YJ19卷烟机烟支导板装置改进

吴树清 孙 勇 杨 芳 黄雪燕

(贵州中烟工业有限责任公司铜仁卷烟厂，贵州 铜仁 554300)

烟支导板装置作为YJ19卷烟机的重要组成部分，主要由底板、内导板、上导板、外导板、控制气缸等组成[1]，其结构很大程度影响了烟支质量[2-3]。生产过程中，所产生的水蒸气易在烟支导板装置内形成冷凝水[4-6]，造成烟支表面黄斑污染[7-8]。

目前关于解决烟支污染和皱纹的问题已有相关报道，舒奎武等[9]针对烟支搓接时胶水干燥过程中水分蒸发造成黄斑的问题，采用加装接水装置与吹风装置，有效降低了水渍黄斑烟支产生。张卫兵等[10]针对PASSIM接装机靠拢鼓轮架处容易出现冷凝水的问题，提出安装吸吹风组合装置以减少冷凝水的产生，有效解决了靠拢鼓轮架处烟支污染和水松纸皱纹问题。彭永刚等[11]针对Φ5.25 mm烟支在搓接时易出现皱纹的问题，通过在设备上对滤棒搓接导轨指加宽以及改进传送毂导轨槽的方法，减少了烟支皱纹的产生。YJ19卷烟机烟支导板装置的导轨与烟支存在间隙，导致高速运行时烟支运动轨迹产生跳动，造成烟支皱纹。但目前鲜见对烟支导板处造成烟支污染和皱纹问题的研究。

试验拟对YJ19卷烟机烟支导板装置的结构进行分析改进，通过圆弧槽与吸风孔相结合的方法，将烟支封闭式输送改进为敞开式输送，通过负压吸附的方式使烟支平稳运行，以期改善烟支搭口不洁和皱纹缺陷。

1 问题分析

烟支导板装置位于切割刀盘与烟支加速轮之间，用于支撑烟支段运动。烟支段在高速通过导板装置时，上导板3、外导板6与烟支段5之间需存在0.5 mm左右的间隙，如图1所示，才能保证烟支的正常输送，但此结构会使烟支产生径向跳动，导致烟支径向受力而产生表面皱纹。

1. 底板 2. 内导板 3. 上导板 4. 密封空间 5. 烟支段 6. 外导板

经检查发现，卷烟机中与烟支接触的烟支导板装置6处，有水渍出现。在烟支卷制过程中，对卷烟纸边施加胶液，卷烟纸将烟丝包裹形成烟条1，经高温烙铁2加热干燥，胶液中的水分蒸发形成水蒸气3，烟条1通过密度检测器4，被高速旋转的切割刀盘5，切割成等长的烟支段7，运动中的烟支段7将水蒸气3带至烟支导板装置6处，水蒸气3在烟支导板装置6的密封空间处不断聚集，如图2所示。

水蒸气要达到析出冷凝水的条件，需要一定的温度和压力；相对湿度达到100%，露点温度Td与干球温度T为同一值。车间环境温度为25 ℃，相对湿度为60%，大气压强为101 kPa，经查焓湿图[12]，其露点温度Td为16.72 ℃，A点空气含水11.93 g/kg。如相对湿度达到100%，露点温度Td上升到25 ℃，B点空气含水增加至20.15 g/kg，见图3。

烟支导板装置的长度为254 mm，其烟支导轨所形成的相对密封空间宽度与高度为烟支直径加0.5 mm，所生产烟支直径为7.8 mm，每班生产时间为7 h，产量60大箱，共耗胶水12 kg。通过烘箱法检测[13]，干燥箱内温度107 ℃，干燥180 min，胶水内含水量达到50.2%。在实际生产中胶水干燥过程蒸发的水分约为30%，约1%的蒸发水分聚集在了烟支导板装置内。

因此得：

V导=L×W×H，

(1)

G水=m×1 000×p1×p2×(t总×Q)，

(2)

式中：

V导——烟支导板装置形成密封空间的体积，mm3；

L、W和H——烟支导板装置的长度、宽度和高度，mm；

1. 烟条 2. 高温烙铁 3. 水蒸气 4. 密度检测器 5. 切割刀盘 6. 烟支导板装置 7. 烟支段

图3 空气焓湿图

M——一个班所耗胶水的总质量，kg；

p1——一个班实际生产中胶水干燥过程蒸发的水分与总含水量的比值；

p2——聚集到烟支导板装置内的水分与生产所蒸发水分总量的比值；

t总——一个班生产时长，h；

Q——一个班生产总量，箱；

G水——平均每分钟进入烟支导板装置内的水分重量，g。

将各参数的值代入式(1)和式(2)求得，V导=17 078.96 mm3，G水=0.085 7 g。

换算成1 min烟支导板装置内1 000 g的空气含水量增加为：

(3)

