潘昱亭，蔡培良，黃莉，楊彩虹，金學鵬，杜浦澤，鄧璟

基于Solidworks Simulation仿真分析的ZJ118卷煙機雙芯加熱搓板裝置設計

潘昱亭，蔡培良，黃莉，楊彩虹，金學鵬，杜浦澤，鄧璟

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655001）

為解決卷煙機在生產(chǎn)中細支卷煙時，因搓板加熱不均勻?qū)е碌乃杉埮莅櫋櫦y、翹邊等質(zhì)量問題。基于SOLIDWORKS Simulation仿真分析設計了一種400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置，代替原有的1 200 W單芯加熱搓板裝置，并通過仿真分析2種搓板加熱裝置在設定溫度為200 ℃時的熱量分布情況，然后在實際生產(chǎn)中驗證改造方案的應用效果。仿真分析的結(jié)果表明，400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置的熱量極限和加熱效率都比1 200 W單芯加熱搓板裝置高，雙芯加熱能更加快速地達到設定溫度，搓板體上的熱量分布更均勻，搓板面上的熱量分布也更加穩(wěn)定，溫差較小，能夠更好地保證卷煙搓接質(zhì)量的穩(wěn)定性。實際應用效果顯示，使用雙芯加熱搓板裝置后，再也沒有出現(xiàn)水松紙泡皺、皺紋、翹邊等質(zhì)量問題。400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置具有加熱效率高、熱量分布均勻、溫差小等優(yōu)點，能更有效地提高卷煙搓接質(zhì)量，既大大減少了卷接質(zhì)量事故出現(xiàn)頻次和設備停臺維修時間，也降低了卷煙生產(chǎn)消耗。

雙芯加熱搓板；仿真分析；水松紙；熱量分布；卷煙機；中細支

ZJ118型卷煙機是國內(nèi)主流的中高速卷煙設備。煙絲經(jīng)過卷制成型機部分被卷成煙條，再由長切刀將其分切成雙倍長卷煙，蜘蛛手機構(gòu)將雙倍長卷煙拾取傳遞至濾嘴接裝機部分的接煙鼓輪，首先經(jīng)過第一切割鼓輪將雙倍上卷煙從中間切開變成2段單長卷煙，經(jīng)分離鼓輪將2段卷煙分開，在匯合鼓輪處與雙倍長濾嘴段匯合，再與切成小段的水松紙匯合，然后在搓板和搓接鼓輪的共同作用下，將水松紙完整地包裹在卷煙和濾嘴段上形成雙倍長煙支，最后由最終切割鼓輪將雙倍長煙支分切成完整的2支煙繼續(xù)向前輸送。其中，水松紙在與濾嘴段和卷煙搓接的時候，常常會出現(xiàn)水松紙翹邊、泡皺、皺紋等質(zhì)量缺陷，特別是在生產(chǎn)中細支卷煙時此問題更加突出，這種缺陷也不是所有產(chǎn)品都有，操作工在自檢自查的時候會很難發(fā)現(xiàn)，很可能會流入下一道工序，這就給產(chǎn)品質(zhì)量帶來了極大的風險，所以需要從根本上解決這個問題。

趙龍等[1]通過增加搓板長度和改變?nèi)肟诨《鹊纫幌盗懈脑靵頊p少泡皺煙和漏氣煙的發(fā)生，提高“煙組”的搓接質(zhì)量。彭永剛等[2]通過在設備上對濾棒滾搓導軌指加寬、傳送鼓輪導軌槽的改進、鼓輪相位調(diào)整等方法來減少水松紙皺紋的出現(xiàn)。王伯楠等[3]針對煙支濾嘴傳統(tǒng)搓接技術(shù)中存在剝離趨向，導致水松紙出現(xiàn)泡皺現(xiàn)象，在原有設備基礎上，將搓接板設計成帶加滾針的搓板，達到消除傳統(tǒng)搓接技術(shù)中存在的剝離趨向問題，從而提高卷煙機煙支接裝質(zhì)量。張文昌等[4]在啟動規(guī)表面噴涂碳化鎢，增加煙支摩擦力；搓板加裝過渡規(guī)，表面改為兩端帶有豎搓紋、中間為光滑面的結(jié)構(gòu)，使煙支滾動順暢；改變歸位輪和搓板位置，使搓接動作更加順暢，從而改善卷煙搓接質(zhì)量，但是均不能有效解決水松紙翹邊、泡皺、皺紋的問題。通過對產(chǎn)生此缺陷產(chǎn)品進行原因分析得知，主要是搓板加熱裝置的熱量分布不均勻，導致卷煙和水松紙在旋轉(zhuǎn)搓接的過程中受熱不均勻，從而引起相關質(zhì)量缺陷，故文中基于Solidworks Simulation仿真分析設計了一種400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置替代原先的1 200 W單芯加熱搓板裝置，實現(xiàn)搓板體和搓板面的熱量均勻分布，從而提高水松紙的搓接質(zhì)量[5]，杜絕了水松紙翹邊、泡皺、皺紋等缺陷產(chǎn)品的產(chǎn)生。

