PROTOS MAX-M8 濾嘴接裝機供膠裝置的改進

余宇文，李德法，趙 龍

1. 廣東中煙工業有限責任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區東沙環翠南路88 號 510385 2. 許昌煙草機械有限責任公司，河南省許昌市永昌路6 號 461000 3. 山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠，山東省青島市株洲路137 號 266000

PROTOS M8 卷接機組（簡稱M8 機組）和PROTOS M5 卷接機組（簡稱M5 機組）是德國HAUNI 公司生產的當前最先進的超高速卷接設備。M8 機組由VE-M8 供料成條機、SE-M8 卷煙機和MAX-M8 濾嘴接裝機組成，生產能力為2 萬支/min；M5 機組由VE-M5 供料成條機、SE-M5 卷煙機和MAX-M5 濾嘴接裝機組成，生產能力為1.2萬支/min。其中，MAX-M8 與MAX-M5 接裝機均采用噴涂式供膠裝置，將乳膠加壓后在程序控制下打開或關閉噴嘴，實現接裝紙上膠功能。在生產運行中，MAX-M5 供膠裝置性能穩定，能夠滿足濾嘴接裝要求；但MAX-M8 在生產速度提高后，供膠裝置容易出現故障，導致接裝后煙支產生泡皺、漏氣、濾嘴脫落等質量問題，檢查發現乳膠中有氣泡現象，嚴重時會因為膠壓不足而造成設備停機。為保證煙支濾嘴接裝質量，陳瑜等［1］將PASSIM 卷接機組改進為膠池式上膠；王英等［2］改進了YJ24 接裝機供膠系統；張衛賓等［3］、王永峰等［4］分別改進了YJ29 接裝機和PROTOS 卷接機組的控膠輥；尹洪禹等［5］、梁志宏等［6］應用氣動隔膜泵分別改進了ZJ17 和PROTOS70 卷接機組供膠裝置。針對超高速卷接機組，周斌等［7］、盛浩然等［8］分別對M8 機組的煙支切割技術和切煙管輪技術進行了研究；李理等［9］對M5 機組的梗簽輸送裝置進行了改進；蔡培良等［10］優化設計了M5 機組的殘煙自動回收分類裝置。上述改進設計有效提高了卷接機組的運行穩定性，但對于MAX-M8 供膠裝置的研究及改進則鮮見報道。為此，通過對MAX-M8 供膠裝置結構進行分析，應用流體力學原理對供膠裝置進行改進，以期提高濾嘴卷煙的接裝質量。

1 問題分析

1.1 存在問題

MAX-M5 與MAX-M8 濾嘴接裝機均采用噴涂式供膠裝置，該裝置主要由供膠單元、噴嘴單元、噴嘴水清洗單元3 部分組成，見圖1。其中，供膠單元包括閥島（1）、冷卻裝置（2）、氣動隔膜泵（3）、儲膠桶（5）、電控裝置（9）等；噴嘴單元包括噴膠控制閥（6）、噴嘴等；噴嘴水清洗單元包括排水泵（7）、水箱（4）、灑水裝置（8）等。生產中乳膠存放于密閉的塑料桶內，當需要對接裝紙噴涂上膠時，供膠裝置通過閥島（1）上的電磁閥控制氣動隔膜泵（3）工作，將乳膠加壓到0.41 MPa，再由噴膠控制閥（6）對氣動隔膜泵（3）輸出的乳膠壓力進行調整，將乳膠壓力調整至0.2 MPa 后，提供給接裝機的噴嘴式上膠器，由噴嘴將乳膠均勻噴涂到接裝紙上，完成接裝紙上膠。當接裝機停止工作，接裝紙停止噴涂上膠時，噴嘴旋轉到清洗位置，利用清水清洗噴嘴并保持濕潤。

生產中發現MAX-M8 供膠裝置經常因乳膠氣泡或膠壓不足產生漏氣、泡皺、濾嘴脫落等質量缺陷煙支，甚至因膠壓不足導致故障停機；而MAX-M5 供膠裝置工作穩定，能夠滿足濾嘴接裝要求。可見，卷接機組生產速度由1.2 萬支/min 提高到2 萬支/min 時，供膠裝置無法滿足MAX-M8的生產要求，需要對供膠裝置進行優化和改進。

圖1 改進前MAX-M8 接裝機供膠裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler before modification

1.2 原因分析

分析發現，MAX-M8 生產運行時產生乳膠氣泡或膠壓不足的原因：一是乳膠黏度高、流動性差，中高速機組要求的乳膠黏度為1 400～3 000 mPa·s。二是乳膠輸送管道過長，導致壓力損失過大。由圖1 可見，氣動隔膜泵位于供膠裝置上部，而儲膠桶和噴膠控制閥位于供膠裝置下部，氣動隔膜泵需要通過較長管道抽吸乳膠，對乳膠加壓后再通過較長管道壓入噴膠控制閥，因此產生較大的壓力損失。三是氣動隔膜泵的流量、壓力等參數無法滿足正常生產需求。

