李峰，余峰，孔德昕，楊彩虹，華衛(wèi)，蔡培良，呂忠，毛龍所

ZJ17卷煙機煙末清潔隔離裝置的設計與應用

李峰，余峰，孔德昕，楊彩虹，華衛(wèi)，蔡培良，呂忠，毛龍所

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655001）

解決已涂膠的水松紙黏上煙末、復合型濾棒添加物顆?；蚱渌s物而產生的煙支水松紙夾末、皺紋、漏氣等一系列產品質量問題。在ZJ17型卷煙機MAX部分匯合鼓輪與靠攏鼓輪之間加裝兩道清潔煙末裝置，實現(xiàn)電氣一體化控制。該裝置與設備原本的接裝紙切刀輥防護罩左下方吹氣裝置形成三道吹風清潔裝置。三道吹氣裝置在匯合鼓輪與靠攏鼓輪之間形成一層隔離氣簾。隔離氣簾能夠隔離煙末、復合型濾棒添加物顆粒等雜物，產品質量缺陷率由2.68%降至0.36%。所研制的清潔裝置效果顯著，降低了煙支夾末質量缺陷率，保證了產品質量，在ZJ118、ZJ116等機型上具有較廣泛的推廣應用價值。

ZJ17卷煙機；煙末；三道吹風裝置；隔離氣簾；電氣一體化

ZJ17型卷煙機在正常生產運行時，從進煙鼓輪到水松紙搓接鼓輪，雙倍組煙經切割、分離、匯合濾嘴、包裹水松紙、搓接成型的過程中，會拋甩所產生的大量懸浮煙末，容易出現(xiàn)水松紙夾末的現(xiàn)象，進而造成水松紙皺紋、翹邊、漏氣、掉嘴等質量缺陷[1]。行業(yè)內對ZJ17卷接機MAX煙末的清潔有一定的研究成果，例如：利用負壓吸風裝置和負壓回收裝置清除靠攏輪和搓接輪處的煙末，在形成煙支相組合之前，利用正壓吹氣裝置吹走煙末，避免水松紙沾上煙末以及通過對一次分切輪進行技術改進等[2-4]方法，都不能完全解決夾煙支夾末這一質量問題。要解決這一問題的關鍵在于在接搓之前盡可能地清潔靠攏鼓輪和匯合鼓輪之間的煙絲、煙末等顆粒。為此，在ZJ17型卷煙機MAX部分，匯合鼓輪與靠攏鼓輪之間設計了兩道清潔煙末裝置，它們與設備原本的接裝紙切刀輥防護罩左下方吹氣裝置共同形成一層隔離氣簾。隔離氣簾基本上清潔了靠攏鼓輪和匯合鼓輪之間的煙絲、煙末等顆粒，將搓接之前的煙末去除，最大程度上減少夾末煙的產生，能保證了產品質量。

1 問題分析

1.1 存在問題

通過頻閃儀觀察發(fā)現(xiàn)，在接裝過程中，由于鼓輪的高速轉動，煙端的煙末在離心力的作用下被拋出，拋出的煙末有一部分在重力的作用下掉入廢煙箱，而另一部分會跟隨鼓輪轉動并被帶到下游鼓輪上，從而在運轉的鼓輪外圍形成一股流動的煙末流。同時，因為鼓輪的高速轉動帶動鼓輪表面的氣流也高速流動，根據流體的速度與壓強的原理知道，鼓輪表面氣流流速快壓強小，而外圍氣流的流速慢壓強大，所以煙末在2種氣流產生的壓強差的作用下跟隨鼓輪轉動。在實際生產過程中，在分離輪高速旋轉產生的慣性作用下，雙倍組煙經第一切割輪切割后，煙末會沿著切割端面方向掉落，大部分重量小的煙末會飄散在分離輪四周，甚至傳遞給下游的綜合鼓輪，導致靠攏鼓輪與匯合鼓輪之間成為煙末流高發(fā)點（三角區(qū)域煙末）。匯合鼓輪將煙支和濾嘴段向靠攏鼓輪傳送，同時也把匯合鼓輪上掉落產生的煙末和上游鼓輪傳遞的大量煙末帶到靠攏鼓輪上，上膠后的水松紙經刀輥切成水松紙紙片，然后被傳遞至靠攏鼓輪的煙組上，隨后對其進行包裹。這種情況下，切紙鼓輪刀輥防護罩和靠攏鼓輪形成了一個較狹小的煙末生成空間，如圖1所示。

