PROTOS-M5 卷煙機失火防控裝置的應用與改進

陳榮林，陳 杰

（江蘇中煙工業有限責任公司徐州卷煙廠，江蘇徐州 221000）

0 引言

PROTOS-M5 卷煙機組是從德國HAUNI 公司引進的高速卷煙設備，其生產速度為12 000 支/min，該機技術先進、結構緊湊，由煙絲成型機（VE）、煙條成型機（SE）、濾嘴接裝機（MAX）、在線激光打孔機（LASER）等部分組成，目前已成為國內卷煙企業的主流設備。不過，該機組在生產中多次出現刀頭箱內散落堆積的煙條、煙絲和煙塵被方刀打磨時產生的火花點燃、激光打孔聚焦頭處堵塞的煙支或煙紙被高頻激光束點燃等情況，多數火花在沒進入廢煙收集箱之前都已熄滅，嚴重時點燃的煙支或煙沫被卷入廢煙收集箱中或者在刀頭箱內陰燃造成失火。為此，設計刀盤箱氣吹式自清潔裝置，減少刀盤箱內的煙塵堆積量，利用數字式激光傳感器檢測激光焦點處的堵塞情況，以期降低PROTOS-M5 卷接機組的失火風險，進一步提高機組的安全可靠性。

1 危險源分析

1.1 煙條切割刀盤箱

煙條切割刀盤箱用于將成型煙條切割雙倍長煙條段，主要由刀盤、砂輪、方刀等組成。砂輪在磨刀過程中會出現磨削火花的現象，煙條切割過程中方刀旋轉離心力使煙條段中造碎煙沫、煙梗和煙紙等飛濺，這些物質一部分會經由輸送帶運送至廢煙收集箱，另一部分會堆積在刀盤箱死角區形成易燃煙塵，形成失火危險源。通過每日早班對刀頭箱使用吸塵器保養并對吸塵量進行稱重記錄，單機臺日均積塵量達660 g，刀盤箱內堆積煙塵量較多。

1.2 煙支激光打孔

PROTOS-M5 卷接機組使用脈沖CO2激光器[1]，其原理是通過高頻發生器激發諧振腔產生激光束，經光路多次轉向聚焦透鏡將射線聚焦在煙支濾嘴上，激光器相應地成組產生激光脈沖，從而形成均勻分布的橢圓形孔眼。激光峰值功率密度計算公式：

式中Ip——峰值功率密度

Pav——激光平均功率

a——橢圓長半軸長

b——橢圓短半軸長

D——脈沖占空比

實際運行參數：Pav取35 W，D 取7%，橢圓的長半軸的a取0.03 cm、b 取0.01 cm。計算可知，峰值功率密度Ip達5.3×105W/cm2。生產中多次發生煙支或雜物卡滯在搓滾小輪、防護板以及激光焦點之間且不影響正常運行的情況，PROTOS-M5機組無法識別此類堵塞，造成高能激光束長時間聚集在堵塞煙支或雜物上，聚集的能量使雜物表面溫度迅速到達燃點。

2 改進辦法

2.1 設計刀盤箱氣吹式自清潔裝置

由于切割方刀的韌性要求高，無法更換為硬質合金，為保證切刀的鋒利性，磨刀砂輪無法拆除，因此以減少刀盤箱死角區煙塵量為改進方向，設計刀盤式氣吹式自清潔裝置。

改進后刀盤箱氣吹式自清潔裝置主要PLC、二位三通電磁閥、光電耦合器和噴嘴等組成（圖1）。PLC 以砂輪電機啟動信號作為刀頭箱自清潔裝置啟動信號，通過光電耦合器電氣隔離提高電路系統的抗干擾性能，利用間歇使能程序控制二位三通電磁閥的通、斷。噴嘴則安裝在刀盤箱保養死角區，當清潔吹氣時死角區的煙塵被吹至輸送帶，最后進入廢煙收集箱。

圖1 刀盤箱自清潔系統

2.2 加裝激光焦點傳感器

為實時監控激光打孔焦點處的堵塞情況，設計安裝有激光焦點傳感器（圖2）。傳感器的選型主要考慮的因素有：檢測物體的形狀大小，檢測物體的顏色，檢測物體周圍其他傳感器發射光顏色，環境背景顏色，檢測距離以及檢測環境等。

圖2 激光焦點傳感器安裝位置

由于檢測物體為堵塞在透鏡座處的濾嘴煙支和濾嘴等，基于PROTOS-M5 卷接機組機械結構以及聚焦頭處堵塞位置，優選數字式區域性激光傳感器[2]。設計了可調節傳感器支架，可以根據支架位置、檢測距離（70±15 mm），激光傳感器支架可根據需要向上、向下或向左、向右調整，確保激光焦點測量窗位于最佳位置。為避免內部粉塵造成傳感器表面臟污的問題，使用數字信號放大單元根據運行工況實時調節閾值能夠有效提升檢測的準確性，同時在傳感器鏡面附近設計了實時吹風清潔裝置。激光焦點傳感器長時間運行時，現場工況以及環境粉塵等均會影響檢測的可靠性，因此信號放大器[3]使用亮度閾值和暗度閾值雙通道信號。其中，亮度閾值識別激光焦點的堵塞情況，暗度閾值識別傳感器自身的臟污情況。

3 應用效果

改進后，隨機抽取一臺正常生產的PROTOS-M5 卷接機組作為試驗設備。機組工作條件，按照早班、中班正常倒班運行16 h，班前保養20 min，日保養60 min，連續生產13 d，每日對機組刀盤箱日保積塵量、激光焦點處異物堵塞次數及灼燒次數等指標進行統計，激光焦點異物灼燒率=激光焦點處異物灼燒次數/堵塞次數×100%。實驗結果表明：煙條切割刀盤箱改進前日保積塵量平均為663 g/d，使用氣吹式自清潔裝置后，針對刀頭箱死角的煙塵由兩個噴嘴進行間歇式吹氣清潔，日保積塵量降低至64.7 g/d，改善效果明顯；加裝激光焦點傳感器后，可以有效監控焦點處的異物，激光焦點異物灼燒率由50%下降至0%。

4 結論

PROTOS-M5 卷接機組應用刀盤箱氣吹式自清潔裝置后，大幅減少了刀盤箱煙塵堆積量，有效降低了內部陰燃風險，利用激光焦點光電傳感器可以有效識別堵塞在激光焦點處的雜物。通過以上失火防控裝置的應用，提高了設備可靠性，保障了企業安全生產。