2 改進方法

由圖2 可見，改進后MAX-M8 供膠裝置將氣動隔膜泵（3）由上置式改為下置式，并將其布置于儲膠桶（5）及噴膠控制閥（6）的一側；縮短氣動隔膜泵（3）的管道長度，同時將抽吸乳膠方式改為重力壓入乳膠，經氣動隔膜泵（3）加壓輸出的乳膠直接進入噴膠控制閥（6），減少管道壓力損失，提高乳膠壓力穩定性。

2.1 縮短管道長度

由于MAX-M8 供膠裝置的管道長、轉彎及接頭數量多，根據流體力學原理［11］，直圓管層流運動時的沿程壓力損失計算公式為：

圖2 改進后MAX-M8 接裝機供膠裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler after modification

管道入口、出口、轉彎、接頭等局部的壓力損失為：

式中：ΔPr─局部壓力損失，Pa/m；ζ─局部阻力系數。

因此，在流體的黏度、密度、壓力及流速相同時，管路總壓力損失為：

由公式（2）可知，當輸送管道直徑和乳膠黏度不變時，在流速基本穩定的前提下，輸送管道越長，其輸送液體的壓力損失越大，因此縮短管道長度可減少乳膠的壓力損失。已知接裝乳膠黏度μ=2 100 mPa·s，密度ρ=1 200 kg/m3，管道直徑d=0.022 m，機組全速運行時乳膠需求量Q=0.125 L/min，則乳膠的流速V=0.055 m/s。分別取管道長度L=2.5 m 和1.3 m，根據公式（2）計算可得管道沿程壓力損失ΔPf=19 090 Pa/m 和9 927 Pa/m。改進后取消了7 個擴口式接頭、1 個變徑接頭和2 個管道轉彎，查詢資料得到ζ擴=2，ζ變=11，ζ彎=1.04［11］，根據公式（3）計算可得局部壓力損失ΔP r≈500 Pa/m。分析可見，將管道長度縮短1.2 m，管道接頭數量由原來的14 個減少到6 個后，乳膠輸送管道的壓力損失可降低50%。

2.2 增大氣動隔膜泵流量

氣動隔膜泵是一種新型流體輸送裝置，MAX-M8 供膠裝置使用的是德國ALMATEC 公司的CX20EES 氣控型氣動隔膜泵。CX20EES 氣動隔膜泵以水為介質時，每個脈動液體輸出量為20 mL，當工作頻率為3、5 和7 Hz 時的流量分別為3.6、6.0 和8.8 L/min，流量與揚程（表示輸出壓力，1 mmH2O=9.8 Pa）的特性曲線見圖3。當輸入氣動隔膜泵的空氣壓力為0.5 MPa，工作頻率分別為3、5 和7 Hz 時，流量與揚程基本呈反比關系。改進前當卷接機組啟動及低速運行時，氣動隔膜泵設定的工作頻率為3 Hz；當運行速度達到2 萬支/min 時，用膠量增大，氣動隔膜泵設定的工作頻率為5 Hz。

圖3 CX20EES 氣動隔膜泵流量特性曲線Fig.3 Characteristic curve of flow rate of CX20EES pneumatic diaphragm pump

研究發現，流體黏度與流量呈反比關系，黏度越大，泵送流量越小［12］，流體黏度與流量關系曲線見圖4。當乳膠黏度達到2 000 mPa·s 時，氣動隔膜泵的流量會降低到清水流量的3%；當黏度達到3 000 mPa·s 時，泵送流量僅能達到清水流量的2.5%。MAX-M8 工作時乳膠需求量約為7.5 L/h（即0.125 L/min），當乳膠黏度達到3 000 mPa·s時，乳膠與清水輸出流量的比率為2.5%，故折算成清水時的輸出流量為0.125 L/min÷2.5%=5 L/min。考慮到管道壓力損失及輸出穩定的需要，乳膠輸出量應不低于使用量的150%（即7.5 L/min），而此時CX20EES 氣動隔膜泵折算成清水時的理論流量為20 mL×5 Hz×60 s= 6 L/min，無法滿足正常使用需求。將氣動隔膜泵的工作頻率調整至7 Hz，折算成清水時的理論流量為8.4 L/min，但由于乳膠黏度高、流動性差，供膠速度未有明顯改善，乳膠中依然存在氣泡現象。為此進行了乳膠黏度試驗，在黏度為3 000 mPa·s，質量為20 kg 的乳膠中加入500 mL 蒸餾水進行稀釋，將乳膠黏度降低到2 100 mPa·s 后再加入MAX-M8 供膠裝置開始生產，當運行速度達到2 萬支/min 時仍出現漏氣、泡皺甚至濾嘴脫落煙支，說明通過降低乳膠黏度的方法無法解決現存問題。

