细支滤棒成型机的设备参数分析与改进

高明奇 ，顾 亮，贾学伟，朱 红

（1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000；2.郑州轻工业学院，河南 郑州 450002；3.牡丹江卷烟材料厂有限责任公司，黑龙江 牡丹江 157013）

1 引言

细支卷烟做为中式卷烟新品类，以其低焦低害、外观新颖的优势获得越来越多的消费者喜爱[1]。由于当前设备、工艺等都是基于常规卷烟设计，虽然根据细支卷烟的圆周变化进行了优化调整，但还是缺乏深入系统研究，细支卷烟的烟支吸阻、重量、通风率、硬度等指标的稳定性均低于常规卷烟。在卷烟辅材中，卷烟滤棒的质量稳定性直接影响卷烟的吸阻、重量、通风等指标的稳定性，文献[2]表明细支滤棒的质量稳定性显著差于常规滤棒。

文献[2]考察了细支滤棒用特种规格醋纤丝束的卷曲加工工艺，结果表面，所成型细支滤棒吸阻变异系数显著高于常规滤棒吸阻稳定性水平。文献[3-4]的研究结果显示醋纤丝束规格不变时，螺纹辊压力、辊速比、稳定辊压力及空气喷嘴压力等工艺参数决定了醋纤丝束开松稳定性和成型效果，同时，作者对滤棒成型的工艺条件进行了优化，改进了加工工艺技术对滤棒质量稳定性的控制作用。文献[5]以提高滤棒成型质量稳定性为目的，利用正交试验法在KDF-2成型机上采用规格为2.4 Y34000的醋纤丝束，对螺纹辊压力、稳定辊压力、辊速比和空气喷嘴压力等4个滤棒成型关键工艺参数进行了试验优化。结果表明稳定辊压力对滤棒压降和压降变异系数、硬度及单支重量有显著影响，螺纹辊压力对滤棒硬度变异系数影响显著，在考察参数范围内，喷嘴压力和辊速比对滤棒质量的影响相对较小。文献[6]为改善KDF-2滤棒成型机生产滤棒的质量稳定性，选用规格为2.7Y/35000的醋纤丝束在KDF-2成型机上对关键参数开展了正交试验。实验结果表明：稳定辊压力显著影响滤棒单支重量、压降及硬度，螺纹辊压力对滤棒硬度的变异系数影响显著，喷嘴压力和辊速比对滤棒吸阻、硬度等指标稳定性影响相对较小。

从上述文献报道可看出滤棒对细支卷烟的质量稳定影响较大，根据检测数据得知，与常规圆周卷烟相比，圆周在17.00mm左右的细支卷烟滤棒的质量稳定性较差，特别是压降波动较大，这是导致细支卷烟烟支吸阻稳定性差的关键原因。“高单旦、低总旦”规格丝束是带来细支滤棒压降波动较大的固有原因，降低压降与提高稳定性似乎是存在矛盾的对立面，但是丝束特性曲线加工点、丝束开松比、丝束卷曲能稳定性、送丝喷嘴、螺纹辊负载比、预开松张力等也是影响滤棒压降稳定性的关键因素。与此相关的文献报道主要集中于常规滤棒[7-9]，为此，对影响细支滤棒质量稳定性的因素进行系统的分析研究，重点关注成型机设备因素的影响，通过考察不同设备构造及参数的影响，改进细支滤棒成型设备参数，旨在为提高细支卷烟的质量稳定提供参考和技术支撑。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

8.0 Y15000规格二醋酸纤维素丝束；11.0Y15000规格二醋酸纤维素丝束；KDF2滤棒成型机；ML204型电子分析天平（感量：0.1mg）；SODIMAX全功能综合测试台；滤棒物理指标综合测试台；KBF型恒温恒湿箱；SM450-PC107直线型吸烟机；6890A气相色谱仪。

2.2 方法

表1 细支滤棒样品要求Tab.1 Physical Parameters of Fine Filter Rod Samples

后续试验均在KDF2/AF2成型机进行，成型机运行速度试验采用醋纤丝束规格为11.0Y15000，其他试验均采用8.0Y15000规格醋纤丝束。所成型细支滤棒样品质量要求，如表1所示。采用GB/T 16447—2004《烟草及烟草制品调节和测试的大气环境》的条件调节滤棒样品。按照GB/T 22838—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定》的方法抽取滤棒样品，并检测滤棒物理性能，并对滤棒样品的监测数据进行统计分析，得出其稳定性指标数据。设备参数的调整设置以成型机电子屏幕系统显示为准。

