曹炳強(qiáng)，周靖博

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限公司紅河卷煙廠，云南紅河 652300）

0 引言

國家煙草專賣局在相關(guān)工作報(bào)告中多次對新型煙草制品的發(fā)展提出明確要求：“鼓勵研發(fā)加熱不燃燒煙草的新型產(chǎn)品，鼓勵在境外市場大膽試水，謀求突破?！被诖耍颇现袩熐罢靶源_定了“雙重體驗(yàn)的新型煙草制品關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與運(yùn)用”研究方向，明確了紅河“雙享”（中支）周向加熱不燃燒卷煙新品研究計(jì)劃——滿足既可低溫加熱又可點(diǎn)燃抽吸的兩種抽吸方式。

作為新型加熱不燃燒卷煙實(shí)現(xiàn)降溫的一項(xiàng)核心關(guān)鍵工藝，激光打孔效果對于新型煙草的研發(fā)起著至關(guān)重要的作用。紅河卷煙廠目前使用PASSIM 卷煙機(jī)生產(chǎn)中支卷煙，該設(shè)備不能滿足中支卷煙在線激光打孔需求，煙支無法搓轉(zhuǎn)整周以實(shí)現(xiàn)完整的周向均勻打孔，無法滿足新型煙草配套工藝的需求。

綜上所述，對紅河“雙享”加熱不燃燒卷煙工業(yè)化生產(chǎn)配套技術(shù)進(jìn)行研究，創(chuàng)新性應(yīng)用鼓輪交替夾持、煙支加速定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)技術(shù)，較好實(shí)現(xiàn)了PASSIM 卷煙機(jī)中支卷煙在線周向激光打孔工藝，為加熱不燃燒卷煙的研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保障。

1 激光打孔工藝流程設(shè)計(jì)

1.1 激光打孔工藝

紅河“雙享”卷煙滿足既可低溫加熱又可點(diǎn)燃抽吸的兩種抽吸方式，煙支濾棒段采用雙排激光打孔工藝，激光孔貫穿水松紙和中空濾嘴，使外部空氣進(jìn)入濾嘴腔體，配合點(diǎn)煙器使用，實(shí)現(xiàn)抽吸過程中煙氣降溫效果，滿足消費(fèi)者舒適性的需求。

激光打孔工藝如圖1 所示，固定激光頭，鼓輪上的煙支軸心與激光頭垂直時，激光打孔啟動，煙支定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)過程中激光頭同步完成孔貫穿水松紙和中空濾嘴周向打孔。

圖1 激光打孔工藝示意

1.2 激光打孔工藝要求

1.2.1 激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配

為實(shí)現(xiàn)新型卷煙在線工業(yè)化生產(chǎn)，必須通過設(shè)備改造實(shí)現(xiàn)在線激光打孔功能。紅河卷煙廠現(xiàn)有用于生產(chǎn)中支卷煙的設(shè)備為PASSIM 卷煙機(jī)，對PASSIM 卷煙機(jī)進(jìn)行激光打孔工藝技術(shù)改造，激光設(shè)備位于卷煙機(jī)8 號鼓輪下方（圖2）。

圖2 PASSIM 卷煙機(jī)在線激光打孔改造

通過對PASSIM 鼓輪結(jié)構(gòu)改造，搓煙輪凹凸面的設(shè)計(jì)，使煙支在搓轉(zhuǎn)前、搓轉(zhuǎn)時、搓轉(zhuǎn)后被搓煙輪和搓板交替夾持，實(shí)現(xiàn)煙支整周旋轉(zhuǎn)，與卷煙機(jī)配套生產(chǎn)，在線完成激光打孔，達(dá)成激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配的目標(biāo)。

1.2.2 孔間距整周分布均勻

煙支在線激光打孔工藝中，激光頭位置是固定的，煙支要完成360°的周向打孔，需將傳遞鼓輪槽距加寬，并在打孔鼓輪下方增加撥煙輪，與鼓輪共同夾持并搓轉(zhuǎn)煙支，使煙支實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)周向自旋轉(zhuǎn)。

通過對PASSIM 卷煙機(jī)鼓輪進(jìn)行改造，保持8 號鼓輪的槽數(shù)不變，將原8 號鼓輪更換為槽距較寬的8 號鼓輪，為煙支搓轉(zhuǎn)提供空間。

但經(jīng)過現(xiàn)場測量和建模計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在此方式下8 號鼓輪輪槽弧長小于中支卷煙周長，無法完成整周打孔，達(dá)不到激光打孔的工藝需求。

如圖3 所示，8 號鼓輪輪槽弧長10.82 mm，紅河“雙享”中支加熱不燃燒卷煙圓周標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 mm。要滿足激光孔整周分布均勻、孔間距極差小于0.2 mm 的需求，只有使煙支搓轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°。

