基于Solidworks Simulation仿真分析的ZJ118卷烟机双芯加热搓板装置设计

潘昱亭，蔡培良，黄莉，杨彩虹，金学鹏，杜浦泽，邓璟

基于Solidworks Simulation仿真分析的ZJ118卷烟机双芯加热搓板装置设计

潘昱亭，蔡培良，黄莉，杨彩虹，金学鹏，杜浦泽，邓璟

（红云红河烟草（集团）有限责任公司曲靖卷烟厂，云南 曲靖 655001）

为解决卷烟机在生产中细支卷烟时，因搓板加热不均匀导致的水松纸泡皱、皱纹、翘边等质量问题。基于SOLIDWORKS Simulation仿真分析设计了一种400 W+800 W双芯加热搓板装置，代替原有的1 200 W单芯加热搓板装置，并通过仿真分析2种搓板加热装置在设定温度为200 ℃时的热量分布情况，然后在实际生产中验证改造方案的应用效果。仿真分析的结果表明，400 W+800 W双芯加热搓板装置的热量极限和加热效率都比1 200 W单芯加热搓板装置高，双芯加热能更加快速地达到设定温度，搓板体上的热量分布更均匀，搓板面上的热量分布也更加稳定，温差较小，能够更好地保证卷烟搓接质量的稳定性。实际应用效果显示，使用双芯加热搓板装置后，再也没有出现水松纸泡皱、皱纹、翘边等质量问题。400 W+800 W双芯加热搓板装置具有加热效率高、热量分布均匀、温差小等优点，能更有效地提高卷烟搓接质量，既大大减少了卷接质量事故出现频次和设备停台维修时间，也降低了卷烟生产消耗。

双芯加热搓板；仿真分析；水松纸；热量分布；卷烟机；中细支

ZJ118型卷烟机是国内主流的中高速卷烟设备。烟丝经过卷制成型机部分被卷成烟条，再由长切刀将其分切成双倍长卷烟，蜘蛛手机构将双倍长卷烟拾取传递至滤嘴接装机部分的接烟鼓轮，首先经过第一切割鼓轮将双倍上卷烟从中间切开变成2段单长卷烟，经分离鼓轮将2段卷烟分开，在汇合鼓轮处与双倍长滤嘴段汇合，再与切成小段的水松纸汇合，然后在搓板和搓接鼓轮的共同作用下，将水松纸完整地包裹在卷烟和滤嘴段上形成双倍长烟支，最后由最终切割鼓轮将双倍长烟支分切成完整的2支烟继续向前输送。其中，水松纸在与滤嘴段和卷烟搓接的时候，常常会出现水松纸翘边、泡皱、皱纹等质量缺陷，特别是在生产中细支卷烟时此问题更加突出，这种缺陷也不是所有产品都有，操作工在自检自查的时候会很难发现，很可能会流入下一道工序，这就给产品质量带来了极大的风险，所以需要从根本上解决这个问题。

赵龙等[1]通过增加搓板长度和改变入口弧度等一系列改造来减少泡皱烟和漏气烟的发生，提高“烟组”的搓接质量。彭永刚等[2]通过在设备上对滤棒滚搓导轨指加宽、传送鼓轮导轨槽的改进、鼓轮相位调整等方法来减少水松纸皱纹的出现。王伯楠等[3]针对烟支滤嘴传统搓接技术中存在剥离趋向，导致水松纸出现泡皱现象，在原有设备基础上，将搓接板设计成带加滚针的搓板，达到消除传统搓接技术中存在的剥离趋向问题，从而提高卷烟机烟支接装质量。张文昌等[4]在启动规表面喷涂碳化钨，增加烟支摩擦力；搓板加装过渡规，表面改为两端带有竖搓纹、中间为光滑面的结构，使烟支滚动顺畅；改变归位轮和搓板位置，使搓接动作更加顺畅，从而改善卷烟搓接质量，但是均不能有效解决水松纸翘边、泡皱、皱纹的问题。通过对产生此缺陷产品进行原因分析得知，主要是搓板加热装置的热量分布不均匀，导致卷烟和水松纸在旋转搓接的过程中受热不均匀，从而引起相关质量缺陷，故文中基于Solidworks Simulation仿真分析设计了一种400 W+800 W双芯加热搓板装置替代原先的1 200 W单芯加热搓板装置，实现搓板体和搓板面的热量均匀分布，从而提高水松纸的搓接质量[5]，杜绝了水松纸翘边、泡皱、皱纹等缺陷产品的产生。

