濾嘴棒發射彎管軌道總成的設計與改進

吳其鶴，陳錦聰，李鉑穎，唐永良

廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄區新陽路1 號 361026

卷煙設備制造成品煙支的過程中，濾嘴棒的供應是其重要環節之一。濾嘴棒通過發射機被有序接收到卷接機組的濾嘴接裝機的存儲料斗內，以供濾嘴接裝機為切割后的煙條接裝濾嘴棒[1]。此外，濾嘴棒的接收也是卷煙產品質量管控的重要內容，要保障煙支卷接質量，必須有質量穩定的濾棒供應，濾嘴接裝機設備接收得到的濾嘴棒的質量與煙支搓接、最后分切后的成品煙支質量息息相關[2]。目前，國產ZJ17 卷煙機多用于常規煙支（煙支直徑7.8 mm）的生產制造，將其改造后并用于中支煙支（煙支直徑6.36 mm）的生產制造方面所涉及的故障及問題仍有待改進。受濾嘴棒發射機與卷煙機設備的兩者間安裝形式的限制，濾嘴棒輸送過程需要經過一段彎管軌道總成以將縱向方向輸送下落的濾嘴棒轉換為橫向方向輸送。濾嘴棒在輸送過程中由于運行不暢通，易在輸送管道造成堵塞，究其原因，主要由于到達彎管軌道總成上入口處的濾嘴棒易發生重疊、交錯現象或者在彎管軌道總成中濾嘴棒前后造成碰撞、擠壓。濾嘴棒接收過程中的管道堵塞還將引起濾嘴棒觸頭多、彎折、扭皺、破損等質量缺陷的新問題出現。針對濾嘴棒輸送管道堵塞問題，國內相關卷煙工業企業也做了相關探索和技術改進，如凌孝存等[3]采用接收槍導軌改造、濾棒輸送管道泄壓閥改造以及其他綜合技術改造；劉程等[4]采用接收端處壓縮空氣反吹，發射端管道脫開機構配合排空，較好地解決了管道堵塞的問題；李繼波等[5]設計了通過PLC 控制的由四通清管器與輸送管道前端相連接的改進系統，解決了濾棒滯留在輸送管道內的問題。然而大部分改進存在成本偏高、改造涉及范圍廣、持續時間周期長、維護零部件多等問題，且濾嘴棒輸送過程中未引起堵塞但是仍舊存在的觸頭、壓扁、彎折等質量問題的改進以及針對中細支煙支生產的濾棒發射相關問題的探討亦還鮮見報道。

ZJ17 卷接機進行中細支規格改造后，濾棒接收裝置將由輸送粗短濾嘴棒（圓周24.1 mm 長度108 mm）轉變為輸送細長濾嘴棒（中支：圓周19.8 mm，長度120 mm；細支：圓周16.8 mm，長度120 mm），原輸送裝置無法適應改造后中細支煙用濾嘴棒的穩定輸送。為此，基于ZJ17 卷接機的原先的濾棒發射接收裝置，重新設計了用于實現濾嘴棒從縱向輸送轉換為橫向輸送的彎管軌道總成的結構與零配件裝配形式，以保留常規煙支濾嘴棒穩定輸送的功能并解決ZJ17 卷煙機進行中細支規格改造后濾嘴棒在彎管軌道總成處的堵塞現象，降低了濾嘴棒接收到存儲料庫后的彎折、扭皺、觸頭、爆口、壓扁、環皺、破損等質量問題的出現概率，提高設備的穩定性和生產效率。

1 問題分析

基于目前的濾棒發射方式，濾嘴棒由FILTROMAT 1S 發射機發射，通過輸送管道從縱向方向進入彎管導軌總成后進入橫向輸送段，最后到達濾嘴接裝機的濾嘴棒存儲料斗中。如圖1 所示，彎管軌道整體結構兩端切線夾角為90°，實現濾嘴棒從發射機到接收裝置縱向到橫向90°的輸送方向的改變。在彎管軌道總成上，濾嘴棒的輸送通道主要由兩部分組成，下半部分為彎管軌道的“V”型凹槽，上半部分為弧形彈性板件。如圖2 所示，彎管軌道總成通過螺釘固定連接在直角連接件上最終與濾嘴棒的橫向輸送段的側壁固定在一起。直角連接件上采用銷子穿過彎管軌道上的腰型孔以定位弧形彈性板件的濾嘴棒的出口端位置，入口端位置則直接通過彎管軌道上的螺紋孔進行固定連接。ZJ17 卷接機幾十年的應用實踐證明了該接收方式在常規煙支（煙支直徑7.80 mm）的生產應用過程中，接收得到的濾嘴棒質量穩定，每班生產過程中發生濾嘴棒堵塞的概率幾乎為0。然而在將原用于常規煙支（煙支直徑7.80 mm）卷煙生產的ZJ17 設備改造成用于生產中支（煙支直徑6.36 mm）煙支后，在調試濾嘴棒接收的過程中發現，當其到達彎管軌道之后極易造成濾嘴棒的重疊、打橫、大幅度彎折現象的發生從而導致濾嘴棒的堵塞，如圖1 所示，嚴重時甚至在垂直橫向輸送段的方向上出現由于多根濾嘴棒并排或擠壓在一起導致彎管軌道的防護門被頂開的現象。