1.2 原因分析

靠攏鼓輪與匯合鼓輪交會點是煙末流高發(fā)點（三角區(qū)域煙末），設備原有的清潔裝置不能完全清理煙末，水松紙片和未被清理的煙末形成了相向運動[5]，煙末極易粘在水松紙片上，造成搓接成型后的煙支水松紙夾末。根據卷煙制造車間水松紙夾末煙缺陷率統(tǒng)計，該煙末清潔裝置應用前，水松紙夾末煙缺陷率平均值為2.68%，未滿足企業(yè)標準。

1.切紙鼓輪；2.靠攏鼓輪；3.切紙鼓輪刀輥護罩；4.水松紙紙切刀；5.靠攏鼓輪與匯合鼓輪之間的三角區(qū)域煙末；6.匯合鼓輪； 7.設備原有清潔裝置。

2 煙末清潔隔離裝置設計

2.1 設計原理

新設計的煙末清潔隔離裝置原理：利用流體力學原理，對匯合鼓輪和靠攏鼓輪間的三角區(qū)域進行清潔吹風，三道吹氣清潔裝置共同作用形成清潔“氣簾”，在粘有膠水的水松紙片與濾嘴段、煙支相組合之前，利用正壓吹氣將懸浮飛濺的煙末隔離、清潔；清潔風由外向里吹，被吹走的煙末會被MAX后機殼阻擋，然后下落到位于下方的原機配備廢煙回收桶中，這樣方便了煙末的回收處理，整個過程相對隱蔽，也不會造成生產環(huán)境的污染。利用PLC和電磁閥設計控制電氣，設備開機時電磁閥通電，該裝置吹氣；設備停機后電磁閥斷電，停止吹氣，節(jié)約能源。

2.2 設定氣壓

當空氣從噴嘴沿鼓輪軸向進行吹送時，噴嘴腔室出口處的氣體流速遠遠大于鼓輪軸向的氣體流速，流速與壓強成反比。因此，在平行于鼓輪面并沿鼓輪軸方向上會形成壓差，壓強差產生強大的氣流，從而使得堆積在鼓輪三角區(qū)域的煙絲、煙末等顆粒被吹走，然后落至卷煙機內部下方的輸送皮帶上，最后輸送皮帶將煙絲、煙末等顆粒輸送到殘品回收箱內。箱內符合工藝標準的煙絲經篩選后進行二次加工，并摻配到成品煙絲中，降低了生產消耗。

卷接設備的壓縮空氣都是由動力部門統(tǒng)一提供，會存在氣壓不穩(wěn)定的情況。動力部門輸送過來的空氣氣壓很大，輸送過來的氣壓通常需要經過設備上的節(jié)流閥來調整。如果經調整后氣壓過小，煙末不足以被吹離三角區(qū)域范圍，仍然會落到鼓輪上；如果經調整后氣壓過大，容易導致吹走的煙末碰到MAX后機殼后反彈回來落到鼓輪上。理想狀態(tài)下煙末清潔軌跡如圖2、圖3所示。

1.氣流方向；2.氣流；3.允許煙末飛行最小軌跡； 4.允許煙末飛行最大反彈軌跡；5.MAX后機殼；6.靠攏鼓輪。

1.氣流方向；2.最外側煙末；3.最內側煙末；4.允許煙末飛行最大反彈軌跡；5.允許煙末飛行最小軌跡； 6.MAX后機殼；7.靠攏鼓輪。

如圖2所示，壓縮空氣使得最外側的煙末飛出鼓輪運行范圍，但不會使煙末碰撞MAX后機殼后反彈回鼓輪運行范圍。如圖3所示，經過衰減變化的氣流應當滿足將處于最內側的煙末吹出鼓輪運行范圍，但不會使煙末碰撞MAX后機殼反彈回鼓輪運行范圍。因此，經過節(jié)流閥調整后的用來清潔煙末的氣壓應滿足圖2、圖3這2種情況。