1 問題分析

ZJ118型卷煙機卷煙接裝過程如圖1所示，煙絲經(jīng)過卷制成型機部分被卷成煙條，再由長切刀將其分切成雙倍長卷煙，蜘蛛手機構(gòu)將雙倍長卷煙拾取傳遞至濾嘴接裝機部分的接煙鼓輪A，首先經(jīng)過第一切割鼓輪B將雙倍上卷煙從中間切開變成2段單長卷煙，經(jīng)分離鼓輪C將2段卷煙分開，在匯合鼓輪D處與雙倍長濾嘴段匯合，再與切成小段的水松紙匯合，然后在搓板和搓接鼓輪F的共同作用下，將水松紙完整地包裹在卷煙和濾嘴段上形成雙倍長煙支，最后由最終切割鼓輪G將雙倍長煙支分切成完整的2支煙繼續(xù)向前輸送。

圖1 ZJ118型卷煙機卷煙接裝過程

如圖2所示，水松紙和卷煙的搓接過程是卷煙生產(chǎn)中的重要組成部分，水松紙和卷煙2在搓板3與搓接鼓輪1之間進行滾動搓接，水松紙完整地包裹卷煙一圈，并在搓板熱量的作用下將白乳膠凝固，搓板3上安裝加熱芯4和熱敏電阻5，熱敏電阻5用來實時監(jiān)測搓板的溫度，通過程序?qū)Υ臧鍦囟冗M行PID自動控制，當溫度低于設定溫度值時，固態(tài)繼電器接通加熱芯4的電源進行加熱，當溫度高于設定溫度值時，固態(tài)繼電器斷開加熱芯4的電源，此時不加熱。現(xiàn)有搓板裝置采用的是1 200 W單芯加熱，在長時間的使用中，發(fā)現(xiàn)存在一些不足之處。首先搓板的工作弧長在90 mm左右，常規(guī)煙支圓周為24.3 mm左右，搓接過程中約在搓板上滾動3周半，而細支煙圓周為16.9 mm左右，搓接過程中需要在搓板上滾動5周左右，細支卷煙的水松紙比常規(guī)煙支的水松紙要硬一些[6]，所以細支卷煙在搓接過程中帶走的熱量會比常規(guī)卷煙帶走的更多，生產(chǎn)過程中尤其在啟動階段，細支卷煙帶走的大量熱量會使搓板溫度急速下降，產(chǎn)生水松紙搓接質(zhì)量缺陷；其次搓板搓接弧面較大，加熱芯位于搓板入口處附近，熱敏電阻位于搓板中部，搓板面的熱量分布不均勻，導致一部分卷煙的水松紙不能有效地包裹甚至翹邊，因此，搓板體和搓板面上的熱量分布情況和搓板溫度的穩(wěn)定性對水松紙的搓接質(zhì)量至關重要[7]。搓板溫度不穩(wěn)定、熱量分布不均勻是產(chǎn)生水松紙翹邊、泡皺、皺紋的主要原因[8]。同時，這種質(zhì)量缺陷不是每支煙都會出現(xiàn)，對操作人員來說也極大地增加了質(zhì)量控制的風險，一旦出現(xiàn)此缺陷就需要停機進行大量的排查，不僅降低了設備效率，還產(chǎn)生大量的消耗。為此，在熱敏電阻安裝位置前端設計一個8 mm的通孔，用于安裝400 W加熱芯，原加熱芯位置安裝800 W加熱芯，從而構(gòu)成新型雙芯加熱搓板裝置。

