KDF3E 成型機(jī)凝膠濾棒生產(chǎn)施加裝置研發(fā)

曹炳強(qiáng)，王雙麗，楊俊峰，林劍沙

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司紅河卷煙廠，云南彌勒 652399）

0 引言

載香凝脂也稱凝膠，是指具有香氣物質(zhì)包埋和緩慢釋放功能的一種煙用香精、凝膠復(fù)合材料，且易熔化、易凝固（熔程40～60 ℃）。將載香凝脂施加至濾棒中間制成載香凝脂濾棒，簡稱凝膠濾棒，其凝膠的施加量、膠線位置等均對(duì)后續(xù)成品卷煙的吸味產(chǎn)生較大影響。凝膠施加裝置是凝膠濾棒生產(chǎn)過程中的重要工藝控制設(shè)備，直接影響凝膠濾棒的各項(xiàng)工藝質(zhì)量指標(biāo)。目前，凝膠施加裝置主要應(yīng)用于KDF2、JK-5AE 濾棒成型機(jī)，存在結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率低下、計(jì)量精度、控制精度不足等問題。為此，筆者團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)研發(fā)了一套設(shè)計(jì)先進(jìn)、操控方便、計(jì)量精準(zhǔn)，能與KDF3E 成型機(jī)主機(jī)生產(chǎn)速度自動(dòng)跟隨控制的凝膠施加裝置。

1 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)

前期各廠家用來改造凝膠加注工藝的兩種濾棒成型機(jī)的設(shè)計(jì)車速均為400 m/min，加入凝膠施加工藝后，由于供膠裝置設(shè)計(jì)能力匹配度不足，導(dǎo)致改造后的成型設(shè)備只能運(yùn)行在200/min左右的車速，設(shè)備產(chǎn)能損失近50%。紅河卷煙廠擬用來改造凝膠加注工藝的KDF3E 成型機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)車速為600 m/min，這就對(duì)凝膠加注裝置的自動(dòng)化程度、熔膠能力、供膠連續(xù)性、計(jì)量控制精度、速度同步控制精度、產(chǎn)品質(zhì)量控制要求等方面提出更高要求。其他機(jī)型的改造方案明顯無法適用于KDF3E 機(jī)型，需要重新開發(fā)綜合性能更高、更完善的濾棒凝膠加注裝置，裝置關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）凝膠恒溫控制技術(shù)。針對(duì)凝膠原料為塊狀固體，具有易熔化，易凝固的特點(diǎn)，明確從預(yù)熔解箱、儲(chǔ)膠箱、膠液軟管、計(jì)量泵、凝膠加注膠針等全過程的恒溫加熱控制是整個(gè)裝置的核心內(nèi)容。避免出現(xiàn)膠液熔化不均勻、熔膠不足或膠溫過高導(dǎo)致的膠液變質(zhì)，有效保障凝膠質(zhì)量的穩(wěn)定性及膠液施加的連續(xù)性。

（2）凝膠儲(chǔ)罐膠液均勻性控制技術(shù)。針對(duì)凝膠內(nèi)的油性香精料比重較小，凝膠原料熔解成膠液后，凝膠中的香料和膠液易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為確保每一支凝膠濾棒香氣的一致性，需要對(duì)儲(chǔ)膠罐進(jìn)行全過程均勻攪拌，確保膠液均勻、不起氣泡。

（3）凝膠計(jì)量精度控制。針對(duì)凝膠濾棒凝膠施加質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求（單支濾棒凝膠施加量為150 mg±0.5 mg），凝膠施加計(jì)量精度的保障顯得尤為重要。需要通過計(jì)量泵、伺服控制等關(guān)鍵器件來確保凝膠施加計(jì)量的精度，為高品質(zhì)凝膠濾棒生產(chǎn)奠定技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能。

（4）凝膠施加自動(dòng)速度同步跟隨控制。凝膠計(jì)量自動(dòng)速度同步跟隨控制，是凝膠與濾棒合成后的設(shè)備控制技術(shù)難點(diǎn)。確保每支凝膠濾棒成型機(jī)設(shè)備不同生產(chǎn)車速下的凝膠施膠計(jì)量的精準(zhǔn)性和一致性，是凝膠濾棒質(zhì)量均質(zhì)化保障的前提，這就需要通過行之有效的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)施膠裝置與KDF3E 設(shè)備的自動(dòng)同步跟隨，提高設(shè)備效率和自動(dòng)化程度。

