利用交棒原理解决复合滤棒成型机组中的叠棒问题

2012-09-14金风凯

烟草科技 2012年12期

金风凯

中烟机械技术中心有限责任公司，上海市浦东新区金海路1000号10号楼 201206

近年来，国内卷烟（材料）生产企业先后进口了一批国际领先水平的复合滤棒成型机组[1-2]，如德国HAUNI公司的MULFI-E型500 m/min复合滤棒成型机组[3]和MERLIN型600 m/min复合滤棒成型机组[3]等，国内也先后自行设计了YL43型200 m/min[4]和ZL41型400 m/min复合滤棒成型机组[5]。该类设备的主要工艺流程之一是由交接装置将两种或几种不同材质的滤棒组传递到烟枪布带上进行卷制成条。在复合滤棒成型过程中使用布带驱动滤棒条，经济实用，但滤棒组在布带上会出现打滑现象[6]，由此造成滤棒组运动速度不稳定，容易出现叠棒问题。而国内关于交接（轮）装置向烟枪布带传递滤棒组的研究较少，国外研究资料也尚未公开，因此在设计过程中缺乏理论依据。为此，在交接轮设计过程中，通过分析交棒原理，计算调整结构数据，实现合理的速度匹配，以解决叠棒问题的产生，保证国产设备高速稳定运行。

1 存在问题

进口500 m/min和 600 m/min、YL43、ZL41复合滤棒成型机组中，基础滤棒分切组合后向成型烟枪传递过程中都需要有交接装置。根据结构原理可将交接装置分为两种，一种是用于YL43型复合滤棒成型机组的定位输送链和拨动输送轮装置，另一种是用于其他几种机型的交接轮装置[7-8]。其中，用于YL43型的输送链和输送轮装置属于早期设计的输送结构，技术含量较低，仅适合于低速传送物料，不在本研究内容范围。交接轮装置采用负压传送交接方式，处理滤棒更加柔和，适合于高速传送，交接轮交棒原理见图1。但是由于滤棒在烟枪布带上容易打滑，会出现后续滤棒的前端压在前面滤棒末端之上的现象，即叠棒(或叠压)现象。当出现叠棒现象时，会使连续若干支成品复合滤棒变成废品，严重时会造成通道堵塞、设备跑条[9]等故障而停机，产生更大浪费。研究分析发现，进口改制的500 m/min型和国产ZL41机型，在部分规格的复合滤棒生产中不同程度的存在叠棒现象，有的是由于基础滤棒有缺陷或分切偏差造成的，属于偶然问题，对症处理即可解决；有的则是由于交接速度不当造成的，是本文分析解决的主要技术问题。

图1 交接轮交棒原理示意图

2 交棒原理分析

在滤棒成型部件中，表面平整的布带包裹着滤棒穿过烟枪通道，驱动滤棒条并使之成型。柔性的布带依靠摩擦力驱动滤棒包封纸和滤棒条前进，在拉伸力、压缩力和摩擦力的综合作用下，布带和物料不可避免地会出现拖延或打滑现象。特别是复合滤棒成型时，当两元或多元滤棒段交替排列时，物料呈现不连续状态，打滑会造成滤棒段之间出现缝隙[10]，缝隙过大则引起叠棒现象。因此，在交棒与成型两个重要环节中，除了尽可能增大布带表面的摩擦力、减小烟枪通道表面的摩擦力外，必须对交接轮装置进行改进，才能达到既减少打滑又消除叠棒现象的目的。

2.1 定性分析

在ZL41型复合滤棒成型机组的研发过程中，为了消除滤棒段之间的缝隙，在交接轮设计时提出了超速的概念。由图1可见，交接轮吸爪向烟枪交付滤棒组时的水平速度应大于烟枪布带的速度[11]，其速度差值即超速量△与烟枪布带速度的比值称为超速率，用符号t表示：

