YJ19卷煙機煙支導(dǎo)板裝置改進

吳樹清 孫 勇 楊 芳 黃雪燕

(貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司銅仁卷煙廠，貴州 銅仁 554300)

煙支導(dǎo)板裝置作為YJ19卷煙機的重要組成部分，主要由底板、內(nèi)導(dǎo)板、上導(dǎo)板、外導(dǎo)板、控制氣缸等組成[1]，其結(jié)構(gòu)很大程度影響了煙支質(zhì)量[2-3]。生產(chǎn)過程中，所產(chǎn)生的水蒸氣易在煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)形成冷凝水[4-6]，造成煙支表面黃斑污染[7-8]。

目前關(guān)于解決煙支污染和皺紋的問題已有相關(guān)報道，舒奎武等[9]針對煙支搓接時膠水干燥過程中水分蒸發(fā)造成黃斑的問題，采用加裝接水裝置與吹風(fēng)裝置，有效降低了水漬黃斑煙支產(chǎn)生。張衛(wèi)兵等[10]針對PASSIM接裝機靠攏鼓輪架處容易出現(xiàn)冷凝水的問題，提出安裝吸吹風(fēng)組合裝置以減少冷凝水的產(chǎn)生，有效解決了靠攏鼓輪架處煙支污染和水松紙皺紋問題。彭永剛等[11]針對Φ5.25 mm煙支在搓接時易出現(xiàn)皺紋的問題，通過在設(shè)備上對濾棒搓接導(dǎo)軌指加寬以及改進傳送轂導(dǎo)軌槽的方法，減少了煙支皺紋的產(chǎn)生。YJ19卷煙機煙支導(dǎo)板裝置的導(dǎo)軌與煙支存在間隙，導(dǎo)致高速運行時煙支運動軌跡產(chǎn)生跳動，造成煙支皺紋。但目前鮮見對煙支導(dǎo)板處造成煙支污染和皺紋問題的研究。

試驗擬對YJ19卷煙機煙支導(dǎo)板裝置的結(jié)構(gòu)進行分析改進，通過圓弧槽與吸風(fēng)孔相結(jié)合的方法，將煙支封閉式輸送改進為敞開式輸送，通過負壓吸附的方式使煙支平穩(wěn)運行，以期改善煙支搭口不潔和皺紋缺陷。

1 問題分析

煙支導(dǎo)板裝置位于切割刀盤與煙支加速輪之間，用于支撐煙支段運動。煙支段在高速通過導(dǎo)板裝置時，上導(dǎo)板3、外導(dǎo)板6與煙支段5之間需存在0.5 mm左右的間隙，如圖1所示，才能保證煙支的正常輸送，但此結(jié)構(gòu)會使煙支產(chǎn)生徑向跳動，導(dǎo)致煙支徑向受力而產(chǎn)生表面皺紋。

1. 底板 2. 內(nèi)導(dǎo)板 3. 上導(dǎo)板 4. 密封空間 5. 煙支段 6. 外導(dǎo)板

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，卷煙機中與煙支接觸的煙支導(dǎo)板裝置6處，有水漬出現(xiàn)。在煙支卷制過程中，對卷煙紙邊施加膠液，卷煙紙將煙絲包裹形成煙條1，經(jīng)高溫烙鐵2加熱干燥，膠液中的水分蒸發(fā)形成水蒸氣3，煙條1通過密度檢測器4，被高速旋轉(zhuǎn)的切割刀盤5，切割成等長的煙支段7，運動中的煙支段7將水蒸氣3帶至煙支導(dǎo)板裝置6處，水蒸氣3在煙支導(dǎo)板裝置6的密封空間處不斷聚集，如圖2所示。

水蒸氣要達到析出冷凝水的條件，需要一定的溫度和壓力；相對濕度達到100%，露點溫度Td與干球溫度T為同一值。車間環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為60%，大氣壓強為101 kPa，經(jīng)查焓濕圖[12]，其露點溫度Td為16.72 ℃，A點空氣含水11.93 g/kg。如相對濕度達到100%，露點溫度Td上升到25 ℃，B點空氣含水增加至20.15 g/kg，見圖3。

