張閣，楊青，馬廣智，耿昌樂，劉金龍，王海東，常月勇，戴由宗，孫東亮*

MIR-01型雪茄卷制機(jī)茄芯庫蓋板的改進(jìn)與應(yīng)用

張閣1，楊青2，馬廣智3，耿昌樂1，劉金龍1，王海東1，常月勇1，戴由宗1，孫東亮1*

1山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006號(hào) 250000；2采埃孚商用車系統(tǒng)（青島）有限責(zé)任公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南市高新區(qū)世紀(jì)大道1001號(hào) 250000；3濟(jì)南泉永印務(wù)有限公司，濟(jì)南市經(jīng)十東路7117號(hào) 250200

【目的】為解決MIR-01型雪茄卷制機(jī)茄芯成型裝置因茄芯流動(dòng)不暢或堵塞而導(dǎo)致茄芯庫蓋板變形、煙支空頭率高等問題?！痉椒ā坎捎迷黾蛹訌?qiáng)筋的方式對(duì)茄芯庫前上蓋板進(jìn)行改進(jìn)。通過對(duì)茄芯庫及茄芯進(jìn)行力學(xué)分析，使用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)前上蓋板的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)（兩框、四框、下四框、八框）和厚度（1.5、2.0、2.5 mm）進(jìn)行優(yōu)化，以MIR-01型雪茄卷制機(jī)生產(chǎn)的“泰山（紅3G）”牌雪茄煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試?！窘Y(jié)果】茄芯流動(dòng)不暢時(shí)前上蓋板的臨界正壓力為269.5 N；最優(yōu)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)為八框結(jié)構(gòu)、厚度為2.5 mm：改進(jìn)后茄芯庫前上蓋板平均使用壽命由1099.5 h增加至4079.5 h，延長271%；平均煙支空頭率由9.57%降低至6.43%?！窘Y(jié)論】該技術(shù)為提高機(jī)制雪茄煙質(zhì)量提供支持。

MIR-01型雪茄卷制機(jī)；茄芯庫；蓋板；ABAQUS有限元分析；加強(qiáng)筋；變形量

與傳統(tǒng)手工雪茄煙相比，機(jī)制雪茄煙主要采用機(jī)器制作茄芯后再以手工或機(jī)器的方式進(jìn)行上茄衣和茄套操作[1]。近年來，隨著機(jī)制雪茄煙銷量的不斷提高[2]，優(yōu)化或改進(jìn)雪茄煙生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)于機(jī)制雪茄煙的發(fā)展具有重要作用[3]。荷蘭SCM公司生產(chǎn)的MIR-01型雪茄卷制機(jī)是國內(nèi)雪茄煙生產(chǎn)企業(yè)使用的主流設(shè)備，主要由內(nèi)胚成型機(jī)和上茄衣機(jī)兩部分組成。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)胚成型機(jī)茄芯成型裝置因茄芯流動(dòng)不暢或堵塞等原因，容易導(dǎo)致茄芯庫蓋板變形，進(jìn)而造成雪茄煙出現(xiàn)煙支質(zhì)量差異大、軸向密度不均勻以及煙支空頭率高等問題。為提升MIR-01型雪茄卷制機(jī)的生產(chǎn)能力，仕小偉等[4]通過分析機(jī)組故障排查流程，提出了一種機(jī)組逆序式調(diào)節(jié)方法，與順序式調(diào)節(jié)方法相比節(jié)省了單次調(diào)整時(shí)間，提高了煙支合格率；張閣等[5-6]通過三維建模和試驗(yàn)，確定了影響茄芯質(zhì)量的主要因素是壓板壓力和壓板提升高度，并利用茄芯質(zhì)量隨壓板壓力和提升高度變化的三維圖為快速調(diào)整雪茄煙生產(chǎn)工藝參數(shù)提供了支持。但對(duì)于MIR-01型雪茄卷制機(jī)茄芯庫蓋板變形等問題的研究則未見報(bào)道。為此，通過增加加強(qiáng)筋的方式對(duì)茄芯庫蓋板進(jìn)行改進(jìn)，以期延長茄芯庫蓋板的使用壽命，提升機(jī)制雪茄煙生產(chǎn)品質(zhì)。