圖1 彎管軌道總成實物圖及濾嘴棒堵塞現象示意圖Fig.1 The diagram of the elbow track assembly and the schematic diagram of the blockage of the filter rod

圖2 濾嘴棒接收裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the filter rod receiving device

為便于分析，定義濾嘴棒在彎管軌道運輸過程中的占空比概念，即：

R=b/(a+b+c)×100%

其中，R 為占空比，通道中，被輸送濾棒的徑向方向上，濾嘴棒頂部與彎管軌道總成中彈性板件的距離為a、濾嘴棒下端部與彎管軌道極限底部的距離為c，b 為濾嘴棒的直徑（mm）。

圖3 左圖為濾嘴棒在彎管軌道總成輸送通道中出口端與入口端的截面示意圖，根據圖示，濾嘴棒在進入彎管軌道總成的占空比R進為45.65%(其中a=5.00 mm，b=6.30 mm,c=1.00 mm)；濾嘴棒在彎管軌道總成出口，進入直角連接件之前，其占空比R出為51.22%(其中a=4.50 mm，b=6.30 mm,c=3.00 mm)。計算可得，濾嘴棒在彎管軌道總成進行輸運時，其縱向占空比都在50%左右，濾嘴棒的可竄動空間大，且由于濾嘴棒本身具有一定的彈性，在高速輸送過程中，容易造成同一截面上兩根濾嘴棒疊加的現象，從而造成輸送過程濾嘴棒的堵塞而無法進入到濾嘴棒接收裝置的橫向輸送段。

此外，通過10 個生產班次在人員午餐1 h 停機期間對濾嘴棒發射和接收功能進行測試，統計造成濾嘴棒接收過程堵塞故障的相關數據見表1。其中，濾嘴棒為廈門煙草工業有限責任公司生產的“七匹狼（純境）”卷煙產品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒，濾嘴棒生產設備為KDF4 成型機，發射設備為FILTROMAT 1S，接收設備為E-J4#的卷接機，濾嘴棒接收速度為14 m/s。

表1 E-J4#濾嘴棒堵塞位置統計表Tab.1 Statistical table of E-J4# filter rod blockage position

表1 可以看出，濾嘴棒被接收過程出現彎管軌道總成處的堵塞頻次最高，在整個觀察周期中占比82.3%。相比于進行中細支規格改造前的常規生產設備，濾棒接收過程引起的故障率大大提高，在1 h 的測試時間段內的結果尚且如此，投入實際生產中將嚴重影響機臺生產效率。

在濾嘴棒極易堵塞在彎管軌道的情況下，繼續統計期間連續發射過程中獲得的濾嘴棒質量。由于濾嘴棒運行過程中占空比小，使得其在較大的可竄動空間中運動時運動軌跡變化大，運動過程的平順性降低，同時提高了濾嘴棒的碰撞、擠壓等質量損耗事件的發生概率，造成濾嘴棒從發射機到卷煙機濾嘴棒料庫的二次質量缺陷。主要的質量缺陷有觸頭、彎折、扭皺、壓扁、破損等，如圖4 所示。引起上述問題的主要原因為：（1）彎管軌道總成形成的濾嘴棒輸送通道在濾嘴棒縱向截面方向上，濾嘴棒與彎管軌道總成輸送通道的占空比小；（2）彎管軌道的兩端的切線夾角為90°，濾嘴棒從縱向方向轉變為橫向輸送的變化轉角過大。

