巴云鵬，唐蓉，唐向陽，劉寶才，劉海風(fēng)

煙草設(shè)備

正六邊形造紙法再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

巴云鵬，唐蓉*，唐向陽，劉寶才，劉海風(fēng)

云南昆船環(huán)保技術(shù)有限公司，昆明市官渡區(qū)昆船工業(yè)區(qū) 650051

正六邊形再造煙葉產(chǎn)品絲長(zhǎng)的均一性較好，但目前國(guó)內(nèi)外尚未有此類產(chǎn)品的分切設(shè)備。通過理論分析、分切設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定刀系統(tǒng)、動(dòng)刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)、定刀系統(tǒng)與動(dòng)刀系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，研制出了正六邊形產(chǎn)品的分切設(shè)備。研制的分切設(shè)備連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明該設(shè)備工作穩(wěn)定，生產(chǎn)的產(chǎn)品外形規(guī)則統(tǒng)一，尺寸滿足生產(chǎn)工藝要求，正六邊形再造煙葉產(chǎn)品成型率為93.68%，碎片率為2.02%，大片率為4.3%。

造紙法；再造煙葉；六邊形；分切機(jī)；成型率；碎片率

隨著煙草行業(yè)降焦減害工作的不斷深入，再造煙葉產(chǎn)品在卷煙配方中使用比例在逐步增加，因此中式卷煙對(duì)造紙法再造煙葉也提出了更高要求[1,2]。再造煙葉在應(yīng)用過程中與煙葉摻配并經(jīng)過一系列制絲工藝加工，其摻配的均勻性、物理及化學(xué)指標(biāo)的變化等均可影響卷煙產(chǎn)品的品質(zhì)[3-9]。很多學(xué)者對(duì)再造煙葉分切片型及面積大小對(duì)再造煙葉成絲效果的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：現(xiàn)有的四邊形或不規(guī)則片型再造煙葉切絲后長(zhǎng)度較煙葉絲偏長(zhǎng)，同時(shí)中絲率和碎絲率與再造煙葉的片型結(jié)構(gòu)及面積大小有關(guān)；正六邊形（邊長(zhǎng)24.8mm）再造煙葉產(chǎn)品與相同面積的菱形（40mm×40mm）再造煙葉產(chǎn)品進(jìn)行比較，正六邊形產(chǎn)品切絲后不存在大于50mm的長(zhǎng)絲，而且正六邊形再造煙葉產(chǎn)品切絲后絲長(zhǎng)在20～50mm范圍內(nèi)的較菱形產(chǎn)品提高了11.23%，說明正六邊形再造煙葉產(chǎn)品可以大大降低相對(duì)較長(zhǎng)和較短絲的比例，使再造煙葉切絲后絲長(zhǎng)的均一性更好[10-15]。

目前國(guó)內(nèi)外再造煙葉加工企業(yè)普遍采用的是四邊形或不規(guī)則片型的分切設(shè)備，尚未出現(xiàn)可加工正六邊形產(chǎn)品的分切設(shè)備。為此研制了一臺(tái)能將整幅造紙法再造煙葉分切為正六邊形產(chǎn)品的設(shè)備，為卷煙企業(yè)提供更適應(yīng)制絲工藝要求的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品，從而提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。

1 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切原理

再造煙葉加工是一個(gè)連續(xù)成型的過程，只有在紙幅的運(yùn)動(dòng)方向（即縱向）和固定寬度方向（即橫向）皆將其有效切斷，才能將整幅造紙法再造煙葉分切為小片。本文提出了一種將整幅造紙法再造煙葉分切為正六邊形產(chǎn)品的方法，既能獲得形狀和尺寸滿足工藝要求的正六邊形產(chǎn)品，又能最大限度利用整幅再造煙葉，如圖1所示。

圖1 蜂窩狀切割示意圖

為實(shí)現(xiàn)正六邊形切割，沿紙幅橫向?qū)⒎涓C狀的每一排正六邊形劃分為上下對(duì)稱的兩半，即形成多條上、下半部分切割軌跡，將上半部分軌跡橫向平移一個(gè)正六邊形對(duì)角線長(zhǎng)度，則與下半部分軌跡完全一致。由此可見，通過將刃口形狀尺寸與切割軌跡一致的多排刀片交錯(cuò)布置，再調(diào)整相鄰兩排刀片切割作用的間隔時(shí)間以控制正六邊形的高度，即可將紙幅連續(xù)分切得到滿足尺寸要求的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 劃分為多排的切割軌跡示意圖