1 問題分析

1.1 工作原理

MIR-01型雪茄卷制機(jī)的茄芯成型裝置包括茄芯庫和壓板兩部分，見圖1[7]。其中，壓板由壓塊（3）、配重塊（2）和兩根壓板軸（1）組成；茄芯庫由后上蓋板（4）、支架側(cè)板（5）、支架（6）、后下蓋板（7）、進(jìn)料蓋板（8）、進(jìn)料口（9）、前上蓋板（10）和前下蓋板（11）組成。茄芯成型過程為：①茄芯在進(jìn)料蓋板推動(dòng)作用下從進(jìn)料口進(jìn)入茄芯庫；②壓板和茄芯庫在各自連接軸的帶動(dòng)下同步下降一定高度后，茄芯庫位置保持不變，壓板繼續(xù)下降一段距離（距離由配重塊質(zhì)量和茄芯葉片結(jié)構(gòu)決定）對(duì)茄芯進(jìn)行擠壓；③保持壓板和茄芯庫位置不變，茄芯被擠壓成均勻分布的長條型煙塊；④保持壓板位置不動(dòng)，茄芯庫稍微抬起，定型后的茄芯被壓板頂出茄芯庫，實(shí)現(xiàn)茄芯定量輸出。為適應(yīng)不同含水率、粒度等物理特性的茄芯，通過調(diào)節(jié)配重塊質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)茄芯的穩(wěn)定輸出。

1.壓板軸 2.配重塊 3.壓塊 4.后上蓋板 5.支架側(cè)板 6.支架 7.后下蓋板 8.進(jìn)料蓋板 9.進(jìn)料口 10.前上蓋板 11.前下蓋板

1.2 存在問題

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)因茄芯流動(dòng)不暢或堵塞會(huì)導(dǎo)致茄芯庫蓋板在擠壓作用下變形。圖1可見，后上蓋板與茄芯不接觸，僅對(duì)壓板的上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)向作用，因此后上蓋板不會(huì)發(fā)生變形。后下蓋板、前上蓋板、前下蓋板的厚度（δ）分別為1.8 mm、1.5 mm、2.6 mm，長度分別為127 mm、258 mm、50 mm，應(yīng)力中性層平面（材料發(fā)生彎曲時(shí)，既不受拉力又不受壓力的過渡面稱為應(yīng)力中性層平面，此處將應(yīng)力中性層平面等效為幾何中性層平面）的最小寬度均為138 mm，根據(jù)薄板變形理論[8-9]可計(jì)算彎曲剛度：

式中：為彎曲剛度，N·mm；為彈性模量（即應(yīng)力與應(yīng)變之比），N/mm2或MPa；為蓋板的厚度，mm；為泊松比（橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比），無量綱。

后下蓋板、前上蓋板、前下蓋板均由黃銅制成，具有相同的彈性模量和泊松比，由公式（1）可知厚度最薄的前上蓋板彎曲剛度最小，在茄芯擠壓作用下首先發(fā)生變形，使茄芯庫由矩形通道變?yōu)楣男屯ǖ溃ㄖ虚g略寬于兩端），見圖2。茄芯庫變形后輸出的茄芯呈中間多、兩端少分布，經(jīng)卷制成型后，煙支中間飽滿、兩端空松，因此出現(xiàn)較多空頭煙支。

圖2 茄芯庫變形前后結(jié)構(gòu)示意圖

2 改進(jìn)方法

2.1 加強(qiáng)筋的分布結(jié)構(gòu)

在不改變蓋板厚度的前提下，通過在前上蓋板上增加加強(qiáng)筋的方法提高蓋板彎曲剛度，減小蓋板變形量。在蓋板上設(shè)計(jì)4種加強(qiáng)筋分布結(jié)構(gòu)，見圖3。采用ABAQUS有限元分析軟件（法國達(dá)索SIMULIA公司）的Standard隱式分析求解器計(jì)算和對(duì)比不同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)下不同厚度前上蓋板的變形量。

a.兩框結(jié)構(gòu) b.四框結(jié)構(gòu) c.下四框結(jié)構(gòu) d.八框結(jié)構(gòu)

2.2 前上蓋板理論變形量的計(jì)算

2.2.1 蓋板臨界正壓力

如圖4所示，陰影部分為被壓實(shí)的茄芯。以壓實(shí)的茄芯為研究對(duì)象，在豎直方向上進(jìn)行受力分析，規(guī)定豎直向下為正方向，可得：

式中：合為茄芯在豎直方向上受到的合力，N；壓為壓塊與配重塊重力之和，N；為茄芯自身重力，N；為茄芯受到蓋板的摩擦力，N；1為壓塊與配重塊質(zhì)量之和，kg；2為茄芯質(zhì)量，kg；為重力加速度，N/kg；為摩擦系數(shù)，無量綱；N為蓋板受到的正壓力，N。

