1. 存在问题及相关研究
在2024年，玉溪卷烟厂推出了90 mm红塔山(细支传奇)品牌卷烟，其生产任务主要依赖由常德烟机公司生产的国产ZJ17机组。生产过程中发现，红塔山(细支传奇)的废品率偏高，以2024年3月21日至4月2日为例，卷烟机废品率较同期生产玉溪(细支)品牌卷烟的D2#明显较高(如图1)，从设备统计结果来看，E6#卷烟机空头剔除率高达4%~6%，同期生产的D2#空头剔除率为1.5%~2.5%。
Figure 1. Statistics of scrap rates for D2# and E6# cigarette making machines
图1. D2#、E6#卷烟机废品率统计图
空头剔除率偏高增加了辅料消耗、能源消耗和管理成本，且机台作业效率降低，为进一步摸清废品的来源，2024年12月对E#6 ZJ17细支卷烟机废烟的来源进行了跟踪调查统计(统计细乙班6小时班次)，并根据数据绘制帕累托图，结果如下表1所示。
Table 1. Causes and quantity of waste smoke generated by E6# ZJ17 slim cigarette making machine
表1. E6# ZJ17细支卷烟机废烟产生原因及数量统计表
序号 |
废品来源 |
废品数量 |
累计废品数量 |
占比 |
累计占比 |
1 |
空头 |
36,299 |
36,299 |
89.30% |
89.30% |
2 |
设备启动剔除 |
2550 |
38,849 |
6.27% |
95.57% |
3 |
太轻 |
1368 |
40,217 |
3.37% |
98.94% |
4 |
漏气 |
396 |
40,613 |
0.97% |
99.91% |
5 |
太重 |
28 |
40,641 |
0.07% |
99.98% |
6 |
缺嘴 |
9 |
40,650 |
0.02% |
100% |
合计 |
40,650 |
|
Figure 2. Causes and arrangement of waste smoke generation
图2. 废烟产生的原因及排列图
显然地，从表1和图2的帕累托图可知，2024年4月，细乙班E#6机组ZJ17细支卷烟机在6小时班次内的平均废烟量为40,650支/天，空头剔除为36,299支/天，占比高达89.30%，说明废烟的来源主要是空头烟。
在卷烟设备的空头烟探索领域，孙伟等[1]通过研制一种低风阻的吸丝导轨，并通过增加风机功率，提高风室负压，有效解决了ZJ119卷烟机组烟支空头剔除率偏高的问题；唐海军等[2]运用回归分析方法，研究了烟支空头影响因素的3个因子与烟支空头剔除数量间的关系，表明在三个因子参数范围内，风机正压越大，梗导板高度越小，压实端位置偏移量越大，烟支空头数量越多；赵敏等[3]考察了平准器对卷烟烟丝密度和卷接质量的影响，并建立了一种卷烟平准器凹槽槽深等规格参数的设计方法。但目前，关于非六槽等深结构的削减盘规格参数对细支烟空头烟数量影响的探究还较少，本文通过分析空头烟支的结构特征，探究了生产过程中空头烟偏多的原因，并设计了一种“三深三浅”偏紧头造型的平准器，以期降低空头烟的数量。
2. 红塔山(细支传奇)空头剔除率偏高的原因分析
2.1. 吸丝成形及烟条成形原理简介
如图3所示，烟丝由供料系统形成较薄的纯净烟丝层，抛入垂直竖风道1，垂直竖风道借助一高压通风机提供的负压作用于吸风室内，吸风室上装置一条连续运行的网孔吸丝带2，吸风室通过吸丝带的网孔向竖直吸丝道提供足够负压，使抛入吸丝道内的烟丝随气流上升并吸附于网孔吸丝带上，形成烟丝束雏形，并被强制输送，在输送过程中经平准器装置3，平准器装置利用两只旋转方向相反的圆盘把多余的烟丝修剪下来返回供料系统，经平准器装置修剪后的烟丝束送到卷烟纸4上方，负压消失，烟丝束由卷烟纸带动进入烟枪通道卷成烟条。