2 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述正六邊形再造煙葉產(chǎn)品的分切原理，本文設(shè)計(jì)了一種正六邊形產(chǎn)品的分切設(shè)備。該設(shè)備由進(jìn)料系統(tǒng)、動(dòng)刀系統(tǒng)、定刀系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)體組成，如圖3所示。進(jìn)料系統(tǒng)包括翻板門與引紙裝置；動(dòng)刀系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)的刀輥及固定在刀輥上的多排動(dòng)刀；定刀系統(tǒng)包括定刀及其固定支撐；傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、皮帶和皮帶輪；機(jī)體為整個(gè)設(shè)備的支承固定部件并提供安全保護(hù)。

該設(shè)備通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)刀系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，與機(jī)體上的定刀系統(tǒng)配合將通過進(jìn)料系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)入的紙幅分切，形成滿足工藝要求的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品。其工作原理是在動(dòng)刀系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)刀輥上布置多排動(dòng)刀，保證動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)的線速度與紙幅生產(chǎn)速度相匹配，通過動(dòng)刀與定刀配合對(duì)紙幅進(jìn)行分切，得到符合工藝要求的再造煙葉產(chǎn)品。

圖3 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證定刀能夠與多排交錯(cuò)布置的動(dòng)刀均可有效配合以對(duì)紙幅形成剪切作用，定刀刃口的形狀尺寸須與每排動(dòng)刀的割痕相匹配，如圖4所示，按照前述原理，將符合正六邊形分切工藝尺寸要求的兩種切割軌跡疊加，形成的實(shí)線即為交錯(cuò)的動(dòng)刀與定刀配合形成剪切的軌跡，因此定刀刃口按圖4中實(shí)線的形狀設(shè)計(jì)。

圖4 六邊形分切動(dòng)刀軌跡重合示意圖

除此之外，由于造紙法再造煙葉運(yùn)動(dòng)速度快且比重較小，容易受氣流影響造成擺動(dòng)，不利于分切成型，因此在設(shè)計(jì)定刀系統(tǒng)時(shí)，還需考慮定刀對(duì)紙幅進(jìn)行支撐，使紙幅在分切時(shí)保持平整、穩(wěn)定。

2.3 動(dòng)刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)刀系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)的刀輥及固定在刀輥上的多排動(dòng)刀，動(dòng)刀在圓周上均勻布置。

2.3.1 動(dòng)刀的排列

由于正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切時(shí)多排刀片之間需要保持一定的間隔時(shí)間，以形成滿足正六邊形產(chǎn)品工藝要求的縱向高度。本文結(jié)合某再造煙葉生產(chǎn)線的紙幅生產(chǎn)速度，綜合考慮設(shè)備外形與安裝尺寸的限制，以及加工難度和制造成本等因素，確定了動(dòng)刀系統(tǒng)外徑，最終將動(dòng)刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由24排動(dòng)刀均勻分布在刀輥圓周上的結(jié)構(gòu)。

為提高動(dòng)刀加工制造及安裝更換效率，將整排動(dòng)刀設(shè)計(jì)為由多片尺寸一致的獨(dú)立動(dòng)刀組成，每片動(dòng)刀獨(dú)立安裝固定于動(dòng)刀架上，多片動(dòng)刀安裝后構(gòu)成整排的動(dòng)刀。相鄰兩排刀片按照一個(gè)正六邊形對(duì)角線長(zhǎng)度的交錯(cuò)距離布置，相鄰兩排動(dòng)刀交替與定刀相互作用將紙幅分切形成完整的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品。

2.3.2 動(dòng)刀設(shè)計(jì)

為滿足正六邊形片型的分切要求，每片動(dòng)刀的刃口需與正六邊形片型的尺寸及形狀一致，每片動(dòng)刀的外形與定刀的刃口形狀尺寸匹配。為此將動(dòng)刀設(shè)計(jì)為刀刃向動(dòng)刀旋轉(zhuǎn)方向彎曲的結(jié)構(gòu)，能更有效的對(duì)再造煙葉形成剪切撕扯作用，如圖5所示。