煙支導(dǎo)板裝置的長度為254 mm，其煙支導(dǎo)軌所形成的相對密封空間寬度與高度為煙支直徑加0.5 mm，所生產(chǎn)煙支直徑為7.8 mm，每班生產(chǎn)時間為7 h，產(chǎn)量60大箱，共耗膠水12 kg。通過烘箱法檢測[13]，干燥箱內(nèi)溫度107 ℃，干燥180 min，膠水內(nèi)含水量達到50.2%。在實際生產(chǎn)中膠水干燥過程蒸發(fā)的水分約為30%，約1%的蒸發(fā)水分聚集在了煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)。

因此得：

V導(dǎo)=L×W×H，

(1)

G水=m×1 000×p1×p2×(t總×Q)，

(2)

式中：

V導(dǎo)——煙支導(dǎo)板裝置形成密封空間的體積，mm3；

L、W和H——煙支導(dǎo)板裝置的長度、寬度和高度，mm；

1. 煙條 2. 高溫烙鐵 3. 水蒸氣 4. 密度檢測器 5. 切割刀盤 6. 煙支導(dǎo)板裝置 7. 煙支段

圖3 空氣焓濕圖

M——一個班所耗膠水的總質(zhì)量，kg；

p1——一個班實際生產(chǎn)中膠水干燥過程蒸發(fā)的水分與總含水量的比值；

p2——聚集到煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)的水分與生產(chǎn)所蒸發(fā)水分總量的比值；

t總——一個班生產(chǎn)時長，h；

Q——一個班生產(chǎn)總量，箱；

G水——平均每分鐘進入煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)的水分重量，g。

將各參數(shù)的值代入式(1)和式(2)求得，V導(dǎo)=17 078.96 mm3，G水=0.085 7 g。

換算成1 min煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)1 000 g的空氣含水量增加為：

(3)

(4)

式中：

G增——1 000 g的空氣含水增加量，g；

V空氣——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1 000 g空氣體積，m3；

t——空氣相對濕度從60%上升至100%的耗時，min；

m1——25 ℃下相對濕度達到100%時每千克空氣含水量，g；

m2——16.72 ℃下相對濕度達到100%時每千克空氣含水量，g。

將上述各參數(shù)的值代入式(3)和式(4)求得，G增=4.01 g，t=2.05 min。

通過計算得出，連續(xù)生產(chǎn)2.05 min，煙支導(dǎo)板裝置內(nèi)的空氣相對濕度可升至100%，其內(nèi)部有冷凝水產(chǎn)生。與實際生產(chǎn)中，4 min左右會在煙支導(dǎo)板裝置處出現(xiàn)冷凝水相一致。

2 改進設(shè)計

改進后的煙支導(dǎo)板裝置主要由9部分組成，見圖4，導(dǎo)煙舌1和壓煙塊2主要對煙支段進行導(dǎo)向，確保煙支段順利進入圓弧凹槽內(nèi)。底板3與卷煙機相連，對其他零件起支撐固定作用。圓弧導(dǎo)板4上圓弧凹槽的底部有4個吸風(fēng)孔和3個吹風(fēng)孔，分別起運行中吸附煙支和停機時清理煙支的作用。內(nèi)欄板5和外欄板6，固定在圓弧凹槽的兩側(cè)，與煙支外表面接觸。吸風(fēng)管7為吸風(fēng)盒8提供負壓，與圓弧導(dǎo)板4的吸風(fēng)孔相連。吹氣管9為圓弧導(dǎo)板4的吹風(fēng)孔提供清潔吹風(fēng)。

2.1 圓弧凹槽的確定

圓弧凹槽的尺寸與所生產(chǎn)的煙支規(guī)格相適應(yīng)?？紤]到生產(chǎn)中煙支3圓周的波動，圓弧導(dǎo)板1的凹槽R應(yīng)與允許的最大煙支半徑相一致，如圖5所示。

1. 導(dǎo)煙舌 2. 壓煙塊 3. 底板 4. 圓弧導(dǎo)板 5. 內(nèi)欄板 6. 外欄板 7. 吸風(fēng)管 8. 吸風(fēng)盒 9. 吹氣管

