PROTOS MAX-M8 滤嘴接装机供胶装置的改进

余宇文，李德法，赵 龙

1. 广东中烟工业有限责任公司广州卷烟厂，广州市荔湾区东沙环翠南路88 号 510385 2. 许昌烟草机械有限责任公司，河南省许昌市永昌路6 号 461000 3. 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东省青岛市株洲路137 号 266000

PROTOS M8 卷接机组（简称M8 机组）和PROTOS M5 卷接机组（简称M5 机组）是德国HAUNI 公司生产的当前最先进的超高速卷接设备。M8 机组由VE-M8 供料成条机、SE-M8 卷烟机和MAX-M8 滤嘴接装机组成，生产能力为2 万支/min；M5 机组由VE-M5 供料成条机、SE-M5 卷烟机和MAX-M5 滤嘴接装机组成，生产能力为1.2万支/min。其中，MAX-M8 与MAX-M5 接装机均采用喷涂式供胶装置，将乳胶加压后在程序控制下打开或关闭喷嘴，实现接装纸上胶功能。在生产运行中，MAX-M5 供胶装置性能稳定，能够满足滤嘴接装要求；但MAX-M8 在生产速度提高后，供胶装置容易出现故障，导致接装后烟支产生泡皱、漏气、滤嘴脱落等质量问题，检查发现乳胶中有气泡现象，严重时会因为胶压不足而造成设备停机。为保证烟支滤嘴接装质量，陈瑜等［1］将PASSIM 卷接机组改进为胶池式上胶；王英等［2］改进了YJ24 接装机供胶系统；张卫宾等［3］、王永峰等［4］分别改进了YJ29 接装机和PROTOS 卷接机组的控胶辊；尹洪禹等［5］、梁志宏等［6］应用气动隔膜泵分别改进了ZJ17 和PROTOS70 卷接机组供胶装置。针对超高速卷接机组，周斌等［7］、盛浩然等［8］分别对M8 机组的烟支切割技术和切烟管轮技术进行了研究；李理等［9］对M5 机组的梗签输送装置进行了改进；蔡培良等［10］优化设计了M5 机组的残烟自动回收分类装置。上述改进设计有效提高了卷接机组的运行稳定性，但对于MAX-M8 供胶装置的研究及改进则鲜见报道。为此，通过对MAX-M8 供胶装置结构进行分析，应用流体力学原理对供胶装置进行改进，以期提高滤嘴卷烟的接装质量。

1 问题分析

1.1 存在问题

MAX-M5 与MAX-M8 滤嘴接装机均采用喷涂式供胶装置，该装置主要由供胶单元、喷嘴单元、喷嘴水清洗单元3 部分组成，见图1。其中，供胶单元包括阀岛（1）、冷却装置（2）、气动隔膜泵（3）、储胶桶（5）、电控装置（9）等；喷嘴单元包括喷胶控制阀（6）、喷嘴等；喷嘴水清洗单元包括排水泵（7）、水箱（4）、洒水装置（8）等。生产中乳胶存放于密闭的塑料桶内，当需要对接装纸喷涂上胶时，供胶装置通过阀岛（1）上的电磁阀控制气动隔膜泵（3）工作，将乳胶加压到0.41 MPa，再由喷胶控制阀（6）对气动隔膜泵（3）输出的乳胶压力进行调整，将乳胶压力调整至0.2 MPa 后，提供给接装机的喷嘴式上胶器，由喷嘴将乳胶均匀喷涂到接装纸上，完成接装纸上胶。当接装机停止工作，接装纸停止喷涂上胶时，喷嘴旋转到清洗位置，利用清水清洗喷嘴并保持湿润。

生产中发现MAX-M8 供胶装置经常因乳胶气泡或胶压不足产生漏气、泡皱、滤嘴脱落等质量缺陷烟支，甚至因胶压不足导致故障停机；而MAX-M5 供胶装置工作稳定，能够满足滤嘴接装要求。可见，卷接机组生产速度由1.2 万支/min 提高到2 万支/min 时，供胶装置无法满足MAX-M8的生产要求，需要对供胶装置进行优化和改进。

图1 改进前MAX-M8 接装机供胶装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler before modification

1.2 原因分析

分析发现，MAX-M8 生产运行时产生乳胶气泡或胶压不足的原因：一是乳胶黏度高、流动性差，中高速机组要求的乳胶黏度为1 400～3 000 mPa·s。二是乳胶输送管道过长，导致压力损失过大。由图1 可见，气动隔膜泵位于供胶装置上部，而储胶桶和喷胶控制阀位于供胶装置下部，气动隔膜泵需要通过较长管道抽吸乳胶，对乳胶加压后再通过较长管道压入喷胶控制阀，因此产生较大的压力损失。三是气动隔膜泵的流量、压力等参数无法满足正常生产需求。

