盧曉波，徐 海，朱俊召，楊再勤，萬(wàn)鑫強(qiáng)，張 群，張 宇，李 盼

湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖金山大道1335 號(hào) 430040

加熱卷煙由煙具和煙彈（成品煙支）組成，使用時(shí)將煙彈插入煙具中，通過(guò)煙具加熱煙彈，使煙彈中的煙堿及香氣物質(zhì)穩(wěn)定揮發(fā)釋放，以滿足吸煙者需求。煙彈由發(fā)煙段、降溫段、空管段、濾嘴段組成［1-4］。其中，發(fā)煙段的主要原料為再造煙葉，含有大量丙三醇和丙二醇作為保潤(rùn)劑和煙霧生成劑，但生產(chǎn)中存在添加劑易揮發(fā)、再造煙葉易回潮等問(wèn)題。為保證加熱卷煙質(zhì)量穩(wěn)定性和均勻性，生產(chǎn)中通常采用柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置（以下簡(jiǎn)稱輸送裝置）［5-8］，布局于卷煙機(jī)與包裝機(jī)之間，起到緩存和輸送煙支的作用［9］。但在小批量（產(chǎn)量≤2箱）生產(chǎn)及試驗(yàn)過(guò)程中，物料在輸送裝置的儲(chǔ)柜內(nèi)進(jìn)出路徑長(zhǎng)且需要人工引導(dǎo)和排空，同時(shí)其大容量存儲(chǔ)空間降低了生產(chǎn)節(jié)拍，導(dǎo)致耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。由于該輸送裝置是針對(duì)加熱卷煙生產(chǎn)研制的一種新型設(shè)備，尚未在卷煙生產(chǎn)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。因此，如何解決加熱卷煙生產(chǎn)中物料輸送路徑長(zhǎng)等問(wèn)題的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，以湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠加熱卷煙生產(chǎn)線為研究對(duì)象，對(duì)輸送裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增加煙支自動(dòng)輸送接料旁路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料快進(jìn)快出和自動(dòng)接料功能，以期提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

1 問(wèn)題分析

湖北中煙加熱卷煙生產(chǎn)過(guò)程采用卷制-復(fù)合-接裝工藝流程［10］，見(jiàn)圖1。其中，卷制過(guò)程是將再造煙葉卷制成發(fā)煙段，復(fù)合過(guò)程是將發(fā)煙段和降溫段組合成復(fù)合段，接裝過(guò)程是將復(fù)合段與復(fù)合濾棒（由空管段和濾嘴段組成）接裝成成品煙支。改進(jìn)前柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置由提升機(jī)1、輸送通道2、進(jìn)料腔3、輸送主體4 和出料管5 等部分組成，見(jiàn)圖2。該裝置采用先進(jìn)先出存儲(chǔ)方式，在實(shí)現(xiàn)物料緩存的同時(shí)，因儲(chǔ)柜柜體密封，可確保大批量生產(chǎn)時(shí)煙支含水率不受外界環(huán)境干擾。煙支輸送存儲(chǔ)過(guò)程為：上游設(shè)備→提升機(jī)→輸送通道→進(jìn)料腔→輸送主體→出料管→供料裝置→下游設(shè)備。

圖1 卷制-復(fù)合-接裝工藝流程圖Fig.1 Flowchart of making-combining-assembling process

圖2 改進(jìn)前柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of silo type FIFO cigarette reservoir system before modification

