復合濾棒雙螺旋中線膠上膠系統設計與應用

羅晟堯，沙利波，包永源，陳方松，李佳燕，高河山，周 正

（1.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠，昆明 650000；2.云南省科學技術院，昆明 650000）

為滿足不同消費群體對卷煙降焦減害、增香補香、新穎獨特等功能性和外觀差異化產品的需求，近年來開發不同規格的復合濾棒產品已成為國內外卷煙企業的研究重點。多元復合濾棒通常含有2～5 種材質基棒，經復合濾棒成型機組卷接成型后用于卷煙生產[1]。目前煙草行業應用較多的是二元、三元復合濾棒，例如活性炭復合濾棒[2]、異形空芯復合濾棒[3]、增香保潤復合濾棒[4]和空腔填料復合濾棒[5]等。在生產實際中，復合濾棒發射時常發生端頭基棒脫出現象，嚴重影響卷煙質量。其原因主要為中線膠粘接質量不良。針對復合濾棒成型機組中線膠施加工藝的研究報道較少。其中，黃秋婷等[6]通過實驗設計，建立復合濾棒搭口膠噴膠嘴口徑與上膠寬度的回歸模型，確定最佳搭口膠的噴膠嘴口徑值，提高設備效率，降低廢品率。倪敏[7]利用FRA3 成型機采用冷、熱2 條搭口膠線并施的方法，改善了普通濾棒搭口膠的粘接效果。徐嵐等[8]設計并應用間斷式上膠系統，解決含空腔結構濾棒上膠問題。目前濾棒成型機組的中心線膠施加方式主要有2 種，一種是自流式施加[9]，另一種是齒輪泵式施加[10]，這些施膠工藝均會在復合濾棒成型紙上形成一條連續的膠水線，用于粘接成型紙和復合濾棒基棒，防止基棒偏移和脫落[11]，但這些方法無法有效解決復合濾棒端頭基棒脫出問題。為此，設計一種雙中線膠上膠系統增大噴涂面積改善膠線噴涂質量，以降低發射時復合濾棒端頭基棒脫出問題的產生。

1 問題分析

1.1 復合濾棒中線膠上膠需求

云煙（大重九）二元復合濾棒單支長度為120 mm，由料棒和白棒2 種基礎濾棒（簡稱為基棒）復合而成。在卷煙工序中，濾棒被切割后形成過濾嘴，過濾嘴與卷制好的煙絲對接后包裹水松紙形成煙支。因此，二元復合棒端頭基棒脫出可能導致煙支長度異常或煙支過濾嘴空腔，嚴重影響煙支品質。

在生產實際中，復合濾棒發射時常發生端頭基棒脫出現象。端頭基棒脫出是指端頭料棒向外脫出，與相鄰白棒形成較大間隙（圖1（a））或掉出（圖1（b））的現象，是二元復合濾棒生產中常見的質量缺陷。該缺陷會導致濾棒卷接煙支后形成空腔，影響消費者抽吸體驗。經過原因分析，造成此種缺陷的原因為中線膠粘接質量不佳。

圖1 端頭基棒脫出實物圖

濾棒復合機上使用的中線膠上膠方法為單螺旋式（圖2）。為解決復合濾棒端頭基棒脫出問題，需要改善中線膠噴涂質量。在實際生產中，對粘接質量影響最大的原因為膠線斷續和膠線偏細。MERLIN 濾棒成型機配置的中線膠檢測方法為水分檢測法，該方法通過檢測成型紙水分確定膠線是否斷續，若不達標則報警并及時剔除，因此膠線斷續對復合濾棒端頭基棒脫出影響不顯著。另一方面，膠線粗細由噴嘴直徑決定，目前所使用的噴嘴直徑為0.3 mm 與0.6 mm 2 種，將0.3 mm 直徑膠嘴更換為0.6 mm 直徑膠嘴后，膠線明顯增粗，但復合濾棒端頭基棒脫出問題仍無法改善，且會導致布帶敷膠嚴重、影響生產效率等問題。因此通過簡單調整設備的方法無法解決該問題。

圖2 單螺旋式噴膠

1.2 中線膠粘接質量改善方向分析

為改善中線膠粘接質量，應考慮從以下幾個方面入手：粘接壓力、成型紙的乳膠滲透性、乳膠黏度及粘接面積。其中，通過檢驗成型紙使用的是10000CU 高透氣度成型紙，乳膠為進口德國漢高乳膠，原輔材料質量合格。粘接壓力主要是靠蜘蛛手與成型紙間的間隙進行調節，經過調整不同間隙寬度端頭基棒脫出數無明顯變化。因此，只能從增大粘接面積方向入手。增大粘接面積最直接有效的方法就是設計雙螺旋中線膠上膠系統。