1. 竖风道；2. 网孔吸丝带；3. 平准器装置；4. 卷烟纸
Figure 3. Working principle of wire drawing
图3. 吸丝成形工作原理
2.2. 空头烟产生原因分析
2.2.1. 烟丝物理特征分析
生产实践表明：为了有效控制烟支重量，卷烟生产一定要允许一定数量的空头烟支的存在，这样才能在科学降低烟丝消耗的同时保证烟支质量[4]，E6#卷烟机生产红塔山(细支传奇)时空头率高达4%~6%，而在设备不做变更，换号生产玉溪(细支)时，空头剔除率可降低至1.5%~2.5%，为探究两个品牌烟支的烟丝差异，首先取2024年3月15日生产的红塔山(细支传奇)和2024年4月1日生产的玉溪(细支)制丝过程质量特性专检数据如下表2。
Table 2. Special inspection data of quality characteristics of silk making process
表2. 制丝过程质量特性专检数据
牌号 |
班次 |
样品重量g |
整丝率% |
碎丝率% |
填充值cm3/g |
含水率% |
红塔山(细支传奇) |
甲班 |
1000 |
83.26 |
1.37 |
4.09 |
12.63 |
红塔山(细支传奇) |
甲班 |
1000 |
84.38 |
1.17 |
4.11 |
12.5 |
红塔山(细支传奇) |
甲班 |
1000 |
83.99 |
1.34 |
4.11 |
12.72 |
玉溪(细支) |
甲班 |
1000 |
82.51 |
0.67 |
4.01 |
13.18 |
玉溪(细支) |
乙班 |
1000 |
89.13 |
0.42 |
3.99 |
13.04 |
注：1) 整丝率：指烟丝中长度大于等于2.5 mm的烟丝质量占取样总质量的比率；2) 碎丝率：指烟丝中长度小于1 mm的烟丝质量占取样总质量的比率；3) 填充值：指卷烟烟丝在一定时间、一定压力的持续作用下，单位质量所占的容积。
提高烟丝的内在品质是减少空头的基础条件，而整丝率与烟丝的填充值、烟支单支质量具有显著的相关性[5]，烟丝中的中丝、长丝比例越高，烟支端部的烟丝就越不容易抖动。红塔山(细支传奇)和玉溪(细支)在整丝率、填充值等指标上有差异，但差异不大，红塔山(细支传奇)长烟丝较多。碎丝率与烟支单只质量、烟支空头率呈正相关，通过表2可知，红塔山(细支传奇)的烟丝的碎丝率较玉溪(细支)高约1倍，这一差异也影响了这两个品牌烟支在生产过程中烟丝束结构成形的差异，对照制丝车间制丝工艺标准，烟丝长度、整丝率、碎丝率、填充值、含水率均符合工艺要求。
2.2.2. 烟支密度分析
为进一步摸清引起空头烟支偏多的原因，根据上述分析，基于红塔山(细支传奇)烟丝的碎丝率偏高的特征，从烟支密度测试验分析着手，探究烟支成形后的物理结构。
试验材料选用红塔山(细支传奇)叶组配方及烟用辅料(由红塔集团玉溪卷烟厂提供)；卷烟制造设备为ZJ17型卷烟机组(常德烟草机械有限责任公司)；六槽等深平准器(槽深：2.4 mm，弧长：16 mm)；MW3220型卷烟轴向烟丝密度分布测定仪。
样品采集阶段，保持设备参数不变使机组稳定运行30分钟，在烟支通道和剔除鼓励下方的烟支收集箱内随机取正常烟支和剔除的空头烟支各20支，开展密度测试，红塔山(细支传奇)烟支长度为(60 + 30) ± 0.5 mm (烟支段长度为60 mm，滤嘴段长度为30 mm)，密度测试从点燃端开始扫描至接装纸前端，扫面间距2 mm，两种烟支的密度曲线结果如下图4。
Figure 4. Density test comparison of normal smoke and empty smoke
图4. 正常烟与空头烟的密度测试对比图
