高 迪，郭繼文，孫 超，張保永，丁連明，甘懷增，方 杰

安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠，安徽省蚌埠市禹會區(qū)長豐路258 號 233000

YJ17 卷煙機是20 世紀90 年代初引進德國HAUNI 公司技術(shù)生產(chǎn)的卷煙設(shè)備，因綜合性能良好，已成為國內(nèi)各卷煙生產(chǎn)企業(yè)的主力機型。YJ17 卷煙機供絲系統(tǒng)在對煙絲進行多次定量和松散過程中，因機械打擊會產(chǎn)生較多碎絲和煙末，影響卷煙內(nèi)在品質(zhì)和設(shè)備運行穩(wěn)定性[1-3]。近年來隨著制絲工藝的不斷改進，進入卷接機組的煙絲結(jié)構(gòu)已得到較大改善，卷煙機對煙絲來料造成破壞而產(chǎn)生造碎，成為限制卷煙質(zhì)量提升的關(guān)鍵。對此，栗勇偉[4]改進了針輥結(jié)構(gòu)，將針輥上向上的鋼針改為沿針輥徑向方向傾斜一定角度，降低煙絲從針輥中取出的阻力，減少煙絲造碎。此外，ZJ112、PROTOS1-8、PROTOSM5[5-7]等卷接機組采用流化床技術(shù)替換煙絲輸送帶、拋絲輥等裝置，通過風(fēng)力完成煙絲輸送，減少煙絲在輸送過程中的造碎，但流化床技術(shù)無法直接應(yīng)用于YJ17 卷煙機。為此，以YJ17 卷煙機供絲系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了一種新型拋絲輥，由葉片式撥料代替螺釘打擊式供料，利用葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)力輔助煙絲輸送，通過改變拋絲輥與彈絲轆的轉(zhuǎn)速，降低工作時煙絲與螺釘?shù)南鄬λ俣?，以期減少煙絲造碎，提高供絲均勻性和穩(wěn)定性。

1 問題分析

1.1 存在問題

YJ17 卷煙機供絲系統(tǒng)主要由提絲帶、針輥、彈絲轆、煙絲輸送帶、拋絲輥等部分組成，見圖1。煙絲經(jīng)過多次定量、松散后，被吸絲帶吸附，經(jīng)過平準器修剪成卷制所需的煙絲束。其中，針輥（1）由回轉(zhuǎn)輥和針板組成，36 塊針板安裝在回轉(zhuǎn)輥上，將煙絲從計量槽中取出；彈絲轆（2）是安裝有596 顆彈釘?shù)幕剞D(zhuǎn)輥，回轉(zhuǎn)時彈釘從針輥鋼針的間隙中穿過，把煙絲從針輥上彈下，下落至煙絲輸送帶（3）上，輸送帶將煙絲輸送至風(fēng)分裝置（5）；風(fēng)分裝置將煙絲吹向拋絲輥（4），拋絲輥為安裝有796 顆螺釘?shù)陌魻钚D(zhuǎn)件，利用螺釘旋轉(zhuǎn)撥打?qū)熃z拋向吸絲道，完成煙絲松散和輸送。分析可見，煙絲在松散和輸送過程中受到多次機械打擊，特別是彈絲轆和拋絲輥對煙絲結(jié)構(gòu)破壞較大[8-10]，由此產(chǎn)生較多碎絲和煙末，影響卷煙內(nèi)在品質(zhì)。

圖1 YJ17 卷煙機供絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of feeder in YJ17 cigarette maker

1.2 原因分析

1.2.1 彈絲轆煙絲造碎原因

工作時針輥將煙絲從計量槽中取出，轉(zhuǎn)速較慢，轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～22.5 r/min，線速度為0～0.21 m/s。彈絲轆把煙絲從針輥上彈下，彈絲轆轉(zhuǎn)速較快，轉(zhuǎn)速為890.7 r/min，線速度為3.73 m/s，根據(jù)動量沖量定理[11]：

式中：F1為彈絲轆撥打煙絲的作用力，N；t 為作用時間，s；m1為煙絲質(zhì)量，kg；v1為作用前煙絲速度，m/s；v2為作用后煙絲速度，m/s；Δv 為煙絲速度變化，m/s。