圖4 黏度對輸出流量的修正曲線Fig.4 Correction curve of viscidity to output flow

為提高氣動隔膜泵的流量，改進后MAX-M8供膠裝置選用CX50EES 代替CX20EES 氣動隔膜泵。同樣，CX50EES 以水為介質時，每個脈動輸出液體量為50 mL，流量與揚程的特性曲線見圖5。已知當乳膠黏度達到2 100 mPa·s 時，氣動隔膜膠泵的流量約為清水時的2.8%。改進后供膠裝置仍將輸入氣動隔膜泵的空氣壓力調整為0.5 MPa，當卷接機組啟動及低速運行時，氣動隔膜泵的工作頻率分別設定為1 和3 Hz，此時氣動隔膜泵折算成清水時的理論流量為3 和9 L/min；當機組運行速度達到2 萬支/min 時，用膠量增大，氣動隔膜泵的工作頻率分別設定為3 和5 Hz，此時氣動隔膜泵折算成清水時的理論流量為9 和15 L/min，均能滿足生產需求。

圖5 CX50EES 氣動隔膜泵流量特性曲線Fig.5 Characteristic curve of flow rate of CX50EES pneumatic diaphragm pump

3 改進效果

3.1 試驗設計

材料：“雙喜（硬經典1906）”牌卷煙煙絲（廣州卷煙廠提供）；豎羅紋卷煙紙（規格為53 mm×4 000 m，民豐特種紙股份有限公司）；接裝紙（規格為39.5 g/m2×60 mm×2 500 m，廣州市都恒盛印刷包裝有限公司）；接裝膠為環保型乳膠［黏度為2 100 mPa·s，漢高（中國）投資有限公司］。

設備：PROTOS M8卷接機組（德國HAUNI公司）。

方法：在MAX-M8 供膠裝置中加入黏度為2 100 mPa·s 的乳膠，為保持乳膠壓力恒定和上膠均勻，要求上膠過程中需產生部分回流膠，回流乳膠量應不低于使用量的50%，以保證供膠裝置具有一定冗余能力。M8 機組運行速度為2 萬支/min時，將輸入CX50EES 氣動隔膜泵的空氣壓力調整至0.5 MPa，膠泵輸出乳膠壓力調整至0.41 MPa，分別以不同工作頻率進行對比試驗，統計改進后膠泵的供膠量及溢流量，以及改進前后各3 個月的設備運行數據。

3.2 數據分析

由表1 可見，改進后氣動隔膜泵在3、5 和7 Hz這3 種工作頻率下，乳膠的溢流量均超過使用量的50%。雖然MAX-M8 采用溢流閥封閉溢流，避免產生膠液污染，但溢流量過大會造成乳膠發熱，影響乳膠黏度。為此，在M8 機組啟動及低速運行時，氣動隔膜泵工作頻率設定為1 Hz；機組高速運行時，氣動隔膜泵工作頻率設定為3 Hz；當供膠裝置的壓力開關檢測到乳膠壓力低于0.41 MPa 時，控制系統將自動提高工作頻率，增加供膠量，以滿足濾嘴接裝要求。由表2 可見，改進后乳膠供給故障由4 次/月減少到0，泡皺及漏氣煙支由115支/班次減少到37 支/班次。

表1 改進后不同膠泵工作頻率下的供膠情況Tab.1 Test data of adhesive supplying under different frequencies of adhesive pump after modification

表2 改進前后供膠裝置測試數據①Tab.2 Date of adhesive supply system before and after modification

4 結論

改進后的MAX-M8 接裝機供膠裝置，調整了氣動隔膜泵的安裝位置，將氣動隔膜膠泵與儲膠桶直接相連，縮短了氣動隔膜泵供膠管道長度，使加壓后的乳膠以最短路線壓入噴膠控制閥，減小了管道壓力損失；重新設計選型并更換氣動隔膜泵，以提高氣動隔膜泵流量。以廣州卷煙廠提供的“雙喜（硬經典1906）”牌卷煙煙絲及輔料為對象進行測試，結果表明：改進后供膠裝置未出現因膠壓不足而產生的停機現象，接裝后泡皺及漏氣煙支由改進前的115 支/班次減少到37 支/班次；機組運行穩定，有效提高了卷煙產品質量，在同類設備中具有推廣應用價值。