MIR-01型雪茄卷制机茄芯库盖板的改进与应用.pdf

1、张 阁 等 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 茄 芯 库 盖 板 的 改 进与 应 用 基金项目：国 家 烟草 专 卖局 行 业 统 编教 材 开发项目“雪茄 烟 生 产 过 程工 艺 质 量 风 险 防 控 手 册”（YCPXJC2019003）作者简介：张 阁（1988），硕士，工程师，从事 雪茄 烟 设备 研究，Email：通讯作者：孙 东 亮（1971），本 科，高级工程师，从事烟草工程 与 材 料 技术研究，Email：收稿日期：2022-09-16；网络出版日期：2023-03-11 129 张 阁，杨青，马 广智，等.MIR-01型雪茄 卷制 机 茄 芯 库盖板 的 改进 与 应

2、 用 J.中国烟草学报，2023，29（5）.ZHANG Ge,YANG Qing,MA Guangzhi,et al.Improvement and application of the cover of filler magazine of MIR-01 cigar making machineJ.Acta Tabacaria Sinica,2023,29(5).doi:10.16472/j.chinatobacco.2022.161 MIR-01型雪茄 卷制 机 茄 芯 库盖板 的 改进 与 应用 张阁 1，杨 青 2，马 广智 3，耿昌乐 1，刘 金 龙1，王海 东 1，常月 勇 1，

3、戴由宗1，孙 东亮 1*1山 东 中烟工业有限责任公司 济 南卷烟 厂，济 南市高新区科 航 路 2006号 250000；2采 埃孚 商 用 车 系 统（青 岛）有限责任公司 济 南分公司，济 南市高新区 世 纪 大 道 1001号 250000；3济 南 泉 永 印务 有限公司，济 南市 经 十 东 路 7117号 250200 摘 要：【目的】为 解决 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 茄 芯 成 型 装置因 茄 芯 流 动 不 畅 或 堵塞 而 导 致 茄 芯 库 盖 板 变形、烟 支 空 头 率 高等 问题。【方 法】采用增 加加 强 筋 的 方 式 对 茄 芯 库 前 上 盖 板

4、进行 改 进。通过 对 茄 芯 库 及 茄 芯 进行 力 学分 析，使 用 ABAQUS有限 元 仿 真 软 件 对 前 上 盖 板 的加 强 筋 结 构（两 框、四 框、下 四 框、八 框）和 厚 度（1.5、2.0、2.5 mm）进行 优 化，以 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 生 产 的“泰 山（红 3G）”牌 雪茄 烟 为 对 象 进行 测 试。【结果】茄 芯 流 动 不 畅 时 前 上 盖 板 的 临 界 正 压 力 为 269.5 N；最 优 加 强 筋 结 构 为 八框 结 构、厚 度为 2.5 mm：改 进后 茄 芯 库 前 上 盖 板 平均 使 用 寿 命 由 1099.5

5、 h增 加 至 4079.5 h，延 长 271%；平均 烟 支 空 头 率 由 9.57%降低 至 6.43%。【结 论】该 技术 为 提 高 机 制 雪茄 烟 质 量 提 供 支 持。关键词：MIR-01型 雪茄 卷 制 机；茄 芯 库；盖 板；ABAQUS有限 元 分 析；加 强 筋；变形 量 与 传统 手 工 雪茄 烟 相 比，机 制 雪茄 烟主要 采用 机 器 制作 茄 芯 后 再以 手 工 或 机器 的 方 式 进行上 茄衣 和 茄 套 操 作 1。近年来，随 着 机 制 雪茄 烟 销 量的 不 断 提 高 2，优 化 或 改 进 雪茄 烟 生 产工 艺 和 设备 对 于 机 制

