李 柯 楊步充

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 前言

隨著煙草行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)煙草制備工藝逐漸完善，消費(fèi)者對(duì)新型煙草[1-3]種類與數(shù)量的需求越來越明顯。瓦楞香煙作為新型煙草的一部分，具備大部分香煙所不具備的優(yōu)點(diǎn)：1）吸阻小。以溝槽濾棒代替普通濾棒，溝槽的外形能有效減小吸阻[4]，利于煙草燃燒后混合煙霧的通過率，增強(qiáng)消費(fèi)者的體驗(yàn)感。2）健康指標(biāo)高。溝槽濾棒由于其特殊的制備工藝，在成型的過程中使用的膠含量低，能有效降低燃燒后甲醛等有害物質(zhì)的含量，比普通香煙更健康。3）外觀精美。根據(jù)壓花輥的設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)，溝槽形狀可變換為三角形、半圓形、梯形等，為消費(fèi)者提供更多的選擇，頗具美觀性。

但是，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的溝槽棒成型機(jī)組多數(shù)是德國(guó)HAUNI公司的進(jìn)口產(chǎn)品，購(gòu)買成本高，維護(hù)周期長(zhǎng)且困難大，因此機(jī)型國(guó)產(chǎn)化具有重大的研究意義。該文在HAUNI 公司KDF4瓦楞棒成型機(jī)組的研究基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器生產(chǎn)工藝以及布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]：1）紙張力部分優(yōu)化瓦楞紙的走紙路徑。2）加熱部分采用平行式雙加熱器加熱，加熱面積增大。3）加濕部分根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)注水量額定關(guān)系曲線，確保水潤(rùn)濕作用的均勻性。4）壓花部分采用左右壓印方式，后置紙平衡結(jié)構(gòu)，有效減小斷紙風(fēng)險(xiǎn)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溝槽棒成型模塊采用Profibus-DP 架構(gòu)，以西門子S7-300 為核心邏輯控制單元，通過IPC 界面寫入控制參數(shù)給PLC，經(jīng)過程序的邏輯處理過程后，通過DP 總線協(xié)議與從棧之間交換輸入輸出信號(hào)，從而控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，伺服電機(jī)的控制主要通過AMK伺服控制器接受PLC 的信號(hào)協(xié)同各個(gè)輥之間的運(yùn)動(dòng)控制，控制系統(tǒng)的框架如圖1 所示，實(shí)物控制系統(tǒng)電控柜如圖2、圖3 所示。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)架

圖2 控制電柜

2 紙張力部分設(shè)計(jì)

紙張力部分是溝槽模塊的重要部分，當(dāng)溝槽紙進(jìn)入模塊后，需要對(duì)紙的路徑以及紙張力進(jìn)行控制。路徑控制是為了保證溝槽紙能夠快速地進(jìn)入成型部分，紙張力部分則是通過各個(gè)導(dǎo)向輪以及平衡輪和拖紙輥之間的配合，使模塊中通過的紙張力維持在正常水平，既不能斷紙也不能讓紙松落[6]。HAUNI 公司的紙張力部分（圖3）采用7 個(gè)導(dǎo)向輪，3 個(gè)平衡輪以及一對(duì)拖紙輥機(jī)構(gòu)組成，脫紙輥的力臂升降機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，拖紙輥壓下后速度跟隨力臂升降調(diào)整送紙速度。國(guó)產(chǎn)化溝槽棒模塊紙張力部分（圖4）采用11 個(gè)導(dǎo)向輪，3 個(gè)平衡輪以及托紙輥對(duì)，有效紙張力部分溝槽紙的長(zhǎng)度可達(dá)3300mm，在空間布局設(shè)計(jì)以及紙平衡功能上優(yōu)于HAUNI 的模塊機(jī)。另外，張力臂部分采用獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)控制相比，伺服電機(jī)電機(jī)具有啟動(dòng)快、反應(yīng)迅速、閉環(huán)特性良好等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)紙張力的變化快速精確地對(duì)拖紙輥速度進(jìn)行控制，很大程度上減少了紙帶抖動(dòng)以及斷紙的情況，保障機(jī)器穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖3 HAUNI 公司紙張力部分

圖4 國(guó)產(chǎn)化機(jī)型紙張力部分

3 加濕與加熱部分設(shè)計(jì)

溝槽紙要最終壓出帶槽的花紋，需要經(jīng)過加熱與加濕的過程，兩個(gè)過程都是為了改變成型紙的熱形變特性，使壓出的花紋清晰且不易回彈。HAUNI 機(jī)器的加濕部分功能（圖5）：水箱中的水經(jīng)過水泵抽取并加熱后傳送至噴嘴，當(dāng)壓縮空氣閥打開時(shí)，將水柱分散成水霧，對(duì)溝槽紙上面兩個(gè)維度進(jìn)行噴灑，噴灑水的量與機(jī)器生產(chǎn)速度相關(guān)，但不呈完全的比例關(guān)系，噴灑量的設(shè)定可在IPC 界面進(jìn)行。國(guó)產(chǎn)化機(jī)型在延續(xù)加濕部分的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出噴灑量與機(jī)器速度的曲線關(guān)系（圖6），同時(shí)在控制程序中對(duì)機(jī)器速度設(shè)置閾值，使噴水量能完全按照曲線的方式噴灑，保證潤(rùn)濕效果。

