金風(fēng)凱

中煙機械技術(shù)中心有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金海路1000號10號樓 201206

近年來，國內(nèi)卷煙（材料）生產(chǎn)企業(yè)先后進口了一批國際領(lǐng)先水平的復(fù)合濾棒成型機組[1-2]，如德國HAUNI公司的MULFI-E型500 m/min復(fù)合濾棒成型機組[3]和MERLIN型600 m/min復(fù)合濾棒成型機組[3]等，國內(nèi)也先后自行設(shè)計了YL43型200 m/min[4]和ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機組[5]。該類設(shè)備的主要工藝流程之一是由交接裝置將兩種或幾種不同材質(zhì)的濾棒組傳遞到煙槍布帶上進行卷制成條。在復(fù)合濾棒成型過程中使用布帶驅(qū)動濾棒條，經(jīng)濟實用，但濾棒組在布帶上會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[6]，由此造成濾棒組運動速度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)疊棒問題。而國內(nèi)關(guān)于交接（輪）裝置向煙槍布帶傳遞濾棒組的研究較少，國外研究資料也尚未公開，因此在設(shè)計過程中缺乏理論依據(jù)。為此，在交接輪設(shè)計過程中，通過分析交棒原理，計算調(diào)整結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)合理的速度匹配，以解決疊棒問題的產(chǎn)生，保證國產(chǎn)設(shè)備高速穩(wěn)定運行。

1 存在問題

進口500 m/min和 600 m/min、YL43、ZL41復(fù)合濾棒成型機組中，基礎(chǔ)濾棒分切組合后向成型煙槍傳遞過程中都需要有交接裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理可將交接裝置分為兩種，一種是用于YL43型復(fù)合濾棒成型機組的定位輸送鏈和撥動輸送輪裝置，另一種是用于其他幾種機型的交接輪裝置[7-8]。其中，用于YL43型的輸送鏈和輸送輪裝置屬于早期設(shè)計的輸送結(jié)構(gòu)，技術(shù)含量較低，僅適合于低速傳送物料，不在本研究內(nèi)容范圍。交接輪裝置采用負壓傳送交接方式，處理濾棒更加柔和，適合于高速傳送，交接輪交棒原理見圖1。但是由于濾棒在煙槍布帶上容易打滑，會出現(xiàn)后續(xù)濾棒的前端壓在前面濾棒末端之上的現(xiàn)象，即疊棒(或疊壓)現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象時，會使連續(xù)若干支成品復(fù)合濾棒變成廢品，嚴重時會造成通道堵塞、設(shè)備跑條[9]等故障而停機，產(chǎn)生更大浪費。研究分析發(fā)現(xiàn)，進口改制的500 m/min型和國產(chǎn)ZL41機型，在部分規(guī)格的復(fù)合濾棒生產(chǎn)中不同程度的存在疊棒現(xiàn)象，有的是由于基礎(chǔ)濾棒有缺陷或分切偏差造成的，屬于偶然問題，對癥處理即可解決；有的則是由于交接速度不當(dāng)造成的，是本文分析解決的主要技術(shù)問題。

圖1 交接輪交棒原理示意圖

2 交棒原理分析

在濾棒成型部件中，表面平整的布帶包裹著濾棒穿過煙槍通道，驅(qū)動濾棒條并使之成型。柔性的布帶依靠摩擦力驅(qū)動濾棒包封紙和濾棒條前進，在拉伸力、壓縮力和摩擦力的綜合作用下，布帶和物料不可避免地會出現(xiàn)拖延或打滑現(xiàn)象。特別是復(fù)合濾棒成型時，當(dāng)兩元或多元濾棒段交替排列時，物料呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，打滑會造成濾棒段之間出現(xiàn)縫隙[10]，縫隙過大則引起疊棒現(xiàn)象。因此，在交棒與成型兩個重要環(huán)節(jié)中，除了盡可能增大布帶表面的摩擦力、減小煙槍通道表面的摩擦力外，必須對交接輪裝置進行改進，才能達到既減少打滑又消除疊棒現(xiàn)象的目的。

2.1 定性分析

在ZL41型復(fù)合濾棒成型機組的研發(fā)過程中，為了消除濾棒段之間的縫隙，在交接輪設(shè)計時提出了超速的概念。由圖1可見，交接輪吸爪向煙槍交付濾棒組時的水平速度應(yīng)大于煙槍布帶的速度[11]，其速度差值即超速量△與煙槍布帶速度的比值稱為超速率，用符號t表示：

式中：V交=2πr n交；n交——交接輪的轉(zhuǎn)速(r/min)；r——吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑(mm)，為吸爪自轉(zhuǎn)中心到公轉(zhuǎn)中心之間的距離；V布——布帶速度(m/min)，即設(shè)備的額定生產(chǎn)速度。

濾嘴棒定量傳遞原理可表示為：

式中：K——交接輪上的吸爪個數(shù)；L——復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]長度的 2倍(mm)。