(4)

式中：

G增——1 000 g的空气含水增加量，g；

V空气——标准大气压下1 000 g空气体积，m3；

t——空气相对湿度从60%上升至100%的耗时，min；

m1——25 ℃下相对湿度达到100%时每千克空气含水量，g；

m2——16.72 ℃下相对湿度达到100%时每千克空气含水量，g。

将上述各参数的值代入式(3)和式(4)求得，G增=4.01 g，t=2.05 min。

通过计算得出，连续生产2.05 min，烟支导板装置内的空气相对湿度可升至100%，其内部有冷凝水产生。与实际生产中，4 min左右会在烟支导板装置处出现冷凝水相一致。

2 改进设计

改进后的烟支导板装置主要由9部分组成，见图4，导烟舌1和压烟块2主要对烟支段进行导向，确保烟支段顺利进入圆弧凹槽内。底板3与卷烟机相连，对其他零件起支撑固定作用。圆弧导板4上圆弧凹槽的底部有4个吸风孔和3个吹风孔，分别起运行中吸附烟支和停机时清理烟支的作用。内栏板5和外栏板6，固定在圆弧凹槽的两侧，与烟支外表面接触。吸风管7为吸风盒8提供负压，与圆弧导板4的吸风孔相连。吹气管9为圆弧导板4的吹风孔提供清洁吹风。

2.1 圆弧凹槽的确定

圆弧凹槽的尺寸与所生产的烟支规格相适应。考虑到生产中烟支3圆周的波动，圆弧导板1的凹槽R应与允许的最大烟支半径相一致，如图5所示。

1. 导烟舌 2. 压烟块 3. 底板 4. 圆弧导板 5. 内栏板 6. 外栏板 7. 吸风管 8. 吸风盒 9. 吹气管

1. 圆弧导板 2. 内栏板 3. 烟支 4. 外栏板 5. 吸风孔

2.2 负压吸风孔的确定

2.2.1 烟支段阻力及压强计算 已知烟支段长度为118 mm，直径为7.8 mm，机器生产速度为8 000 支/min。为了确保至少有一个吸风孔作用于运动中的烟支段，两吸风孔之间的距离至少应大于1/2烟支段长度，确定为60 mm。

根据面积公式得：

S=π×R2，

(5)

式中：

S——烟支端部横截面积，m2；

R——烟支半径，m。

根据已知参数的值，代入式(5)求得，S=0.000 047 76 m2。

根据速度公式得：

(6)

式中：

v——烟支段运动速度，m/s；

N——每分钟生产的烟支数量，支；

l1——无嘴烟长，m。

无嘴烟长为烟支段长度的一半，将已知参数值代入式(6)求得，v=7.867 m/s。

高速运动中的烟支段，除了所受后面烟支段的推力外，还受到自身重力及空气作用力的影响。烟支段前部的空气受到烟支段端部的挤压，内部压强P增大，此压强反作用于烟支段端部，对烟支段的运动产生了阻力F阻，如图6所示。

根据空气动力学原理，烟支端部所受的空气阻力[14]为：

图6 烟支段运行中所受空气作用示意图

F阻=CρSv2/2，

(7)

式中：

F阻——空气阻力，N；

C——空气阻力系数，参照垂直平面体取1.0；

ρ——空气密度，取1.29 kg/m3。

根据已知参数的值及S和v的计算结果，代入式(7)求得：F阻=0.001 906 N。

根据力和压强的关系得：

P=P大+F阻/S，

(8)

式中：

P——烟支段前端压强，Pa；

P大——大气压强，Pa。

如图6所示，烟支段在高速运动中，其前端被压缩的空气，绕过烟支端部，相对于烟支段向后部运动。前端的空气绕过烟支段上部时，其压强为P上；绕过烟支段下部时，其压强为P下。因烟支段上部完全与大气连通，压强P上等于该处的大气压强，而绕过烟支段下部的空气，进入了烟支段与圆弧槽的密封空间，因烟支段紧贴圆弧槽运动，则该处的压强P下约等于烟支前端的压强P。

P上=P大，

(9)

P下=P，

(10)

P下-P上=P-P大=(P大+F阻/S)-P大=F阻/S，

(11)