1.搓接鼓輪；2.雙倍長卷煙；3.搓板；4.加熱芯；5.熱敏電阻。

2 仿真分析

為了更加具體地分析搓板加熱裝置熱量分布情況[9]，筆者采用SolidWorks軟件中的Solidworks Simulation插件進行熱力有限元分析[10]，分別對單芯1 200 W加熱搓板裝置和雙芯400 W+800 W加熱搓板裝置進行了熱力仿真對比分析[11]。

2.1 建模

2.1.1 功率1 200 W單芯加熱搓板裝置的建模

按照實際尺寸分別畫出搓板體、熱敏電阻和1 200 W加熱芯的零件圖，然后組裝成一個裝配體，其中，熱敏電阻的安裝位置處于搓板體的正中心，見圖3a。

2.1.2 功率400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置的建模

按照實際尺寸分別畫出搓板體、熱敏電阻、400 W加熱芯和800 W加熱芯的零件圖，然后組裝成一個裝配體，其中，熱敏電阻的安裝位置處于搓板體的正中心，見圖3b。

2.2 新建熱力分析算例

分別在2個裝配圖中打開SolidWorks軟件中的Solidworks Simulation插件，選擇“熱力”，新建一個熱力分析的算例，因為需要分析搓板裝置持續(xù)加熱的情況，所以熱力分析“屬性”設置為瞬態(tài)分析，時間設為300 s，時間步長設置為10 s，見圖4。

2.3 設定參數(shù)

2.3.1 選定零件材料

加熱芯選材為合金鋼，熱敏電阻選材為鑄造不銹鋼，搓板體選材為可鍛鑄鐵，相關材料的參數(shù)見表1。

2.3.2 設定相觸面組

解讀、分析一直以來都是語文課堂教學的難點，因為教師要想讓學生真正理解文本中所表達的、所傳遞的中心思想，要想改變目前的死記硬背，除了要引導學生去解讀之外，還要鍛煉和提高學生的解讀能力，使學生在主動解讀中樹立起積極的閱讀意識。那么，學生在解讀的過程中應該從哪些地方入手呢？學生應該對文本解讀些什么呢？在筆者看來，一線教師要給學生自主解讀文本“背景”“字詞”“情感”等方面的機會，要讓學生在自主解讀中形成能力，進而逐步提升基本的語文素養(yǎng)。

根據(jù)各零件之間的配合關系，設定加熱芯的圓弧面和搓板體的預留孔為一個接觸面組，熱阻設置為2.32×10?4(K·m2)/W；熱敏電阻的圓弧面和搓板體的預留孔也為一個接觸面組，熱阻設置為2.32×10?4(K·m2)/W，見圖5。

圖3 搓板建模

圖4 新建算例

2.3.3 設定熱載荷

設定“熱量”，將加熱芯的熱量設定為其對應的功率，雙芯搓板裝置加熱芯的功率設定為400 W和800 W，單芯搓板裝置加熱芯的功率設定為1 200 W。

設定“對流”，搓板體暴露在空氣中的面的對流系數(shù)設定為30 W/(m2·℃)，加熱芯和熱敏電阻暴露在空氣中的面的對流系數(shù)設定為40 W/( m2·℃)。

設定“溫度”，將算例的初始溫度設置為環(huán)境溫度298 K，見圖6。

2.4 生成網(wǎng)格

將所建的搓板裝置模型進行網(wǎng)格化，選擇“基于曲率的網(wǎng)格化”，“網(wǎng)格密度”調(diào)至良好，然后自動生成網(wǎng)格化，見圖7。

2.5 運算結(jié)果

分別運行單芯加熱搓板裝置和雙芯加熱搓板裝置的熱力分析算例，運算結(jié)果見圖8。

3 仿真結(jié)果分析

如圖8，在仿真分析算例運行300 s后，單芯加熱搓板裝置的最高溫度和最低溫度分別為512 ℃和229 ℃，最大溫度差為283 ℃；雙芯加熱搓板裝置的最高溫度和最低溫度分別為526 ℃和327 ℃，最大溫度差為199 ℃。這說明400 W+800 W的雙芯加熱搓板裝置的熱量極限比1 200 W的單芯加熱搓板裝置的高，而且整個搓板體的溫度分布差距小，熱量在搓板體上的分布較均衡。