由于煙絲、煙末形成的實際規(guī)則不等，測量無法實現(xiàn)。故對煙絲、煙末做受力分析時將它們統(tǒng)一設定為單顆粒狀[6]。在實際生產中，鼓輪三角區(qū)域中堆積的煙絲、煙末等顆粒在氣流流場中受到許多力的作用[7-8]。比如氣體對固體顆粒的耦合作用、固體顆粒之間相互碰撞的作用以及固體顆粒之間相互的作用力[9-10]。在設備本身自帶的清潔裝置作用下。煙絲、煙末等顆粒的濃度較低，固體顆粒之間相互碰撞的概率非常小，可以忽略不計[11]。因此煙絲、煙末等顆粒的受力主要為顆粒本身的重力、浮力，氣流對顆粒的作用力以及顆粒之間的相互作用力。

在煙絲、煙末等顆粒和氣體組成的氣固兩相流中，忽略影響較小的力，只有橫向力對顆粒橫向運動產生影響。因此，只考慮氣流對顆粒的橫向曳引阻力、浮力和重力，其中浮力的作用較小，起主要作用只有顆粒本身的重力和氣流對顆粒的曳引阻力。顆粒本身的重力為，方向向下；氣流對煙絲、煙末等顆粒的曳引阻力為，方向與氣流方向相同。煙絲、煙末等顆粒本身的重力、浮力，以及氣流對煙絲、煙末等顆粒的曳引阻力這3種力之間的關系對應煙絲、煙末等顆粒在鼓輪三角區(qū)域內的3種不同運動狀態(tài)。①當顆粒本身的重力大于空氣的浮力時，煙末顆粒堆積在鼓輪上，此時煙末顆粒受橫向氣流曳引阻力作用，顆粒受到的合力沿鼓輪軸向向里，因此煙末顆粒向里運動；②當顆粒本身的重力與空氣浮力相等時，煙絲、煙末等顆粒懸浮在介質空氣中，在氣流對顆粒的橫向曳引阻力的作用下，顆粒受到的合力沿鼓輪軸向向里，因此煙絲、煙末等顆粒向里運動；③當顆粒本身的重力小于空氣的浮力時，煙絲、煙末等顆粒受到的合力向上，要保證煙絲、煙末等顆粒在氣流曳引阻力作用下向內運動，就要使得大于向上方向的合力。上述3種情況，要使得鼓輪上煙末堆積區(qū)域的煙絲、煙末在氣流拽引力作用下發(fā)生位置轉移，只要鼓輪最里側煙末的最終速度等于懸浮速度，就能保證鼓輪煙末清潔。

一般煙絲密度約為152.7 kg/m3，煙末密度取煙絲密度計算。由于煙末的狀態(tài)不規(guī)則，故利用單顆粒的球體進行計算分析[12]。煙末尺寸（厚度×寬度）為(1.0～1.5) mm× 0.80 mm，當量直徑0[13]的計算見式（1）。

由此求得煙末（按1.0 mm×0.80 mm煙末計算）的當量直徑為煙末=0.505×10?3m。對于形狀規(guī)則的單顆粒球體，顆粒在介質中的懸浮速度[14]為：

式中：為介質的懸浮系數(shù)，與雷諾系數(shù)相關；0為煙末顆粒的密度，kg/m3；為氣流的密度，kg/m3。

因為煙末形狀的不規(guī)則，所以需要修正[15]，修正公式為：

式中：s為修正系數(shù)。

式中：為摩擦因數(shù)；為噴嘴軸向鼓輪的距離，m；為噴嘴孔的直徑，m；為空氣的密度，kg/m3；為氣流在噴嘴出口的速度，m/s。

式（4）中，取值為0.5；測量為0.235 m；測量為0.05 m；取1.24 kg/m3；為噴嘴出口氣流速度，范圍為0.35～3.65 m/s，取其均值2 m/s；值查表取0.17×105。經計算，可得出噴嘴出口處氣壓約為26.70 Pa。

由于氣體經噴嘴吹出，氣管內（噴嘴入口處）與噴嘴出口處的氣體滿足伯努利方程[16]：

(5)

根據噴嘴出口氣流速度、氣管內的氣體流速計算出氣管內的氣壓。在本項目中，把空氣作為理想氣體計算，其密度一定，故氣管內壓強為：

(6)

式中：1為清潔氣管內氣壓，Pa；2為噴嘴出口氣壓，Pa；1為氣管內氣體密度，kg/m3；2為噴嘴出口氣體密度，kg/m3；2為噴嘴出口氣流速度，m/s；1為氣管內氣流速度，m/s。理想氣體下，1和2都按空氣密度計算，空氣密度取值為1.24 kg/m3；2取其均值2 m/s；調壓閥與清潔氣管間存在高度差為（經測量為0.15 m），則根據調壓閥與噴嘴入口間的能量守恒，計算得出清潔氣管內流速約為4.697 m/s。經計算可得清潔氣管內的壓強為：

