壽命。兩組刀輥分別由獨立電機驅動，轉速可調，低速刀輥的作用是輸送煙絲以及提供剪切葉絲時的附著力，高速刀輥的作用是利用兩輥間存在的速度差與低速刀輥共同形成剪切力對過長葉絲進行剪切，調整葉絲長度。為避免大流量生產時出現堵料現象，刀片設計為星形；為防止未處理的過長葉絲直接從兩刀輥外側落下，在兩刀輥兩側分別安裝篦子，通過螺栓固定在葉絲除雜單元的導流板上。

圖5 刀輥結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of structure of knife roller

篦子由篦子軸和篦齒組成，見圖6。篦子軸為中空的方管，方管四面均有孔，每面的孔間距不一樣，分別與高速刀輥、低速刀輥的刀片間隙相對應（即與刀輥擋套尺寸一致）。篦齒為圓形鋼管，直徑4 mm，通過螺紋固定在篦子軸上；篦齒可快速拆下，并更換到篦子軸方管其他3 個面上，4 個面分別對應3、5、10、15 mm 這4 種刀片間隙。當刀片間隙發生改變時，將篦齒調換到相應安裝面上，使篦齒與刀輥刀片交叉排列且不發生干涉，進而提高葉絲長度均勻性調控效果。

圖6 篦子結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of structure of grate

2 設備參數優化

2.1 材料與儀器

材料：“黃金葉（硬帝豪）”牌卷煙切后葉絲和烘后葉絲（河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠提供）。

設備和儀器：葉絲結構均勻性調控裝置（徐州眾凱機電設備制造有限公司）；多層可拆卸檢測振篩（徐州鐵建機械制造有限公司，篩網規格分別為10、5、4、2 mm）；電子天平[精度0.01 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]；電子臺秤[精度10 g，梅特勒-托利多（常州）測量技術有限公司]。

2.2 試驗內容和方法

2.2.1 滾筒篩分效率

改變滾筒式分選裝置的電機頻率，測試其對滾筒篩分效率的影響，確定滾筒轉速。試驗方法：①取出一定數量切后葉絲，稱重記為M；另取樣3份，通過多層可拆卸檢測振篩（篩網規格5 mm）檢測葉絲結構，計算出≤5 mm 葉絲所占比例，取平均值，記為A。②設置滾筒電機頻率為20 Hz（轉速為600 r/min），將切后葉絲樣品人工投料，在滾筒短絲出料口處取樣，稱重記為m。③在長絲出料口、短絲出料口分別取樣3 份，采用多層可拆卸檢測振篩進行篩分，計算不同尺寸范圍葉絲所占比例，取平均值，用于驗證篩分效果。④依次調整滾筒電機頻率為25、30、35、40 Hz，重復以上步驟。

滾筒篩分效率計算公式為：

式中：η—篩分效率，%；m—篩出的短絲質量，kg；M—樣品總質量，kg；A—短絲理論比例，%。

2.2.2 葉絲結構調控效果

調整剪切式處理裝置彈絲輥及高、低速刀輥轉速，分析葉絲結構的變化情況，確定最佳參數組合。試驗方法：①取一定數量切后葉絲，共取樣3份，通過多層可拆卸檢測振篩（篩網規格5 mm）檢測葉絲結構，計算各種葉絲結構所占比例，取平均值。②依據表1 分別設置設備參數，選取滾筒電機轉速600 r/min，篩網規格5 mm，刀片間隙3 mm進行試驗。③在剪切式處理裝置出料口取樣3份，采用多層可拆卸檢測振篩檢測葉絲結構，取平均值。④取一定數量烘后葉絲，重復以上步驟進行驗證試驗。

表1 葉絲結構調控試驗參數組合Tab.1 Parameters of size uniformity control experiments for cut strips

2.3 結果與分析

2.3.1 滾筒篩分效率

由表2 可見，隨著滾筒電機轉速減小，篩分效率呈遞增趨勢，在滾筒電機轉速為600 r/min（滾筒實際轉速為13.5 r/min）時篩分效率最佳，達到74.24%，即切后葉絲中74.24%的5 mm 以下葉絲被篩出。現場觀察發現，經過多次試驗后未發現有粘網現象。

由表3 可見，長絲出口處，隨著滾筒轉速減小，篩出長絲中5 mm 以上葉絲所占比例呈遞增趨勢。短絲出口處，篩出短絲中大于10 mm 以上葉絲比例不高于0.05%；在5 種不同滾筒電機轉速條件下，篩出短絲中5 mm 以下葉絲比例大多在95%～98%之間，篩分效果較好。