表1 零件材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of parts

圖5 相觸面組設置

圖6 熱載荷設定

圖7 生成網(wǎng)格化

圖8 運算結(jié)果

圖9 截面裁剪選取采樣點

圖10 熱敏電阻中心（溫度/時間）曲線

圖11 達到設定溫度200 ℃時的運算結(jié)果

圖12 達到200 ℃時搓板面上的溫度分布

圖13 達到200 ℃時搓板面溫度分布曲線（從搓板入口到出口）

因為搓板體主要與煙支接觸的是搓板面，所以搓板面上的溫度分布對保證卷煙的搓接質(zhì)量至關重要。從前面的分析可以看出1 200 W單芯加熱搓板的中心點溫度在134 s時升至設定溫度200 ℃，而400 W+800 W雙芯加熱搓板的中心點溫度在100 s時升至設定溫度200 ℃，故將2個仿真算例都設定到其達到設定溫度時的工作狀態(tài)，如圖11所示，以此來觀察分析當搓板加熱裝置工作在設定溫度時的搓板面溫度分布情況。從圖12可以看出，當處于設定溫度時，單芯加熱搓板裝置的搓板面上熱量主要集中在搓板入口至搓板面1/2處，而雙芯加熱搓板裝置的搓板面上熱量分布較均勻，從搓板入口一直到搓板面3/4處。

另外，如圖13所示，從搓板入口到出口順序選取采樣點，查看所有采樣點溫度分布情況可知，1 200 W單芯加熱搓板裝置搓板面的溫度最大值和最小值分別是260 ℃和87.3 ℃，最大溫差為172.7 ℃，而且搓板靠近出口的1/4部分溫度都低于110 ℃；400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置搓板面的溫度最大值和最小值分別是219 ℃和113 ℃，最大溫差為106 ℃，而且整個搓板面的溫度都高于110 ℃。這說明，在同等工況下，雙芯搓板面的熱量比單芯搓板面的熱量分布得更加均勻，且溫差較小，能夠更好地保證卷煙搓接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

4 雙芯加熱搓板裝置設計

從仿真分析結(jié)果可以看出，400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置比1 200 W單芯加熱搓板裝置有很明顯的優(yōu)勢，有利于搓板熱量均勻分布，從而改善卷煙搓接質(zhì)量，因此基于仿真分析結(jié)果，筆者設計了一種400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置。

4.1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖14所示，ZJ118卷煙機400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置，其基本構(gòu)成包括搓板、800 W加熱芯、400 W加熱芯、熱敏電阻、固態(tài)繼電器[12]、PLC模塊、原機觸摸顯示屏、原機工控機等。原機工控機為PLC[13]模塊提供加熱使能信號和給定搓板溫度值，熱敏電阻為PLC模塊提供搓板實時溫度值[14]，PLC模塊根據(jù)程序來控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制800 W加熱芯和400 W加熱芯的加熱。

4.2 硬件設計

如圖15所示，所述的搓板1長度為77 mm，前端厚度為25.78 mm，后端厚度為13.65 mm，弧面半徑為135.35 mm，弧長為81 mm，搓板體采用鑄鐵鍛造，搓板體采用熱處理，增強其硬度及減少高溫加熱時的變形[15]，搓板體兩端表面5均勻加工直條紋，其條紋深度為20 μm，搓板中間表面6噴涂陶瓷，以增加其摩擦；800 W加熱芯2安裝在搓板1前端直徑為12.6 mm的圓柱通孔內(nèi)，400 W加熱芯4安裝在搓板1后端的直徑為8 mm的圓柱通孔內(nèi)，熱敏電阻3安裝在搓板1中間直徑為7 mm的圓柱通孔內(nèi)，處于搓板的正中，測得的溫度為搓板均勻分布的穩(wěn)定值。加熱芯3和4的加熱電源均為220 V，由固態(tài)繼電器控制通斷。

圖14 雙芯加熱搓板裝置結(jié)構(gòu)

1.搓板；2.800 W加熱芯；3.熱敏電阻；4.400 W加熱芯；5.搓板兩端表面；6.搓板中間表面。

5 應用效果

如圖16，將新設計的400 W+800 W搓板加熱裝置運用于實際生產(chǎn)中，為了驗證改進效果，隨機選取一臺ZJ118型細支卷接機組作為實驗對象，機組工作條件：按照三班正常倒班連續(xù)生產(chǎn)10 d，每天生產(chǎn)18 h，日保養(yǎng)1.5 h，班前保養(yǎng)20 min/班。分別采集ZJ118卷接機組安裝雙芯加熱搓板裝置前后的樣本數(shù)據(jù)各10組，對煙支皺紋、泡皺、翹邊等缺陷煙支出現(xiàn)的頻次進行統(tǒng)計。