2.3 機械零部件設計

所設計的清潔隔離裝置包括第一道氣簾吹氣嘴、第二道氣簾吹氣嘴、第二道氣簾吹氣嘴安裝支架，如圖4—6所示。

圖4 第一道氣簾吹氣嘴

圖5 第二道氣簾吹氣嘴

圖6 第二道氣簾吹氣嘴安裝支架

在圖4中，第一道氣簾吹氣嘴安裝在原機靠攏鼓輪浮圈調節(jié)裝置支架上，呈水平狀態(tài)放置，形狀設計成三棱柱形，可剛好置于靠攏鼓輪與匯合鼓輪交會處；出風口設計為多個蜂窩狀小孔，上下5排均勻分布，形成第一道氣簾屏障裝置。在圖5—6中，第二道氣簾吹氣嘴安裝支架1安裝在原機靠攏鼓輪浮圈調節(jié)裝置支架上；第二道氣簾吹氣嘴安裝支架2通過螺釘固定在第一道氣簾吹氣嘴安裝支架1腰圓孔上，可以根據需要左右移動一定距離，形狀設計成“J”字形，可以調整一定角度，以適應第二道氣簾吹氣嘴安裝在接裝紙切刀防護罩下方的位置需求；第二道吹氣嘴焊接在第二道吹氣嘴安裝支架3上，形狀設計成長方體，出風口設計為多個圓形小孔，上下2排均勻分布。以上部分組成第二道氣簾屏障。煙末清潔隔離裝置兩道氣簾吹氣嘴與安裝支架的整體結構見圖7。

圖7 兩道氣簾吹氣嘴與安裝支架整體裝置

2.4 控制電路設計

本裝置由PLC和電磁閥控制電氣，該裝置的PLC電氣控制線路見圖8。

圖8 清潔裝置PLC電氣控制線路

在圖8中，清潔裝置電氣控制系統(tǒng)采用S7-200PLC為主控制器，其輸入端采集原機機器運行信號-A50-A4Q2.1(MAX)和MAX接收輪上煙條存在檢測B77信號-A50-A8I9(SE)作為控制系統(tǒng)輸入信號，S7-200PLC輸出控制清潔裝置的二位三通電磁閥，從而控制清潔裝置工作與否。當卷煙機啟動時，PLC接收到-A50-A4Q2.1(MAX)送入的機器運行信號；同時，當打條器動作，刀盤定切的等長雙倍煙條通過蜘蛛手傳送到MAX接收輪，安裝在MAX接收輪上方的煙條存在，檢測探頭B77探測到雙倍煙條時，會產生煙條存在信號送入PLC輸入端。當以上2個信號同時滿足時，通過程序編寫，PLC輸出高電平控制二位三通電磁閥線圈Y1動作，二位三通電磁閥得電動作，壓縮空氣接通，第一道氣簾和第二道氣簾對經過其下方的煙未進行清潔。當設備停機時，機器運行信號和煙條存在檢測信號消失，PLC輸出低電平，Y1線圈失電，二位三通電磁閥失電回位，從而關斷壓縮空氣，第一道氣簾和第二道氣簾停止工作，從而達到節(jié)約能源的目的。

2.5 控制氣路設計

第一道氣簾吹氣嘴與第二道氣簾吹氣嘴由氣壓調節(jié)閥控制，清潔裝置氣壓控制見圖9。

圖9 清潔裝置氣壓控制圖

在圖9中，第一道氣簾吹氣嘴氣壓調節(jié)閥和氣壓表一端通過氣管與第一道氣簾吹氣嘴相連，另一端通過氣管與設備正壓氣源相連，用于調節(jié)第一道吹氣嘴的氣壓大小和顯示氣壓值；第二道氣簾吹氣嘴氣壓調節(jié)閥和氣壓表一端通過氣管與第二道氣簾吹氣嘴相連，另一端通過氣管與設備正壓氣源相連，用于調節(jié)第二道吹氣嘴的氣壓大小和顯示氣壓值。2個吹風裝置分別連接一個調壓閥，可以根據清潔強度需求對風力大小進行單獨控制。