圖5 HAUNI 潤(rùn)濕部分

圖6 噴灑量與速度曲線

加熱部分工藝原理為溝槽紙經(jīng)過被加熱管加熱的金屬塊表面，快速加熱后改變紙的熱形變特性，使其發(fā)生形變以后不容易恢復(fù)，從而保持溝槽定型特性。國(guó)外機(jī)型（圖7）的設(shè)計(jì)利用兩個(gè)加熱塊斜對(duì)稱完成二次加熱，但是處在紙抖動(dòng)的情況下，紙會(huì)發(fā)生與加熱塊分離的情況，影響加熱效果，進(jìn)而影響溝槽成型。該文機(jī)型（圖8）在原有雙加熱塊的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)加熱塊方向至水平平行，增大加熱塊表面積，同時(shí)加熱塊表面相比HAUNI 來說，增大了加熱塊表面的凸角，一方面使紙?jiān)诩訜釅K上充分加熱，另一方面可以進(jìn)一步中和紙抖動(dòng)對(duì)加熱的影響，促成后續(xù)的壓花工藝。

圖7 HAUNI 公司加熱部分

圖8 國(guó)產(chǎn)化機(jī)型加熱部分

4 壓花設(shè)計(jì)

溝槽成型最后也是最重要的部分就是壓花部分，壓花部分常采用輥對(duì)控制，壓花輥通過氣缸鎖死位置固定不變，壓輥在機(jī)器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)通過程序控制向壓花輥行進(jìn)，兩者保持極小縫隙后以相同的線速度運(yùn)行，將印花后的溝槽紙送至成型機(jī)部分。HAUNI 公司的壓輥方式采用的是上下輥（圖9）的方式，該方式下在機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)效率較高，但是在機(jī)器啟動(dòng)制動(dòng)以及加減速的過程中，容易出現(xiàn)卡紙或者斷紙的情況。為了改善此類狀況，國(guó)產(chǎn)化機(jī)器（圖10）采用豎直方向上的壓輥方式，同時(shí)在進(jìn)入成型部分之前增加一塊導(dǎo)紙版消除紙抖動(dòng)帶來的負(fù)面影響。同時(shí)在程序控制方面，優(yōu)化了壓輥行進(jìn)過程中的邏輯控制方法，使氣缸行程由單一的前進(jìn)-制動(dòng)變?yōu)榍斑M(jìn)-一級(jí)減速-二級(jí)減速-制動(dòng)，避免了氣缸行程出現(xiàn)偏差時(shí)兩個(gè)輥的撞擊，延長(zhǎng)了使用壽命。

圖9 HAUNI 公司壓花部分

圖10 國(guó)產(chǎn)化機(jī)型壓花部分

5 優(yōu)化工藝效果

國(guó)內(nèi)首臺(tái)溝槽棒成型機(jī)組已于2021 年初發(fā)往紅塔遼寧沈陽卷煙廠調(diào)試，該機(jī)型是基于對(duì)接溝槽棒模塊的特種濾棒成型機(jī)組，最大運(yùn)行速度為3500 支/min，經(jīng)過近一年的調(diào)試，現(xiàn)機(jī)器已經(jīng)處于可正常生產(chǎn)狀態(tài)。成品溝槽棒均符合沈陽卷煙廠提出的細(xì)支溝槽技術(shù)指標(biāo)（表1），在運(yùn)行過程中對(duì)比HAUNI 公司的機(jī)型：溝槽紙的抖動(dòng)幅度以及抖動(dòng)次數(shù)出現(xiàn)明顯減少；VISU 界面對(duì)壓花位置的調(diào)節(jié)周期明顯減少；紙張力的大小浮動(dòng)明顯減弱，溝槽紙趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

表1 沈陽卷煙廠提出的細(xì)支溝槽技術(shù)指標(biāo)

筆者對(duì)連續(xù)10d 的檢測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出表2 的結(jié)果。

表2 中每組數(shù)據(jù)都是以每日不同時(shí)段的隨機(jī)抽取樣本進(jìn)行檢測(cè)得到結(jié)果的平均值。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)接國(guó)產(chǎn)溝槽模塊生產(chǎn)的濾棒在保證其普通棒標(biāo)準(zhǔn)的前提下，溝槽數(shù)量、溝槽深度以及外觀均達(dá)到驗(yàn)廠標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比HAUNI 公司的產(chǎn)品如圖11 所示。

表2 溝槽棒細(xì)支技術(shù)指標(biāo)

由圖11 可知，ZL26D 長(zhǎng)度更為平穩(wěn)，溝槽數(shù)變化在界定誤差范圍內(nèi)，且浮動(dòng)較?。粶喜凵疃茸兓厔?shì)更平緩，對(duì)比HAUNI 機(jī)型來說更具優(yōu)勢(shì)。

圖11 溝槽技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)論

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝的結(jié)果可知，國(guó)產(chǎn)對(duì)接溝槽模塊具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、便于維護(hù)、長(zhǎng)度、溝槽數(shù)以及溝槽深度指標(biāo)變化平穩(wěn)。這使得溝槽棒機(jī)型的國(guó)產(chǎn)化成為了可能，但是要想真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，還存在以下未解決的問題：1）壓花輥機(jī)械件對(duì)精度要求高，目前只能使用進(jìn)口件。2）對(duì)紙張力的控制還需要進(jìn)一步研究，減少斷紙松紙的問題。3）需要解決壓花輥對(duì)接觸時(shí)發(fā)熱對(duì)溝槽指標(biāo)的影響。下一步將對(duì)這些問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。