生產(chǎn)過(guò)程中，半成品（發(fā)煙段、復(fù)合段）物料通過(guò)輸送裝置進(jìn)料腔進(jìn)入輸送主體，再采用人工接料方式進(jìn)入輸送主體底部，然后由出料管進(jìn)入下游設(shè)備。其中，半成品物料從輸送主體的進(jìn)出需要人工引導(dǎo)和排空，見(jiàn)圖3。因輸送裝置只有一個(gè)內(nèi)部通道且物料輸送路徑長(zhǎng)，上游設(shè)備生產(chǎn)的半成品進(jìn)入下游設(shè)備，由人工引導(dǎo)輸出耗時(shí)約10 min。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，物料經(jīng)卷制-復(fù)合-接裝工藝設(shè)備生產(chǎn)出成品煙支需要經(jīng)過(guò)輸送裝置兩次，全程耗時(shí)至少30 min，其中在輸送裝置上兩進(jìn)兩出耗時(shí)約20 min。當(dāng)小批量生產(chǎn)或試驗(yàn)時(shí)，為解決物料輸送耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，通常采用人工轉(zhuǎn)運(yùn)替代輸送裝置輸送物料。從發(fā)煙段人工轉(zhuǎn)運(yùn)至YL43復(fù)合機(jī)料倉(cāng)，再?gòu)膹?fù)合段人工轉(zhuǎn)運(yùn)至YJ218 接裝機(jī)料倉(cāng)，整個(gè)卷制-復(fù)合-接裝工藝設(shè)備運(yùn)行需要6 人/班次（含人工轉(zhuǎn)運(yùn)3 人/班次），增加用工成本且人工轉(zhuǎn)運(yùn)存在煙支損傷和質(zhì)量波動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 輸送裝置半成品人工引導(dǎo)示意圖Fig.3 Schematic diagram of manual guidance for semi-finished products of conveyor

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后在輸送裝置外部增加了一套煙支自動(dòng)輸送接料旁路系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)原裝置的進(jìn)料腔進(jìn)行改進(jìn)，增加了物料第二出口和分流擋板。煙支自動(dòng)輸送接料旁路系統(tǒng)包括進(jìn)料腔1、旁路輸送通道5、自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)6及人機(jī)交互系統(tǒng)，其中自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)包含落料倉(cāng)7、導(dǎo)向條8、直通道9和落料擋板10，見(jiàn)圖4。當(dāng)半成品物料經(jīng)過(guò)進(jìn)料腔時(shí)，通過(guò)分流擋板4可使物料從第一出口2或第二出口3進(jìn)入下游設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大批量和小批量生產(chǎn)兩種輸送方式。大批量生產(chǎn)輸送方式與改進(jìn)前保持一致，物料由第一出口進(jìn)入下游設(shè)備。小批量生產(chǎn)輸送方式為：半成品物料經(jīng)過(guò)第二出口進(jìn)入旁路輸送通道，再通過(guò)自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)進(jìn)入下游設(shè)備。

圖4 改進(jìn)后柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of silo type FIFO cigarette reservoir system after modification

2.2 進(jìn)料腔

改進(jìn)后進(jìn)料腔內(nèi)設(shè)置有感應(yīng)物料量的第一感應(yīng)器，分流擋板連接第一驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)，電機(jī)軸通過(guò)星型減速器帶動(dòng)分流擋板轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)料腔內(nèi)的物料量高于第一預(yù)定閾值時(shí)，分流擋板轉(zhuǎn)動(dòng)遮擋第二出口，物料經(jīng)第一出口進(jìn)入輸送主體中進(jìn)行輸送；當(dāng)進(jìn)料腔內(nèi)的物料量低于第一預(yù)定閾值時(shí)，分流擋板轉(zhuǎn)動(dòng)遮擋第一出口，物料經(jīng)第二出口進(jìn)入旁路輸送通道中進(jìn)行輸送。

2.3 旁路輸送通道

改進(jìn)后增加的旁路輸送通道安裝于輸送裝置上方，可根據(jù)生產(chǎn)模式對(duì)物料輸送路徑進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)分流擋板的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能切換。旁路輸送通道中設(shè)置有感應(yīng)物料量的第二感應(yīng)器，第一和第二感應(yīng)器均可與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。旁路輸送通道的高度低于第二出口，以保證通道流量滿足生產(chǎn)需求。為保證煙支順利下落進(jìn)入下游設(shè)備，建立了旁路輸送通道內(nèi)物料輸送速度v與煙支流量模型。假設(shè)T時(shí)間內(nèi)煙支流最大體積為：

