摘要: 针对细支卷烟生产过程中跑条处理效率低、劳动强度大、烟丝损耗高等问题，研制一种自动化跑条回收装置。该装置通过双轮直驱输送单元、固定式钨钢刀片切割单元和感应式智能控制单元的集成创新，实现了跑条处理速度从6.6 m/min到21.8 m/min的提升，切割失效率 ≤ 1%，刀片寿命 ≥ 300 min。应用表明，单台设备年节约烟丝成本达216万元，获国家专利并形成企业标准。本文系统阐述装置设计原理、关键技术突破及产业化价值，为烟草行业降本增效提供技术范例。
Abstract: To address the issues of low handling efficiency, high labor intensity, and significant tobacco loss during the production of slender cigarettes, an automated runaway tobacco recovery device was developed. Through integrated innovations—including a dual-wheel direct-drive conveying unit, a fixed tungsten steel blade cutting unit, and an inductive intelligent control unit—the device increased the processing speed of runaway tobacco from 6.6 m/min to 20 m/min, achieving a cutting failure rate of ≤1% and a blade service life of ≥300 minutes. Application results demonstrate that a single device can save up to RMB 2,160,000 in tobacco material costs annually. The invention has been granted a national patent and established as an enterprise standard. This paper systematically elaborates on the design principles, key technological breakthroughs, and industrial value of the device, providing a technical reference for reducing costs and improving efficiency in the tobacco industry.
1. 引言
Y卷烟厂积极响应国家烟草总局“高质量发展”理念[1]，聚焦“提质增效、控本降耗”的核心任务，针对2018年引进的GD121A型细支高速卷烟机[2]生产过程中暴露的跑条处理难题展开技术攻关。该机型每分钟产能达10,000支，但因故障率较高，单班次产生的跑条量平均达2347.8米。
传统处理方式依赖人工使用划烟刀切割跑条以分离烟丝与卷烟纸，然而细支烟仅5.4毫米的圆周直径导致操作时频繁出现“划不开、划断”现象，处理效率低至6.6米/分钟，工人劳动强度极大。更严峻的是，88.9%的操作工因无法及时处理被迫将跑条掰断作残次烟回收，造成显著的烟丝损耗。目前烟草行业内外相关装置的研究相对不足，暂时没有一款较好的解决跑条回收的设备，面对这一双重困境——效率瓶颈与资源浪费，Y卷烟厂决定成立研究小组研制一种细支卷烟跑条处理装置。
2. 查新与借鉴
通过文献检索，发现使用刀片对跑条进行切割；废品烟支经过废品烟支剥离导管时，直接通过伸入废品烟支剥离导管内部且通过驱动电机带动的高速旋转的圆形切割刀片进行切割剥离，实现废品烟支的自动剥离。
论文《残次细支烟自动分离输送剥离机的研制》使用电机驱动传送轮；人工将残烟支放入烟支料斗内，然后由转动的嵌烟支辊逐个分离后通过输送装置送入烟支剥离机，烟支在剥离机内通过高速旋转的切纸圆刀片被剥离成烟丝落入回收箱内，实现了残烟支的自动分离和剥离[3]。论文《切割间隙随动式剥离机》两夹持轮间隙可调，可适应多种粗细不均匀的跑条[4]。
文献总结：通过广泛的查阅与分析，《残次细支烟自动分离输送剥离机的研制》中设备结构简单，制造成本低，可借鉴圆形切割刀片切割；《切割间隙随动式剥离机》的设计实现了烟支自动分离和自动剥离，一人可以独立完成，安全可靠。借鉴其驱动方式使用电机驱动传送轮；论文《切割间隙随动式剥离机》设备设计简单，可借鉴两夹持轮结构。
