沈宗毅，柴 雷，呂獻(xiàn)周，李 乾

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

ZL22型濾棒成型機組（圖1）是德國虹霓公司KDF2濾棒成型機組的國產(chǎn)型號，由ZL12 開松機（AF2）、YL22 成型機（KDF2）和YJ37 裝盤機（HCF80）三部分組成，完成絲束開松到濾棒裝盤的工藝[1]。在絲束開松環(huán)節(jié)包括了甘油施加的過程，調(diào)香濾棒原理是對普通甘油加入香精香料進(jìn)行調(diào)香工藝處理，可以顯著改善了煙支抽吸舒適性，提升煙氣甜潤感。

圖1 ZL22型濾棒成型機組

以新版云煙（小熊貓）為例，對濾棒使用的甘油便進(jìn)行了調(diào)香處理，精研加香加料。在傳統(tǒng)的濾棒生產(chǎn)作業(yè)模式下，甘油的規(guī)格不予變更，調(diào)香濾棒的加入，使得在每次換牌轉(zhuǎn)制過程中需要大量人工介入，進(jìn)行甘油更換工作。

在推行柔性化生產(chǎn)的今天，實現(xiàn)濾棒生產(chǎn)“快速換牌”工作，是煙草制造行業(yè)追求降本增效、精益制造等理念的根本需要，對濾棒的生產(chǎn)制造水平提出了新的要求，對濾棒“快速換牌”工作提出了新的挑戰(zhàn)。

經(jīng)考察，市場上所有煙用濾棒成型機型設(shè)計層面都未考慮到快速更換甘油系統(tǒng)，因此以ZL22型濾棒成型機為試點，設(shè)計一套快速更換甘油裝置。

1 存在的問題及原因分析

1.1 工作原理

在濾棒生產(chǎn)制造中，甘油的施加是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對于濾棒的硬度、重量、吸阻等工藝指標(biāo)產(chǎn)生直接影響。經(jīng)過設(shè)備改造后，淘汰了原機自帶的單面毛刷噴霧的施加方式，目前使用噴嘴霧化的方式進(jìn)行甘油施加。

無論是單面毛刷噴霧方式還是噴嘴霧化方式，甘油只在施加方式上有所區(qū)別，其共同點都是只有一條甘油回路，如圖2 所示，甘油經(jīng)過輸送泵提升，經(jīng)過輸送軟管輸送至加熱箱加熱，由施加系統(tǒng)對絲束進(jìn)行甘油施加，多余甘油由回流輸送管回收至甘油箱內(nèi)，完成甘油施加循環(huán)。

圖2 噴嘴霧化方式結(jié)構(gòu)示意

1.2 甘油變更時存在的問題

1.2.1 人力物力的浪費及作業(yè)時間的增加

普通濾棒和加香濾棒牌號來回切換時，都要進(jìn)行一次甘油種類的更換。在常規(guī)操作中，由于剩余甘油量得不到精準(zhǔn)控制，加之只有一條使用回路，為保障加香甘油的配比，不得不對甘油系統(tǒng)進(jìn)行一次全面清洗，甘油更換因此變得十分復(fù)雜，其中包括抽吸殘余甘油、清潔甘油桶、甘油調(diào)香、調(diào)香甘油添加等步驟，造成了人力物力的浪費、時間成本的增加。2017 年7 月濾棒生產(chǎn)工段甘油換牌平均耗時統(tǒng)計見表1。

表1 甘油箱及甘油更換步驟耗時統(tǒng)計

1.2.2 增加原輔材料消耗

在多次甘油換牌過程中，甘油回收工作不方便進(jìn)行，殘余甘油大多進(jìn)行直接報廢處理，造成甘油的浪費。由于浮子開關(guān)的低液位保護(hù)功能使得甘油箱中存有的甘油含量最少占甘油箱容積的20%以上，再加之濾棒的計劃生產(chǎn)，導(dǎo)致每次生產(chǎn)結(jié)束后的殘余甘油只多不少，造成甘油的大量浪費。

1.2.3 影響設(shè)備穩(wěn)定性

甘油存儲輸送系統(tǒng)不存在總成備件，一旦發(fā)生故障，必須停止生產(chǎn)進(jìn)行現(xiàn)場維修，對設(shè)備連續(xù)運行產(chǎn)生影響。若維修時間較長，造成濾棒儲備不夠，會直接影響卷包工段的濾棒供給，阻斷卷煙連續(xù)生產(chǎn)過程。

