ZJ116B卷接機組煙絲束緊頭成形研究與改進

王先明，秦承剛，蓋志強，尹剛，曲澤釗，武江，孫珊珊

（山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠，山東青島 266101）

0 引言

ZJ116B 型卷接機組是以ZJ116A 型為技術平臺研制的國產雙煙道細支煙高速生產設備，額定生產速度為10 000支/min，是卷煙企業細支煙生產的主力設備。供絲機的功能是將風送煙絲加工為煙絲束，其內在結構質量是卷煙品質的基礎。不同機型的供絲機構造不同，在工藝性能表現上參差不齊。雙道卷煙機的前、后道也存在差異，在吸絲成形的末端工序上，雙道的零部件結構、形位尺寸、有效長度、吸絲帶運行路徑等方面都有不同。在實際生產運行中發現，前、后道對于煙絲結構、目標質量等變化的工藝適應性能并不相同，個別品牌質量指標的標偏或空頭剔除率會顯著變差，經常出現前道的空頭剔除率數倍于后道的現象。從測量儀器給出的煙支緊頭密度實測圖形可見，后道煙支的緊頭密度明顯高于前道，亦即后道緊頭煙絲的質量比例高于前道；在質量目標和控制水平相同的情況下，前道煙條中兩緊頭中間區段的煙絲質量比例高于后道，雙道煙支的煙絲結構存在著由設備造成的固有差異[1-3]。為提升供絲成形性能，業內同行做了很多改進，但針對超高速卷接組雙道緊頭密度的差異性鮮見研究報道。為此，通過研究質量控制原理，分析煙絲束成形工藝過程，設計改進了前道質量調整輪擺臂、削刷點上方的吸絲帶支撐導輥，創立了新的目標質量適應性調整方式，提升雙道同質化水平，減少空頭煙支剔除浪費。

1 問題分析

1.1 質量控制與緊頭成形原理

卷接機組的質量控制是一個閉環系統，根據目標質量、實測值控制質量調整輪或劈刀機構的高低位置，調整兩個修整盤與其上方吸絲帶之間的相對距離，兩者之間的煙絲進入煙槍形成煙條，修整盤之下的煙絲被刷絲輪削刷掉落，經傳輸裝置回送到供絲機后身的貯料區，再次進入供絲循環。由圖1可見，以ZJ116B型卷接機組前道為例，兩個修整盤的中心連線與其外圓的交點是與刷絲輪外圓的最近點，是劈刀機構的削刷點。質量調整輪上下調整幅度為5 mm，上限位置是與其相鄰的左導輥與右導輥外圓的公切線，即被兩導輥支撐的吸絲帶；正常工作位置應位于調整幅度的中間，即上限向下2.5 mm處。調整輪根據微波質量檢測控制系統的指令上下浮動，維持煙支平均質量的準確和穩定。緊頭的成形是一個機械加工過程，修整盤凹槽的長度、深度決定著緊頭的結構形狀，其密度是煙絲束成形質量的重要指標，對空頭、水松紙包卷等外觀質量影響較大，與通風度、品吸感觀等內在品質存在較強的相關性。緊頭部位額外加入的煙絲量越多，在整段煙支中所占的煙絲質量比例越大，密度值越高，緊頭之間的中間段的煙絲質量占比就相對變小。緊頭密度取決于劈刀機構對煙絲束的成形加工質量，而質量控制系統對緊頭密度只檢測，不調整[4-5]。

圖1 質量控制執行裝置及劈刀機構主要組件示意圖

1.2 存在的問題

ZJ116B卷接機組雙道導軌的煙絲束路徑高低錯列、互相避讓；路徑上有差異，前、后道上質量調整輪與各自削刷點的相對位置也明顯不同，經常出現前道調整輪壓得很低、與削刷點較為接近的現象。由圖2可見，右側示意的前道質量調整輪擺臂的指向與煙絲束運動方向相反，當需要減小煙支質量時，調整輪向下運動，輪體向兩個修整盤中心連線上的削刷點靠近；當增加煙支質量時，調整輪向上運動，輪體遠離削刷點；而左側示意的后道的調整輪與削刷點的距離相對于煙支質量變化的反應與前道相反。當某一牌號的煙支目標質量較低或煙絲填充值較小時，前道調整輪離削刷點距離變小，而后道的變大，雙道調整輪相對于各自削刷點的距離的綜合差異會變得顯著，超出5 mm的情況經常出現。煙絲束從深導軌到達劈刀盤處兩個頰板組成的淺導軌后，煙絲束下層受到的吸附力會變小，調整輪過于靠近削刷點處的淺導軌等同于更嚴重地封堵了此處的負壓吸風，而且將煙絲束過多地壓出到淺導軌的夾持之外，使進入修整盤凹槽的煙絲束下層煙絲趨于蓬松，緊頭的煙絲量比例會相對減小，密度變低。

