基于爆珠植入裝置加裝循環(huán)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張凌，金彩洪，潘永華，趙建勇，周文建，李泰

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100）

爆珠卷煙是卷煙品類構(gòu)建的一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展代表，由于爆珠卷煙可以滿足消費(fèi)者不斷變化的口味和喜好，具有靈活性、多樣性和個(gè)性化特征，消費(fèi)者可以選擇不同的口味，從而使其體驗(yàn)更具個(gè)性化。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)爆珠卷煙的需求量在逐年增加，爆珠卷煙已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各大煙廠逐漸推廣開(kāi)來(lái)。2015 年我國(guó)爆珠煙銷量5.25 萬(wàn)箱，2017 年全年銷量規(guī)模接近34.9 萬(wàn)箱，2018 年70 萬(wàn)箱，每年平均增幅高達(dá)47%，爆珠煙已經(jīng)表現(xiàn)出了比較強(qiáng)大的生命力，發(fā)展空間巨大。而爆珠濾棒是生產(chǎn)爆珠卷煙不可或缺的原料之一。爆珠濾棒成型設(shè)備在國(guó)內(nèi)由于起步晚，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)爆珠濾棒成型設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)工作相對(duì)滯后，2010 年開(kāi)始行業(yè)內(nèi)外一直都有專家團(tuán)隊(duì)潛心篤志、努力探索著，但成效并不顯著。主要問(wèn)題表現(xiàn)在生產(chǎn)能力相對(duì)低、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、原輔材料浪費(fèi)大等方面。在行業(yè)、中煙倡導(dǎo)的高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展、智能制造的大背景下，對(duì)爆珠濾棒成型設(shè)備各功能機(jī)構(gòu)，存在的問(wèn)題逐一進(jìn)行不斷的完善、升級(jí)和改進(jìn)，對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)，將有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要針對(duì)核心關(guān)鍵功能部件爆珠植入裝置存在的問(wèn)題或設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

1 存在的問(wèn)題

現(xiàn)有的爆珠濾棒成型設(shè)備，是在KDF2 濾棒成型設(shè)備基礎(chǔ)上改造開(kāi)發(fā)的，生產(chǎn)能力為180m/min，在生產(chǎn)過(guò)程中，爆珠植入裝置會(huì)隨著設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間溫度逐漸上升，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行1 小時(shí)以后，料倉(cāng)中的爆珠受溫度的影響，爆珠的物理特性將發(fā)生變化，其硬度明顯降低，一部分爆珠出現(xiàn)破損，一部分爆珠出現(xiàn)黏連情況，從而增加了爆珠濾棒出現(xiàn)缺珠、多珠、相位偏移、破損、液體滲漏的質(zhì)量缺陷和設(shè)備故障停機(jī)率。為尋找質(zhì)量缺陷和造成設(shè)備故障的根因，項(xiàng)目組通過(guò)使用便攜式紅外線測(cè)溫儀測(cè)量，爆珠植入裝置表面溫度已高達(dá)52℃，此時(shí)，已嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 原因分析

爆珠濾棒成型設(shè)備工作時(shí)，爆珠被輸送到背板與玻璃門組合而成的料倉(cāng)中，然后，被取珠盤隨機(jī)取走，傳遞給植株盤，最后，種植到濾棒中。由于設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生熱量，設(shè)備溫度將逐漸升高直至達(dá)到熱平衡狀態(tài)，尤其是兩個(gè)取珠盤部件的交叉滾子軸承發(fā)熱量最大，其附近背板溫度最高，當(dāng)爆珠長(zhǎng)時(shí)間接觸高溫背板，其物理特性將發(fā)生變化，硬度降低，很容易被破損，大大增加了爆珠在濾棒中

破珠、液體滲漏的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。由于交叉滾子軸承的轉(zhuǎn)速受限，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后溫度急劇上升，因此，在之前就選擇了小一號(hào)交叉滾子軸承進(jìn)行改進(jìn)，其額定轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于工作轉(zhuǎn)速，解決了背板局部溫度過(guò)高的一小部分問(wèn)題，但在根源上沒(méi)有徹底解決爆珠植入裝置的散熱問(wèn)題，爆珠植入裝置的溫度還是居高不下，爆珠破損問(wèn)題依然存在，成為制約爆珠濾棒成型設(shè)備繼續(xù)向高速化、智能化、模塊化、小型化、全盤化發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

