爆珠濾棒成型設備無損上料技術的研究與應用

張凌， 邢堯， 潘永華， 金彩洪， 李泰， 周文建

（紅塔煙草（集團）有限責任公司，云南 玉溪653100）

0 引言

為積極響應國家煙草專賣局《中式卷煙發(fā)展綱要》和《關于中式卷煙品類構建與創(chuàng)新》工作會議精神的相關要求，爆珠香煙在創(chuàng)新力的推動下應運而生，爆珠卷煙的市場需求量逐年遞增。但對于卷煙企業(yè)提出新的要求和挑戰(zhàn)，爆珠香煙由于其結構的獨特性，在和以往的卷煙生產(chǎn)相比，在濾嘴棒中多了顆脆性膠囊，這就對加工制造設備提出了新的要求，而目前所采用的生產(chǎn)設備，由于技術的落后，不能實現(xiàn)自動化、智能化的高效率生產(chǎn)，這其中的瓶頸問題為爆珠的無損自動定量輸送到爆珠植入裝置進行爆珠快速有效的植入，本文主要針對核心關鍵功能：爆珠濾棒成型設備無損上料技術進行研究攻關。

1 存在的問題

在目前的流行爆珠濾棒成型設備KDF2/ZL23基礎上改進，其中所使用原料爆珠為脆性膠囊，直徑為2.6～4.6 mm，具有遇擠壓易破、遇高溫易發(fā)軟的特質(zhì)；在發(fā)生爆珠發(fā)軟、損傷、損壞時，內(nèi)部香料泄漏，會產(chǎn)生爆珠的粘接、黏連的問題。

現(xiàn)階段采用的爆珠上料主要集中為人工上料和高壓風送，由于爆珠物理特性的不穩(wěn)定和上料方式的設計缺陷，經(jīng)常產(chǎn)生斷料、堵料、爆珠損壞的問題，其中還涉及高處作業(yè)的安全隱患問題，增加了生產(chǎn)成本，也降低了生產(chǎn)效率。

2 原因分析

爆珠香煙主要利用濾嘴棒植入含香精香料的膠囊改善香煙的吸味，這就要求做到香煙不吸食前爆珠香料不泄漏、吸食時易流出的特性，因此決定了爆珠膠囊的物理特性是脆性、易破。

對于爆珠濾棒成型設備的現(xiàn)階段上料方式，其中人工上料方式為：爆珠料箱在高處布置，爆珠靠重力順管道自由下落到設備爆珠植入入口處。由于設備生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量熱量，而爆珠輸送過程中無降溫設計，所以造成爆珠的發(fā)軟，在下落輸送過程中產(chǎn)生堵料、斷料、爆珠擠壓損壞。而其中人工加料需使用梯子爬高，進而產(chǎn)生高處作業(yè)的安全隱患。

高壓風送上料方式為：料箱在低處布置，爆珠靠高壓氣體吹送爬升至設備爆珠植入入口處。由于爆珠輸送氣體為高壓氣體，當爆珠輸送到末端位置時，若不能得到及時快速的降壓，會造成爆珠的末端跳動，在爆珠進入數(shù)量多時會產(chǎn)生爆珠堵料，進而造成斷料和爆珠的擠壓損壞等問題。

由于爆珠本身物理特性和現(xiàn)階段上料方式設計存在的問題，造成設備生產(chǎn)的高頻率停機，制約著爆珠濾棒的高速化、高效率生產(chǎn)，進而影響爆珠香煙的生產(chǎn)效率。在不能解決爆珠原料本身問題的情況下，研究設計全新的上料方式，規(guī)避因爆珠原料本身和上料方式帶來的問題，是爆珠濾嘴棒成型設備持續(xù)發(fā)展必須解決的瓶頸。

3 解決辦法

3.1 爆珠無損上料技術設計分析

爆珠也稱脆性膠囊，是指以膠皮外殼包裹香精香料的膠囊。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。常規(guī)爆珠的直徑是（3.65±0.15）mm,折算成球體的體積就是（25.59±3.14）mm3，質(zhì)量為0.020 g左右。

為適應目前卷煙機和包裝機的生產(chǎn)需求，達到高速自動化、智能化生產(chǎn)，爆珠濾棒成型機在自動化和智能化方面也需做到同步發(fā)展進步，提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時提升生產(chǎn)效率。為避免爆珠在輸送過程中發(fā)軟、損傷、損壞，造成濾棒成型設備的斷料、堵料，需設計研究合理的輸送方式；為實現(xiàn)爆珠的定量、自動上料，則需合理地布置傳感器，并進行控制校準，達到其目的。這就要求爆珠的上料達到：1）能自動輸送；2）能定量輸送；3）能達到無損輸送。

3.1.1 輸送方式的設計

輸送方式對比現(xiàn)階段所采用的人工上料和高壓風送上料，經(jīng)研究分析，爆珠輸送選用氣流輸送最為合理，而需規(guī)避高壓風送上料的設計缺陷，對氣體輸送采用全新設計理念，達到高速低壓、柔性風送的設計要求。