由表2可以看出，改進前平均每天出現(xiàn)皺紋2.5次、泡皺1次、翹邊1次，改進后平均每天出現(xiàn)皺紋0.1次、泡皺0.1次、翹邊0次。改進后，由搓板加熱裝置加熱不均勻?qū)е碌乃杉埌櫦y減少了96%，泡皺減少了90%、翹邊減少了100%，改進后水松紙搓接質(zhì)量問題大幅減少，效果非常好。

圖16 雙芯加熱搓板裝置實際應用

表2 雙芯加熱搓板裝置安裝前后出現(xiàn)質(zhì)量問題頻次統(tǒng)計

Tab.2 Frequency statistics of quality problems before and after installation of double core heating washboard device

6 結(jié)語

從仿真分析可以得出結(jié)論，400 W+800 W的雙芯加熱搓板裝置的熱量極限比1 200 W的單芯加熱搓板裝置高，而且整個搓板體的溫度分布差距小，熱量在搓板體上的分布較均衡。另外，400 W+800 W的雙芯加熱搓板裝置的加熱效率比1 200 W的單芯加熱搓板裝置高，可以快速地達到設定溫度200 ℃，能更好地滿足生產(chǎn)需求，在同等工況下，雙芯搓板面的熱量比單芯搓板面的熱量分布得更加均勻，且溫差較小，能夠更好地保證卷煙搓接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

實驗數(shù)據(jù)也表明，改進后，由搓板加熱裝置加熱不均勻?qū)е碌乃杉埌櫦y數(shù)量減少了96%，泡皺減少了90%、翹邊減少了100%，改進后水松紙搓接質(zhì)量問題大幅減少，由此說明，該400 W+800 W雙芯加熱搓板裝置具有加熱效率高，熱量分布均勻，溫差小等優(yōu)點，能更有效地提高卷煙搓接質(zhì)量，既大大減少了卷接質(zhì)量事故出現(xiàn)頻次和設備停臺維修時間，也降低了卷煙生產(chǎn)消耗，可推廣應用于煙草行業(yè)各種中細支卷煙機型。

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Design of Double Core Heating Washboard Device of ZJ118 Cigarette Machine Based on Solidworks Simulation Analysis

PAN Yu-ting, CAI Pei-liang, HUANG Li, YANG Cai-hong, JIN Xue-peng, DU Pu-ze, DENG Jing

(Qujing Cigarette Factory, Hongyun Honghe (Group) Co., Ltd., Yunnan Qujing 655001, China)

The work aims to solve the quality problems of blister wrinkle, wrinkle and edge warping of tipping paper caused by uneven heating of washboard in production of fine cigarettes. Based on SolidWorks simulation analysis, a 400 W + 800 W double core heating washboard device was designed to replace the original 1 200 W single core heating washboard device. The heat distribution of the two kinds of washboard heating devices at the set temperature of 200 ℃ was simulated and analyzed, and then the application effect of the transformation scheme was verified in actual production. The results of simulation analysis showed that both heat limit and heating efficiency of the 400 W + 800 W dual core heating washboard device were higher than those of the 1 200 W single core heating washboard device. The dual core heating can reach the set temperature more quickly. The heat distribution on the washboard body was more uniform. The heat distribution on the washboard surface was more stable. And the temperature difference was small, which could better ensure the stability of cigarette splicing quality. The practical application results showed that after using the double core heating washboard device, there were no quality problems such as blister wrinkle, wrinkle and edge warping of tipping paper. It can be concluded that the 400 W + 800 W dual core heating washboard device has the advantages of high heating efficiency, uniform heat distribution and small temperature difference. It can more effectively improve the cigarette splicing quality, greatly reduce the frequency of coiling quality accidents and equipment shutdown and maintenance time, and reduce the consumption of cigarette production.

double core heating washboard; simulation analysis; tipping paper; heat distribution; cigarette machine; middle fine branch

TS43

A

1001-3563(2023)03-0268-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.034

2022?03?23

云南省科技項目（2018BA087）

潘昱亭（1994—），男，本科，助理工程師，主要研究方向為卷煙包裝設備電氣故障診斷。

蔡培良（1972—），男，高級工程師，主要研究方向為卷包設備和電氣控制理論。

責任編輯：曾鈺嬋