2.1 爆珠受溫度影響發(fā)生破損仿真模擬實(shí)驗(yàn)分析

爆珠也稱脆性膠囊，是指以膠囊的形式嵌入卷煙濾嘴中的一種液體小膠珠。爆珠膠殼材料是由水、明膠、阿拉伯膠、變性淀粉、殼聚糖、和海藻酸鈉組成的混合物。為了從根本上減少缺珠、多珠、相位偏移、破損、液體滲漏等質(zhì)量缺陷問(wèn)題，就必須深入了解爆珠隨溫度變化的物理特性以及爆珠開(kāi)始發(fā)生破損時(shí)的臨界溫度。因此，項(xiàng)目組通過(guò)自制仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，為最終確定切實(shí)可行的解決方案提供理論依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)步驟為（如圖1 所示）：

圖1 爆珠受溫度影響發(fā)生破損仿真模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

（1）采用與爆珠植入裝置主體材料相同的鋁質(zhì)材料,制作了一個(gè)直徑為300mm，高度為60mm 的圓柱形容器，圓柱形容器中心兩端連接有直徑為φ12mm 的支撐軸。

（2）將大約1000 粒的爆珠放置在容器中，蓋好頂蓋確保連接穩(wěn)固可靠。

（3）將裝有爆珠的容器兩端的支撐軸放置在V 型平衡支架上，其中，支撐軸的一端通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)相連。

（4）根據(jù)對(duì)運(yùn)行中的爆珠濾棒成型設(shè)備實(shí)測(cè)，設(shè)備運(yùn)行10 分鐘后爆珠植入裝置的表面溫度是26℃，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定在距離爆珠容器500mm 的正面固定加熱器（電吹風(fēng)）正對(duì)著爆珠容器，這個(gè)距離可以保證爆珠容器升溫速度與爆珠濾棒成型設(shè)備運(yùn)行時(shí)，植入裝置升溫速度同步。

（5）開(kāi)啟電吹風(fēng)，啟動(dòng)伺服電機(jī)以30r/min 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)爆珠容器（模擬爆珠在植入裝置料倉(cāng)中翻滾的狀態(tài)）。

（6）對(duì)爆珠容器加熱轉(zhuǎn)動(dòng)10 分鐘、20 分鐘、30 分鐘、40 分鐘、50 分鐘、60 分鐘、70 分鐘、80 分鐘、90 分鐘、100 分鐘，分別用便攜式紅外線測(cè)溫儀，測(cè)量這幾個(gè)時(shí)間段爆珠容器表面溫度，尋找爆珠容器隨加熱時(shí)間的變化規(guī)律，探索爆珠隨溫度變化的物理特性，確定爆珠發(fā)生破損時(shí)的臨界溫度。

通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)采集爆珠容器加熱時(shí)間，利用感官檢查爆珠物理特性發(fā)生變化情況記錄如表1。

表1 爆珠隨溫度升高發(fā)生變化呈現(xiàn)的物理特性

圖2

通過(guò)上述仿真模擬實(shí)驗(yàn)，從圖2 和表1 可知：爆珠的物理特性與溫度變化是正相關(guān)關(guān)系。在設(shè)備運(yùn)行10 分鐘內(nèi)，爆珠的物理特性無(wú)變化，在設(shè)備運(yùn)行20 分鐘內(nèi)，爆珠的物理特性即使有變化但感官很難準(zhǔn)確捕捉到；在設(shè)備運(yùn)行20～50 分鐘溫度急劇上升，爆珠已經(jīng)從有發(fā)軟 發(fā)軟 向發(fā)黏轉(zhuǎn)變，其物理特征變化相當(dāng)明顯，也就是說(shuō)，設(shè)備運(yùn)行30 分鐘的時(shí)候爆珠有發(fā)軟，已經(jīng)有爆珠破損、液體滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)爆珠濾棒質(zhì)量和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)開(kāi)始有影響并逐漸增大了；設(shè)備運(yùn)行60 分鐘后，爆珠容器溫度上升趨于平緩，設(shè)備運(yùn)行80 分鐘后，趨于穩(wěn)定，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明爆珠只要發(fā)軟，絲束包裹壓縮后就有可能在濾棒中破損，液體滲漏的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此，可得出結(jié)論：為確保爆珠植入裝置工作時(shí)爆珠不發(fā)生物理特性的變化，要穩(wěn)定、安全、可靠、正常、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，就要千方百計(jì)把爆珠植入裝置的工作溫度有效控制在30℃下。