圖2 前、后道的質量調整輪與擺臂安裝方向示意圖

當前道的質量調整輪壓低且與削刷點接近時，也會導致調整輪與左導輥之間的吸絲帶傾角比后道的增大更多，這段吸絲帶與修整盤平面的夾角決定了煙絲束削刷成形時的傾角狀態。取決于目標質量、煙絲填充性、修整盤高度等因素，煙絲束在削刷點處的傾角有上仰、下沖、平行3種狀態，通過三維模型與布爾運算可以得到3種不同狀態下煙絲束的成形截面形狀。由圖3可見，截面為矩形的長條模擬煙絲束，雙圓柱體模擬修整盤，布爾運算后交線表示煙絲束與修整盤接觸被剪切的靜態軌跡，交線的截面方向視圖即為動態過程中煙絲束被削刷成形后的外廓示意圖。

圖3 煙絲束相對于修整盤的3種傾角狀態成形模擬示意圖

圖3（a）所示的是煙絲束與修整盤平行的狀態，成形截面呈矩形，底面平整，是理想的成形截面。圖3（b）所示的是煙絲束相對于修整盤下沖的狀態，成形截面的底部兩側凸、中間凹，凹陷會使緊頭缺失煙絲，但兩側凸起的煙絲在下沖時能向中間補充；緊頭縱向外廓顯示，中線左側部分的煙絲量增多，會使右側的內排煙支緊頭煙絲量減少，但由于煙絲束在向前運動的過程中，會受到與運行方向相反的阻力而回退，使緊頭底部外廓趨于正中。圖3（c）所示的是煙絲束相對于修整盤上仰的狀態，煙絲束從低到高以斜向上的運動方向與平準盤邊沿接觸后削刷成形，成形截面的底部是一個中間凸起的尖角，同等質量情況下緊頭煙絲量的比例變小、密度變低；緊頭縱向外廓顯示，中線左側部分的煙絲量減少，煙絲束的運行受阻回退會使左側的煙絲量比例趨于更小，這不但會使外排煙增加更多的空頭缺陷，而且會增大內、外排煙支的差異性，使質量、吸阻等指標的標偏加大。

兩個修整盤旋轉中心線所構造的平面在削刷點與兩側吸槽頰板、吸絲帶、修整盤表面組成一個矩形，這個矩形的面積決定了一定長度內煙絲束的體積，也決定了煙支質量。當吸絲帶與平整盤平行時，如果檢測質量與目標質量相符，成形煙絲束趨向于圖3（a）所示的狀態；如果檢測質量小于目標質量，調整輪抬高使削刷點部位的吸絲帶向上以擴大矩形，使成形煙絲束體積增大，成形煙絲束趨向于圖3（b）所示的狀態；如果檢測質量大于目標質量，質量調整輪壓低以縮小矩形，成形煙絲束趨于圖3（c）所示的狀態。由圖2中右側的前道示意圖可見，左、右導輥水平布置，調整輪在上限位置時，吸絲帶與質量修整盤面平行，在正常工作位置與下限位置時，吸絲帶相對于修整盤斜向上運行，這種兩導輥水平布置的設計使圖3（a）所示的狀態較少出現；圖3（b）所示的狀態屬于目標質量很高的情況，與降耗降焦的發展方向不符，更少出現。為追求降低煙葉單耗，圖3（c）所示的狀態在前道上是最為常見的情況，這種最差狀態制約了卷接機組生產工藝性能的提高。

1.3 常規方法的局限

增加回絲量是改善煙絲束成形的一種常規方法，但削刷回絲也是造碎的過程，回絲量越大意味著供絲機內會循環更多的碎絲，使煙支內原絲比例減小，碎絲比例增加。尤其是當回絲在前、后道上的分配比例嚴重不均時，對雙道的同質化極為不利。

更換高度更小的頰板及提高修整盤的高度是另一種常規方法，所需的更換與調試工作比較多，也有負面效果。修整盤上方的導軌變淺，煙絲束上部受導軌的夾持變弱，底部則更多地暴露在導軌之外，吸力小而變蓬松，緊頭密度變低。當頰板高度較小時，其固定面與修整盤面間隙狹窄而緊固困難，導致積土煙末壓實變硬，引發驅動過載故障。

2 改進方法

以后道的緊頭密度、空頭剔除率等為指標參照，改進前道的調整輪擺臂、削刷點的吸絲帶支撐導輥，提升雙道同質化水平，并且創建一種簡單精細的目標質量適應性調整方式。

2.1 加長前道擺臂

根據原來的調整輪擺臂形位尺寸，前道擺臂長度增加5 mm。由圖2可見，延長擺臂能使前道調整輪工作位置相對于削刷點的距離與后道的趨于一致，消除雙道調整輪相對于各自削刷點距離差異顯著的現象，有利于減輕前道調整輪向下浮動時對頰板淺導軌內吸風的阻滯及將煙絲束壓出淺導軌的程度，有利于減小調整輪與左導輥之間的吸絲帶的傾角，減小圖3（c）所示的煙絲束相對于修整盤上仰的角度，減少煙支空頭缺陷。擺動半徑增大，會略微增大調整輪的實際浮動范圍，在閉環的質量控制沒有影響。