1 问题分析

ZJ118型卷烟机卷烟接装过程如图1所示，烟丝经过卷制成型机部分被卷成烟条，再由长切刀将其分切成双倍长卷烟，蜘蛛手机构将双倍长卷烟拾取传递至滤嘴接装机部分的接烟鼓轮A，首先经过第一切割鼓轮B将双倍上卷烟从中间切开变成2段单长卷烟，经分离鼓轮C将2段卷烟分开，在汇合鼓轮D处与双倍长滤嘴段汇合，再与切成小段的水松纸汇合，然后在搓板和搓接鼓轮F的共同作用下，将水松纸完整地包裹在卷烟和滤嘴段上形成双倍长烟支，最后由最终切割鼓轮G将双倍长烟支分切成完整的2支烟继续向前输送。

图1 ZJ118型卷烟机卷烟接装过程

如图2所示，水松纸和卷烟的搓接过程是卷烟生产中的重要组成部分，水松纸和卷烟2在搓板3与搓接鼓轮1之间进行滚动搓接，水松纸完整地包裹卷烟一圈，并在搓板热量的作用下将白乳胶凝固，搓板3上安装加热芯4和热敏电阻5，热敏电阻5用来实时监测搓板的温度，通过程序对搓板温度进行PID自动控制，当温度低于设定温度值时，固态继电器接通加热芯4的电源进行加热，当温度高于设定温度值时，固态继电器断开加热芯4的电源，此时不加热。现有搓板装置采用的是1 200 W单芯加热，在长时间的使用中，发现存在一些不足之处。首先搓板的工作弧长在90 mm左右，常规烟支圆周为24.3 mm左右，搓接过程中约在搓板上滚动3周半，而细支烟圆周为16.9 mm左右，搓接过程中需要在搓板上滚动5周左右，细支卷烟的水松纸比常规烟支的水松纸要硬一些[6]，所以细支卷烟在搓接过程中带走的热量会比常规卷烟带走的更多，生产过程中尤其在启动阶段，细支卷烟带走的大量热量会使搓板温度急速下降，产生水松纸搓接质量缺陷；其次搓板搓接弧面较大，加热芯位于搓板入口处附近，热敏电阻位于搓板中部，搓板面的热量分布不均匀，导致一部分卷烟的水松纸不能有效地包裹甚至翘边，因此，搓板体和搓板面上的热量分布情况和搓板温度的稳定性对水松纸的搓接质量至关重要[7]。搓板温度不稳定、热量分布不均匀是产生水松纸翘边、泡皱、皱纹的主要原因[8]。同时，这种质量缺陷不是每支烟都会出现，对操作人员来说也极大地增加了质量控制的风险，一旦出现此缺陷就需要停机进行大量的排查，不仅降低了设备效率，还产生大量的消耗。为此，在热敏电阻安装位置前端设计一个8 mm的通孔，用于安装400 W加热芯，原加热芯位置安装800 W加热芯，从而构成新型双芯加热搓板装置。

1.搓接鼓轮；2.双倍长卷烟；3.搓板；4.加热芯；5.热敏电阻。

2 仿真分析

为了更加具体地分析搓板加热装置热量分布情况[9]，笔者采用SolidWorks软件中的Solidworks Simulation插件进行热力有限元分析[10]，分别对单芯1 200 W加热搓板装置和双芯400 W+800 W加热搓板装置进行了热力仿真对比分析[11]。

2.1 建模

2.1.1 功率1 200 W单芯加热搓板装置的建模

按照实际尺寸分别画出搓板体、热敏电阻和1 200 W加热芯的零件图，然后组装成一个装配体，其中，热敏电阻的安装位置处于搓板体的正中心，见图3a。

2.1.2 功率400 W+800 W双芯加热搓板装置的建模

按照实际尺寸分别画出搓板体、热敏电阻、400 W加热芯和800 W加热芯的零件图，然后组装成一个装配体，其中，热敏电阻的安装位置处于搓板体的正中心，见图3b。

2.2 新建热力分析算例

分别在2个装配图中打开SolidWorks软件中的Solidworks Simulation插件，选择“热力”，新建一个热力分析的算例，因为需要分析搓板装置持续加热的情况，所以热力分析“属性”设置为瞬态分析，时间设为300 s，时间步长设置为10 s，见图4。

2.3 设定参数

2.3.1 选定零件材料

加热芯选材为合金钢，热敏电阻选材为铸造不锈钢，搓板体选材为可锻铸铁，相关材料的参数见表1。

2.3.2 设定相触面组

解读、分析一直以来都是语文课堂教学的难点，因为教师要想让学生真正理解文本中所表达的、所传递的中心思想，要想改变目前的死记硬背，除了要引导学生去解读之外，还要锻炼和提高学生的解读能力，使学生在主动解读中树立起积极的阅读意识。那么，学生在解读的过程中应该从哪些地方入手呢？学生应该对文本解读些什么呢？在笔者看来，一线教师要给学生自主解读文本“背景”“字词”“情感”等方面的机会，要让学生在自主解读中形成能力，进而逐步提升基本的语文素养。