代入?yún)?shù)，計算可得：

由此得到原結(jié)構(gòu)中彈絲轆在撥打煙絲時煙絲速度變化Δv=3.52 m/s，可知彈絲轆相對針輥轉(zhuǎn)速越高，煙絲松散過程速度變化Δv 越大，作用時間t 越小，彈絲轆對煙絲的撥打作用力F1越大，撥打時對煙絲結(jié)構(gòu)破壞程度越大。因此，在滿足彈絲轆松散供料的要求下，彈絲轆轉(zhuǎn)速越小煙絲造碎越少。

1.2.2 拋絲輥煙絲造碎原因

（1）拋絲輥入口速度計算。煙絲經(jīng)過彈絲轆撥打后下落至輸送帶上，經(jīng)輸送帶輸送后由風(fēng)分裝置吹向拋絲輥入口處。根據(jù)傳動比計算得知，電機M16 驅(qū)動輸送帶以線速度2.22 m/s 運行，將煙絲拋向風(fēng)分裝置，風(fēng)分裝置上作用有壓力為1 200 Pa的正壓吹風(fēng)。根據(jù)流體力學(xué)可計算出口截面的壓強比[12]：

式中：p1為出口絕對壓力，Pa；p0為大氣壓力，Pa；γ 為 氣 體 常 數(shù)，空 氣 取287；Ma1為 馬 赫 數(shù)，為氣流速度，m/s；v0為聲音在氣體中的傳播速度，本文中取340 m/s。

代入?yún)?shù)，計算可得：

已知v0=340 m/s，可求得v=3.1 m/s，則風(fēng)分裝置正壓吹風(fēng)氣流速度為3.1 m/s。風(fēng)分裝置的吹風(fēng)垂直于煙絲流運行方向，將煙絲吹向拋絲輥，由此實現(xiàn)梗絲分離和煙絲轉(zhuǎn)向輸送。在不考慮氣流速度衰減的前提下，此時煙絲速度約等于正壓吹風(fēng)氣流速度[13]，即煙絲在進入拋絲輥的初速度v1=3.1 m/s。

（2）煙絲進入拋絲輥后的速度變化。煙絲被風(fēng)分裝置吹入拋絲輥后主要依靠拋絲輥旋轉(zhuǎn)拋送，并在輔助吹風(fēng)和風(fēng)室體負壓吸風(fēng)共同作用下進入吸絲道。根據(jù)傳動比計算得知，拋絲輥轉(zhuǎn)速為2 887.5 r/min，直徑為100 mm，線速度v2=15.1 m/s，根據(jù)動量沖量定理計算可得煙絲受到的拋絲輥作用力：

式中：F2為拋絲輥作用力，N；t 為作用時間，s；m2為煙絲質(zhì)量，kg；v1為作用前煙絲速度，m/s；v2為作用后煙絲速度，m/s；Δv 為煙絲速度變化，m/s。

代入?yún)?shù)，計算可得：

由此得到原結(jié)構(gòu)中拋絲輥撥打煙絲時煙絲速度變化Δv=12 m/s，可知拋絲輥轉(zhuǎn)速越高，煙絲撥打過程中速度變化Δv 越大，作用時間t 越小，拋絲輥對煙絲的作用力F2越大，撥打時對煙絲結(jié)構(gòu)破壞程度越大。此外，拋絲輥對煙絲的作用面積越小，撥打時越容易產(chǎn)生煙絲造碎。

2 系統(tǒng)設(shè)計

分析可見，煙絲造碎的主要原因是彈絲轆和拋絲輥轉(zhuǎn)速過快、拋絲輥螺釘結(jié)構(gòu)不合理，為此對供絲系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 彈絲轆

原彈絲轆傳動同步帶輪齒數(shù)44，彈絲轆以890.7 r/min 的轉(zhuǎn)速將針輥上的煙絲彈落至輸送帶上。為此分別測試帶輪齒數(shù)為50、54、60 時對應(yīng)的彈絲轆轉(zhuǎn)速和線速度，見表1。