2 改进方法

由图2 可见，改进后MAX-M8 供胶装置将气动隔膜泵（3）由上置式改为下置式，并将其布置于储胶桶（5）及喷胶控制阀（6）的一侧；缩短气动隔膜泵（3）的管道长度，同时将抽吸乳胶方式改为重力压入乳胶，经气动隔膜泵（3）加压输出的乳胶直接进入喷胶控制阀（6），减少管道压力损失，提高乳胶压力稳定性。

2.1 缩短管道长度

由于MAX-M8 供胶装置的管道长、转弯及接头数量多，根据流体力学原理［11］，直圆管层流运动时的沿程压力损失计算公式为：

图2 改进后MAX-M8 接装机供胶装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure of adhesive supply system in MAX-M8 filter assembler after modification

管道入口、出口、转弯、接头等局部的压力损失为：

式中：ΔPr─局部压力损失，Pa/m；ζ─局部阻力系数。

因此，在流体的黏度、密度、压力及流速相同时，管路总压力损失为：

由公式（2）可知，当输送管道直径和乳胶黏度不变时，在流速基本稳定的前提下，输送管道越长，其输送液体的压力损失越大，因此缩短管道长度可减少乳胶的压力损失。已知接装乳胶黏度μ=2 100 mPa·s，密度ρ=1 200 kg/m3，管道直径d=0.022 m，机组全速运行时乳胶需求量Q=0.125 L/min，则乳胶的流速V=0.055 m/s。分别取管道长度L=2.5 m 和1.3 m，根据公式（2）计算可得管道沿程压力损失ΔPf=19 090 Pa/m 和9 927 Pa/m。改进后取消了7 个扩口式接头、1 个变径接头和2 个管道转弯，查询资料得到ζ扩=2，ζ变=11，ζ弯=1.04［11］，根据公式（3）计算可得局部压力损失ΔP r≈500 Pa/m。分析可见，将管道长度缩短1.2 m，管道接头数量由原来的14 个减少到6 个后，乳胶输送管道的压力损失可降低50%。

2.2 增大气动隔膜泵流量

气动隔膜泵是一种新型流体输送装置，MAX-M8 供胶装置使用的是德国ALMATEC 公司的CX20EES 气控型气动隔膜泵。CX20EES 气动隔膜泵以水为介质时，每个脉动液体输出量为20 mL，当工作频率为3、5 和7 Hz 时的流量分别为3.6、6.0 和8.8 L/min，流量与扬程（表示输出压力，1 mmH2O=9.8 Pa）的特性曲线见图3。当输入气动隔膜泵的空气压力为0.5 MPa，工作频率分别为3、5 和7 Hz 时，流量与扬程基本呈反比关系。改进前当卷接机组启动及低速运行时，气动隔膜泵设定的工作频率为3 Hz；当运行速度达到2 万支/min 时，用胶量增大，气动隔膜泵设定的工作频率为5 Hz。

图3 CX20EES 气动隔膜泵流量特性曲线Fig.3 Characteristic curve of flow rate of CX20EES pneumatic diaphragm pump

研究发现，流体黏度与流量呈反比关系，黏度越大，泵送流量越小［12］，流体黏度与流量关系曲线见图4。当乳胶黏度达到2 000 mPa·s 时，气动隔膜泵的流量会降低到清水流量的3%；当黏度达到3 000 mPa·s 时，泵送流量仅能达到清水流量的2.5%。MAX-M8 工作时乳胶需求量约为7.5 L/h（即0.125 L/min），当乳胶黏度达到3 000 mPa·s时，乳胶与清水输出流量的比率为2.5%，故折算成清水时的输出流量为0.125 L/min÷2.5%=5 L/min。考虑到管道压力损失及输出稳定的需要，乳胶输出量应不低于使用量的150%（即7.5 L/min），而此时CX20EES 气动隔膜泵折算成清水时的理论流量为20 mL×5 Hz×60 s= 6 L/min，无法满足正常使用需求。将气动隔膜泵的工作频率调整至7 Hz，折算成清水时的理论流量为8.4 L/min，但由于乳胶黏度高、流动性差，供胶速度未有明显改善，乳胶中依然存在气泡现象。为此进行了乳胶黏度试验，在黏度为3 000 mPa·s，质量为20 kg 的乳胶中加入500 mL 蒸馏水进行稀释，将乳胶黏度降低到2 100 mPa·s 后再加入MAX-M8 供胶装置开始生产，当运行速度达到2 万支/min 时仍出现漏气、泡皱甚至滤嘴脱落烟支，说明通过降低乳胶黏度的方法无法解决现存问题。

