復(fù)合濾棒雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅晟堯，沙利波，包永源，陳方松，李佳燕，高河山，周 正

（1.紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠，昆明 650000；2.云南省科學(xué)技術(shù)院，昆明 650000）

為滿(mǎn)足不同消費(fèi)群體對(duì)卷煙降焦減害、增香補(bǔ)香、新穎獨(dú)特等功能性和外觀差異化產(chǎn)品的需求，近年來(lái)開(kāi)發(fā)不同規(guī)格的復(fù)合濾棒產(chǎn)品已成為國(guó)內(nèi)外卷煙企業(yè)的研究重點(diǎn)。多元復(fù)合濾棒通常含有2～5 種材質(zhì)基棒，經(jīng)復(fù)合濾棒成型機(jī)組卷接成型后用于卷煙生產(chǎn)[1]。目前煙草行業(yè)應(yīng)用較多的是二元、三元復(fù)合濾棒，例如活性炭復(fù)合濾棒[2]、異形空芯復(fù)合濾棒[3]、增香保潤(rùn)復(fù)合濾棒[4]和空腔填料復(fù)合濾棒[5]等。在生產(chǎn)實(shí)際中，復(fù)合濾棒發(fā)射時(shí)常發(fā)生端頭基棒脫出現(xiàn)象，嚴(yán)重影響卷煙質(zhì)量。其原因主要為中線膠粘接質(zhì)量不良。針對(duì)復(fù)合濾棒成型機(jī)組中線膠施加工藝的研究報(bào)道較少。其中，黃秋婷等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立復(fù)合濾棒搭口膠噴膠嘴口徑與上膠寬度的回歸模型，確定最佳搭口膠的噴膠嘴口徑值，提高設(shè)備效率，降低廢品率。倪敏[7]利用FRA3 成型機(jī)采用冷、熱2 條搭口膠線并施的方法，改善了普通濾棒搭口膠的粘接效果。徐嵐等[8]設(shè)計(jì)并應(yīng)用間斷式上膠系統(tǒng)，解決含空腔結(jié)構(gòu)濾棒上膠問(wèn)題。目前濾棒成型機(jī)組的中心線膠施加方式主要有2 種，一種是自流式施加[9]，另一種是齒輪泵式施加[10]，這些施膠工藝均會(huì)在復(fù)合濾棒成型紙上形成一條連續(xù)的膠水線，用于粘接成型紙和復(fù)合濾棒基棒，防止基棒偏移和脫落[11]，但這些方法無(wú)法有效解決復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)一種雙中線膠上膠系統(tǒng)增大噴涂面積改善膠線噴涂質(zhì)量，以降低發(fā)射時(shí)復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題的產(chǎn)生。

1 問(wèn)題分析

1.1 復(fù)合濾棒中線膠上膠需求

云煙（大重九）二元復(fù)合濾棒單支長(zhǎng)度為120 mm，由料棒和白棒2 種基礎(chǔ)濾棒（簡(jiǎn)稱(chēng)為基棒）復(fù)合而成。在卷煙工序中，濾棒被切割后形成過(guò)濾嘴，過(guò)濾嘴與卷制好的煙絲對(duì)接后包裹水松紙形成煙支。因此，二元復(fù)合棒端頭基棒脫出可能導(dǎo)致煙支長(zhǎng)度異?；驘熤н^(guò)濾嘴空腔，嚴(yán)重影響煙支品質(zhì)。

在生產(chǎn)實(shí)際中，復(fù)合濾棒發(fā)射時(shí)常發(fā)生端頭基棒脫出現(xiàn)象。端頭基棒脫出是指端頭料棒向外脫出，與相鄰白棒形成較大間隙（圖1（a））或掉出（圖1（b））的現(xiàn)象，是二元復(fù)合濾棒生產(chǎn)中常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷。該缺陷會(huì)導(dǎo)致濾棒卷接煙支后形成空腔，影響消費(fèi)者抽吸體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)原因分析，造成此種缺陷的原因?yàn)橹芯€膠粘接質(zhì)量不佳。

圖1 端頭基棒脫出實(shí)物圖

濾棒復(fù)合機(jī)上使用的中線膠上膠方法為單螺旋式（圖2）。為解決復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題，需要改善中線膠噴涂質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)粘接質(zhì)量影響最大的原因?yàn)槟z線斷續(xù)和膠線偏細(xì)。MERLIN 濾棒成型機(jī)配置的中線膠檢測(cè)方法為水分檢測(cè)法，該方法通過(guò)檢測(cè)成型紙水分確定膠線是否斷續(xù)，若不達(dá)標(biāo)則報(bào)警并及時(shí)剔除，因此膠線斷續(xù)對(duì)復(fù)合濾棒端頭基棒脫出影響不顯著。另一方面，膠線粗細(xì)由噴嘴直徑?jīng)Q定，目前所使用的噴嘴直徑為0.3 mm 與0.6 mm 2 種，將0.3 mm 直徑膠嘴更換為0.6 mm 直徑膠嘴后，膠線明顯增粗，但復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題仍無(wú)法改善，且會(huì)導(dǎo)致布帶敷膠嚴(yán)重、影響生產(chǎn)效率等問(wèn)題。因此通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整設(shè)備的方法無(wú)法解決該問(wèn)題。

圖2 單螺旋式噴膠

1.2 中線膠粘接質(zhì)量改善方向分析

為改善中線膠粘接質(zhì)量，應(yīng)考慮從以下幾個(gè)方面入手：粘接壓力、成型紙的乳膠滲透性、乳膠黏度及粘接面積。其中，通過(guò)檢驗(yàn)成型紙使用的是10000CU 高透氣度成型紙，乳膠為進(jìn)口德國(guó)漢高乳膠，原輔材料質(zhì)量合格。粘接壓力主要是靠蜘蛛手與成型紙間的間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)調(diào)整不同間隙寬度端頭基棒脫出數(shù)無(wú)明顯變化。因此，只能從增大粘接面積方向入手。增大粘接面積最直接有效的方法就是設(shè)計(jì)雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 螺旋搭配方式仿真模擬