3 结果与分析

3.1 成型机运行速度影响

以11.0Y15000规格二醋酸纤维素丝束为试验样品，以滤棒压降3200Pa为加工中心值，考察了KDF2/AF2成型机不同车速对滤棒质量的影响，如表2所示。从表2的数据可以得出，将速度从200m/min提升至300m/min和350m/min，滤棒的硬度、圆周等参数都可符合要求，但滤棒压降稳定性明显提高，分析原因为丝束打包压力较大，丝束易粘连，车速较低时，丝束抽提不连续，丝束抖动明显，造成丝束喂入不稳，从而引起压降波动。同时，在生产试验过程中发现，车速高于300m/min时，由于送丝器空气流量不足，导致二醋酸纤维素丝束喂入不足，无法正常成型滤棒，且车速过高容易出现绕辊断丝等问题造成停车。综合考虑，11.0Y15000规格二醋酸纤维素丝束在KDF2/AF2成型机的适宜加工车速为300m/min，且经过普查得知，目前烟草行业细支滤棒成型机运行速度都在300m/min左右。因此，对于细支滤棒成型而言，车速过高或过快都会对滤棒的质量稳定造成不利影响。

3.2 捕丝器

捕丝器是滤棒成型机组连接开松和成型部分的重要组件，用于将开松后的丝束收缩成束并输送至成型腔[10]。捕丝器主要根据文丘里效应设计[11]。对于捕丝器而言，当气体流经捕丝器最窄处时，动态压力达到最大值，静态压力也达到最小值，气体流速因涌流横截面积变化而上升，在同一时间整个涌流都经历了横截面积快速缩小的过程，同时，压力也在同一时间降低到小于正常大气压强，从而在捕丝器内形成负压[12]。因此，捕丝器的匹配性会直接影响到成型机的送丝效果，其结构设计、制造精度和外围配置等都会影响其性能，容易造成滤棒的压降发生较大波动。

当前国内烟草行业细支滤棒成型主要通过对KDF2/AF2成型机改造实现的，其中捕丝器多为常规圆周滤棒适用型号，并不利于细支滤棒的成型。捕丝器负压区结构图，如图1所示。本试验对照了不同喂丝器的应用效果，如表3所示。从表3数据可以看出，1#常规捕丝器所成型滤棒的压降稳定性明显差于改造后的捕丝器（2#、3#），捕丝器区别主要在于负压区内径（a）的大小不同。常规滤棒用捕丝器内径更适用于高总旦规格（35000左右）醋纤丝束，而细支滤棒采用的是低总旦规格（15000左右）醋纤丝束，常规捕丝器对于其内径过大，成型时丝束容易抖动缠绕，从而造成滤棒压降不稳定。

图1 捕丝器局部结构图Fig.1 Local Structure Drawing of Wire Catcher

表3 不同捕丝器的细支滤棒检测数据Tab.3 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Wire Catchers

3.3 开松辊速比

丝束开松是滤棒成型的关键工序，丝束开松是指将一束卷曲的丝束通过开松辊和空气开松器的共同作用达到横向和纵向的同时展开，打乱丝束的分布排序，利于增塑剂的施加及滤棒稳定均匀网状结构的形成。丝束开松宽度和开松程度，其对滤棒硬度、吸阻的稳定性、过滤效率、外观等均会产生显著影响。开松不足会使滤棒重量过重，过滤效率低以及滤棒变软。开松过量将导致飞花、断丝、缠辊及过滤效率降低，如图2所示。

图2 开松机结构图Fig.2 Structure Diagram of Loosening Machine

开松时速比包括扩展辊F2与喂料辊F1的速度比（开松比V2/V1）和扩展辊F2与输出辊的速度比（回速比V2/V3）。两者对细支滤棒成型质量的稳定性均会有所影响。一般而言，当V2/V1速度比一定时，随着V2/V3速度比的增大，吸阻和硬度稍有增高。当V2/V3速度比一定时，随着V2/V1速比的增大，吸阻与硬度稍有降低[13]。本试验着重考察了开松比的影响结果，如表4所示。开松比适当加大，滤棒压降和硬度稍有降低，且稳定性有提高，但当开松比低于1.10时，滤棒缩头明显，压降稳定性较差，硬度均匀性较差；当开松比高于1.40以上时，滤棒硬度不均匀，且飞花大量产生。因此，对于8.0Y15000规格醋纤丝束而言，在KDF2/AF2成型机上成型本试验的目标细支滤棒，适宜的开松比范围为（1.10～1.40）。