圖3 8 號鼓輪槽距及增加輪槽后打孔效果

煙支搓轉(zhuǎn)角度不受輪槽弧長的限制，確保煙支在整周范圍內(nèi)均勻打孔，煙支搓轉(zhuǎn)時，搓煙輪的線速度與打孔鼓輪的線速度相同。但由于PASSIM 卷煙機(jī)的鼓輪結(jié)構(gòu)和空間的局限性，搓板的設(shè)計(jì)無法直接采用，且煙支搓轉(zhuǎn)角度有限。若煙支搓轉(zhuǎn)速度與傳遞速度一致，即v搓轉(zhuǎn)=v傳遞，可使煙支在8 號鼓輪輪槽上搓轉(zhuǎn)的角度為：

在鼓輪槽距無法改變的情況下，若煙支搓轉(zhuǎn)速度v搓轉(zhuǎn)改變，則傳遞速度隨之改變，改變的規(guī)律為：

為了使煙支在有限的空間里旋轉(zhuǎn)更大的角度，增加搓轉(zhuǎn)速度十分必要（表1）。

表1 搓轉(zhuǎn)速度與角度關(guān)系

考慮到煙支圓周的波動性，應(yīng)使煙支搓轉(zhuǎn)角度留有一定余量，可取v搓轉(zhuǎn)=2v傳遞。

其次，鼓輪轉(zhuǎn)動由伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并且激光頭脈沖正常，則激光孔就不會出現(xiàn)堆積、稀疏的現(xiàn)象。通過改造鼓輪結(jié)構(gòu)，并采用加速搓轉(zhuǎn)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)煙支在線整周打孔的功能，確?？组g距均勻性。

綜上所述，為了給新品卷煙的研發(fā)提供有力保障，自主研發(fā)一套用于PASSIM 卷煙機(jī)生產(chǎn)中支卷煙的定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置。

2 煙支定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合PASSIM 卷煙機(jī)8 號鼓輪安裝位置結(jié)構(gòu)，以及鼓輪、撥煙輪傳動方式需求，裝置大體分為8 號鼓輪交替夾持、撥煙輪、加速控制3 個功能設(shè)計(jì)：①8 號鼓輪交替夾持功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煙支交接傳遞功能并具備加速搓轉(zhuǎn)條件；②撥煙輪設(shè)計(jì)，配合8 號鼓輪實(shí)現(xiàn)煙支定點(diǎn)加速搓轉(zhuǎn)功能；③加速控制功能設(shè)計(jì)，加速控制需滿足動力傳遞、速度跟隨控制條件。

2.1 8 號鼓輪交替夾持功能設(shè)計(jì)

激光打孔只在煙支的濾棒段，通過設(shè)計(jì)交替夾持加速搓轉(zhuǎn)裝置的總體方案，將原8 號鼓輪設(shè)計(jì)為兩部分（圖4），一部分用于傳遞煙支，稱為交接鼓輪，另一部分用于搓轉(zhuǎn)煙支，通過新增動力進(jìn)行驅(qū)動以實(shí)現(xiàn)加速，稱為加速鼓輪。當(dāng)雙倍長煙支隨鼓輪運(yùn)行到搓轉(zhuǎn)位置時，煙支由交接鼓輪傳遞到加速鼓輪，通過撥煙輪與加速鼓輪的加速搓轉(zhuǎn)，使煙支在相同的槽距下加速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到360°，進(jìn)而由激光頭完成打孔工藝。

圖4 打孔過程示意

如圖5 所示，加速鼓輪位于兩端，搓轉(zhuǎn)時煙支兩端受到夾持，激光孔到煙支端面的距離為13 mm，雙倍長煙支夾持長度最大為75 mm×2=150 mm。搓轉(zhuǎn)時煙支兩端受到夾持，煙支搓轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不易擺動，可保證打孔效果良好。

圖5 8 號鼓輪打孔效果示意

交接鼓輪的作用是完成煙支的傳遞，其動力可采用卷煙機(jī)原8 號鼓輪的驅(qū)動力，不需新增傳動機(jī)構(gòu)。而加速鼓輪需要完成煙支的搓轉(zhuǎn)，其動力需要額外提供，采用同步帶傳動作為新增的傳動機(jī)構(gòu)方式，傳動平穩(wěn)，滿足安裝條件。

2.2 撥煙輪設(shè)計(jì)

2.2.1 撥煙輪結(jié)構(gòu)

針對煙支搓轉(zhuǎn)不打滑來選取搓轉(zhuǎn)面結(jié)構(gòu)，采用梯形齒面結(jié)構(gòu)的搓轉(zhuǎn)面，效果良好，滿足煙支搓轉(zhuǎn)不打滑的需求。

如圖6 所示，要保證煙支搓轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適配安裝空間，撥煙輪搓轉(zhuǎn)面弧長L 應(yīng)不小于36.51 mm，撥煙輪直徑盡可能大但不大于45 mm。