結合生產(chǎn)車間情況，每臺設備都供有壓縮空氣，利用空氣放大器結合爆珠輸送組件，實現(xiàn)高速低壓的氣體生成和爆珠的柔性風送，在合理地利用了壓縮空氣的同時解決輸送氣流問題，也達到節(jié)能減排的作用。

1）空氣放大器原理分析與選型。

利用少量的壓縮空氣可輸出大量高速、低壓的氣流?？諝夥糯笃髟韴D如圖1所示，壓縮空氣由供氣孔進入環(huán)形腔內(nèi)，此壓縮氣源在環(huán)形縫隙處節(jié)流，由此產(chǎn)生的高速薄空氣層吸附到側(cè)壁，從而使空氣產(chǎn)生90°的轉(zhuǎn)向，并通過中心孔。高速氣流經(jīng)過側(cè)壁的過程導致中心低壓區(qū)域的產(chǎn)生，從而吸引大量的周圍空氣涌入。這些吸入的空氣膨脹，速度增加，與供給的壓縮空氣一起穿過中心孔。當空氣放大器出口沒有接導管時，從中心孔出來的氣流還會帶入更多周圍的空氣。與入口供氣量的比率可以超過100：1[1]。

最終出口氣量=吸入的空氣量+ 供給的壓縮空氣量+ 帶入的空氣量。

空氣放大器在通入壓縮空氣時，在中心孔處形成負壓，將爆珠輸送組件中的爆珠吸入，并在高速低壓氣流的作用下，將爆珠送出。結合爆珠的質(zhì)量和爆珠濾棒成型機爆珠流量，對照空氣放大器尺寸（如圖2）進行選型，選用空氣放大器為雙頭式，一端為3/4螺紋，一端為φ25 mm直管。

圖2 空氣放大器尺寸選型圖

2）爆珠輸送組件設計及原理分析。

爆珠輸送組件，配合爆珠料倉和空氣放大器，通入壓縮空氣，實現(xiàn)爆珠的吸入和輸送?？諝夥糯笃魍ㄈ雺嚎s空氣，在入口處形成負壓，使得爆珠輸送組件內(nèi)為負壓，吸取料倉的爆珠，從入口進入爆珠輸送組件，并順通道從出口進入空氣放大器，其中泄壓窗用于防止因爆珠堵塞造成氣壓的快速升高，影響爆珠的平穩(wěn)輸送，其三維模型如圖3所示[2]。

3）輸送裝置的組合設計。

利用選好的空氣放大器和爆珠輸送組件組合裝配，構成高速、低壓柔性風送輸送裝置，如圖4所示。

4）氣體流路設計（如圖5）。

圖3 爆珠輸送組件剖面圖

圖4 爆珠輸送裝置結構立體圖

圖5 氣體流路圖

3.1.2 定量自動上料的設計

為使爆珠濾棒成型機自動化、智能化的進一步提升，爆珠的無損上料需實現(xiàn)定量、自動化的上料，則需對選取的輸送方式進行合理控制，首先選取合適的傳感器進行合理化布置。

1）傳感器的原理分析與選型。

料箱和料盒傳感器主要用來檢測爆珠料位，并為控制系統(tǒng)提供信號，根據(jù)爆珠特點和傳感器安裝空間位置，采用電容式接近傳感器。

結合爆珠濾棒成型設備的控制系統(tǒng)，選取電容式接近傳感器型號為CRJ金屬電容型接近傳感器CRJ-A12M-3APA-G，如圖6所示。

圖6 傳感器實物圖

2）傳感器的布置設計。

無損自動定量上料，需實現(xiàn)濾棒成型設備在植入器無足夠爆珠時，能檢測到并給控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)在指揮柔性風送系統(tǒng)為植入器輸送爆珠，在達到足夠量時，需停止輸送，達到定量輸送的效果；在料箱中料位過低時，料箱傳感器檢測到信號后風送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出加料指示，提醒操作人員加料，實現(xiàn)爆珠的持續(xù)供給，其控制流程如圖7所示。

圖7 傳感器布置及控制流程圖

3.1.3 爆珠料箱設計

爆珠上料料箱，需兼容現(xiàn)階段流行的爆珠濾棒成型機KDF2，實現(xiàn)料箱的嵌入式設計，即將爆珠濾棒成型設備的料箱內(nèi)置。對爆珠濾棒成型設備閑置空間進行測量，考慮爆珠的上料效率，對料箱實行雙倉設計，并設計出料箱尺寸圖[3]。

3.2 技術實現(xiàn)

通過上述的分析設計研究，對爆珠濾棒成型設備無損上料技術進行具體的實施，制作無損上料裝置，本著充分利用現(xiàn)有材料和技術、制作成本低、安裝操作簡單的原則，首先利用三維建模軟件進行模型設計，再進行實體制作安裝。