已知陰影部分茄芯質(zhì)量為48 g，遠(yuǎn)小于壓塊與配重塊質(zhì)量之和（5.39 kg），故忽略茄芯自身重力，可得合=壓-。當(dāng)合≥0時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)茄芯的穩(wěn)定輸出，即≤壓。查閱文獻(xiàn)[10]的方法，選取=0.2，=10 N/kg，根據(jù)公式（2）可得N≤269.5 N，即蓋板臨界正壓力為269.5 N。

圖4 茄芯受力分析示意圖

2.2.2 蓋板變形量

前上蓋板尺寸為138 mm×258 mm，茄芯主要分布在與后下蓋板重合的區(qū)域（后下蓋板長度為127 mm），故前上蓋板有效面積S=138×127=17 526 mm2。將集中載荷N轉(zhuǎn)化為分布力載荷，可得：

采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行蓋板的力-位移求解[11-12]，見圖5。①施加載荷，使用分割功能將前上蓋板劃分為有茄芯區(qū)域A和無茄芯區(qū)域B，分布力載荷q僅作用于區(qū)域A上；②設(shè)置材料屬性，采用mm-MPa單位制，輸入黃銅材料彈性模量E=106000，泊松比v=0.324；③設(shè)置邊界條件，采用六點(diǎn)定位原理，假設(shè)蓋前上蓋板的兩個(gè)側(cè)面完全固定，即U1=U2=U3= 0，UR1=UR2=UR3=0，變形結(jié)果見圖6a；④在前上蓋板的中間位置選取一條直線并定義為path1，沿該直線輸出變形數(shù)值，結(jié)果見圖6b。

為更為直觀地觀測(cè)前上蓋板的變形規(guī)律，繪制前上蓋板變形后的三維圖，并將蓋板從兩端到中間依次劃分為區(qū)域A、B、C（C1和C2）、D（D1和D2）、E（E1和E2），見圖7。①前上蓋板的變形基本呈對(duì)稱分布，變形量從兩端向中間依次增大，即變形量E>D>C>B>A。②前上蓋板不接觸茄芯的位置（C2、D2、E2）仍然會(huì)產(chǎn)生變形，但茄芯接觸位置變形量大于不接觸位置，即變形量C1>C2、D1>D2、E1>E2。③最大變形量為5.5%，即0.55 mm。當(dāng)茄芯流動(dòng)不暢時(shí)，茄芯庫首次最大變形量為5.5%；茄芯在茄芯庫中因流動(dòng)不暢逐漸變成堵塞時(shí)，變形量逐漸累積。

圖7 前上蓋板變形三維圖

2.3 加強(qiáng)筋參數(shù)的確定

2.3.1 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)

采用厚度為1.5 mm的加強(qiáng)筋根據(jù)圖3制作4種結(jié)構(gòu)的前上蓋板，利用ABAQUS軟件（參數(shù)設(shè)置同2.2.2節(jié)）模擬得到4種蓋板的變形趨勢(shì)（圖8），并沿path1路徑輸出中間位置的變形量（圖9）?？梢?，優(yōu)化后的4種前上蓋板最大變形量均有所降低，其中八框結(jié)構(gòu)的降幅達(dá)58.90%，為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖9 4種加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)前上蓋板的path1路徑變形量與最大變形量

2.3.2 加強(qiáng)筋厚度

在八框結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模擬3種加強(qiáng)筋厚度（1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm）下前上蓋板的變形趨勢(shì)，最大變形量見圖10?？梢?，加強(qiáng)筋厚度越大，最大變形量越小?？紤]到壓板與茄芯庫連接軸的尺寸間隙，無法繼續(xù)增加加強(qiáng)筋厚度，最終取加強(qiáng)筋厚度2.5 mm。

圖10 不同加強(qiáng)筋厚度前上蓋板的最大變形量

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（紅3G）”牌機(jī)制雪茄煙（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠）。

設(shè)備：MIR-01型雪茄卷制機(jī)6臺(tái)（生產(chǎn)速度為12～17支/min，荷蘭SCM公司）。其中，1#、2#卷制機(jī)未改進(jìn)；3#～6#卷制機(jī)改進(jìn)了茄芯庫前上蓋板，加強(qiáng)筋分布采用八框結(jié)構(gòu)，厚度為2.5 mm。

方法：6臺(tái)機(jī)制雪茄卷制機(jī)運(yùn)行速度均為14支/min，每臺(tái)卷制機(jī)每天兩班次生產(chǎn)，每班次工作8 h，茄芯庫前上蓋板變形量超標(biāo)（變形量超過茄芯庫厚度的10%，即1 mm）后更換前上蓋板。統(tǒng)計(jì)各臺(tái)卷制機(jī)每班次生產(chǎn)的雪茄煙煙支空頭率，以及茄芯庫因堵塞而導(dǎo)致前上蓋板變形量超標(biāo)的工作時(shí)間（即使用壽命）。測(cè)試時(shí)間為12個(gè)月，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，茄芯庫前上蓋板改進(jìn)后，平均使用壽命由1099.5 h增加至4079.5 h，延長271%；煙支空頭率平均值由9.57%降低至6.43%，降幅為3.14百分點(diǎn)。