（5）凝膠流量監(jiān)控技術(shù)。凝膠濾棒中凝膠的有無是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，為避免凝膠濾棒生產(chǎn)過程中，凝膠輸送過程出現(xiàn)凝膠膠液中斷，導(dǎo)致無凝膠濾棒的質(zhì)量隱患。需在恰當(dāng)位置加裝高精度流量檢測裝置，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控凝膠流量、報(bào)警停機(jī)等聯(lián)機(jī)控制功能，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

（6）設(shè)備控制工藝流程。設(shè)計(jì)出的設(shè)備控制工藝流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備控制工藝流程

2 凝膠施加裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

秉承功能全面、性能卓越、切換便捷、自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)凝膠施加裝置（圖2）。裝置從預(yù)熔解桶、儲(chǔ)膠桶、計(jì)量泵、輸膠管以及膠液輸送過程中的閥門器件，均進(jìn)行全過程的恒溫（55～60 ℃）電加熱控制，具備溫度超限報(bào)警聯(lián)機(jī)控制功能。塊狀的固態(tài)凝膠經(jīng)人工分別加入2 個(gè)預(yù)熔膠桶進(jìn)行熔化，完全熔化后的液態(tài)凝膠進(jìn)入儲(chǔ)膠桶短暫儲(chǔ)存，經(jīng)管道送至計(jì)量泵。由計(jì)量泵根據(jù)成型機(jī)車速及設(shè)定的供膠量進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)量控制供膠，按量泵出的膠液在濾棒成型機(jī)的成型煙舌處，經(jīng)膠針導(dǎo)入絲束與上膠后的成形紙匯合，經(jīng)過成型壓條成型為濾條。濾條經(jīng)過切割系統(tǒng)切割成定長的濾棒，經(jīng)過濾棒轉(zhuǎn)交裝置送至成型機(jī)出口，生產(chǎn)出成品凝膠濾棒。

凝膠濾棒在KDF3E 成型機(jī)上的具體生產(chǎn)工藝流程：絲束帶→一級(jí)風(fēng)展→二級(jí)風(fēng)展→VO 預(yù)張緊輥→V1 進(jìn)料輥→V2 延伸輥→三級(jí)風(fēng)展→甘油施加→V3 輸入輥→輸送噴嘴→進(jìn)入凝膠加注導(dǎo)絲舌→膠針加注凝膠→成型紙包裹成濾棒條→冷卻成型→刀頭切割→凝膠濾棒。

圖2 凝膠施加裝置

3 凝膠裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）電氣控制系統(tǒng)控制、檢測、報(bào)警功能齊全，具備與KDF3E 主機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)速度跟隨控制及聯(lián)機(jī)控制設(shè)備啟停的功能。

（2）熔膠能力強(qiáng)，膠箱熔膠能力≥45 kg/h，匹配KDF3E 成型機(jī)≥500 m/min 的生產(chǎn)速度，將KDF3E 的設(shè)備產(chǎn)能損失降至最低。

（3）供膠計(jì)量泵凝膠供量≥750 g/min，供膠計(jì)量偏差控制在±0.5 mg/支濾棒之內(nèi)。

（4）具備生產(chǎn)過程質(zhì)量符合性驗(yàn)證的能力，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)凝膠濾棒（濕棒）/無凝膠濾棒（干棒）的取樣控制功能。根據(jù)公式計(jì)算后，可在上位界面進(jìn)行施膠量的自動(dòng)校準(zhǔn)。計(jì)算公式：M0=（M凝膠濾棒-M無凝膠濾棒）/N，其中，M0是單支濾棒凝膠施加量，mg/支；N 是取樣數(shù)量。

（5）柜內(nèi)器件走線安裝規(guī)范、標(biāo)識(shí)清晰，器件接線與電氣圖紙完全一致，上下游設(shè)備信號(hào)接口采用快速插頭連接，方便接入及脫開。

