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1、 ZJ17卷烟机烟末清洁隔离装置的设计与应用 李峰，余峰，孔德昕，杨彩虹，华卫，蔡培良，吕忠，毛龙所ZJ17卷烟机烟末清洁隔离装置的设计与应用李峰，余峰，孔德昕，杨彩虹，华卫，蔡培良，吕忠，毛龙所（红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，云南 曲靖 655001）解决已涂胶的水松纸黏上烟末、复合型滤棒添加物颗粒或其他杂物而产生的烟支水松纸夹末、皱纹、漏气等一系列产品质量问题。在ZJ17型卷烟机MAX部分汇合鼓轮与靠拢鼓轮之间加装两道清洁烟末装置，实现电气一体化控制。该装置与设备原本的接装纸切刀辊防护罩左下方吹气装置形成三道吹风清洁装置。三道吹气装置在汇合鼓轮与靠拢鼓轮之间形成一层隔离气帘。
2、隔离气帘能够隔离烟末、复合型滤棒添加物颗粒等杂物，产品质量缺陷率由2.68%降至0.36%。所研制的清洁装置效果显著，降低了烟支夹末质量缺陷率，保证了产品质量，在ZJ118、ZJ116等机型上具有较广泛的推广应用价值。ZJ17卷烟机；烟末；三道吹风装置；隔离气帘；电气一体化ZJ17型卷烟机在正常生产运行时，从进烟鼓轮到水松纸搓接鼓轮，双倍组烟经切割、分离、汇合滤嘴、包裹水松纸、搓接成型的过程中，会抛甩所产生的大量悬浮烟末，容易出现水松纸夹末的现象，进而造成水松纸皱纹、翘边、漏气、掉嘴等质量缺陷1。行业内对ZJ17卷接机MAX烟末的清洁有一定的研究成果，例如：利用负压吸风装置和负压回收装置清除靠
3、拢轮和搓接轮处的烟末，在形成烟支相组合之前，利用正压吹气装置吹走烟末，避免水松纸沾上烟末以及通过对一次分切轮进行技术改进等2-4方法，都不能完全解决夹烟支夹末这一质量问题。要解决这一问题的关键在于在接搓之前尽可能地清洁靠拢鼓轮和汇合鼓轮之间的烟丝、烟末等颗粒。为此，在ZJ17型卷烟机MAX部分，汇合鼓轮与靠拢鼓轮之间设计了两道清洁烟末装置，它们与设备原本的接装纸切刀辊防护罩左下方吹气装置共同形成一层隔离气帘。隔离气帘基本上清洁了靠拢鼓轮和汇合鼓轮之间的烟丝、烟末等颗粒，将搓接之前的烟末去除，最大程度上减少夹末烟的产生，能保证了产品质量。1 问题分析1.1 存在问题通过频闪仪观察发现，在接装过程
4、中，由于鼓轮的高速转动，烟端的烟末在离心力的作用下被抛出，抛出的烟末有一部分在重力的作用下掉入废烟箱，而另一部分会跟随鼓轮转动并被带到下游鼓轮上，从而在运转的鼓轮外围形成一股流动的烟末流。同时，因为鼓轮的高速转动带动鼓轮表面的气流也高速流动，根据流体的速度与压强的原理知道，鼓轮表面气流流速快压强小，而外围气流的流速慢压强大，所以烟末在2种气流产生的压强差的作用下跟随鼓轮转动。在实际生产过程中，在分离轮高速旋转产生的惯性作用下，双倍组烟经第一切割轮切割后，烟末会沿着切割端面方向掉落，大部分重量小的烟末会飘散在分离轮四周，甚至传递给下游的综合鼓轮，导致靠拢鼓轮与汇合鼓轮之间成为烟末流高发点（三角区
5、域烟末）。汇合鼓轮将烟支和滤嘴段向靠拢鼓轮传送，同时也把汇合鼓轮上掉落产生的烟末和上游鼓轮传递的大量烟末带到靠拢鼓轮上，上胶后的水松纸经刀辊切成水松纸纸片，然后被传递至靠拢鼓轮的烟组上，随后对其进行包裹。这种情况下，切纸鼓轮刀辊防护罩和靠拢鼓轮形成了一个较狭小的烟末生成空间，如图1所示。1.2 原因分析靠拢鼓轮与汇合鼓轮交会点是烟末流高发点（三角区域烟末），设备原有的清洁装置不能完全清理烟末，水松纸片和未被清理的烟末形成了相向运动5，烟末极易粘在水松纸片上，造成搓接成型后的烟支水松纸夹末。根据卷烟制造车间水松纸夹末烟缺陷率统计，该烟末清洁装置应用前，水松纸夹末烟缺陷率平均值为2.68%，未满足