表1 茄芯庫前上蓋板改進(jìn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)①

Tab.1 Test data of the front upper cover of the filler magazine before and after improving

注：①測(cè)試時(shí)間為2020年6月1日—2021年5月31日

4 結(jié)論

基于MIR-01型雪茄卷制機(jī)的茄芯成型裝置工作原理，對(duì)茄芯、茄芯庫前上蓋板進(jìn)行了力學(xué)分析。采用增加加強(qiáng)筋的方式對(duì)茄芯庫前上蓋板進(jìn)行改進(jìn)，并分別考察了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和厚度對(duì)前上蓋板變形量的影響，得到最優(yōu)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)為八框結(jié)構(gòu)、厚度為2.5 mm。以MIR-01型雪茄卷制機(jī)生產(chǎn)的“泰山（紅3G）”牌雪茄煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后茄芯庫前上蓋板變形量平均超標(biāo)時(shí)間增加2980 h，茄芯庫蓋板的使用壽命延長271%，煙支空頭率降低3.14百分點(diǎn)，有效減小了蓋板變形量，改善了茄芯分布均勻性，提高了雪茄煙生產(chǎn)品質(zhì)。

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Improvement and application of the cover of filler magazine of MIR-01 cigar making machine

ZHANG Ge1, YANG Qing2, MA Guangzhi3, GENG Changle1, LIU Jinlong1，WANG Haidong1，CHANG Yueyong1, DAI Youzong1, SUN Dongliang1*

1 Shandong China Tobacco Industry Co., Ltd. Jinan Cigarette Factory, No. 2006, Kehang Road, High tech Zone, Jinan 250000;2 ZF Commercial Vehicle System (Qingdao) Co., Ltd. Jinan Branch, No. 1001, Century Avenue, High tech Zone, Jinan 250000;3 Jinan Quanyong Printing Co., Ltd., No. 7117, Jingshi East Road, Jinan 250200

[Background] The deformation of the cover plate of the filler magazine and high end-losing ratemay be caused by poor flow or blockage of the filler forming device of MIR-01 cigar making machine. [Methods] In this study, the front upper cover plate of the filler magazine was improved by adding reinforcing bars. [Results] Through the mechanical analysis of the filler and the filler magazine, the critical positive pressure of the front upper cover plate of the filler magazine was 269.5 N when the filler magazine flow was not smooth. ABAQUS finite element simulation software wass used to optimize the stiffener structure (two frames, four frames, four frames below, eight frames) and thickness (1.5, 2.0, 2.5 mm) of the front upper cover plate, and the most suitable stiffener structure was eight frames and thickness was 2.5 mm. “Taishan (Red 3G)” cigars (Jinan Cigarette Factory of China Tobacco Shandong Industry Co., Ltd.) produced by Mir-01 cigar making machine were tested. The results showed that after the improvement, the average deformation time of the front upper cover increased from 1 099.5 h to 4 079.5 h, the durability was increased by 271%, and the average rate of cigar lose ends decreased from 9.57% to 6.43%. [Conclusion] The proposed method provides support for improving the quality of machine-made cigars.

MIR-01 cigar making machine; cigar filler magazine; cover; ABAQUS finite element analysis; reinforcing bars; deformation

Corresponding author. Email：sdlsd@139.com

國家煙草專賣局行業(yè)統(tǒng)編教材開發(fā)項(xiàng)目“雪茄煙生產(chǎn)過程工藝質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控手冊(cè)”（YCPXJC2019003）

張閣（1988—），碩士，工程師，從事雪茄煙設(shè)備研究，Email：15264179272@163.com

孫東亮（1971—），本科，高級(jí)工程師，從事煙草工程與材料技術(shù)研究，Email：sdlsd@139.com

2022-09-16；

2023-03-1

張閣，楊青，馬廣智，等. MIR-01型雪茄卷制機(jī)茄芯庫蓋板的改進(jìn)與應(yīng)用[J]. 中國煙草學(xué)報(bào)，2023，29（5）. ZHANG Ge, YANG Qing, MA Guangzhi, et al. Improvement and application of the cover of filler magazine of MIR-01 cigar making machine[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2023,29(5). doi:10.16472/j.chinatobacco.2022.161