从图4密度分布分析，正常烟与空头烟的密度曲线具有相似性，且紧头位置无明显偏移，空头烟的密度曲线局部低于正常烟，尤其在烟支的点燃端，由此推测造成烟支空头的原因主要是紧头形成质量不高，紧头结构被破坏。
3. 对策与实施效果
3.1. 降低空头剔除率的对策
影响烟支紧头的因素为劈刀盘凹槽参数设置(包括槽深、弧长等参数)，对此，将劈刀盘凹槽参数进行合理改进，经过分析，决定调整烟丝在烟支轴向上的分布，增加点燃端的烟丝量，同时相对减少接装端的烟丝量，基于此，采用一种“三深三浅”式的凹槽替代现有的六槽等深的凹槽形式。具体实施步骤如下：平准器的执行元件为劈刀盘和刷丝轮，劈刀盘为对称设置的圆片状带凹槽刀片，位于吸丝带下方，平准器劈刀盘对通过上方的烟丝束进行修剪，使其截面接近合乎要求的烟条截面，并具有均匀的重量。原ZJ17劈刀盘上有若干等分的相同凹槽(六槽等深，槽深：2.4 mm，弧长：16 mm)，平准时凹槽部分允许存储较多烟丝，卷制成形后，烟条的点燃端、滤嘴端将相应形成两处紧头结构；更换偏紧头劈刀盘(深槽深：2.5 mm，弧长：19 mm，浅槽深：1.5 mm、弧长：16 mm)，其凹槽采用“三深三浅”造型，深槽对应形成点燃端的紧头，浅槽对应形成滤嘴端的烟支结构段。注意安装时，前后劈刀盘的相同的一对凹槽中心需严格互相对正(图5)。
Figure 5. Equally tight splitting cutterhead (left), eccentrically tight splitting cutterhead (right)
图5. 等紧劈刀盘(左)、偏紧头劈刀盘(右)
3.2. 实施效果分析
为检验偏紧头劈刀盘的应用效果，统计了7月9日至13细支E6#卷烟机6小时班次内生产红塔山(细支传奇)的废品率，并与同期生产同品牌的D2#设备进行对比。如图6所示，从显示的数据来看，E6#的废品率降至2%以下，充分说明本文采取的措施对降低废品率具有良好效果。
Figure 6. Statistics of scrap rates of D2# and E6# cigarette making machines after improvement
图6. 改善后D2#、E6#卷烟机废品率统计图
4. 结论
引起90 mm红塔山(细支传奇)烟支空头的原因很多，通过以上测试，主要原因归结为烟支点燃端的烟丝填充不良，密度不高，烟支成型后在传递过程中不断被振动，紧头结构遭到破坏，烟丝被抖松、散落。原ZJ17劈刀盘上有若干等分的相同凹槽(六槽等深，槽深：2.4 mm，弧长：16 mm)，平准时凹槽部分允许存储较多烟丝，卷制成形后，烟条的点燃端、滤嘴端将相应形成两处相似的紧头结构；玉溪(细支)单根烟支重量较红塔山(细支传奇)要重，且碎丝率要低约1倍，凹槽结构能辅助烟支形成较好的紧头结构，但六槽等深劈刀盘与红塔山(细支传奇)的适配性较差，空头烟比例偏高，故考虑调整烟丝在烟支轴向上的分布，增加点燃端的烟丝量，同时相对减少接装端的烟丝量，更换设计偏紧头劈刀盘，其凹槽采用“三深三浅”造型(深槽深：2.5 mm，弧长：19 mm，浅槽深：1.5 mm、弧长：16 mm)，平准后深槽部分对应形成点燃端的紧头，浅槽对应形成滤嘴端的烟支紧头，浅槽端减少的烟丝被分配到深槽端和其余烟支段，增大了点燃端烟丝紧头的填充量的同时，又不至于使烟支在搓接工艺后因滤嘴端填充密度过小而漏气，较好的解决了烟支空头剔除量较高的问题。
需要说明的是，“三深三浅”削减盘凹槽结构虽改善了空头率，但是由于其烟丝成形的结构特点会使得烟支密度变化率剧增，同时带来烟支SRM系统重量控制偏差增大等缺陷，且削减盘凹槽过深会造成烟丝密度变化过大，引发“竹节烟”等问题，为进一步巩固降低空头率的举措，未来可围绕紧头位置在线跟踪检测，增强重量偏差过程控制，削减盘最优参数探寻等课题进行研究。