3 解決辦法

通過(guò)上述的分析研究，決定對(duì)爆珠植入裝置加裝一套循環(huán)冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到降低爆珠植入裝置工作溫度的目的。本著有效利用現(xiàn)有空間對(duì)爆珠植入裝置在原有布局改動(dòng)不大，可靠性、實(shí)用性要好的原則下進(jìn)行改進(jìn)。

如圖3 所示，根據(jù)爆珠植入裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間位置加裝一冷卻板，冷卻板由前側(cè)板（6）和后側(cè)板（7）相互緊貼配合并通過(guò)螺釘固定而成。冷卻板外形輪廓尺寸與背板類似，冷卻板內(nèi)部有曲折環(huán)繞的冷媒通道，工作時(shí)冷卻范圍可覆蓋整個(gè)背板、取珠盤和植珠盤周邊相鄰的區(qū)域范圍。

圖3 冷卻板立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 冷卻板分解立體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4 所示，前側(cè)板（6）和后側(cè)板（7）彼此相對(duì)的配合面通過(guò)前側(cè)板（6）的凹槽道和后側(cè)板（7）的凸槽道扣合形成冷媒流動(dòng)通道（3），采用這樣的設(shè)計(jì)是前側(cè)板（6）和后側(cè)板（7）配合后，緊固螺釘使前側(cè)板（6）和后側(cè)板（7）壓緊，由于凹槽對(duì)凸槽外壁有一個(gè)擠壓收縮力的作用，工作時(shí)，冷媒從通道通過(guò)，冷媒對(duì)凸槽內(nèi)壁又有一個(gè)擠壓擴(kuò)張力的作用，從而可確保冷媒通道的密封性，工作時(shí)不發(fā)生冷媒滲漏，避免污染設(shè)備，確保冷卻效果。

（如圖5 所示）冷卻板通過(guò)螺釘固定在爆珠植入裝置的背板上，冷媒流動(dòng)通道兩端的進(jìn)口和出口分別通過(guò)冷媒循環(huán)管道與冷媒循環(huán)設(shè)備（可以是冷水機(jī)、冷風(fēng)機(jī)）的相應(yīng)接口連通，其特點(diǎn)是，通過(guò)加裝冷卻板，蜿蜒曲折的冷媒流動(dòng)通道，可以有效增大冷卻換熱面積，及時(shí)有效快速地帶走熱量?？捎行Ы档捅嘲鍦囟?，在工作時(shí)支撐取株盤和植珠盤的交叉滾子軸承產(chǎn)生的熱量快速被冷媒帶走，從而到達(dá)降低整個(gè)爆珠植入裝置工作時(shí)溫度的目的。其冷卻效果可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整冷媒的溫度和流量來(lái)保證。

4 效果驗(yàn)證

車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)保持的環(huán)境溫度是25 ℃±2 ℃，濕度是60%±5%，在爆珠植入裝置加裝循環(huán)冷卻系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整、檢查確定：把冷媒溫度調(diào)至15℃，流量調(diào)整到0.3cm3/min，設(shè)備運(yùn)行2 小時(shí)后，用便攜式紅外線測(cè)溫儀檢測(cè)爆珠植入裝置表面溫度為26℃，再把料倉(cāng)中的爆珠全部取出，進(jìn)行感官檢驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)發(fā)軟、發(fā)黏、破損的爆珠，項(xiàng)目實(shí)施達(dá)到了預(yù)期的效果，設(shè)備通過(guò)連續(xù)運(yùn)行一周的時(shí)間統(tǒng)計(jì)剔除率，設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中爆珠濾棒不合格品的剔除率，在原來(lái)的基礎(chǔ)上平均降低了0.6%，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性明顯提升，降低了原輔材料的消耗，該項(xiàng)目的實(shí)施為爆珠濾棒成型設(shè)備進(jìn)一步向高速化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 為冷卻板循環(huán)管道與冷媒循環(huán)設(shè)備相連接立體結(jié)構(gòu)示意圖