6、雪茄 烟的发 展具 有 重 要 作用3。荷 兰 SCM公司 生 产的 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 是 国 内 雪茄 烟 生 产 企 业 使 用 的主 流 设备，主要 由 内 胚 成 型 机 和 上 茄衣 机 两 部 分 组 成。生 产 中发 现 内 胚 成 型 机 茄 芯 成 型 装置因 茄 芯 流 动 不 畅 或 堵 塞 等 原因，容易 导 致 茄 芯 库 盖 板 变形，进而 造 成 雪茄烟 出 现 烟 支 质 量 差异 大、轴 向 密 度 不 均 匀 以 及 烟 支 空头 率 高等 问题。为 提 升 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 的 生 产能 力，仕 小 伟 等4通过 分 析 机

7、 组 故障 排 查 流 程，提 出了 一种 机 组 逆 序 式调 节 方 法，与 顺 序 式调 节 方 法 相 比 节 省 了 单次 调 整时间，提 高 了 烟 支 合 格 率；张 阁 等 5-6通过 三维 建 模 和 试 验，确 定了 影响 茄 芯 质 量的主要 因 素是 压 板 压 力 和 压 板 提 升 高 度，并利 用 茄 芯 质 量 随 压 板 压 力 和 提 升 高 度变 化的 三维 图 为 快 速 调 整 雪茄 烟 生 产工 艺参 数 提 供 了支 持。但 对 于 MIR-01型 雪茄 卷 制机 茄 芯 库 盖 板 变形 等 问题 的研究 则 未见报道。为 此，通过 增 加加 强

8、 筋 的 方 式 对 茄 芯 库 盖 板 进行 改 进，以 期 延 长茄 芯 库 盖 板 的 使 用 寿 命，提 升 机 制 雪茄 烟 生 产 品质。1 问题 分析 1.1 工 作 原 理 MIR-01 型 雪茄 卷 制 机 的 茄 芯 成 型 装置 包 括 茄 芯库 和 压 板 两 部 分，见 图 17。其 中，压 板 由 压 块（3）、配重 块（2）和 两 根 压 板 轴（1）组 成；茄 芯 库 由 后上 盖 板（4）、支 架 侧 板（5）、支 架（6）、后下 盖 板（7）、进 料 盖 板（8）、进 料 口（9）、前 上 盖 板（10）和 前 下 盖 板（11）组 成。茄 芯 成 型 过

9、程 为：茄 芯 在进 料 盖 板 推 动 作用下 从 进 料 口 进 入 茄 芯 库；压 板 和 茄 芯 库 在各 自 连 接 轴 的 带 动 下 同 步 下降一 定 高 度后，茄 芯 库 位 置 保持 不 变，压 板 继 续 下降一 段 距 离（距 离 由配重块 质 量和 茄 芯 叶 片 结 构 决定）对 茄 芯 进行 挤 压；保中国烟草学 报 Acta Tabacaria Sinica 2023 Vol.29 No.5 130 持 压 板 和 茄 芯 库 位 置不 变，茄 芯 被 挤 压 成 均 匀 分 布 的 长 条 型 烟 块；保持 压 板 位 置不 动，茄 芯 库 稍 微 抬 起，定

10、 型后 的 茄 芯 被 压 板 顶 出 茄 芯 库，实 现 茄 芯 定 量 输 出。为 适 应 不同 含 水率、粒 度 等 物 理 特 性 的 茄 芯，通过 调 节 配重 块 质 量 可 以 实 现 茄 芯 的 稳 定 输 出。1.压 板 轴 2.配重 块 3.压 块 4.后上 盖 板 5.支 架 侧 板 6.支 架 7.后下 盖 板 8.进 料 盖 板 9.进 料 口 10.前 上 盖 板 11.前 下 盖 板 图 1 茄 芯 成 型 装置 结 构 示 意 图 Fig.1 Structure diagram of filler forming device 1.2 存 在 问题 生 产中发

11、现 因 茄 芯 流 动 不 畅 或 堵塞 会 导 致 茄 芯 库 盖 板 在 挤 压 作用下变形。图 1可见，后上 盖 板 与 茄 芯 不 接 触，仅 对 压 板 的 上下 运 动 产 生 导 向 作用，因此 后 上 盖 板 不 会 发 生 变形。后下 盖 板、前 上 盖 板、前 下 盖板 的 厚 度（）分 别 为 1.8 mm、1.5 mm、2.6 mm，长度 分 别 为 127 mm、258 mm、50 mm，应力 中 性 层 平 面（材 料 发 生 弯 曲 时，既 不 受 拉力 又 不 受 压 力 的 过 渡 面 称 为 应力 中 性 层 平 面，此 处将 应力 中 性 层 平 面 等

