楊成波，張 凌，王 俊，覃志宏，雷 斌，王清平，潘永華，趙 燕

紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南省玉溪市紅塔大道118號(hào) 653100

加熱卷煙是以密閉加熱代替燃燒使煙草成分蒸餾和裂解后釋放煙氣的一種新型煙草制品［1］。為改善入口煙氣口感，加熱卷煙長(zhǎng)度較短（45～48 mm）、煙氣吸阻較低［2］。因加熱卷煙長(zhǎng)度超出傳統(tǒng)接裝機(jī)生產(chǎn)煙支長(zhǎng)度50 mm 和濾嘴長(zhǎng)度65 mm 的適用范圍［3］，且煙支多元結(jié)構(gòu)中的中空段、降溫段和煙芯段硬度較高，煙支的圓度、硬度和彈性等物理指標(biāo)與傳統(tǒng)卷煙差異較大，無(wú)法采用傳統(tǒng)卷煙接裝設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)普遍采用復(fù)合成型工藝或輪系復(fù)合接裝工藝生產(chǎn)加熱卷煙。近年來(lái)，針對(duì)加熱卷煙的煙氣成分［4］、發(fā)煙劑［5］、抽吸傳熱［6］、熱裂解［7］、再造煙葉原料［8-9］、降溫材料［10］等工藝技術(shù)已有較多研究，而對(duì)于煙支卷制工藝和設(shè)備的研究則鮮見報(bào)道。其中，玉溪卷煙廠采用多元一次復(fù)合成型工藝生產(chǎn)加熱卷煙，生產(chǎn)線為KDF 5MF 四元復(fù)合成型機(jī)組+YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)+FLEX A 雙內(nèi)包裝機(jī)組。為避免煙支至包裝機(jī)入口輸送過程中因煙支較短而造成煙支散亂，通常生產(chǎn)雙倍長(zhǎng)煙支進(jìn)行煙支緩存和輸送，然后在進(jìn)入包裝機(jī)煙庫(kù)入口前進(jìn)行雙倍長(zhǎng)煙支分切和單倍長(zhǎng)煙支調(diào)頭處理。YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)是以YJ27型接裝機(jī)為基礎(chǔ)，綜合考慮雙倍長(zhǎng)加熱卷煙的接裝紙搓接、分切、調(diào)頭輸出以及激光打孔［11］等功能而設(shè)計(jì)的一種加熱卷煙專用接裝機(jī)［12］。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)以額定速度（7 000 支/min）運(yùn)行時(shí)供料系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)雙煙支堵塞、橫煙堵塞和煙芯段折斷等現(xiàn)象，從而引起設(shè)備故障停機(jī)。為此，通過分析YJ27型加熱卷煙接裝機(jī)供料系統(tǒng)堵塞原因，設(shè)計(jì)了一種雙路供料系統(tǒng)，以期提高加熱卷煙生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行效率，降低原輔材料消耗。

1 問題分析

1.1 工作原理

YJ27型加熱卷煙接裝機(jī)（以下簡(jiǎn)稱接裝機(jī)）供料系統(tǒng)主要由加料頭、料庫(kù)、取煙輪、傳送輪、傳遞輪、加速輪、過渡輪、輸送帶、撥煙輥和傳動(dòng)箱等組成，見圖1。復(fù)合成型的雙倍長(zhǎng)煙支由加料頭（1）輸送至料庫(kù)（2）后，經(jīng)輸送帶（8）進(jìn)入取煙輪（3）的輪槽中；雙倍長(zhǎng)煙支被輪槽中設(shè)置的負(fù)壓吸風(fēng)孔吸附并隨取煙輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，取煙輪右上方的撥煙輥（9）可阻擋多余煙支進(jìn)入輪槽，確保每個(gè)輪槽中只容納1支雙倍長(zhǎng)煙支。區(qū)別于傳統(tǒng)YJ27型接裝機(jī)供料系統(tǒng)，加熱卷煙供料系統(tǒng)中雙倍長(zhǎng)煙支尚未分切，經(jīng)傳送輪（4）和傳遞輪（5）直接傳遞至加速輪（6）后進(jìn)入過渡輪（7），完成煙支的供料工藝過程。

