徐玉中，倪雄軍，金春山

（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，浙江杭州 310024）

M8超高速卷煙機(jī)在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐玉中，倪雄軍，金春山

（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，浙江杭州 310024）

針對(duì)德國(guó)虹霓公司M 8超高速卷煙機(jī)在生產(chǎn)過程中對(duì)大流量卷煙產(chǎn)品實(shí)施在線自動(dòng)取樣時(shí)所面臨的取樣穩(wěn)定性及煙支流擾動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)用三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)取樣爪運(yùn)動(dòng)模式及最優(yōu)尺寸的研究，設(shè)計(jì)出一種不影響卷煙物理指標(biāo)且能夠?qū)崟r(shí)取樣的在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)。結(jié)果表明，當(dāng)取樣爪長(zhǎng)90 mm，接觸弧長(zhǎng)12 mm，真空度為-30 kPa時(shí)，取樣器在抓取煙支時(shí)，樣品物理特性的完整性較好。對(duì)比試驗(yàn)表明，新設(shè)計(jì)的取樣器性能穩(wěn)定可靠，相對(duì)于原取樣器在煙支打橫的控制方面有一定程度的優(yōu)化和改進(jìn)。

超高速卷煙機(jī)；在線取樣器；速度編碼器；正交實(shí)驗(yàn)

隨著卷煙生產(chǎn)制造領(lǐng)域設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備生產(chǎn)效率也日漸提升，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品產(chǎn)能和品質(zhì)，杭州卷煙廠引進(jìn)德國(guó)虹霓公司設(shè)計(jì)制造的M8型超高速卷煙機(jī)組。作為世界上生產(chǎn)速率最高的卷煙生產(chǎn)設(shè)備，M8機(jī)組生產(chǎn)速率為20 000支·min-1。在M8機(jī)組正常運(yùn)作的同時(shí)，如何有效完成對(duì)卷煙產(chǎn)品的在線自動(dòng)取樣，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，已成為當(dāng)今國(guó)際煙草行業(yè)研究的焦點(diǎn)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于卷煙產(chǎn)品在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)的研究多集中在PROTOS-70卷煙機(jī)組上（7 000支· min-1）［2］，對(duì)M8機(jī)組在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)的研究并不多見。M8自帶取樣器利用真空吸附方式進(jìn)行上下垂直運(yùn)動(dòng)，定時(shí)吸取煙支通道上的產(chǎn)品。但由于取樣運(yùn)動(dòng)與煙支傳遞運(yùn)動(dòng)處于2個(gè)互相垂直的平面，實(shí)際取樣時(shí)，取樣器在一定程度上會(huì)干擾煙支傳遞，導(dǎo)致煙支打橫及煙庫(kù)堵塞，在一定程度上影響了卷煙品質(zhì)，降低生產(chǎn)效率［3］。

本試驗(yàn)通過研究取樣器運(yùn)動(dòng)曲線與煙支傳送的適配性以及取樣爪尺寸和真空度對(duì)取樣產(chǎn)品完整性的影響，設(shè)計(jì)出一種不影響卷煙物理指標(biāo)且能夠?qū)崟r(shí)取樣的在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)，為進(jìn)一步發(fā)揮M8超高速機(jī)組生產(chǎn)效能并提升產(chǎn)品品質(zhì)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

M8超高速卷煙機(jī)（德國(guó)虹霓公司），C2綜合測(cè)試臺(tái)（德國(guó)虹霓公司），QTM卷煙測(cè)試平臺(tái)（意大利G.D.公司）。

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的利群（長(zhǎng)嘴）烤煙。

1.2 處理設(shè)計(jì)

根據(jù)煙支的長(zhǎng)度和直徑，取樣爪長(zhǎng)度分別設(shè)定為80，90和100 mm；取樣爪與煙支圓周實(shí)際接觸的弧長(zhǎng)分別設(shè)定為8，10和12 mm。根據(jù)單根煙支的重量，取樣爪真空度分別設(shè)定為-20，-30和-40 kPa。

采用三因素三水平正交組合試驗(yàn)，選用L9（34）正交試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)［4］，因素1-3水平，取樣爪長(zhǎng)（A）分別為80，90和100 mm，接觸弧長(zhǎng)（B）分別為8，10和12 mm，真空度（C）分別為-20，-40和-30 kPa。

1.3 指標(biāo)設(shè)計(jì)

1.3.1 煙支抓取率

煙支抓取率是指取樣爪在運(yùn)動(dòng)過程中從煙支傳送帶上抓取煙支的成功概率。抓取率/%=100×成功抓取煙支次數(shù)/抓取總次數(shù)。

1.3.2 煙支物理指標(biāo)