表1 彈絲轆帶輪參數(shù)變化Tab.1 Variation in parameters of pulley of picker roll/er

2.2 拋絲輥

2.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

原螺釘在拋絲輥上均布12 排，每排螺釘沿軸向旋轉(zhuǎn)90°，便于吸絲帶高速運轉(zhuǎn)時在吸絲通道內(nèi)持續(xù)吸附煙絲，使煙絲束流量保持穩(wěn)定，但高速旋轉(zhuǎn)的螺釘在撥送煙絲時會對煙絲產(chǎn)生破碎作用。改進后采用葉片代替輥體上的螺釘，葉片式拋絲輥主要由輥體、壓條、葉片等組成（圖2），在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)風(fēng)力，使煙絲在葉片撥打和風(fēng)力作用下共同完成松散輸送過程。

圖2 葉片式拋絲輥示意圖Fig.2 Schematic diagram of blade type accelerator roller

輥體的作用是控制葉片旋轉(zhuǎn)角度并固定葉片，其結(jié)構(gòu)見圖3。在直徑65 mm 輥體上均布6 個扇形槽，扇形槽頂面弧長17 mm，沿輥體軸向旋轉(zhuǎn)90°，槽深6 mm，中心位置加工M5 螺紋通孔，間距86 mm。

圖3 輥體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of accelerator roller

壓條配合輥體共同對葉片起夾緊固定作用。壓條側(cè)面與輥體承槽側(cè)面采用非對稱平行設(shè)計，壓條沿輥體扇形槽旋轉(zhuǎn)方向傾斜，傾斜角度5°，長度403 mm，每個扇形槽采用兩根壓條固定，確保葉片被夾緊，見圖4。采用壓條式結(jié)構(gòu)不用拆除輥體，即可對葉片進行更換。

圖4 壓條結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of depression bar

葉片通過壓條固定在輥體上，長806 mm，寬23.5 mm，主要完成煙絲撥送和松散，見圖5。不同類型葉片旋轉(zhuǎn)撥送煙絲的效果不同，初步選擇直邊、半圓弧邊、鋸齒邊3 種葉片作為試驗對象，其中半圓弧型和鋸齒型在葉片全長806 mm 范圍內(nèi)均布35 個。

圖5 葉片類型Fig.5 Types of blades

2.2.2 拋絲輥轉(zhuǎn)速

進入拋絲輥的煙絲受到兩個作用力：一是葉片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的吹送風(fēng)力；二是葉片撥送使煙絲在拋送過程中所受的沖擊力。根據(jù)傳動原理可知，改變傳動拋絲輥的齒形帶輪齒數(shù)可以得到不同拋絲輥轉(zhuǎn)速。為此分別測試拋絲輥帶輪齒數(shù)為16、18、22 時對應(yīng)的拋絲輥轉(zhuǎn)速和線速度，見表2。

2.3 正交試驗

利用正交試驗確定拋絲輥葉片形狀、拋絲輥轉(zhuǎn)速、彈絲轆轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以效果加權(quán)值作為考察指標，設(shè)計3 因素3 水平的因素水平表（表3）和正交試驗表（表4）。通過對每組試驗的煙絲堵塞次數(shù)、不合格煙支數(shù)、煙絲結(jié)構(gòu)提升（指試驗前后煙絲整絲率、碎絲率、填充值變化，增益為正，減弱為負，三者綜合累加×100）等參數(shù)進行分析，并利用這三者的效果加權(quán)值對每組試驗結(jié)果進行量化評價。計算公式為：效果加權(quán)值=煙絲堵塞次數(shù)×0.5+不合格煙支數(shù)×0.2-煙絲結(jié)構(gòu)提升×0.3，效果加權(quán)值越小，試驗結(jié)果越好。

表2 拋絲輥帶輪參數(shù)變化Tab.2 Variations in parameters of pulley of accelerator roller

為確定拋絲輥結(jié)構(gòu)類型，采用tabelcurve3D 軟件分別對直邊型、半圓弧型、鋸齒型拋絲輥進行分類建模分析，結(jié)果見圖6?？梢姡忼X型拋絲輥配對組合的效果加權(quán)值相比其他兩組低，試驗結(jié)果較好。

表3 正交試驗L9（33）因素水平表Tab.3 Factor levels of orthogonal test L9 (33)

表4 正交試驗L9（33）結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal test L9 (33)