12、效 为 几 何 中 性 层 平 面）的 最 小 宽 度 均 为 138 mm，根 据 薄板 变形 理论 8-9可 计算 弯 曲 刚 度：=()（1）式 中：D为 弯 曲 刚 度，N mm；E为 弹 性 模 量（即应力 与 应 变 之 比），N/mm2或 MPa；为 盖 板 的 厚 度，mm；v为 泊 松 比（横 向 应 变与 纵 向 应 变 之 比），无 量 纲。后下 盖 板、前 上 盖 板、前 下 盖 板 均 由 黄 铜 制 成，具 有 相 同 的 弹 性 模 量 E和 泊 松 比 v，由 公 式（1）可 知厚 度 最 薄的 前 上 盖 板 弯 曲 刚 度 最 小，在 茄 芯 挤 压 作用下

13、 首 先 发 生 变形，使 茄 芯 库 由 矩 形 通 道 变为 鼓 型 通 道（中 间 略 宽 于 两 端），见 图 2。茄 芯 库 变形后 输 出 的 茄 芯 呈 中 间 多、两 端 少 分 布，经 卷 制 成 型后，烟 支 中 间饱 满、两 端 空 松，因此 出 现 较 多 空 头 烟 支。图 2 茄 芯 库 变 形 前 后 结 构 示 意 图 Fig.2 Structure diagram of filler magazine before and after deformation 2 改进 方法 2.1 加 强筋 的分 布 结 构 在 不 改 变 盖 板 厚 度 的 前 提 下，通

14、过 在 前 上 盖 板 上 增 加加 强 筋 的 方 法 提 高 盖 板 弯 曲 刚 度，减 小 盖 板 变形量。在 盖 板 上 设计 4种 加 强 筋 分 布结 构，见 图 3。采用 ABAQUS有限 元 分 析 软 件（法国 达 索 SIMULIA公司）的 Standard隐 式 分 析 求 解 器 计算 和对 比不同 加 强筋 结 构 下 不同 厚 度 前 上 盖 板 的 变形 量。a.两 框 结 构 b.四 框 结 构 c.下 四 框 结 构 d.八 框 结 构 图 3 前 上 盖板 加 强筋 分 布 结 构 示 意 图 Fig.3 Schematic diagram of reinf

15、orcement distribution of front upper cover plate 2.2 前 上 盖板 理 论变 形 量的 计算 2.2.1 盖 板 临 界 正 压 力 如图 4所 示，阴 影 部 分 为 被 压 实 的 茄 芯。以 压 实 的 茄 芯 为 研究对 象，在 竖 直 方 向 上进行 受 力 分 析，规 定 竖 直 向 下为正方 向，可 得：=-+=NF fg m Gg m Ff G F Fm21 压压 合（2）式 中：F合 为 茄 芯 在 竖 直 方 向 上 受 到 的 合 力，N；F压 为 压 块 与 配重 块 重 力 之 和，N；G为 茄 芯 自 身 重 力，

16、张 阁 等 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 茄 芯 库 盖 板 的 改 进与 应 用 131 N；f为 茄 芯 受 到 盖 板 的 摩 擦 力，N；m1为 压 块 与 配重块 质 量 之 和，kg；m2为 茄 芯 质 量，kg；g为 重 力 加 速 度，N/kg；为 摩 擦 系 数，无 量 纲；FN为 盖 板 受 到 的 正 压 力，N。已 知 阴 影 部 分 茄 芯 质 量 为 48 g，远 小 于 压 块 与 配重 块 质 量 之 和（5.39 kg），故 忽 略 茄 芯 自 身 重 力，可 得F 合=F 压-f。当 F 合 0 时 能 够 实 现 茄 芯 的 稳 定 输 出，即f F