根据各零件之间的配合关系，设定加热芯的圆弧面和搓板体的预留孔为一个接触面组，热阻设置为2.32×10−4(K·m2)/W；热敏电阻的圆弧面和搓板体的预留孔也为一个接触面组，热阻设置为2.32×10−4(K·m2)/W，见图5。

图3 搓板建模

图4 新建算例

2.3.3 设定热载荷

设定“热量”，将加热芯的热量设定为其对应的功率，双芯搓板装置加热芯的功率设定为400 W和800 W，单芯搓板装置加热芯的功率设定为1 200 W。

设定“对流”，搓板体暴露在空气中的面的对流系数设定为30 W/(m2·℃)，加热芯和热敏电阻暴露在空气中的面的对流系数设定为40 W/( m2·℃)。

设定“温度”，将算例的初始温度设置为环境温度298 K，见图6。

2.4 生成网格

将所建的搓板装置模型进行网格化，选择“基于曲率的网格化”，“网格密度”调至良好，然后自动生成网格化，见图7。

2.5 运算结果

分别运行单芯加热搓板装置和双芯加热搓板装置的热力分析算例，运算结果见图8。

3 仿真结果分析

如图8，在仿真分析算例运行300 s后，单芯加热搓板装置的最高温度和最低温度分别为512 ℃和229 ℃，最大温度差为283 ℃；双芯加热搓板装置的最高温度和最低温度分别为526 ℃和327 ℃，最大温度差为199 ℃。这说明400 W+800 W的双芯加热搓板装置的热量极限比1 200 W的单芯加热搓板装置的高，而且整个搓板体的温度分布差距小，热量在搓板体上的分布较均衡。

表1 零件材料参数

Tab.1 Material parameters of parts

图5 相触面组设置

图6 热载荷设定

图7 生成网格化

图8 运算结果

图9 截面裁剪选取采样点

图10 热敏电阻中心（温度/时间）曲线

图11 达到设定温度200 ℃时的运算结果

图12 达到200 ℃时搓板面上的温度分布

图13 达到200 ℃时搓板面温度分布曲线（从搓板入口到出口）

因为搓板体主要与烟支接触的是搓板面，所以搓板面上的温度分布对保证卷烟的搓接质量至关重要。从前面的分析可以看出1 200 W单芯加热搓板的中心点温度在134 s时升至设定温度200 ℃，而400 W+800 W双芯加热搓板的中心点温度在100 s时升至设定温度200 ℃，故将2个仿真算例都设定到其达到设定温度时的工作状态，如图11所示，以此来观察分析当搓板加热装置工作在设定温度时的搓板面温度分布情况。从图12可以看出，当处于设定温度时，单芯加热搓板装置的搓板面上热量主要集中在搓板入口至搓板面1/2处，而双芯加热搓板装置的搓板面上热量分布较均匀，从搓板入口一直到搓板面3/4处。

另外，如图13所示，从搓板入口到出口顺序选取采样点，查看所有采样点温度分布情况可知，1 200 W单芯加热搓板装置搓板面的温度最大值和最小值分别是260 ℃和87.3 ℃，最大温差为172.7 ℃，而且搓板靠近出口的1/4部分温度都低于110 ℃；400 W+800 W双芯加热搓板装置搓板面的温度最大值和最小值分别是219 ℃和113 ℃，最大温差为106 ℃，而且整个搓板面的温度都高于110 ℃。这说明，在同等工况下，双芯搓板面的热量比单芯搓板面的热量分布得更加均匀，且温差较小，能够更好地保证卷烟搓接质量的稳定性。

4 双芯加热搓板装置设计

从仿真分析结果可以看出，400 W+800 W双芯加热搓板装置比1 200 W单芯加热搓板装置有很明显的优势，有利于搓板热量均匀分布，从而改善卷烟搓接质量，因此基于仿真分析结果，笔者设计了一种400 W+800 W双芯加热搓板装置。

4.1 装置结构

如图14所示，ZJ118卷烟机400 W+800 W双芯加热搓板装置，其基本构成包括搓板、800 W加热芯、400 W加热芯、热敏电阻、固态继电器[12]、PLC模块、原机触摸显示屏、原机工控机等。原机工控机为PLC[13]模块提供加热使能信号和给定搓板温度值，热敏电阻为PLC模块提供搓板实时温度值[14]，PLC模块根据程序来控制固态继电器的通断，从而控制800 W加热芯和400 W加热芯的加热。

