陳榮林，陳 杰

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠，江蘇徐州 221000）

0 引言

PROTOS-M5 卷煙機(jī)組是從德國HAUNI 公司引進(jìn)的高速卷煙設(shè)備，其生產(chǎn)速度為12 000 支/min，該機(jī)技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊，由煙絲成型機(jī)（VE）、煙條成型機(jī)（SE）、濾嘴接裝機(jī)（MAX）、在線激光打孔機(jī)（LASER）等部分組成，目前已成為國內(nèi)卷煙企業(yè)的主流設(shè)備。不過，該機(jī)組在生產(chǎn)中多次出現(xiàn)刀頭箱內(nèi)散落堆積的煙條、煙絲和煙塵被方刀打磨時產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃、激光打孔聚焦頭處堵塞的煙支或煙紙被高頻激光束點(diǎn)燃等情況，多數(shù)火花在沒進(jìn)入廢煙收集箱之前都已熄滅，嚴(yán)重時點(diǎn)燃的煙支或煙沫被卷入廢煙收集箱中或者在刀頭箱內(nèi)陰燃造成失火。為此，設(shè)計刀盤箱氣吹式自清潔裝置，減少刀盤箱內(nèi)的煙塵堆積量，利用數(shù)字式激光傳感器檢測激光焦點(diǎn)處的堵塞情況，以期降低PROTOS-M5 卷接機(jī)組的失火風(fēng)險，進(jìn)一步提高機(jī)組的安全可靠性。

1 危險源分析

1.1 煙條切割刀盤箱

煙條切割刀盤箱用于將成型煙條切割雙倍長煙條段，主要由刀盤、砂輪、方刀等組成。砂輪在磨刀過程中會出現(xiàn)磨削火花的現(xiàn)象，煙條切割過程中方刀旋轉(zhuǎn)離心力使煙條段中造碎煙沫、煙梗和煙紙等飛濺，這些物質(zhì)一部分會經(jīng)由輸送帶運(yùn)送至廢煙收集箱，另一部分會堆積在刀盤箱死角區(qū)形成易燃煙塵，形成失火危險源。通過每日早班對刀頭箱使用吸塵器保養(yǎng)并對吸塵量進(jìn)行稱重記錄，單機(jī)臺日均積塵量達(dá)660 g，刀盤箱內(nèi)堆積煙塵量較多。

1.2 煙支激光打孔

PROTOS-M5 卷接機(jī)組使用脈沖CO2激光器[1]，其原理是通過高頻發(fā)生器激發(fā)諧振腔產(chǎn)生激光束，經(jīng)光路多次轉(zhuǎn)向聚焦透鏡將射線聚焦在煙支濾嘴上，激光器相應(yīng)地成組產(chǎn)生激光脈沖，從而形成均勻分布的橢圓形孔眼。激光峰值功率密度計算公式：

式中Ip——峰值功率密度

Pav——激光平均功率

a——橢圓長半軸長

b——橢圓短半軸長

D——脈沖占空比

實(shí)際運(yùn)行參數(shù)：Pav取35 W，D 取7%，橢圓的長半軸的a取0.03 cm、b 取0.01 cm。計算可知，峰值功率密度Ip達(dá)5.3×105W/cm2。生產(chǎn)中多次發(fā)生煙支或雜物卡滯在搓滾小輪、防護(hù)板以及激光焦點(diǎn)之間且不影響正常運(yùn)行的情況，PROTOS-M5機(jī)組無法識別此類堵塞，造成高能激光束長時間聚集在堵塞煙支或雜物上，聚集的能量使雜物表面溫度迅速到達(dá)燃點(diǎn)。

2 改進(jìn)辦法

2.1 設(shè)計刀盤箱氣吹式自清潔裝置

由于切割方刀的韌性要求高，無法更換為硬質(zhì)合金，為保證切刀的鋒利性，磨刀砂輪無法拆除，因此以減少刀盤箱死角區(qū)煙塵量為改進(jìn)方向，設(shè)計刀盤式氣吹式自清潔裝置。