17、压。查 阅 文 献 10的 方 法，选 取=0.2，g=10 N/kg，根 据 公 式（2）可 得 FN 269.5 N，即 盖 板 临 界 正 压 力为 269.5 N。F压Gf正 图 4 茄 芯 受 力 分析 示 意 图 Fig.4 Schematic diagram of stress analysis of filler 2.2.2 盖 板 变形 量 前 上 盖 板尺寸 为 138 mm 258 mm，茄 芯 主要分 布在与后下 盖 板 重 合 的区 域（后下 盖 板 长度为 127 mm），故 前 上 盖 板 有 效 面 积 S=138 127=17 526 mm2。将 集 中 载荷

18、 FN转 化 为 分 布 力 载荷 q，可 得：269.50.015 378 MPa17 526NFqS=（4）采用 ABAQUS有限 元 分 析 软 件 进行 盖 板 的 力-位 移 求 解 11-12，见 图 5。施 加 载荷，使 用 分 割 功能 将 前 上 盖 板划 分 为 有 茄 芯 区 域 A和 无 茄 芯 区 域 B，分 布 力载荷 q仅 作用 于 区 域 A上；设 置 材 料 属 性，采用mm-MPa单位制，输 入 黄 铜 材 料 弹 性 模 量 E=106000，泊 松 比 v=0.324；设 置 边 界 条件，采用 六 点 定 位 原 理，假 设 盖 前 上 盖 板 的 两

19、 个 侧面 完 全 固 定，即 U1=U2=U3=0，UR1=UR2=UR3=0，变形结果 见 图 6a；在 前 上 盖 板 的中 间 位 置 选 取一 条 直 线 并定义 为 path1，沿 该 直 线 输 出变形数 值，结果 见 图 6b。AB=1.5mm 图 5 前 上 盖板 的 载 荷 分 布 和 约 束条件 Fig.5 Load distribution and constraint conditions of front upper cover plate Path1 a.位 移 云 图 b.path1变形 量 图 6 前 上 盖板 变 形后 位 移 云 图与 path1变 形 量

20、 Fig.6 Displacement nephogram and path1 deformation of front upper cover plate after deformation 中国烟草学 报 Acta Tabacaria Sinica 2023 Vol.29 No.5 132 为 更 为 直 观 地 观 测 前 上 盖 板 的 变形 规律，绘 制 前 上 盖 板 变形后 的 三维 图，并 将 盖 板 从 两 端 到 中 间 依 次划 分 为 区 域 A、B、C（C1和 C2）、D（D1和 D2）、E（E1和 E2），见 图 7。前 上 盖 板 的 变形基 本 呈 对 称分 布

21、，变形 量从 两 端 向 中 间 依 次增 大，即 变形 量EDCBA。前 上 盖 板 不 接 触 茄 芯 的 位 置（C2、D2、E2）仍 然 会 产 生 变形，但 茄 芯 接 触 位 置 变形 量大于不 接 触 位 置，即 变形 量 C1C2、D1D2、E1E2。最 大 变形 量 为 5.5%，即 0.55 mm。当 茄 芯 流 动 不 畅时，茄 芯 库 首 次 最 大 变形 量 为 5.5%；茄 芯 在 茄 芯 库 中 因流 动 不 畅 逐渐 变 成 堵塞 时，变形 量 逐渐 累积。图 7 前 上 盖板 变 形 三 维 图 Fig.7 Three dimensional drawing

22、of deformation of front upper cover plate 2.3 加 强筋 参数 的 确定 2.3.1 加 强 筋 结 构 采用 厚 度为 1.5 mm的加 强 筋 根 据图 3制作 4种结构 的 前 上 盖 板，利 用 ABAQUS软 件（参 数 设 置同 2.2.2节）模 拟 得 到 4种 盖 板 的 变形 趋势（图 8），并 沿 path1路 径 输 出 中 间 位 置 的 变形 量（图 9）。可见，优 化 后 的 4种 前 上 盖 板 最 大 变形 量 均 有 所降低，其 中 八 框 结 构 的 降 幅达 58.90%，为 最 优 结 构。a.两 框 结 构