研究思路：小组成员对当前跑条的处理方案进行剖析，现有的划烟刀是使用钩子将卷烟纸撕破以达到分离烟丝地目的，该结构使跑条受力大，细支跑条容易出现断裂的情况。因此切割方式可使用薄刀片进行切割，以减少切割过程中的断裂情况；而且人工使用划烟刀时，存在用力不均匀导致跑条断裂的问题，极大的影响跑条的处理效率。经过研究，确定以使用刀片进行切割，从撕裂卷烟纸变为切开卷烟纸；改进跑条驱动方式，使跑条在切割过程中受力均匀。
小组提炼核心创新方向：以刀片切割替代传统撕裂，减少跑条受力；采用电机驱动输送轮替代人工牵引，确保力度均匀；引入夹持轮结构增强驱动力适应性。模拟实验验证了可行性：使用刀片式划烟刀并施加7.8 N恒定拉力时，效率跃升至18.59米/分钟，断裂次数趋近于零，证明技术路线具备实现20米/分钟目标的潜力(图1)。
Figure 1. Blade-type cigarette cutting experiment
图1. 刀片式划烟刀切割实验
3. 研究课题
由于细支烟跑条较多，且与标准支烟支相比直径较小，若使用划烟刀进行处理，操作过程中极易断裂，效率低下，劳动强度大；若将其作为残次烟进行处理，则存在一定的烟丝损耗。亟需一种装置针对细支卷烟跑条进行高效处理。确定研究课题为：《细支卷烟跑条回收装置的研制》。
4. 研究内容
根据研究内容，提出设计构想，对跑条处理流程进行分析，确定装置的功能结构：
Figure 2. Device functional structure diagram
图2. 装置功能结构图
根据方案确定流程图(图2)，小组对整体方案进行逐级分解设计。
4.1. 跑条进料口方案
跑条进料口方案选择表如下表1。
Table 1. Strip feeding port selection table
表1. 跑条进料口方案选择表
跑条进料口方案选择表 |
选择 依据 |
1. 功能性：跑条通过率 ≥ 99% 2. 效率：20根1 m长跑条人工操作通过时间 ≤ 60 s 3. 有效性：通过后轴线重合率 ≥ 99% |
备选 方案 |
管状 |
锥状 |
喇叭状 |
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功能性 实验 |
实验目的：确定跑条通过跑条进料口的通过率 |
实验过程：选取20根长500 mm的跑条分别通过管状、锥状和喇叭状的进料口，分别记录顺利通过或阻的 次数。 |
实验数据 |
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实验结果 |
跑条通过率 < 99% (不满足) |
跑条通过率 ≥ 99% (满足) |
跑条通过率 ≥ 99% (满足) |
效率 实验 |
实验目的：确定跑条通过跑条进料口所需时间 |
实验过程：选取20根长1 m的跑条分别以手工方式通过管状、锥状和喇叭状的进料口，各实验10次， 分别记录通过总时间。 |
实验数据 |
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实验结果 |
通过时间 > 60 s (不满足) |
通过时间 ≤ 60 s (满足) |
通过时间 ≤ 60 s (满足) |
续表
有效性 实验 |
实验目的：验证跑条通过跑条进料口后是否与进料口的轴线重合 |
实验过程：选取20根长1 m的跑条分别以手工方式通过管状、锥状和喇叭状的进料口，分别记录通过后 是否与轴线重合。 |
实验数据 |
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实验结果 |
重合率 ≥ 99% |
重合率 < 99% |
重合率 ≥ 99% |
结论 |
不采用 |
不采用 |
采用 |
4.2. 跑条输送方案
跑条输送方案如下表2。
Table 2. Strip conveying solution selection table
表2. 跑条输送方案选择表
跑条输送方案选择表 |
选择 依据 |
1. 功能性：能对跑条施加的驱动力 ≥ 7.8 N 2. 效率性：跑条的输送速度 ≥ 20 m/min |
备选 方案 |
单轮输送 |
双轮输送 |
皮带输送 |
滑块输送 |
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方案 分析 |
单轮输送 受力分析 |
双轮输送 受力分析 |
皮带输送 受力分析 |