常見(jiàn)的乳膠上膠的螺旋噴涂方式有正螺旋噴涂和反螺旋噴涂2 種。對(duì)于雙膠槍上膠系統(tǒng)的螺旋噴涂方式，即有“正正、正反、反正、反反”4 種螺旋搭配方式（圖3）。通過(guò)對(duì)雙膠線方程進(jìn)行擬合，計(jì)算后可得出乳膠噴涂面積，見(jiàn)表1。

表1 膠線擬合方程

圖3 膠線仿真模擬

根據(jù)仿真結(jié)果選用“正反”的噴膠方式。

2.2 乳膠分配器

為實(shí)現(xiàn)乳膠分流至2 個(gè)膠槍的功能，需要設(shè)計(jì)一套乳膠分配器。如圖4 所示，乳膠在膠缸內(nèi)儲(chǔ)存，經(jīng)過(guò)乳膠入口1 流入分配器，電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸2 帶動(dòng)皮帶3 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使分配器軸4 轉(zhuǎn)動(dòng)，乳膠經(jīng)過(guò)分配器后由出口A5 和出口B6 分流至乳膠管。

圖4 乳膠分配器裝置結(jié)構(gòu)

2.3 程序設(shè)計(jì)

原單膠槍系統(tǒng)只需通過(guò)PLC 控制一個(gè)膠槍的噴膠量、輸送氣壓，在更換為雙膠槍噴涂系統(tǒng)后，需要實(shí)現(xiàn)2 個(gè)膠槍同步精準(zhǔn)控制，因此需要重新編寫(xiě)程序段。如圖5 所示，程序段5 為雙乳膠槍同步噴膠程序段，程序段7、8 為雙乳膠槍氣壓、乳膠供給控制程序段。

圖5 程序段

2.4 參數(shù)優(yōu)化

為尋找最佳乳膠施加量、雙膠槍最佳噴涂氣壓，設(shè)計(jì)應(yīng)用中心復(fù)合設(shè)計(jì)（central composite design,CCD）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因子為1 號(hào)膠槍氣壓、2 號(hào)膠槍氣壓、乳膠施加量。依據(jù)《濾棒成型機(jī)維修手冊(cè)》，噴涂氣壓應(yīng)設(shè)置在2～4 bar 范圍內(nèi)；依據(jù)《成型車(chē)間工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，乳膠施加量在28～32 g/600 m 范圍內(nèi)。從殘差圖（圖6）看出：數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布（圖6（a））；殘差對(duì)響應(yīng)變量擬合值的散點(diǎn)圖（圖6（b））無(wú)規(guī)律分布，無(wú)明顯的漏斗型和喇叭型；殘差對(duì)觀測(cè)值順序?yàn)闄M軸的散點(diǎn)圖（圖6（d））表現(xiàn)出隨機(jī)在水平軸上下波動(dòng)，無(wú)明顯規(guī)律的特性，且沒(méi)有表現(xiàn)出異常的升降趨勢(shì)，故模型沒(méi)有彎曲的趨勢(shì)。從等值線圖（圖7）中可以看到，1 號(hào)膠槍氣壓、2 號(hào)膠槍氣壓越大，乳膠噴涂面積越大。應(yīng)用響應(yīng)優(yōu)化器（圖8）可得出：當(dāng)1 號(hào)膠槍氣壓取4 bar，2 號(hào)膠槍氣壓取4 bar，乳膠施加量取30.8 g/600 m 時(shí)，噴涂面積最大為168 mm2。

圖6 噴涂面積殘差圖

圖7 噴涂面積與2 號(hào)膠槍、1 號(hào)膠槍氣壓的等值線圖

圖8 響應(yīng)優(yōu)化器圖

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“云煙（軟大重九）”濾棒（紅云紅河煙草（集團(tuán)）昆明卷煙廠）。

設(shè)備：MERLIN 濾棒復(fù)合機(jī)組（德國(guó)HAUNI 公司）。

方法：MERLIN 濾棒成型機(jī)生產(chǎn)速度為500 m/min，三班制6 h 運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)端頭基棒脫出缺陷濾棒數(shù)量及生產(chǎn)總量。統(tǒng)計(jì)時(shí)間為5 個(gè)工作日。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見(jiàn)，應(yīng)用雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)使得粘接面積增大，提高了濾棒中線膠粘接質(zhì)量，復(fù)合濾棒端頭基棒脫出率由1.63‰降低至0.25‰。復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題得到了有效解決。

表2 雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)應(yīng)用前后端頭基棒脫出率對(duì)比

4 結(jié)論

在MERLIN 濾棒成型機(jī)設(shè)計(jì)并安裝一套雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)，通過(guò)膠線仿真、設(shè)計(jì)乳膠分配器、CCD試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)、編寫(xiě)雙膠槍控制程序的方法，利用增大乳膠噴涂面積以提高其粘接質(zhì)量，解決了復(fù)合濾棒端頭基棒脫出率高的問(wèn)題。以昆明卷煙廠使用的MERLIN 機(jī)組測(cè)試，結(jié)果表明：應(yīng)用雙螺旋中線膠上膠系統(tǒng)后，復(fù)合濾棒端頭基棒脫出率由1.63‰降低至0.25‰，復(fù)合濾棒端頭基棒脫出問(wèn)題得到了有效解決。