6、企业标准。1.切纸鼓轮；2.靠拢鼓轮；3.切纸鼓轮刀辊护罩；4.水松纸纸切刀；5.靠拢鼓轮与汇合鼓轮之间的三角区域烟末；6.汇合鼓轮； 7.设备原有清洁装置。2 烟末清洁隔离装置设计2.1 设计原理新设计的烟末清洁隔离装置原理：利用流体力学原理，对汇合鼓轮和靠拢鼓轮间的三角区域进行清洁吹风，三道吹气清洁装置共同作用形成清洁“气帘”，在粘有胶水的水松纸片与滤嘴段、烟支相组合之前，利用正压吹气将悬浮飞溅的烟末隔离、清洁；清洁风由外向里吹，被吹走的烟末会被MAX后机壳阻挡，然后下落到位于下方的原机配备废烟回收桶中，这样方便了烟末的回收处理，整个过程相对隐蔽，也不会造成生产环境的污染。利用PLC和电磁
7、阀设计控制电气，设备开机时电磁阀通电，该装置吹气；设备停机后电磁阀断电，停止吹气，节约能源。2.2 设定气压当空气从喷嘴沿鼓轮轴向进行吹送时，喷嘴腔室出口处的气体流速远远大于鼓轮轴向的气体流速，流速与压强成反比。因此，在平行于鼓轮面并沿鼓轮轴方向上会形成压差，压强差产生强大的气流，从而使得堆积在鼓轮三角区域的烟丝、烟末等颗粒被吹走，然后落至卷烟机内部下方的输送皮带上，最后输送皮带将烟丝、烟末等颗粒输送到残品回收箱内。箱内符合工艺标准的烟丝经筛选后进行二次加工，并掺配到成品烟丝中，降低了生产消耗。卷接设备的压缩空气都是由动力部门统一提供，会存在气压不稳定的情况。动力部门输送过来的空气气压很大，输
8、送过来的气压通常需要经过设备上的节流阀来调整。如果经调整后气压过小，烟末不足以被吹离三角区域范围，仍然会落到鼓轮上；如果经调整后气压过大，容易导致吹走的烟末碰到MAX后机壳后反弹回来落到鼓轮上。理想状态下烟末清洁轨迹如图2、图3所示。1.气流方向；2.气流；3.允许烟末飞行最小轨迹； 4.允许烟末飞行最大反弹轨迹；5.MAX后机壳；6.靠拢鼓轮。1.气流方向；2.最外侧烟末；3.最内侧烟末；4.允许烟末飞行最大反弹轨迹；5.允许烟末飞行最小轨迹； 6.MAX后机壳；7.靠拢鼓轮。如图2所示，压缩空气使得最外侧的烟末飞出鼓轮运行范围，但不会使烟末碰撞MAX后机壳后反弹回鼓轮运行范围。如图3所示，
9、经过衰减变化的气流应当满足将处于最内侧的烟末吹出鼓轮运行范围，但不会使烟末碰撞MAX后机壳反弹回鼓轮运行范围。因此，经过节流阀调整后的用来清洁烟末的气压应满足图2、图3这2种情况。由于烟丝、烟末形成的实际规则不等，测量无法实现。故对烟丝、烟末做受力分析时将它们统一设定为单颗粒状6。在实际生产中，鼓轮三角区域中堆积的烟丝、烟末等颗粒在气流流场中受到许多力的作用7-8。比如气体对固体颗粒的耦合作用、固体颗粒之间相互碰撞的作用以及固体颗粒之间相互的作用力9-10。在设备本身自带的清洁装置作用下。烟丝、烟末等颗粒的浓度较低，固体颗粒之间相互碰撞的概率非常小，可以忽略不计11。因此烟丝、烟末等颗粒的受力
10、主要为颗粒本身的重力、浮力，气流对颗粒的作用力以及颗粒之间的相互作用力。在烟丝、烟末等颗粒和气体组成的气固两相流中，忽略影响较小的力，只有横向力对颗粒横向运动产生影响。因此，只考虑气流对颗粒的横向曳引阻力、浮力和重力，其中浮力的作用较小，起主要作用只有颗粒本身的重力和气流对颗粒的曳引阻力。颗粒本身的重力为，方向向下；气流对烟丝、烟末等颗粒的曳引阻力为，方向与气流方向相同。烟丝、烟末等颗粒本身的重力、浮力，以及气流对烟丝、烟末等颗粒的曳引阻力这3种力之间的关系对应烟丝、烟末等颗粒在鼓轮三角区域内的3种不同运动状态。当颗粒本身的重力大于空气的浮力时，烟末颗粒堆积在鼓轮上，此时烟末颗粒受横向气流曳引
11、阻力作用，颗粒受到的合力沿鼓轮轴向向里，因此烟末颗粒向里运动；当颗粒本身的重力与空气浮力相等时，烟丝、烟末等颗粒悬浮在介质空气中，在气流对颗粒的横向曳引阻力的作用下，颗粒受到的合力沿鼓轮轴向向里，因此烟丝、烟末等颗粒向里运动；当颗粒本身的重力小于空气的浮力时，烟丝、烟末等颗粒受到的合力向上，要保证烟丝、烟末等颗粒在气流曳引阻力作用下向内运动，就要使得大于向上方向的合力。上述3种情况，要使得鼓轮上烟末堆积区域的烟丝、烟末在气流拽引力作用下发生位置转移，只要鼓轮最里侧烟末的最终速度等于悬浮速度，就能保证鼓轮烟末清洁。一般烟丝密度约为152.7 kg/m3，烟末密度取烟丝密度计算。由于烟末的状态不规