图4 黏度对输出流量的修正曲线Fig.4 Correction curve of viscidity to output flow

为提高气动隔膜泵的流量，改进后MAX-M8供胶装置选用CX50EES 代替CX20EES 气动隔膜泵。同样，CX50EES 以水为介质时，每个脉动输出液体量为50 mL，流量与扬程的特性曲线见图5。已知当乳胶黏度达到2 100 mPa·s 时，气动隔膜胶泵的流量约为清水时的2.8%。改进后供胶装置仍将输入气动隔膜泵的空气压力调整为0.5 MPa，当卷接机组启动及低速运行时，气动隔膜泵的工作频率分别设定为1 和3 Hz，此时气动隔膜泵折算成清水时的理论流量为3 和9 L/min；当机组运行速度达到2 万支/min 时，用胶量增大，气动隔膜泵的工作频率分别设定为3 和5 Hz，此时气动隔膜泵折算成清水时的理论流量为9 和15 L/min，均能满足生产需求。

图5 CX50EES 气动隔膜泵流量特性曲线Fig.5 Characteristic curve of flow rate of CX50EES pneumatic diaphragm pump

3 改进效果

3.1 试验设计

材料：“双喜（硬经典1906）”牌卷烟烟丝（广州卷烟厂提供）；竖罗纹卷烟纸（规格为53 mm×4 000 m，民丰特种纸股份有限公司）；接装纸（规格为39.5 g/m2×60 mm×2 500 m，广州市都恒盛印刷包装有限公司）；接装胶为环保型乳胶［黏度为2 100 mPa·s，汉高（中国）投资有限公司］。

设备：PROTOS M8卷接机组（德国HAUNI公司）。

方法：在MAX-M8 供胶装置中加入黏度为2 100 mPa·s 的乳胶，为保持乳胶压力恒定和上胶均匀，要求上胶过程中需产生部分回流胶，回流乳胶量应不低于使用量的50%，以保证供胶装置具有一定冗余能力。M8 机组运行速度为2 万支/min时，将输入CX50EES 气动隔膜泵的空气压力调整至0.5 MPa，胶泵输出乳胶压力调整至0.41 MPa，分别以不同工作频率进行对比试验，统计改进后胶泵的供胶量及溢流量，以及改进前后各3 个月的设备运行数据。

3.2 数据分析

由表1 可见，改进后气动隔膜泵在3、5 和7 Hz这3 种工作频率下，乳胶的溢流量均超过使用量的50%。虽然MAX-M8 采用溢流阀封闭溢流，避免产生胶液污染，但溢流量过大会造成乳胶发热，影响乳胶黏度。为此，在M8 机组启动及低速运行时，气动隔膜泵工作频率设定为1 Hz；机组高速运行时，气动隔膜泵工作频率设定为3 Hz；当供胶装置的压力开关检测到乳胶压力低于0.41 MPa 时，控制系统将自动提高工作频率，增加供胶量，以满足滤嘴接装要求。由表2 可见，改进后乳胶供给故障由4 次/月减少到0，泡皱及漏气烟支由115支/班次减少到37 支/班次。

表1 改进后不同胶泵工作频率下的供胶情况Tab.1 Test data of adhesive supplying under different frequencies of adhesive pump after modification

表2 改进前后供胶装置测试数据①Tab.2 Date of adhesive supply system before and after modification

4 结论

改进后的MAX-M8 接装机供胶装置，调整了气动隔膜泵的安装位置，将气动隔膜胶泵与储胶桶直接相连，缩短了气动隔膜泵供胶管道长度，使加压后的乳胶以最短路线压入喷胶控制阀，减小了管道压力损失；重新设计选型并更换气动隔膜泵，以提高气动隔膜泵流量。以广州卷烟厂提供的“双喜（硬经典1906）”牌卷烟烟丝及辅料为对象进行测试，结果表明：改进后供胶装置未出现因胶压不足而产生的停机现象，接装后泡皱及漏气烟支由改进前的115 支/班次减少到37 支/班次；机组运行稳定，有效提高了卷烟产品质量，在同类设备中具有推广应用价值。