23、b.四 框 结 构 c.下 四 框 结 构 d.八 框 结 构 图 8 4种加 强筋 结 构 前 上 盖板 的变 形 趋势及 最大 变 形 量 Fig.8 Deformation trend and maximum deformation of the front upper cover plate with four reinforcement structures 张 阁 等 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 茄 芯 库 盖 板 的 改 进与 应 用 133 a.变形 量 b.最 大 变形 量 图 9 4种加 强筋 结 构 前 上 盖板 的 path1路 径 变 形 量与 最大 变 形 量

24、 Fig.9 Deformation and maximum deformation of the front upper cover plate with four reinforcement structures along path1 2.3.2 加 强 筋 厚 度 在 八 框 结 构 的 基 础 上，模 拟 3种 加 强 筋 厚 度（1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm）下 前 上 盖 板 的 变形 趋势，最大 变形 量 见 图 10。可见，加 强 筋 厚 度 越 大，最 大 变形量 越 小。考 虑 到 压 板 与 茄 芯 库 连 接 轴 的 尺寸 间 隙，无 法 继 续 增 加加

25、 强 筋 厚 度，最终 取 加 强 筋 厚 度 2.5 mm。图 10 不同加 强筋厚 度 前 上 盖板 的 最大 变 形 量 Fig.10 Maximum deformation of front upper cover plate with different reinforcement rib thickness 3 应 用 效 果 3.1 实验 设计 材 料：“泰 山（红 3G）”牌 机 制 雪茄 烟（山 东 中烟 工业有限责任公司 济 南卷烟 厂）。设备：MIR-01型 雪茄 卷 制 机 6台（生 产 速 度为12 17支/min，荷 兰 SCM公司）。其 中，1#、2#卷 制 机未

26、改 进；3#6#卷 制 机改 进 了 茄 芯 库 前 上 盖 板，加 强筋 分 布采用 八 框 结 构，厚 度为 2.5 mm。方 法：6台 机 制 雪茄 卷 制 机 运 行 速 度 均 为 14支/min，每 台 卷 制 机 每 天 两 班 次 生 产，每 班 次 工 作 8 h，茄 芯 库 前 上 盖 板 变形 量 超 标（变形 量 超 过 茄 芯 库 厚 度 的 10%，即 1 mm）后 更 换 前 上 盖 板。统 计 各 台 卷 制机 每 班 次 生 产的 雪茄 烟烟 支 空 头 率，以 及 茄 芯 库 因 堵 塞 而 导 致 前 上 盖 板 变形 量 超 标 的工 作 时间（即 使

27、用 寿 命）。测 试 时间 为 12个 月，取 平均 值。3.2 数 据 分析 由 表 1可见，茄 芯 库 前 上 盖 板 改 进后，平均 使 用 寿命 由 1099.5 h增 加 至 4079.5 h，延 长 271%；烟 支 空 头率 平均 值 由 9.57%降低 至 6.43%，降 幅 为 3.14百 分 点。表 1 茄 芯 库 前 上 盖板 改进 前 后测 试 数 据 Tab.1 Test data of the front upper cover of the filler magazine before and after improving 卷 制 机 前 上 盖 板 使 用 寿

28、 命/h 烟 支 空 头 率/%1#1 152 9.63 2#1 047 9.51 3#4 070 6.69 4#3 878 6.72 5#4 311 6.05 6#4 059 6.27 注：测 试 时间 为 2020年 6月 1日 2021年 5月 31日 4 结论 基 于 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 的 茄 芯 成 型 装置 工 作原 理，对 茄 芯、茄 芯 库 前 上 盖 板 进行 了 力 学分 析。采用增 加加 强 筋 的 方 式 对 茄 芯 库 前 上 盖 板 进行 改 进，并 分 别 考察 了 加 强 筋 结 构 和 厚 度 对 前 上 盖 板 变形 量的影响，得 到 最 优