12、则，故利用单颗粒的球体进行计算分析12。烟末尺寸（厚度宽度）为(1.01.5) mm 0.80 mm，当量直径013的计算见式（1）。由此求得烟末（按1.0 mm0.80 mm烟末计算）的当量直径为烟末=0.505103m。对于形状规则的单颗粒球体，颗粒在介质中的悬浮速度14为：式中：为介质的悬浮系数，与雷诺系数相关；0为烟末颗粒的密度，kg/m3；为气流的密度，kg/m3。因为烟末形状的不规则，所以需要修正15，修正公式为：式中：s为修正系数。式中：为摩擦因数；为喷嘴轴向鼓轮的距离，m；为喷嘴孔的直径，m；为空气的密度，kg/m3；为气流在喷嘴出口的速度，m/s。式（4）中，取值为0.5；测
13、量为0.235 m；测量为0.05 m；取1.24 kg/m3；为喷嘴出口气流速度，范围为0.353.65 m/s，取其均值2 m/s；值查表取0.17105。经计算，可得出喷嘴出口处气压约为26.70 Pa。由于气体经喷嘴吹出，气管内（喷嘴入口处）与喷嘴出口处的气体满足伯努利方程16：(5)根据喷嘴出口气流速度、气管内的气体流速计算出气管内的气压。在本项目中，把空气作为理想气体计算，其密度一定，故气管内压强为：(6)式中：1为清洁气管内气压，Pa；2为喷嘴出口气压，Pa；1为气管内气体密度，kg/m3；2为喷嘴出口气体密度，kg/m3；2为喷嘴出口气流速度，m/s；1为气管内气流速度，m/s
14、。理想气体下，1和2都按空气密度计算，空气密度取值为1.24 kg/m3；2取其均值2 m/s；调压阀与清洁气管间存在高度差为（经测量为0.15 m），则根据调压阀与喷嘴入口间的能量守恒，计算得出清洁气管内流速约为4.697 m/s。经计算可得清洁气管内的压强为：2.3 机械零部件设计所设计的清洁隔离装置包括第一道气帘吹气嘴、第二道气帘吹气嘴、第二道气帘吹气嘴安装支架，如图46所示。图4 第一道气帘吹气嘴图5 第二道气帘吹气嘴图6 第二道气帘吹气嘴安装支架在图4中，第一道气帘吹气嘴安装在原机靠拢鼓轮浮圈调节装置支架上，呈水平状态放置，形状设计成三棱柱形，可刚好置于靠拢鼓轮与汇合鼓轮交会处；出风
15、口设计为多个蜂窝状小孔，上下5排均匀分布，形成第一道气帘屏障装置。在图56中，第二道气帘吹气嘴安装支架1安装在原机靠拢鼓轮浮圈调节装置支架上；第二道气帘吹气嘴安装支架2通过螺钉固定在第一道气帘吹气嘴安装支架1腰圆孔上，可以根据需要左右移动一定距离，形状设计成“J”字形，可以调整一定角度，以适应第二道气帘吹气嘴安装在接装纸切刀防护罩下方的位置需求；第二道吹气嘴焊接在第二道吹气嘴安装支架3上，形状设计成长方体，出风口设计为多个圆形小孔，上下2排均匀分布。以上部分组成第二道气帘屏障。烟末清洁隔离装置两道气帘吹气嘴与安装支架的整体结构见图7。图7 两道气帘吹气嘴与安装支架整体装置2.4 控制电路设计本
16、装置由PLC和电磁阀控制电气，该装置的PLC电气控制线路见图8。图8 清洁装置PLC电气控制线路在图8中，清洁装置电气控制系统采用S7-200PLC为主控制器，其输入端采集原机机器运行信号-A50-A4Q2.1(MAX)和MAX接收轮上烟条存在检测B77信号-A50-A8I9(SE)作为控制系统输入信号，S7-200PLC输出控制清洁装置的二位三通电磁阀，从而控制清洁装置工作与否。当卷烟机启动时，PLC接收到-A50-A4Q2.1(MAX)送入的机器运行信号；同时，当打条器动作，刀盘定切的等长双倍烟条通过蜘蛛手传送到MAX接收轮，安装在MAX接收轮上方的烟条存在，检测探头B77探测到双倍烟条时，会产生烟条存在信号送入PLC输入端。当以上2个信