滑块输送 受力分析 |
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通过跑条与驱动轮之间的 摩擦力驱动跑条连续输送 |
可通过挤压增大摩擦力， 以产生驱动跑条输送的力 |
通过皮带与跑条之间的摩擦力来驱动跑条进行连续输送 |
通过曲柄滑块机构来 驱动跑条作间接输送 |
续表
功能性 实验 |
实验目的：确定各方案对跑条施加力的大小 |
实验过程：根据各方案制作实验模型，并用其驱动跑条，在跑条后方连接弹簧测力计，在跑条出现断裂 或者停止移动时读取弹簧测力计的大小，各实验10次，分别记录弹簧测力计的数值大小。 |
实验数据 |
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实验结果 |
平均驱动力 < 7.8 N (不满足) |
平均驱动力 ≥ 7.8 N (满足) |
平均驱动力 ≥ 7.8 N (满足) |
平均驱动力 ≥ 7.8 N (满足) |
效率 实验 |
实验目的：确定各方案输送跑条的速度 |
实验过程：分别在各个方案模型基础上加装电机，使其能以适当的速度运行，以10根1 m长的跑条为一组，分别测出驱动这一组跑条所需时间，各实验10次。 |
实验数据 |
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实验结果 |
无法输送 (不满足) |
输送速度 ≥ 20 m/min (满足) |
输送速度 < 20 m/min (满足) |
输送速度< 20 m/min (不满足) |
结论 |
不采用 |
采用 |
不采用 |
不采用 |
4.3. 驱动结构方案
驱动结构方案如下表3。
Table 3. Drive structure selection table
表3. 驱动结构方案选择表
驱动结构方案选择表 |
选择 依据 |
1. 稳定性：跑条输送时断条率 ≤ 1% 2. 功能性：双轮中心距可调 |
备选 方案 |
双电机直驱 |
电机 + 齿轮 |
电机 + 皮带 |
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稳定性 实验 |
实验目的：确定各方案输送时跑条的断条率 |
实验过程：分别使用三种驱动方案输送跑条，每种方案输送100根长1 m的跑条，观察记录是否有断条 现象发生。 |
实验数据 |
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实验结果 |
跑条输送时断条率 ≤ 1% (满足) |
跑条输送时断条率 ≤ 1% (满足) |
跑条输送时断条率 > 1% (不满足) |
功能性 分析 |
双电机驱动可通过调整两电机 的间距调整两轮中心距 |
经过查询，齿轮传动中心距不可调 |
经过查询，皮带传动中心距可调 |
满足 |
不满足 |
满足 |
结论 |
采用 |
不采用 |
不采用 |
4.4. 跑条切割方案
跑条切割方案如下表4。
Table 4. Strip cutting scheme selection table
表4. 跑条切割方案选择表
跑条切割方案选择表 |
选择 依据 |
1. 有效性：切割失效(切不开、切不全)率 ≤ 1% 2. 续航性：10000毫安24 v直流电源驱动切割跑条量 ≥ 500 m |
备选 方案 |
方案一：固定式刀片切割 |
方案二：可移动式刀片切割 |
方案三：旋转式刀片切割 |
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续表
方案 分析 |
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固定式刀片切割是将刀片固定， 调整一定的切割角度和深度， 对通过的跑条进行切割 |
可移动式刀片切割刀片是可以 上下移动的，通过给刀片施加 持续向下的切割力，使刀片 紧贴着跑条进行切割 |
旋转式刀片切割是使用圆盘状的 刀片进行切割，通过驱动刀片 快速转动对通过的跑条进行切割 |
功能性 实验 |
实验目的：确定三种方案切割跑条时的切割失效率 |
实验过程：用输送机构以恒定的速度输送500 mm跑条进行切割，每种方案开展100次实验，观察记录是否出现切割失效现象。 |
实验数据 |
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实验结果 |
切割失效率 ≤ 1% (满足) |
切割失效率 > 1% (不满足) |