式中：V交=2πr n交；n交——交接轮的转速(r/min)；r——吸爪的旋转半径(mm)，为吸爪自转中心到公转中心之间的距离；V布——布带速度(m/min)，即设备的额定生产速度。

滤嘴棒定量传递原理可表示为：

式中：K——交接轮上的吸爪个数；L——复合结构[10]长度的 2倍(mm)。

式（2）表明，单位时间交接轮传递到烟枪的滤棒组长度之和等于布带单位时间沿直线走过的距离。用符号α表示吸爪等分角，因吸爪等分圆周，α=360°/K；L即为每个吸爪传递的二元滤棒组的长度。将公式V交=2πr n交和式（2）代入式(1)整理得到，超速率 t=2πr/(K×L)-1。根据超速起始角度的概念，在交接轮转动过程中，每个吸爪向烟枪交付滤棒组之前，其水平分速度等于布带速度时的偏角，简称超速角，用符号β表示，推导得出：

同时，可得超速角与超速率之间的关系式：

等分角α与超速角β之差占等分角α的比值称为角差率，用符号 w 表示，w=(α-β)/α。在图 1中，吸爪自转中心01绕公转中心O顺时针旋转，01转至A点时吸爪从另一鼓轮接收滤棒，转至B点时吸爪向烟枪放置滤棒即交棒；02为与B点交棒吸爪相邻且吸附着滤棒的吸爪中心，故α为等分角；当02转至C点时其水平分速度等于烟枪布带速度，由此开始超速，至B点时达到最大，故β为超速角。交接轮连续地从鼓轮接收滤棒，然后连续向成型烟枪交付滤棒。

超速过程中超速率和超速角的大小会受到多个因素的影响，如复合结构、交接轮吸爪数、吸爪的旋转半径和布带速度等，同时也会影响复合滤棒的产品品质。理论上，为了消除滤棒段之间的缝隙，超速量△（或超速率t）应当取大值，超速角β（或角差率w）应当取小值；相反，为了避免对滤棒造成较大撞击和出现叠棒现象，超速率取小值、角差率取大值则较合理。因此，超速率t和角差率w均应有适当的取值范围。为了延长交接轮零件寿命并使其运转平稳，其转速应尽可能低。根据式(2)得知，当滤棒复合结构确定，即L确定后，吸爪数K越多则交接轮转速越低。吸爪数K与吸爪的旋转半径r成正相关关系，即吸爪的旋转半径r越大，则吸爪数K越多。半径r是以相关部件结构尺寸为参考的设定值，设计中可取符合比例的数值。初定K值时的计算原则为连续交棒，即K=2πr/L。为避免发生干涉或叠棒现象，K值应在试算后取较小的整数，然后重新计算并校核，选取较为可靠与合理的数据组合。

2.2 定量分析

基于上述理论和定性分析，通过研究进口500 m/min和600 m/min型复合滤棒成型机组，针对自行设计的ZL41型400 m/min复合滤棒成型机组，计算其超速率t和角差率w，找到符合规律的量化数据。

(1)进口500 m/min型复合滤棒成型机组。该套设备已使用多年，性能良好，正常状态下没有出现过叠棒现象。已知复合结构为（12+12）mm，L=48 mm，V布=500 m/min，测得r=113 mm，K=14，根据上述分析和式(2)得：

(2)进口600 m/min型复合滤棒成型机组。该套设备技术先进，是目前运行速度最高的复合滤棒成型机组，其交接轮装置运行良好，很少出现叠棒现象。已知复合结构为（14+10）mm，L=48 mm，V布=600 m/min，测得r=150 mm，K=19。计算结果如下：n交=657.895 r/min，V交=620.051 m/min，超速量△=20.051 m/min，α =18.947°，β =14.611°，t=0.033，w=0.229。

另外还计算核对了复合结构（15+10）mm的500型和复合结构（15+15）mm的600型复合滤棒成型机组的相关数据。综合来说，能够稳定运行的交接轮，其设计结构均满足以下规则：超速率t＜0.1，角差率w＞0.1。