1. 圓弧導(dǎo)板 2. 內(nèi)欄板 3. 煙支 4. 外欄板 5. 吸風(fēng)孔

2.2 負壓吸風(fēng)孔的確定

2.2.1 煙支段阻力及壓強計算 已知煙支段長度為118 mm，直徑為7.8 mm，機器生產(chǎn)速度為8 000 支/min。為了確保至少有一個吸風(fēng)孔作用于運動中的煙支段，兩吸風(fēng)孔之間的距離至少應(yīng)大于1/2煙支段長度，確定為60 mm。

根據(jù)面積公式得：

S=π×R2，

(5)

式中：

S——煙支端部橫截面積，m2；

R——煙支半徑，m。

根據(jù)已知參數(shù)的值，代入式(5)求得，S=0.000 047 76 m2。

根據(jù)速度公式得：

(6)

式中：

v——煙支段運動速度，m/s；

N——每分鐘生產(chǎn)的煙支數(shù)量，支；

l1——無嘴煙長，m。

無嘴煙長為煙支段長度的一半，將已知參數(shù)值代入式(6)求得，v=7.867 m/s。

高速運動中的煙支段，除了所受后面煙支段的推力外，還受到自身重力及空氣作用力的影響。煙支段前部的空氣受到煙支段端部的擠壓，內(nèi)部壓強P增大，此壓強反作用于煙支段端部，對煙支段的運動產(chǎn)生了阻力F阻，如圖6所示。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，煙支端部所受的空氣阻力[14]為：

圖6 煙支段運行中所受空氣作用示意圖

F阻=CρSv2/2，

(7)

式中：

F阻——空氣阻力，N；

C——空氣阻力系數(shù)，參照垂直平面體取1.0；

ρ——空氣密度，取1.29 kg/m3。

根據(jù)已知參數(shù)的值及S和v的計算結(jié)果，代入式(7)求得：F阻=0.001 906 N。

根據(jù)力和壓強的關(guān)系得：

P=P大+F阻/S，

(8)

式中：

P——煙支段前端壓強，Pa；

P大——大氣壓強，Pa。

如圖6所示，煙支段在高速運動中，其前端被壓縮的空氣，繞過煙支端部，相對于煙支段向后部運動。前端的空氣繞過煙支段上部時，其壓強為P上；繞過煙支段下部時，其壓強為P下。因煙支段上部完全與大氣連通，壓強P上等于該處的大氣壓強，而繞過煙支段下部的空氣，進入了煙支段與圓弧槽的密封空間，因煙支段緊貼圓弧槽運動，則該處的壓強P下約等于煙支前端的壓強P。

P上=P大，

(9)

P下=P，

(10)

P下-P上=P-P大=(P大+F阻/S)-P大=F阻/S，

(11)

式中：

P上——煙支段上部所受壓強，Pa；

P下——煙支段下部所受壓強，Pa。

將F阻和S計算所得值，代入式(11)求得，煙支上、下部壓差為39.92 Pa。

2.2.2 煙支段所受升力計算 因高速運動中煙支段下部壓強P下大于上部壓強P上，則煙支段運動軌跡會發(fā)生上下波動，不利于煙支段的輸送。

根據(jù)壓強與力的關(guān)系得：

F升=(P下-P上)×S橫，

(12)

式中：

F升——空氣對煙支段產(chǎn)生的升力，N；

P上——煙支段上部所受壓強，Pa；

P下——煙支段下部所受壓強，Pa；

S橫——煙支段長度方向上有效截面積，m2。

根據(jù)煙支段長度及直徑，得煙支段長度方向上有效截面積S橫=0.000 920 4 m2。

將計算所得的P下、P上和S橫的值代入式(12)得，F(xiàn)升=0.036 7 N。

已知煙支段重量為1.4 g，長度為118 mm，圓弧槽底部相鄰吸風(fēng)孔距離為60 mm，供給吸風(fēng)孔的負壓P吸為4 000 Pa。煙支段受力如圖7所示，要確保煙支緊貼在圓弧槽內(nèi)運行，圓弧槽底部吸風(fēng)應(yīng)能克服氣流對煙支運動的影響。

為保證煙支段平穩(wěn)運行，則：

MF吸+MG≥MF升，

(13)