1.2.4 影響產(chǎn)品的工藝質(zhì)量

在對甘油箱及輸送回路的清洗過程中，如有疏忽、遺漏，甘油的香料配比將會產(chǎn)生變化，因為沒有檢測設(shè)備，便會導(dǎo)致大量不滿足工藝配比的濾棒流入下道工序，直接對卷煙口感產(chǎn)生影響，影響產(chǎn)品質(zhì)量和品牌形象。

1.2.5 嚴(yán)重影響設(shè)備有效作業(yè)率

在對甘油的頻繁更換過程中，作業(yè)人員必須長時間停止設(shè)備運行，進(jìn)行甘油更換工作，期間設(shè)備大多處于上電狀態(tài)，長時間的停機導(dǎo)致設(shè)備作業(yè)率下降，增加了各項能源損耗。

2 改進(jìn)方案

針對存在的問題，設(shè)計一套雙回路甘油輸送系統(tǒng)，利用電控系統(tǒng)切換工作路徑，實現(xiàn)普通甘油和加香甘油的“一鍵轉(zhuǎn)換”功能。

（1）電控分析。利用電磁閥、接觸器及開關(guān)便可控制，由于沒有加入復(fù)雜控制電路，不需經(jīng)控制器控制，屬于半自動系統(tǒng)，因此實施難度不高。電磁閥、接觸器等原件為通用件，采購成本較低，開關(guān)的“一鍵操作”大大降低了設(shè)備操作人員的操作難度。

（2）設(shè)計制造。結(jié)合現(xiàn)有的加工制造水平，自主設(shè)計制造甘油箱、回流過濾器等，甘油輸送軟管及三通接頭為通用件可直接購買，設(shè)計制造成本較低，安裝難度不大，便于實現(xiàn)。

根據(jù)系統(tǒng)組成（圖3）對整套快速更換甘油裝置進(jìn)行細(xì)化。

圖3 快速更換甘油裝置部件組成

2.1 電子組件（圖4）

圖4 涂膠嘴組件

2.1.1 電磁閥

根據(jù)《電磁閥的選型、維護(hù)及應(yīng)用》[2]對電磁閥進(jìn)行參數(shù)選型，從工作原理、工作位置、材質(zhì)等三個方面對電磁閥進(jìn)行選型?？紤]到停機狀態(tài)下甘油回流的穩(wěn)定性，選用常閉式電磁閥，因此電磁閥選擇二位三通常閉式電磁閥（圖5）。

圖5 二位三通常閉式電磁閥

甘油學(xué)名三乙酸甘油脂，化學(xué)性能屬弱酸性，從電磁閥閥體的安全性出發(fā)，電磁閥閥體材料需要具備抗酸性介質(zhì)能力，查閱《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[3]給出幾種金屬材料在純度100%三乙酸甘油中的抗腐蝕性能（表2）。表中，A表示材料完全適合使用，腐蝕幾乎可以忽略；B 表示材料適合使用，腐蝕率<0.8 mm/a；C 表示材料可用，腐蝕率<1.6mm/a；D 表示腐蝕率大，在實際條件下，未經(jīng)實驗不可使用；E 表示材料不耐腐蝕，不可使用。

表2 常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能

根據(jù)室溫下幾種常見電磁閥閥體金屬用材對三乙酸甘油脂的耐腐程度，電磁閥閥體材料選擇304 不銹鋼。最終確定電磁閥實體模型（圖6）及技術(shù)參數(shù)（表3）。

表3 電磁閥選型技術(shù)參數(shù)

圖6 電磁閥實體模型

2.1.2 接觸器

根據(jù)《交流接觸器選型手冊》[4]對接觸器型號進(jìn)行選擇，選定24 V直流式1 常開型接觸器（3TH30-1X 1NO）。

2.2 電機選型

查閱《三相異步電動機的型號及選用》及對KDF2 成型機進(jìn)行實地勘察，1#KDF2 成型機采用的是二級甘油提升系統(tǒng)，具有二級增壓系統(tǒng)，其供電方式為自插式AC 380 V，選用一級供油系統(tǒng)可以忽略定量供給的要求。為了更好的契合原機，滿足備件的互換性，減少以后的維修強度，再有考慮此次活動的經(jīng)濟(jì)性，此次設(shè)計三相電機選用和原機匹配的電機型號，確定KTF 52/300-051X+127型三相電機作為動力原件。

