ZJ119型卷烟机VE防粘落料活门设计与实现

Design and Implementation of the VE Anti-Sticking Feeding Gate for ZJ119 Cigarette Machine

摘要: 玉溪卷烟厂于2022年从常德烟机厂引进了一批新型智能卷烟机ZJ119型卷烟机，卷烟机设备生产过程中，物料供给由风力送丝系统完成，供丝机输送烟丝落到落料活门上，当卷烟机检测预分配器烟丝要求时，活门打开，落料完成后进行下一腔烟丝吸取。活门开闭一段时间后，会有烟丝堆积，造成落料活门关闭不到位，进而导致烟丝供给不足，造成停机。对此，对VE落料活门表面进行防粘设计，达到烟丝在活门表面无粘黏，开闭过程不会造成烟丝堆积，保证烟丝供给，降低故障停车时间，提升设备效率。

Abstract: In 2022, Yuxi Cigarette Factory imported a batch of new intelligent cigarette machines, the ZJ119 model, from Changde Cigarette Machinery Factory. During the production process, material supply is handled by a pneumatic feeding system. The feeding machine delivers tobacco shreds onto the feeding gate. When the cigarette machine detects the tobacco requirements from the pre-distributor, the gate opens, and after feeding, the next batch of tobacco is drawn in. After the gate has been open and closed for a period of time, tobacco shreds accumulate, causing the feeding gate to not close properly, resulting in insufficient tobacco supply and machine downtime. To address this, an anti-sticking design was implemented on the surface of the VE feeding gate to prevent tobacco shreds from sticking to the gate surface, thus preventing tobacco shreds from accumulating during opening and closing, ensuring tobacco supply, reducing downtime due to malfunctions, and improving equipment efficiency.

1. 引言

ZJ119型卷烟机烟丝来料为风力送丝系统完成，主要由烟丝腔，落料活门，过滤网，风速传感器，锁紧销，气缸和风力送丝管道组成[1]。

风力送丝工作流程如图1所示，在预分配器发出烟丝要求后，落料活门将打开，供料闸站将被清空[2]。

Figure 1. Pneumatic wire feeding process

图1. 风力送丝供料流程

运行5秒后，落料活门将关闭到一定程度，以使活门和框架之间大约有3 mm的间隙。一旦接近开关B9V通知活门已关闭，则通过电磁阀Y57V打开空气截止阀，随着空气截止阀的打开，活门被存在的真空压力完全关闭，烟丝物料开始填充。箱体框架四周有一圈胶条与活门接触进行密封，确保活门关闭后不漏风。

如果完成了理想的气阀装料过程，则接近开关B8V将触发，阀门Y57V关闭空气截止阀。同时有一个时间监视器监控供料过程，如果接近开关B8V在机器参数气阀的最大供料时间所设定的时间内未检测到烟丝，空气阀门也将关闭。

在实际使用过程中，出现许多次非故障停机因素，影响设备生产效率，其中的重要原因之一为“VE无烟丝B8V”。

在思考如何解决材料防粘问题过程中，小组查阅了诸多文献，最终查阅到《使用温度对特氟龙食品接触用不粘涂层摩擦学性能的影响》：发表于《表面技术》，是国家自然科学基金等多个项目支持的研究成果。为模拟日常使用场景，研究人员对特氟龙(四氟乙烯)不粘涂层在不同温度下加热处理30分钟，再通过多种仪器测试涂层结构和性能。结果显示温度低于500℃时，涂层的表面润湿性、硬度和摩擦学性能基本稳定，防粘效果良好；而温度达到550℃时，涂层会剥落且含氟树脂完全分解，变得亲水亲油，摩擦系数和磨损体积剧增，彻底丧失防粘性能，为特氟龙食品接触器具的安全使用温度划定了明确范围。

2. 现状分析

在生产过程中发现，机组在运行一段时间后，落料活门与箱体机架接触处会有烟丝堆积，所夹烟丝比较紧实，导致落料活门关闭不到位，密闭不严，烟丝腔内无法形成密闭空间，导致烟丝抽吸不足，无法完成理想装料过程，进而导致烟丝供给不足，引起设备停机，极大影响设备效率。