29、 加 强 筋 结 构 为 八 框 结 构、厚 度为 2.5 mm。以 MIR-01型 雪茄 卷 制 机 生 产的“泰 山（红 3G）”牌雪茄 烟 为 对 象 进行 测 试，结果 表 明：改 进后 茄 芯 库 前 上 盖 板 变形 量 平均 超 标时间 增 加 2980 h，茄 芯 库 盖 板0.54960.36020.39090.29380.225958.9010203040506000.10.20.30.40.50.6原 结 构 两 框 四 框 下 四 框 八 框变形 量 降低/%最 大 变形 量/mm最 大 变形 量 变形 量 降低 0.22590.20370.115848.7010203

30、0405000.050.10.150.20.251.5 mm 2.0 mm 2.5 mm变形 量 降低/%最 大 变形 量/mm最 大 变形 量 变形 量 降低中国烟草学 报 Acta Tabacaria Sinica 2023 Vol.29 No.5 134 的 使 用 寿 命 延 长 271%，烟 支 空 头 率 降低 3.14百 分 点，有 效 减 小 了 盖 板 变形 量，改善 了 茄 芯 分 布 均 匀 性，提 高 了 雪茄 烟 生 产 品质。参考文献 1 张 迪，赵 进 恒，周 琳，等.机 制 雪茄 烟关 键 工 艺 技术 J.宁 夏 农林 科技，2018,59(5):61-62.

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33、22(9):186-189.4 仕 小 伟，田 明 祥，陈 平.MIR-01雪茄 烟卷 制 机 组 逆 序 式调 节 方 法建 模 及 仿 真 J.烟草科技，2016,49(8):94-98.SHI Xiaowei,TIAN Mingxiang,CHEN Ping.Modeling and simulation of reverse order adjustment method for MIR-01 cigar making machine combinationJ.Tobacco Science&Technology,2016,49(8):94-98.5 张 阁，常 月 勇，陈 珂.MIR

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39、.Improvement and application of the cover of filler magazine of MIR-01 cigar making machine ZHANG Ge1,YANG Qing2,MA Guangzhi3,GENG Changle1,LIU Jinlong1，WANG Haidong1，CHANG Yueyong1,DAI Youzong1,SUN Dongliang1*1 Shandong China Tobacco Industry Co.,Ltd.Jinan Cigarette Factory,No.2006,Kehang Road,High

40、 tech Zone,Jinan 250000;2 ZF Commercial Vehicle System(Qingdao)Co.,Ltd.Jinan Branch,No.1001,Century Avenue,High tech Zone,Jinan 250000;3 Jinan Quanyong Printing Co.,Ltd.,No.7117,Jingshi East Road,Jinan 250200 Abstract:Background The deformation of the cover plate of the filler magazine and high end-

41、losing rate may be caused by poor flow or blockage of the filler forming device of MIR-01 cigar making machine.Methods In this study,the front upper cover plate of the filler magazine was improved by adding reinforcing bars.Results Through the mechanical analysis of the filler and the filler magazin

42、e,the critical positive pressure of the front upper cover plate of the filler magazine was 269.5 N when the filler magazine flow was not smooth.ABAQUS finite element simulation software wass used to optimize the stiffener structure(two frames,four frames,four frames below,eight frames)and thickness(

43、1.5,2.0,2.5 mm)of the front upper cover plate,and the most suitable stiffener structure was eight frames and thickness was 2.5 mm.“Taishan(Red 3G)”cigars(Jinan Cigarette Factory of China Tobacco Shandong Industry Co.,Ltd.)produced by Mir-01 cigar making machine were tested.The results showed that af

44、ter the improvement,the average deformation time of the front upper cover increased from 1 099.5 h to 4 079.5 h,the durability was increased by 271%,and the average rate of cigar lose ends decreased from 9.57%to 6.43%.Conclusion The proposed method provides support for improving the quality of machine-made cigars.Keywords:MIR-01 cigar making machine;cigar filler magazine;cover;ABAQUS finite element analysis;reinforcing bars;deformation*Corresponding author.Email：