三相異步電機功率0.14 kW，頻率50 Hz，與原設(shè)備電機之間采用接觸器控制，通過按鈕裝置24 V 電壓輸送，可實現(xiàn)兩臺電機工作位的來回切換。根據(jù)原機尺寸，三相電機與離心過濾器之間連接軸設(shè)計尺寸為250 mm×Φ20 mm，支撐軸為壁厚2 mm通軸，用于輸送甘油至上位機構(gòu)。

2.3 回流過濾器設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于方形過濾器不適合操作、維保作業(yè)，設(shè)備有3 條回流回路，過濾器設(shè)計為四通孔圓柱式回流過濾器?？紤]到與原設(shè)備之間的備件互換性，根據(jù)原機過濾器尺寸進(jìn)行設(shè)計，過濾器主體尺寸為Φ90 mm×155 mm，頂蓋尺寸Φ120 mm×5 mm，頂蓋上分別焊接3 個回流接頭，公稱直 徑Φ12 mm、Φ12 mm 和Φ8 mm。見圖7。

圖7 回流過濾器設(shè)計圖

（2）材料確定。根據(jù)《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[2]，考慮到經(jīng)濟(jì)性，回流過濾器殼體的材料選擇304 不銹鋼，濾網(wǎng)規(guī)格選用200 目75 μm，為保障過濾效果，此次回流過濾器選用雙層濾網(wǎng)。

2.4 輸送、回流元件選型

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。為滿足甘油供給流量要求，輸入路徑選用內(nèi)徑10 mm 的軟管；閥門選用2 個三通分流器（圖8），與軟管連接處直徑10 mm；一個四通分流器（圖9），與軟管連接處直徑分別為10 mm、8 mm、8 mm和5 mm。

圖8 三通分流器CAD 設(shè)計圖

圖9 四通分流器CAD 設(shè)計圖

（2）材料確定。軟管與原機使用的選材相同，采用常見的PVC 塑膠；根據(jù)對金屬材料耐酸性能的比較，選擇304 不銹鋼作為分流連接器的材料。

2.5 甘油箱及蓋板設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。甘油箱主體尺寸為550 mm×300 mm×400 mm（圖10）,液位計和放油閥安置在箱體上，因此箱體外側(cè)底邊留兩孔（孔徑20 mm），中心點坐標(biāo)分別為（85 mm，35 m）（455 mm，35 mm）。

圖10 甘油箱主體CAD 設(shè)計圖

（2）蓋板尺寸：600 mm×350 mm×3 mm（圖11），電機孔徑140 mm，中心點坐標(biāo)（435，120），蓋板處開孔孔徑100 mm 以放置回流過濾器，中心點坐標(biāo)（155，120）。

圖11 甘油箱蓋板CAD 設(shè)計圖

（3）材料確定。查閱《常見金屬材料、橡膠、石墨的耐腐蝕性能手冊》[2]，考慮甘油僅是弱酸性，沒必要提高經(jīng)濟(jì)成本，選用304 不銹鋼即可達(dá)到耐腐要求。

2.6 電氣控制原理設(shè)計（圖12）

圖12 電氣原理

3 快速更換甘油裝置工作原理及過程

快速更換甘油系統(tǒng)工作原理及過程：如圖13 所示，當(dāng)進(jìn)行生產(chǎn)時，由按鈕來接通或斷開兩條回路的工作狀態(tài)。按鈕開關(guān)按下時，接通循環(huán)回路Ⅱ（淺色箭頭），電磁閥左側(cè)暢通，此時按鈕開關(guān)給控制輸送電機Ⅱ連接的接觸器提供24 V控制電壓，接觸器線圈閉合，輸送電機Ⅱ開始工作，經(jīng)淺色輸送管進(jìn)入過濾器過濾，最后進(jìn)入甘油霧化噴灑系統(tǒng)加熱并給跑動的絲束施加甘油。切換按鈕開關(guān)的工作位置，可以改變甘油輸送回路，此時切換至循環(huán)回路Ⅰ（深色箭頭），電磁閥左側(cè)關(guān)閉，右側(cè)接通，此時按鈕開關(guān)給控制輸送電機Ⅰ連接的接觸器提供24 V控制電壓，接觸器線圈閉合，輸送電機Ⅰ開始工作，經(jīng)輸送管進(jìn)入過濾器，隨后進(jìn)入甘油霧化噴灑系統(tǒng)加熱霧化并施加，實現(xiàn)甘油快速變更的一鍵切換。