2 系統設計

2.1 螺旋搭配方式仿真模擬

常見的乳膠上膠的螺旋噴涂方式有正螺旋噴涂和反螺旋噴涂2 種。對于雙膠槍上膠系統的螺旋噴涂方式，即有“正正、正反、反正、反反”4 種螺旋搭配方式（圖3）。通過對雙膠線方程進行擬合，計算后可得出乳膠噴涂面積，見表1。

表1 膠線擬合方程

圖3 膠線仿真模擬

根據仿真結果選用“正反”的噴膠方式。

2.2 乳膠分配器

為實現乳膠分流至2 個膠槍的功能，需要設計一套乳膠分配器。如圖4 所示，乳膠在膠缸內儲存，經過乳膠入口1 流入分配器，電機通過電機軸2 帶動皮帶3 轉動，從而使分配器軸4 轉動，乳膠經過分配器后由出口A5 和出口B6 分流至乳膠管。

圖4 乳膠分配器裝置結構

2.3 程序設計

原單膠槍系統只需通過PLC 控制一個膠槍的噴膠量、輸送氣壓，在更換為雙膠槍噴涂系統后，需要實現2 個膠槍同步精準控制，因此需要重新編寫程序段。如圖5 所示，程序段5 為雙乳膠槍同步噴膠程序段，程序段7、8 為雙乳膠槍氣壓、乳膠供給控制程序段。

圖5 程序段

2.4 參數優化

為尋找最佳乳膠施加量、雙膠槍最佳噴涂氣壓，設計應用中心復合設計（central composite design,CCD）進行試驗設計。試驗因子為1 號膠槍氣壓、2 號膠槍氣壓、乳膠施加量。依據《濾棒成型機維修手冊》，噴涂氣壓應設置在2～4 bar 范圍內；依據《成型車間工藝質量標準》，乳膠施加量在28～32 g/600 m 范圍內。從殘差圖（圖6）看出：數據服從正態分布（圖6（a））；殘差對響應變量擬合值的散點圖（圖6（b））無規律分布，無明顯的漏斗型和喇叭型；殘差對觀測值順序為橫軸的散點圖（圖6（d））表現出隨機在水平軸上下波動，無明顯規律的特性，且沒有表現出異常的升降趨勢，故模型沒有彎曲的趨勢。從等值線圖（圖7）中可以看到，1 號膠槍氣壓、2 號膠槍氣壓越大，乳膠噴涂面積越大。應用響應優化器（圖8）可得出：當1 號膠槍氣壓取4 bar，2 號膠槍氣壓取4 bar，乳膠施加量取30.8 g/600 m 時，噴涂面積最大為168 mm2。

圖6 噴涂面積殘差圖

圖7 噴涂面積與2 號膠槍、1 號膠槍氣壓的等值線圖

圖8 響應優化器圖

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“云煙（軟大重九）”濾棒（紅云紅河煙草（集團）昆明卷煙廠）。

設備：MERLIN 濾棒復合機組（德國HAUNI 公司）。

方法：MERLIN 濾棒成型機生產速度為500 m/min，三班制6 h 運行，統計端頭基棒脫出缺陷濾棒數量及生產總量。統計時間為5 個工作日。

3.2 數據分析

由表2 可見，應用雙螺旋中線膠上膠系統使得粘接面積增大，提高了濾棒中線膠粘接質量，復合濾棒端頭基棒脫出率由1.63‰降低至0.25‰。復合濾棒端頭基棒脫出問題得到了有效解決。

表2 雙螺旋中線膠上膠系統應用前后端頭基棒脫出率對比

4 結論

在MERLIN 濾棒成型機設計并安裝一套雙螺旋中線膠上膠系統，通過膠線仿真、設計乳膠分配器、CCD試驗優化參數、編寫雙膠槍控制程序的方法，利用增大乳膠噴涂面積以提高其粘接質量，解決了復合濾棒端頭基棒脫出率高的問題。以昆明卷煙廠使用的MERLIN 機組測試，結果表明：應用雙螺旋中線膠上膠系統后，復合濾棒端頭基棒脫出率由1.63‰降低至0.25‰，復合濾棒端頭基棒脫出問題得到了有效解決。