3. 改进方法

小组持续观察发现，每次因“VE无烟丝B8V”停车后，落料活门板结烟丝处需要手动清理后方可重新开车，同时在清洁过后运行一段时间，又会在落料活门与箱体框架结合处重新堆积，通过观察，在烟丝自由落体过程中，存在未落的烟灰和扬起烟灰附着在翻板表面，由于落料阀门与箱体结合处不断挤压板结，硬化导致烟丝堆积增加，进而烟丝进料时密封不严，导致烟丝供给不足，净故考虑减小活门表面粗糙度，降低摩擦力来解决烟丝板结的问题。

减小表面粗糙度可采用两种方法：一是重新打磨金属表面，二是对已有活门进行粘接或喷涂其他材料改变落料活门表面性质[3]。

(1) 打磨落料活门金属表面，直接改变金属表面物理性质，达到降低表面粗糙度的效果。打磨金属表面易改变落料活门本身加工工艺，同时香烟属于副食，需要保障烟丝安全性，打磨表面易与烟丝产生未知物理或化学反应。

(2) 在已有活门表面粘贴不粘材料贴纸，减小活门与箱体框架接触位置摩擦力，在开关过程中减少烟灰堆积。

(3) 对已有活门进行预处理，之后利用喷涂工艺，将不粘涂料均匀喷涂到物体表面，达到改变活门表面性质的作用，降低活门表面粗糙度及表面张力。

由此决定，采用粘贴不粘材料贴纸及对已有活门进行不粘涂料喷涂的方式来改变落料活门表面粗糙度。

4. 实施方案

4.1. 粘贴不粘塑料膜贴纸

在落料活门与箱体框架接触的四周，粘贴一层不粘塑料膜，以达到减小摩擦力的作用，塑料膜尺寸为活门与箱体接触面积，宽2.6 cm，在实际使用过程，对改善效果进行统计，能够减少烟灰堆积的情况发生。

使用过程中，出现其他问题，由于落料活门需要高频率开闭，使用一段时间后，落料活门粘贴的塑料膜贴纸会损坏，从而影响落料活门密封效果，则需要将活门拆除取下，对活门进行破损塑料膜清除，胶渍清除，重新粘贴不粘塑料膜贴纸。此过程加大了维修时间，同时塑料膜为易损件，增加了维修成本。

4.2. 活门表面喷涂处理

由于原落料活门在开闭过程中烟丝存在堆积，烟丝无法完全下落，现考虑对原落料活门进行改造，使用摩擦系数更低的不粘材料对落料活门进行喷涂，改变其表面性能，降低烟丝残留堆积。

烟草制品属于副食，生产所用的原材料均为食品级原材料，落料活门镀层也应选择食品加工级工艺。小组通过调研发现，“不粘锅”原型是目前很好的问题解决模板。

“不粘锅”涂层学名聚四氟乙烯，简称特氟龙，具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时也是摩擦系数最低的固体材料，具有固体材料中最小的表面张力，几乎不粘附任何物质[4]。

同时，聚四氯乙烯具有显著的热稳定性，高温下不易融化，可以在260℃以下长期使用，在落料活门工作的环境下，远达不到此温度，不存在分解有害气体至烟丝的风险。聚四氯乙烯的一个缺点是硬度低，不耐刮，实际使用环境下，受力均匀，无硬物撞击，有密封条进行缓冲，合格的特氟龙涂层不存在使涂层脱落的风险[5]。

由此，符合该项目使用环境和改造要求，对此进行实验验证。

根据落料活门生产环境，进行仿真实验。制作一块特氟龙材料涂层25 cm * 25 cm的样板，两样板使用铰链链接，与铝合金阳极氧化处理样板进行挤压实验，在两样板中平铺烟丝，对两样板上施加压力，之后分开样板并竖直，观察烟丝残留情况。

首先根据《流体力学》计算落料活门开关时，烟丝所受压力大小[6]。

卷烟机在正常工作时输送管道风速17 m/s，根据伯努利方程，能够得到风压与风速的联系公式：

风的动压为

$wp=0.5\times \rho \times v^2$ (1)