圖13 快速更換甘油裝置工作原理

甘油箱Ⅱ為新設(shè)計的甘油箱，為節(jié)省成本、降低難度，沒有加入浮子開關(guān)檢測液位，液位監(jiān)控通過玻璃液位計來觀測。

循環(huán)回路Ⅱ設(shè)計主要使用加香甘油，加香甘油有一定的保質(zhì)時間（24～48 h），故每批次加香濾棒生產(chǎn)結(jié)束后，為保障濾棒的質(zhì)量，需將加香甘油進(jìn)行排空報廢處理，在甘油箱底部裝有放油閥，生產(chǎn)結(jié)束后可將甘油從放油閥放出，并進(jìn)行報廢處理。

4 三維建模及加工安裝

采用Solidworks 對項目部件進(jìn)行了三維建模，帶有離心泵的三相異步電機實物及三維模型見圖14，回流過濾器實物及三維模型見圖15，甘油箱及蓋板實物及三維模型見圖16。

圖14 帶有離心泵的三相異步電機建模

圖15 回流過濾器建模

圖16 甘油箱及蓋板建模圖

5 改進(jìn)后效果驗證

在KDF2濾棒成型機機組進(jìn)行改裝試用，收到顯著的效果。

5.1 提高甘油換牌效率

改裝后統(tǒng)計3 個月的7 次換牌更換甘油用時記錄，相關(guān)用時、用人數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4。

表4 甘油換牌用時統(tǒng)計

快速更換甘油裝置的加入，將甘油換牌用時縮短至平均6.4 min/次，大大提升了甘油的換牌效率，在換牌時達(dá)到了快速、高效的效果。

5.2 降低人工

快速更換甘油裝置的加入，將原來需要3 個人才能完成的工作壓縮至1 人完成，免去了甘油箱清洗、殘余甘油抽出等工作，減輕了勞動強度。

5.3 提升設(shè)備運行效率

濾棒設(shè)備快速換牌、快速更換甘油環(huán)節(jié)的作業(yè)率得到了有效提升，利用效率提升公式（效率提升率=（改善后的效率-改善前效率）÷改善前效率×100%），對快速更換甘油系統(tǒng)的作業(yè)效率提升進(jìn)行測算。

工作總量為D，改善前更換甘油平均用時t1=28 min，改善后更換甘油平均用時t2=6.4 min。改善前的效率η1=D/t1；改善后的效率η2=D/t2。提升效率Δη=（η1-η2）/η1=337.5%。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

從“節(jié)約材料、燃料、動力、工具等消耗類”“節(jié)約工時類”“增加產(chǎn)量類”等方面進(jìn)行分析。

快速更換甘油裝置的加入，對甘油節(jié)約起到了很大作用，在換牌時甘油的更換浪費減少至最低，剩余甘油也免去了報廢處理，對7 次換牌時更換甘油時所節(jié)省的甘油量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5 統(tǒng)計，平均每次更換甘油所節(jié)省的普通甘油為25.3 kg/次，加香型甘油為13.5 kg/次，每月平均換牌為2 次，一年可節(jié)省普通型甘油303.6 kg，加香型甘油162.0 kg，普通甘油的采購價格16 568.3 元/t，加香型甘油采購價格18 425.8 元/t，計算得出普通型甘油節(jié)省價值5030.1 元/年，加香型甘油節(jié)省價值2984.9 元/年。

表5 7 次換牌節(jié)約甘油量統(tǒng)計

根據(jù)月平均統(tǒng)計，取年均工作日220 d，每月更換牌號平均5 次左右，改進(jìn)后每次耗時減少至6.4 min，平均每次節(jié)約23.6 min，人工費用按80 元/h 計，全年計劃節(jié)約時間（日均工作時長縮減額）339 840 元/a。

KDF2濾棒成型機自動甘油更換系統(tǒng)改造成本為50 000元/臺，直接節(jié)省成本48 796.1 元/臺。

改造經(jīng)濟(jì)效益總計：396 651.1 元/年。

7 總結(jié)

KDF2濾棒成型機快速更換甘油的成功研制，解決了甘油更換費時、費力的問題，提高了甘油更換效率和可靠性，提高了設(shè)備的運行效率，減少了剩余甘油的浪費量。

濾棒生產(chǎn)換牌環(huán)節(jié)無需再對甘油箱進(jìn)行清洗等繁瑣操作，濾棒的快速換牌在卷包車間得到了很好的體現(xiàn)。此次設(shè)備改進(jìn)使設(shè)備有效作業(yè)率得到大幅提高，貫徹落實了精益生產(chǎn)提出的降本增效理念，同時減輕了操作工的勞動強度，提高了濾棒的產(chǎn)品合格率。