式中：

P上——烟支段上部所受压强，Pa；

P下——烟支段下部所受压强，Pa。

将F阻和S计算所得值，代入式(11)求得，烟支上、下部压差为39.92 Pa。

2.2.2 烟支段所受升力计算 因高速运动中烟支段下部压强P下大于上部压强P上，则烟支段运动轨迹会发生上下波动，不利于烟支段的输送。

根据压强与力的关系得：

F升=(P下-P上)×S横，

(12)

式中：

F升——空气对烟支段产生的升力，N；

P上——烟支段上部所受压强，Pa；

P下——烟支段下部所受压强，Pa；

S横——烟支段长度方向上有效截面积，m2。

根据烟支段长度及直径，得烟支段长度方向上有效截面积S横=0.000 920 4 m2。

将计算所得的P下、P上和S横的值代入式(12)得，F升=0.036 7 N。

已知烟支段重量为1.4 g，长度为118 mm，圆弧槽底部相邻吸风孔距离为60 mm，供给吸风孔的负压P吸为4 000 Pa。烟支段受力如图7所示，要确保烟支紧贴在圆弧槽内运行，圆弧槽底部吸风应能克服气流对烟支运动的影响。

为保证烟支段平稳运行，则：

MF吸+MG≥MF升，

(13)

式中：

MF吸——吸风孔负压对烟支的力矩，N·m；

MG——重力对烟支的力矩，N·m；

MF升——空气升力对烟支的力矩，N·m。

根据力矩与力的关系得：

(F吸×l2)+(m支×l1×9.8)≥F升×l1，

(14)

式中：

F吸——吸风孔负压对烟支的作用力，N；

l2——烟支段长度，m；

m支——烟支质量，kg。

l1——无嘴烟长，m。

将已知参数值代入式(14)得，F吸≥0.022 6 N。

根据压力、压强与面积的关系得：

F吸=P吸×S孔，

(15)

式中：

P吸——吸风孔的压强，Pa；

S孔——吸风孔面积，m2。

将F吸和P吸的值代入式(15)得，S孔=0.000 005 65 m2。

根据面积公式得：

S孔=π(D/2)2，

(16)

式中：

D——吸风孔直径，m。

将S孔的值代入式(16)得，D=0.002 68 m，取整数，吸风孔的直径确定为3 mm。

图7 烟支段受力分析简图

2.3 残烟自动清理功能

圆弧凹槽底部的两吸风孔中间区域，分布有残烟自动清理风孔。清理吹风4受电磁换向阀3控制，与设备的启停信号2保持同步。设备停止时，电磁换向阀3打开，高压空气与吹风孔连通，对残留在圆弧凹槽内的烟支5进行清理，延时1 s后，清理吹风4自动关断，清理吹风控制如图8所示。

3 试验验证

3.1 材料与方法

3.1.1 材料

卷烟纸：HH150-S，华丰纸业股份有限公司；

D2搭口胶：玉溪自强卷烟专用胶有限公司；

烤烟型烟丝：遵义软01，贵州中烟工业有限责任公司。

3.1.2 设备

卷接机组：ZJ19型，许昌烟草机械有限责任公司。

3.1.3 测试方法

烙铁温度为250 ℃，机器生产速度为8 000 支/min。连续生产运行10个台班，每个台班抽4组，每组200支，共40组8 000支样本，统计烟支搭口表面出现污染质量缺陷数量与烟支皱纹质量缺陷数量，并与改进前相同样本量进行比较。

3.2 试验效果

改进后，在ZJ19卷接机组上经过5个月的使用，烟支导板装置处未再出现冷凝水。其结构得到简化，烟支高速运行更趋平稳。

由表1可知，使用改进后的烟支导板装置，该处导致的烟支搭口表面不洁质量缺陷率从1.45%降低到0，烟支皱纹质量缺陷率从1.16%降低至0.30%。

1. 气源 2. 启停信号 3. 电磁换向阀 4. 清理吹风 5. 烟支

表1 烟支质量缺陷统计表

4 结论

试验对YJ19卷烟机烟支导板装置结构、尺寸和通道内空气相对湿度进行分析，得出烟支导板装置结构不合理，烟支在输送过程中抖动且水蒸气在通道内易聚集液化。重新设计了一种新型烟支导板装置，利用圆弧凹槽对烟支进行导向，并采用负压吸附烟支，解决了烟支抖动和水蒸气液化问题。通过随机抽样40组8 000支样本进行试验验证，结果表明，改进后的烟支导板装置使用效果良好，皱纹烟支缺陷率从1.16%下降到0.30%，烟支搭口不洁缺陷率从1.45%下降到0。