其间wp为风压[kN/m²] (kPa)，ρ为空气密度[kg/m³]，v为风速[m/s]。

由于空气密度(ρ)和重度(γ)的联系为γ = ρ·g，因此有ρ = γ/g。在(公式1)中将ρ = γ/g代入这一联系，得到：

$wp=0.5\times \gamma \times v^2/g$ (2)

在规范状态下(即大气压101,325 Pa，温度15℃，空气密度取1.25 kg/m³)，空气重度γ = 0.01225 [kN/m³]。纬度为45˚处的重力加速度g = 9.8 [m/s²]，代入公式2，可得$wp=0.5\times 0.01225\times v^2/9.8$ ，经过核算简化能够得到：

$wp=v^2/1600$ (3)

将设备已知风速带入算式，可得到风压

$wp={17}^2/1600\approx 0.18\text{kpa}=0.18\text{kN}/{\text{m}}^{\text{2}}$

风压作用于落料活门面板的部分为1.013 * 0.264 m²的区域，根据压强公式：

$P=F/S$ (4)

则落料活门受到的压力大小为：

$F=P\ast S=180\ast \left(1.013\ast 0.264\right)=48.14\text{N}$

落料活门边缘与箱体框架接触面积为$0.026\ast \left(1.066+0.267\right)\ast 2=0.07{\text{m}}^2$ ，则落料活门在关闭过程中受到的压强为：

$P=F/S=48.14/0.07=687.71\text{Pa}$

实验用样板尺寸为0.25 m * 0.25 m，则在模拟烟丝受到压力时，需在两面板间施加的压力为：

$F=P\ast S=687.71\ast 0.25\ast 0.25=43\text{N}$

平铺烟丝在面板间，对样板施加43 N的平均作用力，后打开两样板，竖直放置，烟丝无附着残留，达到预想要求。

5. 结束语

将表面处理过的落料活门安装至原机上进行使用。落料活门经表面喷涂特氟龙工艺处理、更换使用改良落料活门后，供丝系统内部烟丝腔密封性较好，供丝动作迅速，能够在供丝时间内完成烟丝填充，极大缩减了供丝所需时长，且设备正常运作，设备无因活门夹丝导致供丝不足导致停机。设备正常无故障，活门与机架接触面干净光洁，改良目标实现。

在更换上防粘落料活门后，小组成员进行了为期一个月的跟踪检查，在每天生产结束后，持续对落料活门门板粘丝情况进行检查，均未发现有烟丝沾粘的情况发生，并对跟踪周期内的设备故障(内因)停机频次进行统计(如下表1)，从表中统计数据可知，“VE无烟丝B8V”故障停机频次大幅降低，达到预期目标。

Table 1. Statistics on the frequency of ZJ119 faults (internal causes) and shutdowns

表1. ZJ119故障(内因)停机频次统计表

序号	ZJ119故障(内因)停机原因	频次	比例	累计比例
1	VE无烟丝B8V	4	1.5%	1.5%
2	吸风室阻烟丝	29	10.6%	12.1%
3	卷烟纸断纸	32	11.7%	23.8%
4	跑条	72	26.4%	50.2%
5	接收鼓轮未检测到烟支	6	2.2%	52.4%
6	水松纸断纸	26	9.5%	61.9%
7	阻搓板	66	24.2%	86.1%
8	烟支出口堵塞	12	4.4%	90.5%
9	其他失败情况	26	9.5%	100%
合计		273	100%

从发现问题、找出原因到不断优化改进项目，小组不断细化分析并借鉴生活案例完全解决了此类非故障停机问题。落料活门经一系列改良优化后，改善了落料活门表面的物理性质，提升了表面残留烟丝的清洁能力，有效杜绝了ZJ119型卷烟机因活门夹丝导致设备停机的问题，减少了非故障停机时间，有效提升了设备效率，对后续安装调试ZJ119型卷烟机及其他所有使用落料活门的卷烟机型具有借鉴意义。