改進(jìn)后刀盤箱氣吹式自清潔裝置主要PLC、二位三通電磁閥、光電耦合器和噴嘴等組成（圖1）。PLC 以砂輪電機(jī)啟動信號作為刀頭箱自清潔裝置啟動信號，通過光電耦合器電氣隔離提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能，利用間歇使能程序控制二位三通電磁閥的通、斷。噴嘴則安裝在刀盤箱保養(yǎng)死角區(qū)，當(dāng)清潔吹氣時死角區(qū)的煙塵被吹至輸送帶，最后進(jìn)入廢煙收集箱。

圖1 刀盤箱自清潔系統(tǒng)

2.2 加裝激光焦點(diǎn)傳感器

為實(shí)時監(jiān)控激光打孔焦點(diǎn)處的堵塞情況，設(shè)計安裝有激光焦點(diǎn)傳感器（圖2）。傳感器的選型主要考慮的因素有：檢測物體的形狀大小，檢測物體的顏色，檢測物體周圍其他傳感器發(fā)射光顏色，環(huán)境背景顏色，檢測距離以及檢測環(huán)境等。

圖2 激光焦點(diǎn)傳感器安裝位置

由于檢測物體為堵塞在透鏡座處的濾嘴煙支和濾嘴等，基于PROTOS-M5 卷接機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)以及聚焦頭處堵塞位置，優(yōu)選數(shù)字式區(qū)域性激光傳感器[2]。設(shè)計了可調(diào)節(jié)傳感器支架，可以根據(jù)支架位置、檢測距離（70±15 mm），激光傳感器支架可根據(jù)需要向上、向下或向左、向右調(diào)整，確保激光焦點(diǎn)測量窗位于最佳位置。為避免內(nèi)部粉塵造成傳感器表面臟污的問題，使用數(shù)字信號放大單元根據(jù)運(yùn)行工況實(shí)時調(diào)節(jié)閾值能夠有效提升檢測的準(zhǔn)確性，同時在傳感器鏡面附近設(shè)計了實(shí)時吹風(fēng)清潔裝置。激光焦點(diǎn)傳感器長時間運(yùn)行時，現(xiàn)場工況以及環(huán)境粉塵等均會影響檢測的可靠性，因此信號放大器[3]使用亮度閾值和暗度閾值雙通道信號。其中，亮度閾值識別激光焦點(diǎn)的堵塞情況，暗度閾值識別傳感器自身的臟污情況。

3 應(yīng)用效果

改進(jìn)后，隨機(jī)抽取一臺正常生產(chǎn)的PROTOS-M5 卷接機(jī)組作為試驗(yàn)設(shè)備。機(jī)組工作條件，按照早班、中班正常倒班運(yùn)行16 h，班前保養(yǎng)20 min，日保養(yǎng)60 min，連續(xù)生產(chǎn)13 d，每日對機(jī)組刀盤箱日保積塵量、激光焦點(diǎn)處異物堵塞次數(shù)及灼燒次數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，激光焦點(diǎn)異物灼燒率=激光焦點(diǎn)處異物灼燒次數(shù)/堵塞次數(shù)×100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：煙條切割刀盤箱改進(jìn)前日保積塵量平均為663 g/d，使用氣吹式自清潔裝置后，針對刀頭箱死角的煙塵由兩個噴嘴進(jìn)行間歇式吹氣清潔，日保積塵量降低至64.7 g/d，改善效果明顯；加裝激光焦點(diǎn)傳感器后，可以有效監(jiān)控焦點(diǎn)處的異物，激光焦點(diǎn)異物灼燒率由50%下降至0%。

4 結(jié)論

PROTOS-M5 卷接機(jī)組應(yīng)用刀盤箱氣吹式自清潔裝置后，大幅減少了刀盤箱煙塵堆積量，有效降低了內(nèi)部陰燃風(fēng)險，利用激光焦點(diǎn)光電傳感器可以有效識別堵塞在激光焦點(diǎn)處的雜物。通過以上失火防控裝置的應(yīng)用，提高了設(shè)備可靠性，保障了企業(yè)安全生產(chǎn)。