圖4 缺陷濾嘴棒示意圖Fig.4 Defective filter rod diagram

為適應當前中支煙支的生產要求，減少濾棒輸送管道堵塞故障以及保證濾嘴棒接收前后的質量一致性，減少不必要效率損失及人力資源浪費。從使用成本上考慮，為進一步提高該彎管軌道的零件互換性，提出了一種可變彎管軌道的濾嘴棒輸送方案，通過改變彎管軌道兩端切線的夾角以及彈性板件的收尾固定形式，實現不同規格濾嘴棒在彎管軌道總成輸送通道的適應性，可根據需要調節濾嘴棒的占空比。

2 改進設計

2.1 彎管軌道整體改進

為增加濾嘴棒在運行過程中的平順性，減少輸送過程中前一根濾嘴棒的末端與后一根濾嘴棒的首端碰撞時的撞擊強度，導致觸頭等二次質量缺陷的產生，我們在彎管軌道與改進前同等高度（300 mm）的基礎上，綜合考慮發射機、發射管道與設備的布局和位置因素，將其首尾兩端切線夾角的角度改進設計為135°，如圖5 所示，彎管軌道為整體一體制造，其V”型槽采用高速切削分層逼近的加工方法，也叫插補加工[6]。即使濾嘴棒發射后，縱向方向與橫向方向的轉換角度改進為135°。相比于改進前，濾嘴棒到達彎管軌道總成后沿該輸送通道方向上在相同的速度條件下，受到的慣性沖擊小，運行更平穩。

圖5 改進后的彎管軌道總成示意圖及局部放大示意圖）Fig.5 Schematic diagram and partial enlarged schematic diagram of the improved elbow track assembly

2.2 可變通道形式的設計

改進后該夾角增大，由于高度一致，根據代數計算可知彎管軌道的有效長度增加，相應地增加彈性板件的弧線調節裝置的數量。如圖5 所示，彈性板件調節裝置主要由彈性板件調節支架、彈簧、調節螺釘等組成，調節原理為：調節螺釘穿過調節支架上的孔，接著套上一個彈簧后，鎖在彎管軌道預先開設的螺紋孔上，調節支架有折角的一端與彈性板件接觸。通過順時針或者逆時針旋轉調整螺釘使整個調整支架下移或者上升，其折角端便將彈性板件往下壓或者上抬，從而改變彈性板件與彎管軌道上“V”型槽的距離。在彎管軌道上均勻分布的多個彈性板件調節裝置共同作用將其限制成所需要的弧形板條，最終實現濾嘴棒輸送通道中間部位的調節。

濾嘴棒在彎管軌道縱向截面上的占空比是其造成堵塞、疊棒等的重要因素，且設計改進的彎管軌道仍為一體制造，即該輸送通道的下半部分不可改變，因此彈性板件作為濾嘴棒在彎管軌道總成輸送過程中的通道上極限位置零件，其更重要的影響因素是首尾兩端的固定方式及固定位置。如圖6 所示，左邊2 圖為改進后的彎管軌道總成示意圖，右邊為彎管軌道總成濾嘴棒出、入口端的細節圖。在綜合考慮彎管軌道的零件互換性以及濾嘴棒輸送過程中縱向占空比可控的情況下，需要使彈性板件的位置可根據實際情況調節變化。

圖6 彎管軌道總成實物圖及濾嘴棒出、入口局部圖Fig.6 The physical drawing of the elbow track assembly and the partial drawing of the outlet and inlet of the filter rod

改進設計的彈性板件在首尾端相應位置有設計一光孔，結合圖5 所示，主要從兩方面實現通道可調節功能。（1）入口端：入口固定座為一個“一”字型座塊，正面設計有階梯腰型孔，側面設計有螺紋孔以通過螺釘將彎折后的彈性板件連接在入口固定座上。彎管軌道在濾嘴棒入口端設計有兩個沿其徑向方向的長孔。彈性板件在入口處的連接為：用兩顆M4 的緊固螺釘穿過入口固定座的階梯腰型孔，分別穿過彎管軌道相應位置處的長孔，與設計有相應螺紋孔的薄板零件通過螺紋連接，完成與彎管軌道的裝配連接。只要改變兩顆緊固螺釘在彎管軌道長孔上固定入口固定座的位置，就能改變彈性板件在彎管軌道入口處徑向方向上的高低。（2）出口端：出口固定座為一個“L”型座塊，正面長段設計有階梯腰型孔，短段側面設計有螺紋孔以通過螺釘將彎折后的彈性板件連接在出口固定座上。彎管軌道在濾嘴棒出口端區域豎直方向上設計有兩個螺紋孔以裝配出口固定座。彈性板件在出口處的連接為：用兩顆M4 的緊固螺釘穿過出口固定座的正面的階梯腰型孔并連接在彎管軌道上。出口固定座以反“L”的形式被固定在彎管軌道上，由于該階梯腰型孔是長孔，只要改變出口固定座被緊固的上下位置就能改變彈性板件在彎管軌道出口處徑向方向上的高低。