圖5 動(dòng)刀外形示意圖

2.4 定刀系統(tǒng)與動(dòng)刀系統(tǒng)的配合設(shè)計(jì)

根據(jù)蜂窩狀的切割成型原理，每排切割的軌跡并非為一條直線，因此采用動(dòng)刀與定刀相配合對(duì)紙幅進(jìn)行剪切，以獲得滿足要求的多排切割軌跡。正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)的動(dòng)刀與定刀之間應(yīng)保留適當(dāng)?shù)拈g隙，以便于裝配并確保動(dòng)刀高速旋轉(zhuǎn)時(shí)正常運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 動(dòng)刀與定刀配合示意圖

另外，由于定刀的刃口僅保留每排切割軌跡重合的部分，因此動(dòng)刀與定刀按照定刀刃口的外形對(duì)紙幅形成剪切后，其余的部分通過動(dòng)刀的刃口繼續(xù)撕扯成型，剪切與撕扯的軌跡如圖7所示，圖中實(shí)線部分為定刀與動(dòng)刀剪切形成的軌跡，虛線部分為再造煙葉沿動(dòng)刀刃口撕扯的軌跡。

圖7 正六邊形葉片分切撕扯軌跡示意圖

為了讓定刀與動(dòng)刀有效地形成剪切與撕扯延伸的效果，將定刀設(shè)置在動(dòng)刀輥圓周上十點(diǎn)鐘的位置，如圖8所示。旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀與定刀完成對(duì)紙幅剪切后，繼續(xù)對(duì)紙幅形成撕扯作用，使紙幅在連續(xù)剪切與撕扯的共同作用下被分切為滿足工藝要求的正六邊形產(chǎn)品。

圖8 動(dòng)刀與定刀位置示意圖

2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備采用“電機(jī)變頻調(diào)速＋旋轉(zhuǎn)編碼器電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋”的控制模式，實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合電機(jī)、減速機(jī)的選型參數(shù)，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制刀輥上動(dòng)刀的切割速度，確保動(dòng)刀系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速與紙幅生產(chǎn)速度相匹配，保證分切后的片形及尺寸滿足工藝要求。

電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：

式中：1電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

1皮帶輪傳動(dòng)比；

2減速電機(jī)傳動(dòng)比；

再造煙葉生產(chǎn)速度，m/min；

分切的片型高度，m；

動(dòng)刀排數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合電機(jī)、減速機(jī)的選型參數(shù)，通過變頻器調(diào)整控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)分切機(jī)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)出合格的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品。

3 應(yīng)用效果

3.1 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)分切效果

本文研制的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)實(shí)現(xiàn)了正六邊形再造煙葉產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品如圖9所示，其外觀規(guī)則統(tǒng)一，尺寸符合工藝要求。圖10為正六邊形再造煙葉產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖9 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品

圖10 正六邊形再造煙葉生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品成型率

3.2.1 檢測(cè)原料及儀器

原料：邊長(zhǎng)為20 mm的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品。

主要儀器：TCS－500電子臺(tái)秤（瑞士Mettler Toledo公司）；GTS－0830滾筒篩（多段篩），兩段篩網(wǎng)孔直徑分別為10 mm和50 mm（河南宏智機(jī)械制造有限公司）。

3.2.2 檢測(cè)方法

在打包完成的成品中隨機(jī)選取5箱，每箱取樣1次，每次取500 g作為待測(cè)樣品，計(jì)為Mn。將樣品中最大外形尺寸小于10 mm的碎片及大于50 mm的大片篩出稱重計(jì)量，以計(jì)算樣品的碎片率、大片率和成型率。

將3個(gè)取樣袋分別接入滾筒篩出料口，啟動(dòng)設(shè)備待運(yùn)行穩(wěn)定后，從進(jìn)料口均勻倒入5個(gè)樣品，選用篩孔直徑尺寸為10 mm和50 mm的兩段篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，篩出碎片與大片，篩分完成后取下樣品袋，依次稱量各樣品篩出物的樣品質(zhì)量，并記錄篩出物碎片M1a、合格片M1b和大片M1c的質(zhì)量，篩出物比例分別記為（M1a/m）×100%、（M1b/m）×100%、（M1c/m）×100%，計(jì)算得到各種原料樣品的碎片率、合格率、大片率，結(jié)果修約至0.1%。