圖6 撥刀示意

已知撥刀數(shù)為N，搓轉(zhuǎn)面弧長L=36.5 mm，則撥煙輪周長C與N 關(guān)系為C=N×L。不同撥刀數(shù)對應(yīng)的撥煙輪周長計(jì)算見表2。

表2 撥刀數(shù)設(shè)計(jì)值

當(dāng)撥刀數(shù)為2 時，撥煙輪直徑過小，難以保證煙支平穩(wěn)搓轉(zhuǎn)；當(dāng)撥刀數(shù)為4 時，撥煙輪直徑大于45 mm，不滿足安裝空間要求。撥刀數(shù)選擇應(yīng)為3。

2.2.2 傳動機(jī)構(gòu)

撥煙輪傳動機(jī)構(gòu)需滿足效率大于0.95、電機(jī)輸出軸到撥煙輪中心距55～70 mm、穩(wěn)定性好等要求。采用齒輪傳動，效率0.97～0.99，穩(wěn)定性好、精度高、傳動平穩(wěn)，適用近距離傳動，伺服電機(jī)到撥煙輪中心距合適，滿足安裝空間。

2.3 加速控制裝置

確定新結(jié)構(gòu)8 號鼓輪的交接鼓輪部分動力由原8 號鼓輪輪系提供之后，加速鼓輪部分和撥煙輪需要新增動力源，該動力源不僅需要滿足實(shí)現(xiàn)加速鼓輪和撥煙輪的精準(zhǔn)控制，還需要與卷煙機(jī)生產(chǎn)速度匹配，從而有效實(shí)現(xiàn)煙支搓轉(zhuǎn)功能。

因此，采用G70AP011MVCL1N 型伺服電機(jī)、E94ASHE0034型驅(qū)動器、AFS60A-THAK262144 編碼器以及E2E-X4ME1-Z傳感器等設(shè)備可滿足調(diào)控要求。

3 項(xiàng)目實(shí)施

對PASSIM 卷煙機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)煙生產(chǎn)，在3000～4000 支/min 的生產(chǎn)速度下，分別抽取50 支樣品進(jìn)行檢查，統(tǒng)計(jì)煙支激光打孔合格率（表3）。結(jié)果表明，激光打孔速度與卷煙生產(chǎn)速度匹配。

表3 激光打孔完成情況統(tǒng)計(jì)表

在4000 支/min 的生產(chǎn)速度下隨機(jī)抽取樣品，使用讀數(shù)顯微鏡測量50 支煙支各激光孔間距（圖7），并計(jì)算孔間距極差，結(jié)果見表4。

圖7 用讀數(shù)顯微鏡測量煙支激光孔間距

表4 激光孔間距極差統(tǒng)計(jì)表

如圖8 所示，從折線圖中可以看出，激光孔間距極差平均值為0.070 7 mm，所有樣本值均滿足工藝要求，孔間距均勻，極差小于0.2 mm 的目標(biāo)達(dá)到驗(yàn)證預(yù)期。

圖8 激光孔間距極差折線圖

4 項(xiàng)目效益

（1）保障了加熱不燃燒新型卷煙規(guī)模化生產(chǎn)制造能力。PASSIM 卷煙機(jī)具備了中支卷煙在線激光打孔的功能，煙支激光打孔速度達(dá)到4000 支/min，滿足中支加熱不燃燒卷煙規(guī)?；a(chǎn)需求，對企業(yè)自主生產(chǎn)加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。

（2）保障了設(shè)備柔性化生產(chǎn)多牌號卷煙的能力。改造后的設(shè)備不僅能夠生產(chǎn)具有激光打孔工藝的卷煙，同時不會影響生產(chǎn)普通卷煙的功能，只需要關(guān)閉激光設(shè)備，即可用于生產(chǎn)其他無打孔工藝設(shè)計(jì)的卷煙產(chǎn)品，對多牌號卷煙生產(chǎn)的兼容性更好。

項(xiàng)目不僅促進(jìn)了企業(yè)卷煙機(jī)設(shè)備通用性的提升，更為新型煙草的研發(fā)提供了有力的技術(shù)保障支撐，對云南中煙品牌戰(zhàn)略發(fā)展將產(chǎn)生巨大效益。

5 結(jié)束語

PASSIM 卷煙機(jī)煙支定點(diǎn)搓轉(zhuǎn)裝置的研發(fā)，滿足了PASSIM卷煙機(jī)在線激光打孔的工藝需求，技術(shù)上屬于行業(yè)首創(chuàng)。該裝置煙支交替夾持加速搓轉(zhuǎn)的思路使煙支搓轉(zhuǎn)角度不受鼓輪槽距的限制，對于不同卷煙機(jī)型、不同規(guī)格卷煙（細(xì)支、中支和正常支）在線激光配套打孔工藝生產(chǎn)都適用，在行業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。