3.2.1 三維模型設計

為保證爆珠的持續(xù)供應和考慮候補效應，進行雙道設計，利用兩套輸送系統(tǒng)結合料箱的雙倉設計，可同時供料，以減少濾棒成型機的因爆珠上料的斷料、堵料等引起的停機次數(shù)，提高生產(chǎn)效率；同時，采用雙道設計，使操作人員能在不停機的情況下對上料裝置故障通道進行排障，而另一通道還能持續(xù)供應爆珠，不影響生產(chǎn)。利用三維建模軟件進行三維模型設計，如圖8～圖13所示[4]。

圖8 上料裝置主視模型圖

圖9 上料裝置后視模型圖

圖10 上料裝置料箱部分模型圖

圖11 上料裝置料箱模型圖

圖12 上料裝置底板模型圖

爆珠上料料箱料由料箱、風送系統(tǒng)、料盒構成，其中料箱包括：料斗Ⅰ、拉手Ⅰ、料斗Ⅱ、拉手Ⅱ、大玻璃板、底板、料箱主體、傳感器Ⅰ、傳感器Ⅱ、底板滑軌Ⅱ、底板滑軌Ⅰ、料斗滑軌Ⅰ、料斗滑軌Ⅱ、料斗滑軌Ⅲ、料斗滑軌Ⅳ；風送系統(tǒng)包括：輸送管Ⅱ、輸送管Ⅰ、電磁閥Ⅱ、進氣管Ⅱ、中間管Ⅱ、氣體流量放大器Ⅱ、氣體流量放大器Ⅰ、中間管Ⅰ、進氣管Ⅰ、電磁閥Ⅰ；料盒有料盒Ⅱ和料盒Ⅰ，包括料盒主體和小玻璃板。

設計工作過程：首先將底板滑軌Ⅱ、底板滑軌Ⅰ固定在濾棒成型機后下部，然后將底板固定在滑軌的滑條上，再將含風送系統(tǒng)的料箱順底板定位錐放入底板上，把料盒Ⅱ和料盒Ⅰ出口對齊濾棒成型機爆珠進口安裝好，將輸送管Ⅱ、輸送管Ⅰ對應料盒Ⅱ和料盒Ⅰ連接好，并將進氣管Ⅱ、進氣管Ⅰ與爆珠濾棒成型機的空氣壓縮機相連和傳感器的連接，實現(xiàn)爆珠供給裝置的安裝。在爆珠濾棒成型機開機前，拉出料斗Ⅰ、料斗Ⅱ，順料口加入爆珠，開機后，在爆珠風送系統(tǒng)的作用下，爆珠由料箱穩(wěn)定進入到爆珠濾棒成型機。

3.2.2 設計制作安裝無損上料裝置

根據(jù)三維模型，結合車間現(xiàn)有技術和材料，在機械和電氣工程師的配合操作下，制作安裝爆珠濾棒成型設備無損上料裝置，如圖14所示[5]。

圖13 上料裝置末端模型圖

通過傳感器（傳感器Ⅰ、傳感器Ⅱ、料盒傳感器）配合控制系統(tǒng)和柔性風送系統(tǒng)，實現(xiàn)爆珠上料的自動、定量上料；在料箱加入爆珠、風送系統(tǒng)供應壓縮空氣后，控制系統(tǒng)發(fā)出開機指令，料盒傳感器檢測料盒內(nèi)爆珠數(shù)量，數(shù)量低于設定值時，電磁閥打開，為空氣放大器供應壓縮空氣，在柔性風送系統(tǒng)的作用下，把爆珠輸送到料盒，供應到爆珠濾棒成型機的爆珠植入裝置內(nèi)，當料盒爆珠達到設定值時，停止輸送，當再次低于設定值時，則再次開啟風送傳輸。

整個上料裝置巧妙地使用空氣放大器，實現(xiàn)爆珠的負壓吸入，并在高速、低壓的氣流下傳輸，且全部傳輸管道都進行光滑和柔性處理，保證了爆珠的平穩(wěn)輸送，使得爆珠在傳輸過程中無損壞。并且傳輸為風送傳輸，在一定程度上降低了傳輸系統(tǒng)的溫度，降低了因爆珠發(fā)軟導致的斷料、堵料引起的爆珠濾棒成型設備的停機率。

圖14 上料裝置安裝圖

4 效果驗證

在爆珠濾棒成型機KDF2安裝無損上料裝置調(diào)試后，爆珠在上料輸送過程中，不再出現(xiàn)爆珠損壞堵塞的故障；爆珠也無因發(fā)軟而堵塞濾棒成型機爆珠植入裝置的情況；實現(xiàn)了爆珠自動、定量上料，滿足濾棒成型機爆珠供給要求；上料裝置結構性的優(yōu)化提升，滿足了操作人員操作需求，安裝、操作、保養(yǎng)、上料簡單方便。

爆珠濾棒成型設備無損上料技術的研究與應用，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，大大提高了車間生產(chǎn)效率，為爆珠濾棒成型設備進一步向高速化發(fā)展奠定了基礎。