圖1 YJ27型加熱卷煙接裝機(jī)供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of feeding system in YJ27 assembling machine

1.2 存在問題

1.2.1 故障現(xiàn)象

如圖2所示，當(dāng)接裝機(jī)以7 000 支/min 速度運(yùn)行時(shí)，頻繁出現(xiàn)雙煙支堵塞、橫煙堵塞和煙芯段折斷破損等現(xiàn)象。堵塞煙支導(dǎo)致?lián)軣熭佁鸩⒂|發(fā)煙支阻塞檢測(cè)傳感器，掉落的煙芯段造成下游接裝紙搓接工位搓板堵塞，兩種情況均會(huì)造成設(shè)備故障停機(jī)。經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，故障停機(jī)頻次隨設(shè)備運(yùn)行速度降低呈減少趨勢(shì)，當(dāng)接裝機(jī)運(yùn)行速度下降至5 000支/min時(shí)，設(shè)備故障頻次趨近于0。

圖2 取煙輪煙支堵塞故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of cigarette jam in pick-up drum

1.2.2 故障原因分析

傳統(tǒng)卷煙濾嘴接裝工序中，YJ27 型接裝機(jī)是將四倍長(zhǎng)或六倍長(zhǎng)的濾嘴棒進(jìn)行分切，取煙輪的取煙速度v取為整機(jī)生產(chǎn)速度（7 000 支/min）的1/4或1/6。但在加熱卷煙接裝工序中，供料系統(tǒng)物料由四分切或六分切濾嘴棒變?yōu)殡p倍長(zhǎng)加熱卷煙，雖然接裝工藝難度降低，但對(duì)取煙速度v取要求更高，v取為整機(jī)生產(chǎn)速度的1/2。如圖1所示，輸送帶將煙支推向取煙輪過程中，靠近取煙輪表面的煙支受重力作用落入輪槽中，而外層未落入輪槽的煙支則隨著取煙輪的旋轉(zhuǎn)在料庫(kù)中做逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（箭頭所示軌跡）。對(duì)位于取煙輪與撥煙棍夾角區(qū)域內(nèi)的煙支進(jìn)行受力分析，結(jié)果見圖3?？梢姡瑹熤г跓熤Я鞣D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的推力、撥煙輥表面摩擦力和輪槽棱邊壓力的作用下形成推力F1，撥煙輥?zhàn)枇腿熭喣Σ亮π纬珊狭2。當(dāng)F1＞F2時(shí)，煙支被擠入取煙輪與撥煙輥之間，容易造成雙煙支堵塞。根據(jù)動(dòng)量定律［13］可知，輪槽棱邊壓力F輪槽的大小與取煙輪表面線速度（即取煙速度v?。┏烧取Ｒ虼?，增大接裝機(jī)取煙速度v取容易造成雙煙支堵塞，進(jìn)而造成料庫(kù)中煙支排列混亂，導(dǎo)致出現(xiàn)橫煙堵塞和煙芯段折斷等問題。

