复合滤棒双螺旋中线胶上胶系统设计与应用

罗晟尧，沙利波，包永源，陈方松，李佳燕，高河山，周 正

（1.红云红河烟草（集团）有限责任公司昆明卷烟厂，昆明 650000；2.云南省科学技术院，昆明 650000）

为满足不同消费群体对卷烟降焦减害、增香补香、新颖独特等功能性和外观差异化产品的需求，近年来开发不同规格的复合滤棒产品已成为国内外卷烟企业的研究重点。多元复合滤棒通常含有2～5 种材质基棒，经复合滤棒成型机组卷接成型后用于卷烟生产[1]。目前烟草行业应用较多的是二元、三元复合滤棒，例如活性炭复合滤棒[2]、异形空芯复合滤棒[3]、增香保润复合滤棒[4]和空腔填料复合滤棒[5]等。在生产实际中，复合滤棒发射时常发生端头基棒脱出现象，严重影响卷烟质量。其原因主要为中线胶粘接质量不良。针对复合滤棒成型机组中线胶施加工艺的研究报道较少。其中，黄秋婷等[6]通过实验设计，建立复合滤棒搭口胶喷胶嘴口径与上胶宽度的回归模型，确定最佳搭口胶的喷胶嘴口径值，提高设备效率，降低废品率。倪敏[7]利用FRA3 成型机采用冷、热2 条搭口胶线并施的方法，改善了普通滤棒搭口胶的粘接效果。徐岚等[8]设计并应用间断式上胶系统，解决含空腔结构滤棒上胶问题。目前滤棒成型机组的中心线胶施加方式主要有2 种，一种是自流式施加[9]，另一种是齿轮泵式施加[10]，这些施胶工艺均会在复合滤棒成型纸上形成一条连续的胶水线，用于粘接成型纸和复合滤棒基棒，防止基棒偏移和脱落[11]，但这些方法无法有效解决复合滤棒端头基棒脱出问题。为此，设计一种双中线胶上胶系统增大喷涂面积改善胶线喷涂质量，以降低发射时复合滤棒端头基棒脱出问题的产生。

1 问题分析

1.1 复合滤棒中线胶上胶需求

云烟（大重九）二元复合滤棒单支长度为120 mm，由料棒和白棒2 种基础滤棒（简称为基棒）复合而成。在卷烟工序中，滤棒被切割后形成过滤嘴，过滤嘴与卷制好的烟丝对接后包裹水松纸形成烟支。因此，二元复合棒端头基棒脱出可能导致烟支长度异常或烟支过滤嘴空腔，严重影响烟支品质。

在生产实际中，复合滤棒发射时常发生端头基棒脱出现象。端头基棒脱出是指端头料棒向外脱出，与相邻白棒形成较大间隙（图1（a））或掉出（图1（b））的现象，是二元复合滤棒生产中常见的质量缺陷。该缺陷会导致滤棒卷接烟支后形成空腔，影响消费者抽吸体验。经过原因分析，造成此种缺陷的原因为中线胶粘接质量不佳。

图1 端头基棒脱出实物图

滤棒复合机上使用的中线胶上胶方法为单螺旋式（图2）。为解决复合滤棒端头基棒脱出问题，需要改善中线胶喷涂质量。在实际生产中，对粘接质量影响最大的原因为胶线断续和胶线偏细。MERLIN 滤棒成型机配置的中线胶检测方法为水分检测法，该方法通过检测成型纸水分确定胶线是否断续，若不达标则报警并及时剔除，因此胶线断续对复合滤棒端头基棒脱出影响不显著。另一方面，胶线粗细由喷嘴直径决定，目前所使用的喷嘴直径为0.3 mm 与0.6 mm 2 种，将0.3 mm 直径胶嘴更换为0.6 mm 直径胶嘴后，胶线明显增粗，但复合滤棒端头基棒脱出问题仍无法改善，且会导致布带敷胶严重、影响生产效率等问题。因此通过简单调整设备的方法无法解决该问题。

图2 单螺旋式喷胶

1.2 中线胶粘接质量改善方向分析

为改善中线胶粘接质量，应考虑从以下几个方面入手：粘接压力、成型纸的乳胶渗透性、乳胶黏度及粘接面积。其中，通过检验成型纸使用的是10000CU 高透气度成型纸，乳胶为进口德国汉高乳胶，原辅材料质量合格。粘接压力主要是靠蜘蛛手与成型纸间的间隙进行调节，经过调整不同间隙宽度端头基棒脱出数无明显变化。因此，只能从增大粘接面积方向入手。增大粘接面积最直接有效的方法就是设计双螺旋中线胶上胶系统。