3.2.3 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)分析，正六邊形再造煙葉產(chǎn)品（5個(gè)樣品）的碎片率、成型率、大片率，如表1所示。

表1 正六邊形再造煙葉產(chǎn)品檢測(cè)分析表

Tab.1 Inspection and analysis table of hexagonal reconstituted tobacco products

樣品編號(hào)碎片率/%成型率/%大片率/% M11.594.93.6 M22.293.64.2 M33.092.24.8 M41.694.93.5 M51.892.85.4 平均值2.093.74.3

由表１可知，采用正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)生產(chǎn)的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品，碎片率最高為3%，最低為1.5%，平均為2%；成型率最高為94.9%，最低為92.2%，平均為93.7%；大片率最高為5.4%，最低為3.5%，平均率為4.3%，未發(fā)現(xiàn)尺寸≥150mm的連片。正六邊形再造煙葉分切機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品一次成型率較高，超過92%，碎片率與大片率較低。由于在紙幅邊緣無法形成連續(xù)完整的切割軌跡，因此產(chǎn)品中存在碎片與大片，后續(xù)可以通過篩分設(shè)備將產(chǎn)品中的碎片與大片篩除，以提高最終成品的成型率。

綜上所述，本文研制的正六邊形再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)實(shí)現(xiàn)了正六邊形再造煙葉產(chǎn)品在再造煙葉加工行業(yè)中從無到有的突破，產(chǎn)品成型率較高，超過了92%，產(chǎn)品尺寸與形狀的均勻性、一致性較好。與傳統(tǒng)四邊形規(guī)格產(chǎn)品相比較，同樣面積大小規(guī)格產(chǎn)品，切絲后再造煙葉絲長(zhǎng)度集中在20～50mm范圍內(nèi)，長(zhǎng)度更加均勻[15]，既能提高卷煙加工過程混配均勻性，有效提升卷煙內(nèi)在品質(zhì)；又能增加再造煙葉在卷煙產(chǎn)品的摻配量，降低卷煙焦油量及部分有害成分釋放量。

4 結(jié)論

本文提出了一種按照蜂窩狀切割軌跡將整幅造紙法再造煙葉分切為正六邊形產(chǎn)品的方法，研制了可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)正六邊形再造煙葉產(chǎn)品的分切設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。該設(shè)備已在云南某再造煙葉加工企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)出的產(chǎn)品外形規(guī)則統(tǒng)一、尺寸滿足工藝要求。經(jīng)檢測(cè)分析，正六邊形再造煙葉產(chǎn)品成型率為93.68%，碎片率為2.02%，大片率為4.3%。

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Design and application of hexagonal slitting machine for paper-making reconstituted tobacco

BA Yunpeng, TANG Rong*, TANG Xiangyang, LIU Baocai, LIU Haifeng

Technical Quality Department, Environmental Protection Technology Co., Ltd. of KSEC, Kunming 650051, China

The homogeneity of the hexagon-shaped reconstituted tobacco leaf products is better, but the current slitting machine that has not yet been developed at home and abroad. Through theoretical analysis, the design of the slitting system structure, the design of the fixed and moving knife systems, and the matching design of the fixed and moving knife systems, a hexagonal slitting machine for paper-making reconstituted tobacco is developed. The continuous operation of the slitting machine developed is stable, the product shape rules are unified, and the size meets the production process requirements. The formation rate of the hexagonal reconstituted tobacco leaf is 93.68%, the fragmentation rate is 2.02%, and the large slice is 4.3%.

paper-making process; reconstituted tobacco; hexagon; slitting machine; forming rate; fragment rate

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巴云鵬（1984—），大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事造紙法再造煙葉工藝及設(shè)備研究，Tel：18987053899，Email：124497983@qq.com

唐蓉（1981—），Tel：13888493987，Email：47912666@ qq.com

2021-07-13；

2022-01-10

巴云鵬，唐蓉，唐向陽，等. 正六邊形造紙法再造煙葉產(chǎn)品分切機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2022，28（1）.BA Yunpeng, TANG Rong, TANG Xiangyang, et al. Design and application of hexagonal slitting machine for paper-making reconstituted tobacco[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2022,28(1). doi: 10.16472/j.chinatobacco. 2021.T0114