式中：

MF吸——吸風(fēng)孔負壓對煙支的力矩，N·m；

MG——重力對煙支的力矩，N·m；

MF升——空氣升力對煙支的力矩，N·m。

根據(jù)力矩與力的關(guān)系得：

(F吸×l2)+(m支×l1×9.8)≥F升×l1，

(14)

式中：

F吸——吸風(fēng)孔負壓對煙支的作用力，N；

l2——煙支段長度，m；

m支——煙支質(zhì)量，kg。

l1——無嘴煙長，m。

將已知參數(shù)值代入式(14)得，F(xiàn)吸≥0.022 6 N。

根據(jù)壓力、壓強與面積的關(guān)系得：

F吸=P吸×S孔，

(15)

式中：

P吸——吸風(fēng)孔的壓強，Pa；

S孔——吸風(fēng)孔面積，m2。

將F吸和P吸的值代入式(15)得，S孔=0.000 005 65 m2。

根據(jù)面積公式得：

S孔=π(D/2)2，

(16)

式中：

D——吸風(fēng)孔直徑，m。

將S孔的值代入式(16)得，D=0.002 68 m，取整數(shù)，吸風(fēng)孔的直徑確定為3 mm。

圖7 煙支段受力分析簡圖

2.3 殘煙自動清理功能

圓弧凹槽底部的兩吸風(fēng)孔中間區(qū)域，分布有殘煙自動清理風(fēng)孔。清理吹風(fēng)4受電磁換向閥3控制，與設(shè)備的啟停信號2保持同步。設(shè)備停止時，電磁換向閥3打開，高壓空氣與吹風(fēng)孔連通，對殘留在圓弧凹槽內(nèi)的煙支5進行清理，延時1 s后，清理吹風(fēng)4自動關(guān)斷，清理吹風(fēng)控制如圖8所示。

3 試驗驗證

3.1 材料與方法

3.1.1 材料

卷煙紙：HH150-S，華豐紙業(yè)股份有限公司；

D2搭口膠：玉溪自強卷煙專用膠有限公司；

烤煙型煙絲：遵義軟01，貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司。

3.1.2 設(shè)備

卷接機組：ZJ19型，許昌煙草機械有限責(zé)任公司。

3.1.3 測試方法

烙鐵溫度為250 ℃，機器生產(chǎn)速度為8 000 支/min。連續(xù)生產(chǎn)運行10個臺班，每個臺班抽4組，每組200支，共40組8 000支樣本，統(tǒng)計煙支搭口表面出現(xiàn)污染質(zhì)量缺陷數(shù)量與煙支皺紋質(zhì)量缺陷數(shù)量，并與改進前相同樣本量進行比較。

3.2 試驗效果

改進后，在ZJ19卷接機組上經(jīng)過5個月的使用，煙支導(dǎo)板裝置處未再出現(xiàn)冷凝水。其結(jié)構(gòu)得到簡化，煙支高速運行更趨平穩(wěn)。

由表1可知，使用改進后的煙支導(dǎo)板裝置，該處導(dǎo)致的煙支搭口表面不潔質(zhì)量缺陷率從1.45%降低到0，煙支皺紋質(zhì)量缺陷率從1.16%降低至0.30%。

1. 氣源 2. 啟停信號 3. 電磁換向閥 4. 清理吹風(fēng) 5. 煙支

表1 煙支質(zhì)量缺陷統(tǒng)計表

4 結(jié)論

試驗對YJ19卷煙機煙支導(dǎo)板裝置結(jié)構(gòu)、尺寸和通道內(nèi)空氣相對濕度進行分析，得出煙支導(dǎo)板裝置結(jié)構(gòu)不合理，煙支在輸送過程中抖動且水蒸氣在通道內(nèi)易聚集液化。重新設(shè)計了一種新型煙支導(dǎo)板裝置，利用圓弧凹槽對煙支進行導(dǎo)向，并采用負壓吸附煙支，解決了煙支抖動和水蒸氣液化問題。通過隨機抽樣40組8 000支樣本進行試驗驗證，結(jié)果表明，改進后的煙支導(dǎo)板裝置使用效果良好，皺紋煙支缺陷率從1.16%下降到0.30%，煙支搭口不潔缺陷率從1.45%下降到0。