圖3 取煙過程煙支受力分析Fig.3 Analysis of force acting on cigarette during picking

2 雙路供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為避免取煙輪取煙速度v取過大而導(dǎo)致設(shè)備頻繁停機(jī)，設(shè)計(jì)了一種雙路供料系統(tǒng)，通過兩個(gè)取煙輪并聯(lián)取煙，將單個(gè)取煙輪的取煙速度v取降低為整機(jī)生產(chǎn)速度的1/4。如圖4a所示，在原YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)供料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保持傳遞輪（13）（因該鼓輪在新供料系統(tǒng)中作用發(fā)生改變，將其重新命名為合一輪）和加速輪（14）位置不變，以確保設(shè)備主傳動(dòng)和下游過渡輪（15）銜接；以合一輪為基準(zhǔn)，在其左上方設(shè)置左傳送輪（7）、左取煙輪（6）、左輸送帶（5）和左料庫(kù)（3），右上方設(shè)置右傳送輪（12）、右取煙輪（10）、右輸送帶（11）和右料庫(kù)（8），左右雙路供料輪系相對(duì)合一輪呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)；左右料庫(kù)上方設(shè)置有分流裝置（2），將來(lái)自加料頭（1）的雙倍長(zhǎng)煙支分流。各構(gòu)件布置均以不干涉接裝機(jī)主機(jī)其他裝置和操作便利為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其供料工藝流程見圖4b。可見，由加料頭輸送的雙倍長(zhǎng)煙支流分為兩路，分別進(jìn)入左料庫(kù)和右料庫(kù)；左取煙輪從左料庫(kù)取煙后經(jīng)左傳送輪將煙支傳遞至合一輪，右取煙輪從右料庫(kù)取煙后經(jīng)右傳送輪將煙支傳遞至合一輪；合一輪以間隔方式同時(shí)接收來(lái)自左路和右路的煙支。各鼓輪間采用齒輪剛性傳動(dòng)，將左、右煙支流匯合成連續(xù)的單列煙支流，最后經(jīng)加速輪傳遞至過渡輪。

圖4 雙路供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝流程示意圖Fig.4 Structure of dual-track feeding system and technical process

2.2 鼓輪參數(shù)設(shè)計(jì)

接裝機(jī)鼓輪傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪驅(qū)動(dòng)，可類比原供料系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行雙路供料系統(tǒng)各鼓輪參數(shù)設(shè)計(jì)。其中，鼓輪模數(shù)、輪槽數(shù)、輪槽節(jié)距和輪槽分度圓直徑間關(guān)系可表示為：

式中：Pi為輪槽節(jié)距；mi為鼓輪模數(shù)；Ci為輪槽數(shù)，個(gè)；di為輪槽分度圓直徑，mm；i=1，2，3，4 分別對(duì)應(yīng)取煙輪、傳送輪、合一輪和加速輪。

如表1所示：①合一輪輪槽數(shù)C3（42 槽）和輪槽節(jié)距P3（4π）保持不變。②為保證煙支平穩(wěn)傳遞，加速輪需要將合一輪傳遞過來(lái)的煙支流加速到與過渡輪的線速度一致后再傳遞至后續(xù)工序。雙路供料系統(tǒng)加速輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)與原機(jī)一致，輪槽數(shù)C4為12 槽，輪槽節(jié)距P4與接裝機(jī)內(nèi)后續(xù)鼓輪節(jié)距統(tǒng)一為12π。③根據(jù)雙倍長(zhǎng)煙支傳遞流向（即鼓輪旋向），合一輪通過間隔的輪槽分別接收來(lái)自左、右傳送輪傳遞的雙倍長(zhǎng)煙支，所以左、右傳送輪輪槽節(jié)距P2應(yīng)為合一輪的兩倍（即8π）；左、右傳送輪槽數(shù)C2取18槽，并在傳送輪與合一輪交接處設(shè)置導(dǎo)向裝置輔助雙倍長(zhǎng)煙支交替入槽；為避免雙倍長(zhǎng)煙支與輪槽輪廓幾何干涉，需要調(diào)整左、右傳送輪的輪槽輪廓形狀。④在鼓輪外徑不變條件下，由公式（1）可知取煙輪采用較小輪槽節(jié)距且設(shè)置較多輪槽，可以降低取煙速度v取，提高取煙效率和可靠性。因此，左、右取煙輪對(duì)稱布局且旋向相同，輪槽數(shù)C1均為42 槽，節(jié)距P1均為4π。

表1 取煙輪、傳送輪、合一輪和加速輪設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of pick-up drum，transfer drum，combining drum and accelerating drum