煙支的重量、吸阻和圓周是衡量卷煙質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)。其中圓周指標(biāo)用標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）值表示，即煙支端截面圓與標(biāo)準(zhǔn)圓之間的差異程度。1.3.3 煙支表面褶皺的評(píng)分判定

為便于統(tǒng)計(jì)，將取樣爪抓取煙支時(shí)造成的表面褶皺依嚴(yán)重程度進(jìn)行分值設(shè)定：無褶皺，0分；略有褶皺，1分；輕微褶皺，2分；明顯褶皺，3分；非常明顯褶皺，5分。

1.3.4 煙支打橫停機(jī)率

煙支打橫停機(jī)率系煙支打橫造成的停機(jī)次數(shù)與總停機(jī)次數(shù)的比值。煙支打橫停機(jī)率/%=100×煙支打橫停機(jī)次數(shù)/停機(jī)總次數(shù)。

1.4 參照樣品的選擇

卷煙物理指標(biāo)中心值，即卷煙生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最佳工藝值。本研究所使用的品牌煙支重量為850 mg，吸阻為108 mm H2O，圓周為0，表面褶皺分值為0。

人工手取煙支通過QTM測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行離線檢測(cè)［5］；M8原自帶取樣器吸取的煙支通過C2綜合測(cè)試臺(tái)進(jìn)行在線檢測(cè)。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

正交試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，每次試驗(yàn)獲取煙支樣品20支，取平均值用于結(jié)果分析。停機(jī)率試驗(yàn)中，記錄M8高速機(jī)組連續(xù)5個(gè)工作日內(nèi)（15個(gè)班次）的停機(jī)次數(shù)和由于煙支打橫造成的停機(jī)次數(shù)，并作數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 取樣器改進(jìn)原理

2.1.1 取樣器的運(yùn)動(dòng)模式

在線自動(dòng)取樣器包括取樣臂和取樣爪，取樣爪固定在取樣臂的下方。取樣爪的取樣端面上有一溝槽，溝槽兩端附近有兩個(gè)負(fù)壓吸氣孔。當(dāng)取樣爪與煙支接觸時(shí)，利用負(fù)壓真空可以從煙支傳送帶上吸取一根煙支。本試驗(yàn)將取樣器取樣爪的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定為圓周曲線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)取樣爪吸取樣品時(shí)，其瞬時(shí)速度矢量與煙支傳送帶移動(dòng)速度矢量相同。取樣器結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)模式如圖1所示。由于取樣爪和煙支流在接觸瞬間的速度矢量一致，避免了因?yàn)閮烧哌\(yùn)行速度或運(yùn)動(dòng)方向不匹配而造成的煙支流擾亂，降低了樣品取樣過程中所造成的物理損傷，從而確保樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

2.1.2 取樣器的程序控制

取樣器取樣時(shí)與煙支傳送帶保持速度一致，關(guān)鍵在于PLC程序的精確控制。C2綜合測(cè)試臺(tái)向取樣器發(fā)送取樣指令或停止取樣指令，取樣器每接到一個(gè)取樣指令后就啟動(dòng)取樣程序，從卷煙機(jī)的輸送皮帶上抓取一支煙，然后把它送到C2綜合測(cè)試臺(tái)測(cè)量各項(xiàng)物理指標(biāo)［6］。取樣器接到停止取樣指令后，則不啟動(dòng)取樣程序（如果此時(shí)正在取樣過程中，則完成本次取樣），進(jìn)入等待狀態(tài)。取樣器的PLC程序如圖2所示。

圖1 改良取樣器的工作原理

圖2 PLC程序的流程

2.2 取樣爪不同參數(shù)對(duì)煙支樣品物理特性的影響

取樣爪尺寸與負(fù)壓真空的變化對(duì)煙支樣品的物理特性存在一定程度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各因素在不同試驗(yàn)水平時(shí)的極差分析如表2所示。

5個(gè)物理指標(biāo)中，均以C因素（真空度）的極差R值要顯著大于A因素（取樣爪長(zhǎng)）和B因素（接觸弧長(zhǎng)），表明C因素（真空度）是影響煙支樣品物理指標(biāo)的最主要因素。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，真空度越大，煙支抓取率越高，而煙支表面受到的擠壓力越大。當(dāng)真空度達(dá)到-40 kPa時(shí)，煙支抓取率為100%，但表面褶皺的k1分值為1.67，端面圓周SD值達(dá)0.073，煙支外表面略有形變。煙支表面形變會(huì)導(dǎo)致吸阻增大，同時(shí)也會(huì)使煙支端部輕微落絲，質(zhì)量減輕。真空度為-20 kPa時(shí)，雖然能夠使煙支保持良好的外觀形態(tài)和物理特性，但吸力不足，煙支抓取率僅為95%，這會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中某些樣品的漏檢。真空度為-30 kPa時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)較好，為最佳水平。