式中：Vmax為煙支流最大體積，mm3；M為煙支流量，支/min；T為時(shí)間，s；D為煙支直徑，mm；L為煙支長(zhǎng)度，mm。

由于煙支與煙支之間存在間隙，故單支煙體積按長(zhǎng)方體計(jì)算。在T時(shí)間內(nèi)通過(guò)旁路輸送通道的煙支流體積為：

式中：V為煙支流體積，mm3；W為旁路輸送通道最窄處寬度，mm；v為旁路輸送通道內(nèi)物料輸送速度，mm/s；T為時(shí)間，s；L為煙支長(zhǎng)度，mm。

為滿足最大煙支流量傳輸要求，通過(guò)旁路輸送通道的煙支流體積V應(yīng)大于T時(shí)間內(nèi)煙支流最大體積Vmax，即V≥Vmax，進(jìn)而得到物料輸送速度v≥MD2/（60W）。此外，改進(jìn)后在進(jìn)料腔和自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)中增加了光電開關(guān)，以保證上下游設(shè)備運(yùn)行速度與旁路輸送通道內(nèi)物料輸送速度相匹配。

2.4 自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)

由圖5可見(jiàn)，自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)中的落料倉(cāng)內(nèi)設(shè)置有落料擋板1，當(dāng)下煙通道寬度增加時(shí)防止煙支下落；落料擋板設(shè)置在落料倉(cāng)5與直通道3之間，由第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)落料擋板轉(zhuǎn)動(dòng)并與人機(jī)系統(tǒng)交互［11-14］；直通道內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向條4，用于引導(dǎo)落料擋板上升或下降。第二驅(qū)動(dòng)裝置包括落料擋板1、伸縮氣缸2、滑塊3、鉸接桿4和限位塊5，見(jiàn)圖6。其中，滑塊的一端與伸縮氣缸連接，另一端通過(guò)鉸接桿與落料擋板連接，滑塊的兩側(cè)設(shè)置有限制其滑動(dòng)的限位塊。

圖5 自動(dòng)接料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of automatic receiving mechanism

圖6 第二驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the second drive device

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：加熱卷煙（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠提供）。

設(shè)備：柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

方法：對(duì)改進(jìn)前后輸送裝置進(jìn)行測(cè)試。小批量生產(chǎn)模式下按照卷制-復(fù)合-接裝的工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，統(tǒng)計(jì)成品煙支生產(chǎn)時(shí)間以及物料轉(zhuǎn)運(yùn)人工投入，測(cè)試時(shí)間均為7 d。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，改進(jìn)后小批量生產(chǎn)時(shí)，物料經(jīng)卷制-復(fù)合-接裝工藝設(shè)備生產(chǎn)出成品煙支所需時(shí)間由31.71 min/班次降低至10.71 min/班次，生產(chǎn)耗時(shí)降低66%；轉(zhuǎn)運(yùn)人工投入由6人/班次降低至3人/班次，人工投入降低50%。改進(jìn)后無(wú)需人工轉(zhuǎn)運(yùn)半成品，提高了卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

表1 改進(jìn)前后成品煙支生產(chǎn)時(shí)間及轉(zhuǎn)運(yùn)人工投入①Tab.1 Production time and labor input for transportation of finished HTPs before and after modification

4 結(jié)論

對(duì)柜式先進(jìn)先出卷煙儲(chǔ)存輸送裝置輸送結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)增加煙支自動(dòng)輸送接料旁路系統(tǒng)，解決了小批量生產(chǎn)時(shí)因物料輸送路徑長(zhǎng)導(dǎo)致的生產(chǎn)耗時(shí)長(zhǎng)、人工投入成本高等問(wèn)題。以湖北中煙武漢卷煙廠生產(chǎn)的加熱卷煙為對(duì)象對(duì)輸送裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：在小批量生產(chǎn)模式下，輸送裝置改進(jìn)后生產(chǎn)耗時(shí)降低66%，人工投入降低3人/班次，有效提高了生產(chǎn)效率。