（6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)KDF3E 設(shè)備的正常使用無任何影響，具備柔性生產(chǎn)及快速切換能力，既可以在生產(chǎn)凝膠濾棒時(shí)與KDF3E成型機(jī)對(duì)接使用，也可以在無凝膠濾棒生產(chǎn)需求時(shí)，切換為生產(chǎn)普通濾棒。

（7）上位界面設(shè)計(jì)友好、操控性強(qiáng)，既具備常規(guī)的操作、查詢、修改功能，也具備針對(duì)性較強(qiáng)的施膠計(jì)量校準(zhǔn)功能，以及儲(chǔ)膠箱膠位顯示，各加熱溫度設(shè)定、顯示，排空控制等功能。

4 項(xiàng)目實(shí)施情況

在裝置結(jié)構(gòu)、流程、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相繼定型后，項(xiàng)目實(shí)施也隨之提上日程。在完成零件采購加工、設(shè)備裝配、電控系統(tǒng)安裝接線、程序編寫后，對(duì)裝置的加熱、攪拌、施膠計(jì)量等功能進(jìn)行離線調(diào)試，并對(duì)計(jì)量泵的計(jì)量精度進(jìn)行單機(jī)離線校準(zhǔn)和測試驗(yàn)證。將排膠量設(shè)定在400～800 g，進(jìn)行多次手動(dòng)排膠收集稱重，將其與上位界面統(tǒng)計(jì)的顯示量與稱量后的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，施膠計(jì)量偏差僅為±0.3 g，完全滿足設(shè)計(jì)使用要求，設(shè)備初步具備了與KDF3E 成型機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試的能力。在后期與KDF3E 設(shè)備對(duì)接試運(yùn)行過程中，進(jìn)一步解決了因膠泵安裝支架設(shè)計(jì)不合理，不能有效保障伺服電機(jī)和泵的同軸度，導(dǎo)致膠泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中易卡死的問題，為設(shè)備正常使用及產(chǎn)品質(zhì)量提供了長效保障。

5 項(xiàng)目應(yīng)用情況

2018年5月，該套凝膠施加裝置于在紅河卷煙廠KDF3E設(shè)備上投入正常生產(chǎn)運(yùn)行，凝膠濾棒的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)之初500 m/min 的既定目標(biāo)（生產(chǎn)長度為100mm 的濾棒時(shí)，相當(dāng)于5000 支/min），達(dá)到了550 m/min。產(chǎn)品各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)完全滿足紅河卷煙廠的工藝內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)備效率雙贏的目標(biāo)。為進(jìn)一步確認(rèn)項(xiàng)目實(shí)施后的濾棒凝膠施加量控制水平，筆者團(tuán)隊(duì)制定了抽樣檢測計(jì)劃，統(tǒng)計(jì)見表1。從表1 可得到如下結(jié)論。

（1）抽樣檢測的濾棒凝膠施加量為150.01±0.22 mg/支，在目標(biāo)設(shè)定值150±0.5 mg 范圍內(nèi)。

（2）從單支濾棒凝膠施加量的波動(dòng)變化可知，凝膠施加過程穩(wěn)定，受控良好。

（3）從“實(shí)際出膠量”與“成型機(jī)車速”的數(shù)據(jù)變化不難看出兩者密切相關(guān)，完美實(shí)現(xiàn)凝膠施加量的主機(jī)速度跟隨控制功能。

6 結(jié)束語

本裝置涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新理念具有一定前瞻性，填補(bǔ)了國內(nèi)KDF3E 設(shè)備不具備凝膠濾棒生產(chǎn)施加裝置的空白，在目前國內(nèi)凝膠濾棒生產(chǎn)領(lǐng)域具有較強(qiáng)引領(lǐng)作用。在新品卷煙不斷推出，對(duì)新品濾棒需求呈暴發(fā)式增長的背景下，該裝置的成功研發(fā)在行業(yè)內(nèi)具有較為廣闊的推廣應(yīng)用前景及啟發(fā)作用。

表1 濾棒凝膠施加量抽樣測試記錄