3 煙末清潔隔離裝置安裝

在圖10中，第一道吹風裝置主要將掉落的復合型濾棒添加物顆粒和匯合鼓輪在高速轉動過程中由于離心力作用拋起的煙末吹離鼓輪，防止它們落到靠攏鼓輪的煙組上。但在實際生產中，僅有一次吹風清潔效果不顯著，有必要在接裝紙切刀防護罩下方位置，利用第一道吹氣裝置的支架再加裝一個向內吹風裝置，形成第二道吹風屏障。第二道吹氣裝置的支架設計成腰圓孔，可根據空間大小調節(jié)角度和橫向位置。第二道吹氣裝置的氣嘴與靠攏鼓輪運行軌跡相切，進行二次清潔。二次清潔裝置分別位于生產工序前后的位置，對清潔有遞進、加強的關系。第一道吹氣裝置與第二道吹氣裝置配合，加上設備原有的接裝紙切刀輥防護罩左下方吹氣裝置，總共3道吹風清潔裝置，在匯合鼓輪與靠攏鼓輪之間形成一層隔離氣簾，從而有效隔離煙末、復合型濾棒添加物顆粒等雜物。設計的煙末清潔隔離裝置采用正壓吹氣的方式形成清潔“氣簾”，保證該裝置在煙支搓接成型過程之前盡可能地將煙末去除，減少水松紙夾末煙、提高產品質量。

圖10 清潔裝置安裝設計

4 效果驗證

4.1 驗證方法

裝置調試成功后，在卷煙制造車間內9臺ZJ17機組安裝該清潔裝置。采用隨機取樣的方法，在設備正常運行時，在1 h內對每臺設備進行一次10 000支煙支隨機取樣并記錄數(shù)據，每周進行夾末煙缺陷率匯總統(tǒng)計。

4.2 驗證效果

由表1結果可知，安裝本裝置后，水松紙夾末煙缺陷率的平均值由之前的2.68 %降為0.36%。根據企業(yè)要求，水松紙夾末煙缺陷率需滿足≤0.5%的要求。因此，所設計的煙末清潔隔離裝置有效地解決了ZJ17卷煙機水松紙夾末煙這一質量缺陷問題。

表1 應用后水松紙夾末煙數(shù)據統(tǒng)計

Tab.1 Data statistics of cigarettes containing cigarette powder in tipping paper after application

注：應用后缺陷率數(shù)值為2022年9月份數(shù)據；周統(tǒng)計數(shù)據為每周缺陷率的平均值；缺陷率指每百支取樣中水松紙夾末煙的數(shù)量；企業(yè)要求標準為夾末煙缺陷率不超過0.5%。

5 結語

基于機電氣一體化控制的三道吹氣裝置有效地隔離了煙末、復合型濾棒添加物顆粒等雜物，降低了生產成本、提高了生產效率、保證了設備生產的連續(xù)性。實驗結果表明，該裝置應用后，水松紙夾末煙缺陷率由2.68%下降至0.36%，產品的高質量發(fā)展得到了有力的保障，為企業(yè)精品制造提供了堅實的保障。

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Design and Application of Cigarette Powder Cleaning and Isolation Devices for ZJ17 Cigarette Machines

,,,,,,LYU Zhong, MAO Long-suo

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

The work aims to solve a series of product quality problems such as cigarette tipping paper clipping, wrinkles and air leakage caused by sticking cigarette powder, composite filter rod additive particles or other sundries to the glued tipping paper. Two dust blowing devices were installed between the confluence drum and the approaching drum of the MAX part of the ZJ17 cigarette machine to realize integrated electrical control. This device formed a three-way blowing cleaning device with the original blowing device on the lower left of the protective cover of the tipping paper cutter roller. The results showed that the three-way blowing device formed a layer of isolation air curtain between the confluence drum and the approaching drum, which effectively isolated the cigarette powder, compound filter rod additive particles and other sundries. The product quality defect rate dropped from 2.68% to 0.36%. It can be seen that the cleaning device developed reduces the quality defect rate of cigarette holders and solves the quality defect of cigarette tipping paper clips, and ensures the product quality. It has wide application value on ZJ118, ZJ116 and other models.

ZJ17 cigarette machine; cigarette powder; three-way blowing device; isolation air curtain; electrical integration

TB486；TH136

A

1001-3563(2023)15-0229-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.030

2023?03?27

云南中煙工業(yè)有限責任公司科技項目（2023ZN03）

李峰（1976—），男，維修技師，主要研究方向為卷煙設備維修與改造。

責任編輯：曾鈺嬋