2.3.2 葉絲結構調控效果

由表4 可見，低速、高速刀輥間存在速度差時長絲處理效果好于無速度差，彈絲輥轉速1 500 r/min 時的長絲處理效果好于彈絲輥轉速60 r/min。故彈絲輥、刀輥共同作用且兩刀輥間存在速度差時處理效果較好，即處理2 效果最佳，處理后大于10 mm 超長絲比例由33.16%減少至3.66%，2～4 mm 的葉絲比例由24.28%增加至39.63%，小于1 mm 碎絲比例僅增加0.36%，且星形刀片未發生堵料和粘附現象。

表2 滾筒篩分效率統計Tab.2 Statistics of separating efficiency of cylinder

表3 滾筒篩分后葉絲結構分布Tab.3 Proportions of cut strips of different sizes after cylinder separation

表4 切后葉絲處理結果Tab.4 Proportions of cut strips of different sizes after clipping

由表5 可見，烘后葉絲由于含水率減少，長絲處理效果更好。其中，處理2 中10 mm 以上超長葉絲比例由32.87%減少至0.63%，但碎絲率增加3.15%；處理3 和4 雖然造碎不大，但大于5 mm 以上葉絲處理效果欠佳，葉絲結構均勻性不理想；烘后與切后葉絲結構趨勢一致，驗證了上述試驗結果。

綜上可見，葉絲結構均勻性調控裝置置于切絲工序后較合適，相比較烘后葉絲，切后葉絲含水率高，耐加工性強，處理過程中不會對葉絲產生較大造碎。最佳設備參數組合為：滾筒電機轉速600 r/min，刀片間隙3 mm，彈絲輥轉速1 500 r/min，低速刀輥和高速刀輥轉速分別為720 r/min 和2 880 r/min，處理后基本消除了長葉絲，且未增加過多造碎。

表5 烘后葉絲處理結果Tab.5 Proportions of cut strips of different sizes after drying

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“黃金葉（硬帝豪）”牌卷煙葉絲（河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠提供）

設備：TOBSPIN 切絲機（德國HUNNI 公司）；葉絲結構均勻性調控裝置（徐州眾凱機電設備制造有限公司）；SJ236B 型加香機（昆明船舶設備集團有限公司）；多層可拆卸檢測振篩（徐州鐵建機械制造有限公司，篩網規格分別為10、5、4、2 mm）；煙絲振動分選篩（鄭州嘉德機電科技有限公司，篩網規格分別為3.35、2.50、1.00 mm）；電子天平[精度0.01 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]；電子臺秤[精度10 g，梅特勒-托利多（常州）測量技術有限公司]；QTM8 型綜合測試臺（英國斯茹林公司）。

方法：按照最佳設備參數進行設置，連續生產30 批次，每批次在烘絲后取樣1 次，分別采用多層可拆卸檢測振篩、煙絲振動分選篩根據YC/T 178—2003[13]的要求檢測葉絲結構，與調控前烘后葉絲檢測數據對比；每批次在卷包過程中取樣4次，每次100 支，根據GB/T 22838—2009[14]的要求檢測煙支物理指標，取平均值，并與同牌號調控前生產的30批次葉絲卷制的煙支物理指標對比分析。

3.2 數據分析

由表6 可見，葉絲結構調控后10 mm 以上超長葉絲處理結果較理想，由32.87%降低至0.48%；2～4 mm 葉絲比例達到62.60%，葉絲結構趨于均勻。由表7 可見，葉絲整絲率為82.76%，碎絲率1.12%，符合工藝生產要求。由表8 可見，葉絲結構調控后煙支質量標偏為0.019 g，優于調控前平均值0.022 g；吸阻標偏為44.7 Pa，優于調控前平均值50.2 Pa；煙支含末率為1.39%，與調控前平均值1.47%基本相符。

表6 多層可拆卸檢測振篩檢測葉絲尺寸結果Tab.6 Size of cut strips tested by multi-layer removable vibrating sieve （%）

表7 煙絲振動分選篩檢測葉絲結構結果Tab.7 Proportion of cut strips of different size tested by vibrating sieve （%）

表8 葉絲結構調控前后煙支物理指標數據對比Tab.8 Comparison of cigarette physical indexes before and after cut strip size uniformity controlling

4 結論

基于TRIZ 分割原理設計了葉絲結構均勻性在線調控系統，采用滾筒式分選技術對葉絲長度進行篩分，實現長絲與短絲的有效分離；運用剪切式處理技術對長絲進行單獨處理，使長絲轉變成中短絲；將處理后長絲與短絲混合均勻，提高了葉絲結構的均勻性，避免增加造碎。以許昌卷煙廠生產的“黃金葉（硬帝豪）”牌卷煙葉絲為對象進行測試，結果表明：采用葉絲結構調控系統后大于10 mm 長絲比例降低至0.48%，2～4 mm 葉絲比例達到62.60%，葉絲結構趨于均勻；整絲率為82.76%，碎絲率1.12%，符合工藝生產要求；煙支質量標偏為0.019 g，煙支吸阻標偏為44.7 Pa，分別優于調控前平均值0.022 g 和50.2 Pa，有效提高了卷煙質量穩定性。