切割失效率 ≤ 1% (满足) |
4.5. 切割深度确定
切割深度确定如下表5。
Table 5. Cutting depth determination table
表5. 切割深度确定表
切割深度确定表 |
确定依据 |
1. 功能性：刀片单边使用寿命 ≥ 300 min |
烟条的切割深度对烟条切割质量和刀片使用寿命均有较大的影响。当切割深度过浅，可能会导致烟条划不开的现象，影响烟丝与卷烟纸的分离；当切割过深，会造成切割刀片磨损较大，使用寿命急剧下滑。因此合理的切割深度选择是很重要的，小组采用“黄金分割法”来寻找最佳的切割深度。 |
续表
设计试验方案 |
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试验测试及结果 |
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验证试验结果 |
用试验得出的切割深度值X5，使用钨钢刀片测试10次。 |
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结论 |
切割深度取2.38 mm时，刀片单边使用寿命 ≥ 300 min |
4.6. 确定最佳方案
输送单元创新采用喇叭状进料口，通过正交试验优化关键参数，实现跑条100%通过率与进料轴线99%重合率。驱动部分选用双轮结构，经力学分析确定3.8 mm轮间距可提供8.17 N驱动力，满足细支跑条输送需求。驱动电机摒弃成本高昂的伺服方案，选用42步进电机，配合直驱架构实现22.4米/分钟稳定输送速度，断条率控制在1%以下。
切割单元突破性地采用固定式钨钢刀片方案。通过黄金分割法反复试验，锁定2.38 mm切割深度——过浅导致切割失效，过深加速刀片磨损。该深度下钨钢刀片单边寿命达305分钟，可连续处理超500米跑条。刀片位置设置于驱动轮前方，避免跑条阻塞(阻塞率0%)，并创新设计可调式刀架，通过开槽固定板实现切割角度微调，确保100%有效分离烟纸与烟丝。
控制单元首创感应式点动模式。光电传感器实时检测跑条存在，信号传输至Arduino Mega 2560单片机，触发步进电机启停。相比按键式与遥控式方案，该设计接收准确率100%，且功耗降低16.3%，单次充电(10000 mAh/24V电源)可处理514米跑条，满足全天作业需求。
供电单元选用便携式24 V直流电源，输出电压稳定在±1 V误差范围内，摆脱对车间固定插座的依赖，适配所有细支机台灵活部署。装置最终设计方案如下图3所示：
Figure 3. Optimal solution tree
图3. 最佳方案树图
装置集成阶段，小组运用SolidWorks完成三维建模，采用轻量化铝合金框架支撑核心组件。整机尺寸经人机工程学优化，操作界面仅设电源开关与紧急制动按钮。2022年7月试制样机在车间进行效能验证：以10组1米长细支跑条为对象，平均处理速度达22.4米/分钟，较传统方式提升239%，切割失效率为零。
5. 效益分析
效益分析如下表6。
Table 6. Benefit analysis table
表6. 效益分析表
效益分析表 |
经济 效益 |
在使用该装置之前，细支卷烟跑条基本作残次烟处理，在回收烟丝时存在一定损耗，小组成员经过查询相关文献，在《提高S200型废烟回收机回收细长烟支残烟效率》中查得出丝率约为55%，损耗率约为45%，在使用该装置后，处理细支卷烟跑条时烟丝基本无损耗，为企业节约烟丝成本如下： |
无形 效益 |
a. 该装置研制成功，提高了细支卷烟跑条处理效率，降低了操作人员处理跑条的劳动强度； b. 使用装置，提升了操作人员对卷烟质量的关注度。 |
效率 |
使用该装置后，对细支卷烟跑条处理速度提升效率为：
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项目成果获国家实用新型专利授权，并形成企业标准《细支卷烟跑条自动处理装置操作规程》。截至2023年5月，该装置已在Y卷烟厂12台GD121A机组全面推广，同步输出至K卷烟厂。
6. 局限性与展望
该装置主要针对细支卷烟跑条处理设计使用，在现如今卷烟品规越来越多的情况下，设备的适用性还需改进，同时在设备的控制及整体结构的优化上仍存在改进的空间，未来小组计划进一步优化装置便携性，开发适用于不同直径跑条的快速换型模块，并探索技术授权至行业设备制造商的合作路径。这项创新不仅破解了细支烟生产的损耗困局，更以“最优制造”实践诠释了烟草工业精益管理的核心价值——在毫米级的精进中，实现质量、效率与人文关怀的共生共赢。