式（2）表明，單位時間交接輪傳遞到煙槍的濾棒組長度之和等于布帶單位時間沿直線走過的距離。用符號α表示吸爪等分角，因吸爪等分圓周，α=360°/K；L即為每個吸爪傳遞的二元濾棒組的長度。將公式V交=2πr n交和式（2）代入式(1)整理得到，超速率 t=2πr/(K×L)-1。根據(jù)超速起始角度的概念，在交接輪轉(zhuǎn)動過程中，每個吸爪向煙槍交付濾棒組之前，其水平分速度等于布帶速度時的偏角，簡稱超速角，用符號β表示，推導(dǎo)得出：

同時，可得超速角與超速率之間的關(guān)系式：

等分角α與超速角β之差占等分角α的比值稱為角差率，用符號 w 表示，w=(α-β)/α。在圖 1中，吸爪自轉(zhuǎn)中心01繞公轉(zhuǎn)中心O順時針旋轉(zhuǎn)，01轉(zhuǎn)至A點時吸爪從另一鼓輪接收濾棒，轉(zhuǎn)至B點時吸爪向煙槍放置濾棒即交棒；02為與B點交棒吸爪相鄰且吸附著濾棒的吸爪中心，故α為等分角；當(dāng)02轉(zhuǎn)至C點時其水平分速度等于煙槍布帶速度，由此開始超速，至B點時達到最大，故β為超速角。交接輪連續(xù)地從鼓輪接收濾棒，然后連續(xù)向成型煙槍交付濾棒。

超速過程中超速率和超速角的大小會受到多個因素的影響，如復(fù)合結(jié)構(gòu)、交接輪吸爪數(shù)、吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑和布帶速度等，同時也會影響復(fù)合濾棒的產(chǎn)品品質(zhì)。理論上，為了消除濾棒段之間的縫隙，超速量△（或超速率t）應(yīng)當(dāng)取大值，超速角β（或角差率w）應(yīng)當(dāng)取小值；相反，為了避免對濾棒造成較大撞擊和出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象，超速率取小值、角差率取大值則較合理。因此，超速率t和角差率w均應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜≈捣秶榱搜娱L交接輪零件壽命并使其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能低。根據(jù)式(2)得知，當(dāng)濾棒復(fù)合結(jié)構(gòu)確定，即L確定后，吸爪數(shù)K越多則交接輪轉(zhuǎn)速越低。吸爪數(shù)K與吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑r成正相關(guān)關(guān)系，即吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑r越大，則吸爪數(shù)K越多。半徑r是以相關(guān)部件結(jié)構(gòu)尺寸為參考的設(shè)定值，設(shè)計中可取符合比例的數(shù)值。初定K值時的計算原則為連續(xù)交棒，即K=2πr/L。為避免發(fā)生干涉或疊棒現(xiàn)象，K值應(yīng)在試算后取較小的整數(shù)，然后重新計算并校核，選取較為可靠與合理的數(shù)據(jù)組合。

2.2 定量分析

基于上述理論和定性分析，通過研究進口500 m/min和600 m/min型復(fù)合濾棒成型機組，針對自行設(shè)計的ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機組，計算其超速率t和角差率w，找到符合規(guī)律的量化數(shù)據(jù)。

(1)進口500 m/min型復(fù)合濾棒成型機組。該套設(shè)備已使用多年，性能良好，正常狀態(tài)下沒有出現(xiàn)過疊棒現(xiàn)象。已知復(fù)合結(jié)構(gòu)為（12+12）mm，L=48 mm，V布=500 m/min，測得r=113 mm，K=14，根據(jù)上述分析和式(2)得：

(2)進口600 m/min型復(fù)合濾棒成型機組。該套設(shè)備技術(shù)先進，是目前運行速度最高的復(fù)合濾棒成型機組，其交接輪裝置運行良好，很少出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。已知復(fù)合結(jié)構(gòu)為（14+10）mm，L=48 mm，V布=600 m/min，測得r=150 mm，K=19。計算結(jié)果如下：n交=657.895 r/min，V交=620.051 m/min，超 速 量△=20.051 m/min，α =18.947°，β =14.611°，t=0.033，w=0.229。

另外還計算核對了復(fù)合結(jié)構(gòu)（15+10）mm的500型和復(fù)合結(jié)構(gòu)（15+15）mm的600型復(fù)合濾棒成型機組的相關(guān)數(shù)據(jù)。綜合來說，能夠穩(wěn)定運行的交接輪，其設(shè)計結(jié)構(gòu)均滿足以下規(guī)則：超速率t＜0.1，角差率w＞0.1。

(3)ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機組。復(fù)合結(jié)構(gòu)為（14+10）mm，L=48 mm，同樣按上述進口機型運用的公式并參照有關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，驗證上述規(guī)則。

第一種數(shù)據(jù)組合：取r=115 mm，初始計算K=2πr/L=15.053。按較大超速量△=30 m/min(超速率t=0.075)試算，則：

由V交=2πr n交，得：

代入式(2)：

取整K=14（比初始計算K值小的整數(shù)），再由V布=400 m/min，r=115 mm，K=14，等分角α =360 °/14=25.714°，重新計算對應(yīng)的超速率與角差率：