2.2 增大左導輥直徑

由圖4可見，調整輪與左、右導輥的公切線是質量調整的上限位置，軸心向下2.5、5.0 mm分別是中間、下限位置；當目標質量較低時，調整輪的中間位置或上下浮動范圍會被調整下移；公切線即為吸絲帶的運行路徑，由圖中調整輪與左導輥公切線可見，煙絲束在削刷點基本是上仰狀態，目標質量越低，上仰傾角越大。調整輪到削刷點的距離約是左導輥的3倍，調整輪浮動變位對削刷點導軌深度的影響遠小于左輥輪的直徑變化，圖中將左輥輪直徑模擬加大，可見與調整輪在中間位置時的公切線趨于水平，能夠大幅減少、減輕煙絲束削刷成形時的上仰狀態。

圖4 調整輪位置變化對煙絲束傾角影響示意圖

原導輥的直徑是15 mm，保持材質與其他尺寸不變，加大外徑，定制了φ16、φ17、φ18、φ19 mm共4種輥，半徑分別增加0.5、1.0、1.5、2.0 mm。用4種導輥分別代替原機的左導輥，設備穩定全速運行后，取樣檢測煙支密度，結果表明，隨著輥輪直徑的加大，煙支緊頭密度值增加，采用φ18的導輥時，對于當前牌號的煙支，前道緊頭密度與后道的最為接近。將φ18的導輥安裝到左導輥位置，沿吸絲帶運行方向后續的兩個導輥分別用φ17、φ16的導輥，直徑上以0.5 mm半徑差值小幅遞減到原機導輥的φ15。由圖5可見，加長擺臂、擴徑導輥，使削刷點上方的吸絲帶在調整輪設定范圍的中間位置趨于與修整盤平行的狀態，比改進前使煙支緊頭截面底部的形狀更多地趨于圖3（a）、 圖3（b）所示的狀況，有利于提高緊頭密度，減少空頭缺陷。

圖5 擺臂、左導輥改進效果示意圖

擴徑導輥將吸絲帶壓低，在削刷點位置減小了與修整盤的高度，代替了通過更換不同規格的頰板改變修整盤與吸絲帶相對高度以適應目標質量變化的常規方法，安裝調整難度大幅降低；因擴徑導輥的半徑差值相對于頰板規格的差異更小，調整精度更為精細；在生產目標質量較小的煙支時，避免使用高度過小的頰板；針對目標質量不同的卷煙，在工藝上建立擴徑導輥的換裝標準，能夠提升精細化加工水平。對于多數卷接機組，消刷點上方的吸絲帶支撐件無論是導輥還是滑塊，都可以通過更換不同規格的支撐件或增減墊片的方式使緊頭密度明顯改變。這種方法為實現前、后道煙絲束成形結構質量的一致性提供了一種切實可行的途徑，也為各型卷接機組達到較好的煙絲束成形截面以減少空頭缺陷提供了一種簡單、有效的解決方案。

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“泰山（顏悅）”牌卷煙（山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠）。

設備：ZJ116B型卷接機組（常德煙草機械有限責任公司），MW4420 型煙支水分及密度剖面微波測量系統（德國TEWS 公司生產）。

方法：1）ZJ116B機組運行速度為10 000支/min，分別統計改進前、后3周，每周5個工作日，對各班次的總空頭煙支剔除率進行統計，計算每周的平均值；2）在改進前、后3周內每個工作日，機組穩定運行時對卷煙進行一次取樣檢測，每次分別取20支前道卷煙和20支后道卷煙，使用煙支水分及密度剖面微波測量系統，測量記錄煙支緊頭最大密度的平均值，計算各周的平均值。

3.2 數據分析

前道的調整輪擺臂、削刷點上方左導輥等經過改進后，空頭剔除率顯著降低，前道空頭剔除率比后道高出幾倍的情況從經常出現變為偶爾出現，雙道相差懸殊的現象變得稀少。由表1可見，總剔除率從0.53%下降到0.27%；前道煙支緊頭最大密度平均值明顯提高，達到297.81 mg/cm3，同期后道的值為294.28 mg/cm3，雙道趨于一致。

表1 改進前后緊頭密度與空頭剔除率數據對比

4 結論

通過煙絲束緊頭成形研究與改進，揭示了煙絲束傾角狀態對成形質量的影響機理，開創了一種基于目標質量變化提高煙絲束成形質量的技術解決方案。改進后，解決了前、后道緊頭密度差異性較大的問題，消除了前道空頭剔除率經常幾倍于后道的現象。前道緊頭最大密度平均值提高了17.59 mg/cm3，設備總剔除率下降了0.26%。空頭缺陷剔除數量減少及雙道煙絲束成形質量同質化水平的提高，有利于降耗增效和提升產品內在品質，尤其是提高煙支品吸首口感覺的一致性，增強品牌的美譽度。該技術可在其他卷接機組上推廣應用。