(3)ZL41型400 m/min复合滤棒成型机组。复合结构为（14+10）mm，L=48 mm，同样按上述进口机型运用的公式并参照有关数据进行计算，验证上述规则。

第一种数据组合：取r=115 mm，初始计算K=2πr/L=15.053。按较大超速量△=30 m/min(超速率t=0.075)试算，则：

由V交=2πr n交，得：

代入式(2)：

取整K=14（比初始计算K值小的整数），再由V布=400 m/min，r=115 mm，K=14，等分角α =360 °/14=25.714°，重新计算对应的超速率与角差率：

根据该数据组合设计的ZL41型400 m/min复合滤棒成型机组交接轮装置的超速交棒见图2，该组数据符合由上述分析计算获得的规则。

图2 ZL41型复合滤棒成型机组复合结构(14+10)mm超速交棒示意图

第二种数据组合：取r=113 mm，初始计算K=2πr/L=14.792。按超速量△=25 m/min（超速率t=0.0625）试算，则：

取整K=14（比初始计算K值小的整数），重新计算各值，n交=595.238 r/min，V交=422.619 m/min，β =18.83°，t=0.057，w=0.268。

当 K=14（n交=595.238 r/min保持不变）时，还计算了r=114 mm和r=112 mm对应的数据组合，均符合经验规则。数据分别为：

取 r=114 mm，计算得 V交=426.359 m/min，β=20.252°，t=0.066，w=0.212。

取 r=112 mm，计算得 V交=418.879 m/min，β=17.267°，t=0.047，w=0.328。

以上3组数据作为备选，是否比第一种数据组合更加合理还有待实践检验。

综合以上所有计算结果，验证了经验规则并获得优先取值范围为：超速率0.03＜t＜0.08，角差率0.15＜w＜0.35。

3 解决叠棒问题

（1）引进改制的500 m/min型复合滤棒成型机组[复合结构（10+10）mm]，生产运行中经常出现叠棒现象。首先判断并非偶然因素而引起，于是按上述交接原理和获得的经验规则要求分析其产生原因。设备数据为V布=500 m/min，r=115 mm，L=40 mm，K=17，计算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=531.299 m/min，β=19.765°，t=0.063，w=0.067。

对照经验规则可知，超速率t=0.063＜0.1，符合要求，能够确保消除滤棒段之间的缝隙。而角差率w=0.067偏小，不符合w＞0.1的规则要求，是造成叠棒现象的根本原因。为解决叠棒问题，应当增大角差率，将设备数据中吸爪的旋转半径改为r=114 mm，缩小超速率t值，增大角差率w值。

取r=114 mm，其他数据不变，计算得n交=735.294 r/min，α =21.176°，V交=526.679 m/min，β =18.315°，t=0.053，w=0.135。设备采用改进数据，即将r=115 mm改为r=114 mm后，超速率t值和角差率w值均符合经验规则要求，基本消除了叠棒现象。

经过分析计算，如果将r=115 mm改为r=113 mm，计算得超速率t=0.044，角差率w=0.211，也符合经验规则要求，并且在优先取值范围内，效果应当更好，可以应用于以后的设计改进中。

（2）ZL41型400 m/min复合滤棒成型机组[复合结构（14+10）mm]中，为消除滤棒段之间缝隙，最初设计中取交接轮旋转半径r=116 mm，实物调试中经常出现叠棒现象。利用上述方法计算并对照规则，得知超速率t=0.085偏大，角差率w=0.114偏小，确定是造成叠棒问题的根本原因。初步改进设计中采用了2.2定量分析中的第一种数据组合，即超速率t=0.075，角差率w=0.161。由于符合经验规则，目前设备的交棒环节及滤棒成型过程运行良好，没有产生叠棒问题，成品复合滤棒中滤棒段之间的缝隙很小，完全满足复合滤棒品质的标准要求[10]。