2 系统设计

2.1 螺旋搭配方式仿真模拟

常见的乳胶上胶的螺旋喷涂方式有正螺旋喷涂和反螺旋喷涂2 种。对于双胶枪上胶系统的螺旋喷涂方式，即有“正正、正反、反正、反反”4 种螺旋搭配方式（图3）。通过对双胶线方程进行拟合，计算后可得出乳胶喷涂面积，见表1。

表1 胶线拟合方程

图3 胶线仿真模拟

根据仿真结果选用“正反”的喷胶方式。

2.2 乳胶分配器

为实现乳胶分流至2 个胶枪的功能，需要设计一套乳胶分配器。如图4 所示，乳胶在胶缸内储存，经过乳胶入口1 流入分配器，电机通过电机轴2 带动皮带3 转动，从而使分配器轴4 转动，乳胶经过分配器后由出口A5 和出口B6 分流至乳胶管。

图4 乳胶分配器装置结构

2.3 程序设计

原单胶枪系统只需通过PLC 控制一个胶枪的喷胶量、输送气压，在更换为双胶枪喷涂系统后，需要实现2 个胶枪同步精准控制，因此需要重新编写程序段。如图5 所示，程序段5 为双乳胶枪同步喷胶程序段，程序段7、8 为双乳胶枪气压、乳胶供给控制程序段。

图5 程序段

2.4 参数优化

为寻找最佳乳胶施加量、双胶枪最佳喷涂气压，设计应用中心复合设计（central composite design,CCD）进行试验设计。试验因子为1 号胶枪气压、2 号胶枪气压、乳胶施加量。依据《滤棒成型机维修手册》，喷涂气压应设置在2～4 bar 范围内；依据《成型车间工艺质量标准》，乳胶施加量在28～32 g/600 m 范围内。从残差图（图6）看出：数据服从正态分布（图6（a））；残差对响应变量拟合值的散点图（图6（b））无规律分布，无明显的漏斗型和喇叭型；残差对观测值顺序为横轴的散点图（图6（d））表现出随机在水平轴上下波动，无明显规律的特性，且没有表现出异常的升降趋势，故模型没有弯曲的趋势。从等值线图（图7）中可以看到，1 号胶枪气压、2 号胶枪气压越大，乳胶喷涂面积越大。应用响应优化器（图8）可得出：当1 号胶枪气压取4 bar，2 号胶枪气压取4 bar，乳胶施加量取30.8 g/600 m 时，喷涂面积最大为168 mm2。

图6 喷涂面积残差图

图7 喷涂面积与2 号胶枪、1 号胶枪气压的等值线图

图8 响应优化器图

3 应用效果

3.1 实验设计

材料：“云烟（软大重九）”滤棒（红云红河烟草（集团）昆明卷烟厂）。

设备：MERLIN 滤棒复合机组（德国HAUNI 公司）。

方法：MERLIN 滤棒成型机生产速度为500 m/min，三班制6 h 运行，统计端头基棒脱出缺陷滤棒数量及生产总量。统计时间为5 个工作日。

3.2 数据分析

由表2 可见，应用双螺旋中线胶上胶系统使得粘接面积增大，提高了滤棒中线胶粘接质量，复合滤棒端头基棒脱出率由1.63‰降低至0.25‰。复合滤棒端头基棒脱出问题得到了有效解决。

表2 双螺旋中线胶上胶系统应用前后端头基棒脱出率对比

4 结论

在MERLIN 滤棒成型机设计并安装一套双螺旋中线胶上胶系统，通过胶线仿真、设计乳胶分配器、CCD试验优化参数、编写双胶枪控制程序的方法，利用增大乳胶喷涂面积以提高其粘接质量，解决了复合滤棒端头基棒脱出率高的问题。以昆明卷烟厂使用的MERLIN 机组测试，结果表明：应用双螺旋中线胶上胶系统后，复合滤棒端头基棒脱出率由1.63‰降低至0.25‰，复合滤棒端头基棒脱出问题得到了有效解决。