實際生產過程中，可以根據濾嘴棒的規格要求調整入口固定座與出口固定座相對于彎管軌道的相對位置，同時調整彈性板件調整裝置，實現濾嘴棒在彎管軌道總成中輸送時縱向方向上的占空比調控。根據改進設計實際，該形式下濾嘴棒輸送通道的調整范圍廣，為直徑5～11 mm，相應地，濾嘴棒輸送中占空比可調范圍達45%～71%，針對目前的市場熱門的中支煙支產品，甚至常規煙支煙支產品的濾嘴棒發射要求都能得到滿足。同時極大地提高了彎管軌道總成做為零部件的互換性，降低生產成本，且維護簡易方便。

3 改進結果

3.1 試驗設計與條件

改進設計后的彎管軌道總成，通過連續5 d 10 個生產班次（每個班次為8 h）對濾嘴棒進行發射接收試驗，統計連續10 個生產班次下發生在彎管軌道處的濾嘴棒堵塞現象的次數。通過對比改造前后連續5 d 早班停機期間1 h 濾嘴棒二次質量缺陷數量的統計，綜合對比分析改進彎管軌道后對濾嘴棒產生二次質量缺陷的影響。

濾嘴棒為廈門煙草工業有限責任公司生產的“七匹狼（純境）”卷煙產品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒，濾嘴棒生產設備為KDF4 成型機，發射設備為FILTROMAT 1S，接收設備為E-J4#的卷接機，濾嘴棒接收速度為14 m/s。觀察統計質量缺陷時，測試過程中每輪測試取7 盤濾嘴棒，濾嘴棒通過發射后到達卷煙機貯料區后采用人工方式手捧至煙盤中，1盤約6000 根濾嘴棒。

3.2 數據分析

表2為連續10個生產班次下發生在彎管軌道處的濾嘴棒堵塞現象的統計。相比于改進前僅測試停機1 h的時間段彎管軌道處的堵塞頻率高達83.2%的結果，在擴大了測試的時間范圍后，其結果仍遠遠優于改進設計前。表3 為改進前停機1 h 期間濾嘴棒發射過程中平均每盤濾嘴棒二次質量缺陷的數量，在經過彎管軌道的改進設計，并調試完成應用生產后，根據表4可以發現彎折和觸頭的質量缺陷大大減少，扭皺、壓扁、破損等缺陷的數量也明顯降低，每盤平均缺陷占比由原來的13.3%降低為0.42%，進一步表明彎管軌道總成的設計改進對于濾嘴棒發射過程的平順性和穩定性得到了明顯提升。

表2 改進后E-J4#濾嘴棒彎管軌道處堵塞統計表Tab.2 Statistical table of blockage at the track of the improved E-J4# filter rod elbow

表3 改進前E-J4#濾嘴棒二次質量缺陷統計表Tab.3 Statistics table of secondary quality defects of E-J4# filter rod before improvement

表4 改進后E-J4#濾嘴棒二次質量缺陷統計表Tab.4 Statistical table of secondary quality defects of E-J4# filter rod after improvement

4 結論

通過改進彎管軌道的角度，將其兩端切線夾角改進為135°，以及重新設計彈性板件的在彎管軌道出、入口位置可調節的固定方式，實現了濾嘴棒接收裝置的彎管軌道總成對中支濾嘴棒的平穩輸送接收，彎管軌道總成的可變通道設計還可根據不同規格的濾嘴棒輸送要求，調整合適的濾嘴棒占空比，使彎管軌道總成零部件具備互換性，方便維護保養的同時進一步降低生產成本。以廈門煙草工業有限責任公司生產的“七匹狼（純境）”卷煙產品的“120 mm-3000 Pa（19.8 mm）”醋纖濾棒為對象進行測試，結果表明：改進設計后，濾嘴棒在彎管軌道總成處的堵塞概率為0%，提高生產的穩定性，且每盤平均缺陷占比由原來的13.3%降低為0.42%，明顯降低了改進前產生的觸頭、彎折、扭皺、壓扁、破損等濾嘴棒二次質量缺陷的產生。