表4 不同开松辊速比的细支滤棒检测数据Tab.4 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Tow Opening Ratio

3.4 螺纹辊压力

螺纹辊压力会直接影响丝束在运行过程中被扩展辊牵引所受力的大小，如图3所示。若螺纹辊压力过小，丝束在成型过程中会得不到足够的拉伸张力，不仅易造成丝束运行波动，开松不充分，丝束产率降低，而且会导致硬度变异系数增大；若螺纹辊压力过大，丝束在运行中所受的拉伸张力加大，易导致丝束带过窄，丝束卷曲度丧失，甚至易造成丝束断裂并产生大量的飞花，同时，会增大两辊间的摩擦力，造成设备磨损[3]。从表5看出，当螺纹辊压力增大时，滤棒压降也随之增大。试验发现，当螺纹辊压力为小于0.18MPa时，丝束明显开松较差，可见部分丝束未开松；而当螺纹辊压力大于0.23MPa时，丝束开松过大，飞花严重，且滤棒压降硬度不稳定。因此，对于8.0Y15000规格醋纤丝束而言，在KDF2/AF2成型机上成型本试验的目标细支滤棒，适宜的螺纹辊压力范围为（0.18～0.23）MPa，但需要根据设备条件及滤棒规格进行具体优化调整。

图3 螺纹辊结构图Fig.3 Structure Diagram of Thread Roller

表5 不同螺纹辊压力的细支滤棒检测数据Tab.5 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Pressure on Threaded Rolls

3.5 稳定辊压力

稳定辊的作用是为了减少滤棒成型过程中丝束带的张力变化，使丝束能够保持稳定的速度和宽度进入开松辊进行开松处理[3]，稳定辊压力对细支滤棒的质量稳定性有显著影响。对于常规圆周滤棒而言，随稳定辊压力的变化，滤棒压降和硬度均会发生明显变化，即随稳定辊压力的增加，滤棒的压降和硬度值有所增加[6]。本试验选择8.0Y15000规格醋纤丝束成型细支滤棒，对稳定辊压力进行了调整试验，如表6所示。当稳定辊压力在（0.06～0.10）MPa范围时，滤棒的压降和硬度稳定性相对较好；当稳定辊压力小于0.06MPa或超过0.10MPa时，随稳定辊压力的增加，滤棒的压降和硬度稳定性明显变差。对于8.0Y15000规格醋纤丝束而言，在KDF2/AF2成型机上成型本试验的目标细支滤棒，适宜的稳定辊压力范围为（0.06～0.10）MPa，但需要根据设备条件及滤棒规格进行具体优化调整。

表6 不同稳定辊压力的细支滤棒检测数据Tab.6 Detection Results of Fine Filter Rods with Different Pressure on Stabilizer Rolls

4 结论

（1）考察了KDF2/AF2型细支滤棒成型机运行速度、不同规格捕丝器、丝束开松比、螺纹辊压力及稳定辊压力对细支滤棒压降和硬度等指标稳定性的影响试验，在丝束规格一定的情况下，上述设备因素不同参数对细支滤棒质量均有一定影响，但是成型机运行速度和捕丝器影响更为显著。（2）结合细支滤棒检测数据，针对不同成型机设备参数进行了考察优化，结果表明：①对于11.0Y15000规格的丝束，成型机运行速度以300m/min左右为宜；②③对于8.0Y15000规格的丝束，KDF2/AF2型滤棒成型机捕丝器内径为17.0mm为宜；④对于8.0Y15000规格的丝束，开松比为（1.10～1.40）；螺纹辊压力控制在（0.18～0.23）MPa；稳定辊压力控制在（0.06～0.10）MPa较适宜。（3）对于细支滤棒成型，成型机设备参数是影响细支滤棒质量稳定性的重要方面，需要进行考察优化，且丝束规格和成型机型号不同，设备因素都需要进行调整优化。