根據(jù)該數(shù)據(jù)組合設(shè)計的ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機組交接輪裝置的超速交棒見圖2，該組數(shù)據(jù)符合由上述分析計算獲得的規(guī)則。

圖2 ZL41型復(fù)合濾棒成型機組復(fù)合結(jié)構(gòu)(14+10)mm超速交棒示意圖

第二種數(shù)據(jù)組合：取r=113 mm，初始計算K=2πr/L=14.792。按超速量△=25 m/min（超速率t=0.0625）試算，則：

取整K=14（比初始計算K值小的整數(shù)），重新計算各值，n交=595.238 r/min，V交=422.619 m/min，β =18.83°，t=0.057，w=0.268。

當(dāng) K=14（n交=595.238 r/min保持不變）時，還計算了r=114 mm和r=112 mm對應(yīng)的數(shù)據(jù)組合，均符合經(jīng)驗規(guī)則。數(shù)據(jù)分別為：

取 r=114 mm，計算得 V交=426.359 m/min，β=20.252°，t=0.066，w=0.212。

取 r=112 mm，計算得 V交=418.879 m/min，β=17.267°，t=0.047，w=0.328。

以上3組數(shù)據(jù)作為備選，是否比第一種數(shù)據(jù)組合更加合理還有待實踐檢驗。

綜合以上所有計算結(jié)果，驗證了經(jīng)驗規(guī)則并獲得優(yōu)先取值范圍為：超速率0.03＜t＜0.08，角差率0.15＜w＜0.35。

3 解決疊棒問題

（1）引進改制的500 m/min型復(fù)合濾棒成型機組[復(fù)合結(jié)構(gòu)（10+10）mm]，生產(chǎn)運行中經(jīng)常出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。首先判斷并非偶然因素而引起，于是按上述交接原理和獲得的經(jīng)驗規(guī)則要求分析其產(chǎn)生原因。設(shè)備數(shù)據(jù)為V布=500 m/min，r=115 mm，L=40 mm，K=17，計算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=531.299 m/min，β=19.765°，t=0.063，w=0.067。

對照經(jīng)驗規(guī)則可知，超速率t=0.063＜0.1，符合要求，能夠確保消除濾棒段之間的縫隙。而角差率w=0.067偏小，不符合w＞0.1的規(guī)則要求，是造成疊棒現(xiàn)象的根本原因。為解決疊棒問題，應(yīng)當(dāng)增大角差率，將設(shè)備數(shù)據(jù)中吸爪的旋轉(zhuǎn)半徑改為r=114 mm，縮小超速率t值，增大角差率w值。

取r=114 mm，其他數(shù)據(jù)不變，計算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=526.679 m/min，β =18.315°，t=0.053，w=0.135。設(shè)備采用改進數(shù)據(jù)，即將r=115 mm改為r=114 mm后，超速率t值和角差率w值均符合經(jīng)驗規(guī)則要求，基本消除了疊棒現(xiàn)象。

經(jīng)過分析計算，如果將r=115 mm改為r=113 mm，計算得超速率t=0.044，角差率w=0.211，也符合經(jīng)驗規(guī)則要求，并且在優(yōu)先取值范圍內(nèi)，效果應(yīng)當(dāng)更好，可以應(yīng)用于以后的設(shè)計改進中。

（2）ZL41型400 m/min復(fù)合濾棒成型機組[復(fù)合結(jié)構(gòu)（14+10）mm]中，為消除濾棒段之間縫隙，最初設(shè)計中取交接輪旋轉(zhuǎn)半徑r=116 mm，實物調(diào)試中經(jīng)常出現(xiàn)疊棒現(xiàn)象。利用上述方法計算并對照規(guī)則，得知超速率t=0.085偏大，角差率w=0.114偏小，確定是造成疊棒問題的根本原因。初步改進設(shè)計中采用了2.2定量分析中的第一種數(shù)據(jù)組合，即超速率t=0.075，角差率w=0.161。由于符合經(jīng)驗規(guī)則，目前設(shè)備的交棒環(huán)節(jié)及濾棒成型過程運行良好，沒有產(chǎn)生疊棒問題，成品復(fù)合濾棒中濾棒段之間的縫隙很小，完全滿足復(fù)合濾棒品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

4 結(jié)語

通過分析計算和實踐檢驗表明，在復(fù)合濾棒生產(chǎn)交接過程中，復(fù)合濾棒成型機組交接輪裝置滿足設(shè)備功能需要的經(jīng)驗規(guī)則是：超速率t＜0.1（優(yōu)選0.03～0.08），角差率w＞0.1（優(yōu)選0.15～0.35）。該規(guī)則能夠用于指導(dǎo)同一類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保物料交接過程穩(wěn)定準(zhǔn)確并可最大限度地解決疊棒問題。

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