圖6 不同類型拋絲輥試驗趨勢圖Fig.6 Test trends of accelerator rollers of different types

為繼續(xù)優(yōu)化鋸齒排列結(jié)構(gòu)，對拋絲輥葉片鋸齒數(shù)、拋絲輥轉(zhuǎn)速、彈絲轆轉(zhuǎn)速進行二次正交試驗，設(shè)計3 因素2 水平的因素水平表（表5）和正交試驗表（表6）?？梢?，A2B1C2 為最優(yōu)方案，即鋸齒型葉片68 齒，齒深7 mm，齒間距11.85 mm，拋絲輥帶輪齒數(shù)16 齒，轉(zhuǎn)速2 887.5 r/min，彈絲轆帶輪齒數(shù)54 齒，轉(zhuǎn)速725.7 r/min。

表5 正交試驗L4（23）因素水平表Tab.5 Factor levels of orthogonal test L4（23）

表6 正交試驗L4（23）結(jié)果Tab.6 Results of orthogonal test L4（23）

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“黃山（新制皖煙）”牌卷煙煙絲（安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司蚌埠卷煙廠提供）。

設(shè)備與儀器：YJ17 卷煙機（常德煙草機械有限責(zé)任公司）；YQ-2 型煙絲振動分選篩（鄭州嘉德機電科技有限公司）；YDZ430 型煙絲填充值測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；CERULEANQTM 卷煙綜合測試儀（英國CERULEAN 公司）；電子天平（精度0.001 g，上海機電企業(yè)有限公司）。

測試方法：① 改進前后YJ17 卷煙機車速均為7 000 支/分鐘，待設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，在料斗儲料區(qū)、煙槍出口分別取煙絲樣品3 次，每次1 000 g；②改進前后分別記錄設(shè)備運行8 h 內(nèi)煙絲堵塞次數(shù)，待設(shè)備運行穩(wěn)定后分別在出煙口處取煙支樣品10 次，每次30 支，出現(xiàn)煙絲堵塞故障5 min 內(nèi)不取樣；③依據(jù)GB5006—2005、YC/T 178—2003[14-15]的方法分別對煙絲和煙支樣品的整絲率、碎絲率、填充值、煙支質(zhì)量、空頭、吸阻、煙支質(zhì)量標準偏差等進行檢測，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表7 可見，改進后供絲系統(tǒng)運行平穩(wěn)，相關(guān)部位無異常故障，煙支質(zhì)量穩(wěn)定可控。其中，質(zhì)量異常煙支剔除率降低24%（670±70 mg），煙支空頭率降低0.09 百分點，煙支質(zhì)量標準偏差降低2 mg左右，平均為21 mg。

表7 改進前后設(shè)備運行狀態(tài)及煙支質(zhì)量變化Tab.7 Variations in equipment running status and cigarette weight before and after modification

由表8 可見，供絲系統(tǒng)改進后煙支整絲率提高3.9 百分點，碎絲率降低0.7 百分點，煙絲填充值提高0.05 cm3/g，能夠滿足卷煙工藝質(zhì)量要求。

表8 改進前后煙絲結(jié)構(gòu)變化Tab.8 Variation in tobacco structure before and after modification

4 結(jié)論

針對YJ17 卷煙機供絲系統(tǒng)進行了改進，采用葉片式拋絲輥，使拋絲輥在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生風(fēng)力輔助煙絲撥送和松散，減少對煙絲多次機械打擊；降低彈絲轆轉(zhuǎn)速，減小彈絲轆從針輥處取料時對煙絲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進而減少煙絲在松散輸送過程中的造碎。以蚌埠卷煙廠生產(chǎn)的“黃山（新制皖煙）”牌卷煙煙絲為對象進行測試，結(jié)果表明：供絲系統(tǒng)改進后整絲率提高3.9 百分點，碎絲率降低0.7 百分點，煙絲填充值提高0.05 cm3/g，煙支空頭率降低0.09 百分點，質(zhì)量異常煙支剔除率降低24%（670±70 mg），煙支質(zhì)量標準偏差減少2 mg 左右，有效減少了煙絲造碎，提高了供絲均勻性和設(shè)備運行穩(wěn)定性。