2.3 供料系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，雙路供料系統(tǒng)傳動(dòng)箱（12）上根據(jù)各鼓輪布局設(shè)置對(duì)應(yīng)軸承座。各鼓輪由軸承座內(nèi)傳動(dòng)軸后端齒輪驅(qū)動(dòng)，各齒輪直接或間接通過中間過輪組（10）嚙合形成供料系統(tǒng)傳動(dòng)鏈，并可根據(jù)鼓輪傳遞相位關(guān)系計(jì)算各齒輪齒數(shù)。供料系統(tǒng)傳動(dòng)輸入軸布局在原安裝位置，原供料離合器保持不變，通過離合器將主傳動(dòng)與輸入軸（1）連接，直接驅(qū)動(dòng)合一輪齒輪（2）并帶動(dòng)左、右傳送輪齒輪（3）和（5），同時(shí)通過兩個(gè)惰輪（11）驅(qū)動(dòng)加速輪齒輪（7），過輪組分別驅(qū)動(dòng)左、右取煙輪齒輪（4）和（6）。

圖5 供料系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of gear drive in feeding system

為保證雙路供料系統(tǒng)與主機(jī)物料傳遞相位同步，需要對(duì)雙路供料系統(tǒng)的供料傳動(dòng)箱、傳動(dòng)齒輪以及傳動(dòng)軸和傳動(dòng)軸座［14］等構(gòu)件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。各鼓輪單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送量Ni等于總物料的輸入量N總，即：

式中：Ni為物料輸送量，支/min；N總為總物料輸入量，支/min；Mi為第i個(gè)鼓輪每個(gè)輪槽內(nèi)的物料數(shù)，均取1支/個(gè)；ni為第i個(gè)鼓輪的轉(zhuǎn)速［15］，r/min。

2.3.1 合一輪與主傳動(dòng)相位同步驗(yàn)證

圖6 供料系統(tǒng)傳動(dòng)原理Fig.6 Transmission schematic diagram of feeding system

2.3.2 傳遞輪齒輪設(shè)計(jì)

2.3.3 取煙輪齒輪設(shè)計(jì)

2.3.4 加速輪齒輪設(shè)計(jì)

2.3.5 供料離合器相位驗(yàn)算

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“MC”牌加熱卷煙［紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠］。

設(shè)備：YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)（額定生產(chǎn)速度7 000支/min，常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司提供）。

方法：YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)以額定生產(chǎn)速度運(yùn)行，上游設(shè)備生產(chǎn)的雙倍長(zhǎng)煙支供料速度為4 000支/min，下游包裝機(jī)組運(yùn)行速度為350 包/min 時(shí)，單班7 h運(yùn)行。供料系統(tǒng)改進(jìn)前后，各統(tǒng)計(jì)3班次接裝機(jī)運(yùn)行效率、煙支質(zhì)量不合格率和因供料系統(tǒng)煙支堵塞而導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)次數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可見，采用雙路供料系統(tǒng)后，接裝機(jī)運(yùn)行效率由72.90%提升至90.55%，增幅17.65百分點(diǎn)，且未再出現(xiàn)因供料系統(tǒng)煙支堵塞而造成的停機(jī)現(xiàn)象，有效提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性；煙支質(zhì)量不合格率由11.69%下降至1.37%，降幅10.32百分點(diǎn)，降低了原輔材料消耗。

表2 供料系統(tǒng)改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果①Tab.2 Test results of feeding system before and after modification

4 結(jié)論

基于YJ27 型加熱卷煙接裝機(jī)設(shè)計(jì)了一種雙路供料系統(tǒng)，通過左、右兩個(gè)取煙輪同時(shí)取料，有效降低了取煙輪取煙速度，避免因取煙輪速度過快而造成煙支堵塞等問題。以玉溪卷煙廠生產(chǎn)的“MC”牌加熱卷煙為對(duì)象，對(duì)改進(jìn)前后接裝機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后接裝機(jī)運(yùn)行效率提高17.65 百分點(diǎn)，煙支質(zhì)量不合格率降低10.32百分點(diǎn)，因供料系統(tǒng)煙支堵塞造成的設(shè)備停機(jī)次數(shù)下降為0，有效提高了設(shè)備運(yùn)行效率，降低了原輔材料消耗。該技術(shù)可為利用傳統(tǒng)卷煙設(shè)備通過技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)新型煙草規(guī)模化生產(chǎn)提供參考。