A因素（取樣爪長(zhǎng)）3個(gè)水平對(duì)煙支物理指標(biāo)的影響差異不大，當(dāng)取樣爪長(zhǎng)為90 mm時(shí)，煙支抓取率最高，為最佳水平。在取樣爪長(zhǎng)一定時(shí)，取樣爪與煙支的接觸弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，接觸面積越大，則取樣爪與煙支接觸時(shí)的壓強(qiáng)越低，可降低煙支表面的物理形變；同時(shí)由于接觸面積大，漏氣率低，有利于提高煙支抓取率。因此，接觸弧長(zhǎng)以12 mm為最佳水平。綜上，優(yōu)選方案為A2B3C3，即取樣爪長(zhǎng)90 mm，接觸弧長(zhǎng)12 mm，真空度-30 kPa。

表1 三因素三水平正交試驗(yàn)的結(jié)果

表2 三因素三水平正交試驗(yàn)的結(jié)果分析

2.3 改良取樣器性能可靠性分析

將通過人工手取、M8原自帶取樣器與改良取樣器等3種方式取樣的煙支樣品進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量樣品的物理特性，結(jié)果如圖3-7所示。3種取樣方式對(duì)煙支樣品的重量和吸阻指標(biāo)的影響差別不大，而對(duì)圓周和表面褶皺等指標(biāo)影響較大。從表面形變來看，以人工手取樣品的表面形變最小，改良取樣器樣品的表面形變略小于M8原自帶取樣器。

圖3 不同取樣方式對(duì)煙支重量的影響

圖4 不同取樣方式對(duì)煙支吸阻的影響

取樣爪在取樣過程中造成的煙支流擾動(dòng)，會(huì)使煙支在煙庫(kù)中無序排列，致使下煙通道阻塞，引起上游包裝機(jī)停機(jī)。如圖7所示，采用人工手取、M8原自帶取樣器和改良取樣器3種方式在生產(chǎn)過程中造成的煙支打橫停機(jī)率分別8.2%，13.3%和9.9%?？梢姡斯と訉?duì)煙支樣品的物理特性影響最小且不易引起煙支流擾動(dòng)，但是對(duì)于生產(chǎn)速率高達(dá)20 000支·m in-1的M8高速卷煙機(jī)，人工取樣效率過低、且工作量大；改進(jìn)后的取樣器在保持樣品物理特性和對(duì)停機(jī)率的影響方面要優(yōu)于M8原自帶取樣器，而且通過在線自動(dòng)取樣，可減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了因人為因素造成的操作誤差，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)動(dòng)態(tài)取樣檢測(cè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)可控性。

圖5 不同取樣方式對(duì)煙支圓周的影響

圖6 不同取樣方式對(duì)煙支表面褶皺的影響

圖7 不同取樣方式對(duì)煙支打橫停機(jī)率的影響

3 小結(jié)

本研究表明，當(dāng)取樣爪長(zhǎng)90 mm，接觸弧長(zhǎng)12 mm，真空度-30 kPa時(shí)，取樣器在抓取煙支時(shí)，樣品物理特性的完整性較好。對(duì)比試驗(yàn)表明，改良取樣器性能穩(wěn)定可靠，并且相對(duì)于原取樣器在煙支打橫的控制方面有一定程度的優(yōu)化和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了低故障、高效率的作業(yè)模式，有效降低了維護(hù)保養(yǎng)成本。

［1］ 胡啟秀，蔣錦鋒，趙繼俊，等.卷煙抽吸模式研究現(xiàn)狀概述［J］.中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2013，19（3）：98-102.

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［4］ 李云燕，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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（責(zé)任編輯：高 峻）

TS 43

B

0528-9017（2014）09-1434-04

2014-05-13

徐玉中（1970-），男，浙江嘉興人，工程師，本科，主要從事煙草機(jī)械設(shè)備技術(shù)方面的研究工作。

文獻(xiàn)著錄格式：徐玉中，倪雄軍，金春山.M8超高速卷煙機(jī)在線自動(dòng)取樣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（9）：1434-1437.