4.2 硬件设计

如图15所示，所述的搓板1长度为77 mm，前端厚度为25.78 mm，后端厚度为13.65 mm，弧面半径为135.35 mm，弧长为81 mm，搓板体采用铸铁锻造，搓板体采用热处理，增强其硬度及减少高温加热时的变形[15]，搓板体两端表面5均匀加工直条纹，其条纹深度为20 μm，搓板中间表面6喷涂陶瓷，以增加其摩擦；800 W加热芯2安装在搓板1前端直径为12.6 mm的圆柱通孔内，400 W加热芯4安装在搓板1后端的直径为8 mm的圆柱通孔内，热敏电阻3安装在搓板1中间直径为7 mm的圆柱通孔内，处于搓板的正中，测得的温度为搓板均匀分布的稳定值。加热芯3和4的加热电源均为220 V，由固态继电器控制通断。

图14 双芯加热搓板装置结构

1.搓板；2.800 W加热芯；3.热敏电阻；4.400 W加热芯；5.搓板两端表面；6.搓板中间表面。

5 应用效果

如图16，将新设计的400 W+800 W搓板加热装置运用于实际生产中，为了验证改进效果，随机选取一台ZJ118型细支卷接机组作为实验对象，机组工作条件：按照三班正常倒班连续生产10 d，每天生产18 h，日保养1.5 h，班前保养20 min/班。分别采集ZJ118卷接机组安装双芯加热搓板装置前后的样本数据各10组，对烟支皱纹、泡皱、翘边等缺陷烟支出现的频次进行统计。

由表2可以看出，改进前平均每天出现皱纹2.5次、泡皱1次、翘边1次，改进后平均每天出现皱纹0.1次、泡皱0.1次、翘边0次。改进后，由搓板加热装置加热不均匀导致的水松纸皱纹减少了96%，泡皱减少了90%、翘边减少了100%，改进后水松纸搓接质量问题大幅减少，效果非常好。

图16 双芯加热搓板装置实际应用

表2 双芯加热搓板装置安装前后出现质量问题频次统计

Tab.2 Frequency statistics of quality problems before and after installation of double core heating washboard device

6 结语

从仿真分析可以得出结论，400 W+800 W的双芯加热搓板装置的热量极限比1 200 W的单芯加热搓板装置高，而且整个搓板体的温度分布差距小，热量在搓板体上的分布较均衡。另外，400 W+800 W的双芯加热搓板装置的加热效率比1 200 W的单芯加热搓板装置高，可以快速地达到设定温度200 ℃，能更好地满足生产需求，在同等工况下，双芯搓板面的热量比单芯搓板面的热量分布得更加均匀，且温差较小，能够更好地保证卷烟搓接质量的稳定性。

实验数据也表明，改进后，由搓板加热装置加热不均匀导致的水松纸皱纹数量减少了96%，泡皱减少了90%、翘边减少了100%，改进后水松纸搓接质量问题大幅减少，由此说明，该400 W+800 W双芯加热搓板装置具有加热效率高，热量分布均匀，温差小等优点，能更有效地提高卷烟搓接质量，既大大减少了卷接质量事故出现频次和设备停台维修时间，也降低了卷烟生产消耗，可推广应用于烟草行业各种中细支卷烟机型。

[1] 赵龙, 李忱臻, 余宇文. MAX70接装机搓板改进与分析[J]. 科技创新导报, 2013, 10(29): 34-36.

ZHAO Long, LI Chen-zhen, YU Yu-wen. Analysis on Rolling Plate Improvement of MAX70 Plug Assembling Machine[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2013, 10(29): 34-36.

[2] 彭永刚, 刘德凯, 屈飚, 等. Φ5.25 mm烟支皱纹的形成及解决办法[J]. 设备管理与维修, 2014(7): 29-31.

PENG Yong-gang, LIU De-kai, QU Biao, et al. Formation and Solution of Φ5.25 mm Cigarette Wrinkles[J]. Plant Maintenance Engineering, 2014(7): 29-31.

[3] 王伯楠, 杨维平, 李兴勇, 等. 烟支滤嘴搓接装置的优化设计[J]. 新技术新工艺, 2017(7): 25-27.

WANG Bo-nan, YANG Wei-ping, LI Xing-yong, et al. Optimal Design of Cigarette Filter Tip Rubbing Device[J]. New Technology & New Process, 2017(7): 25-27.

[4] 张文昌, 王国兴, 陈海龙, 等. ZJ17卷接机组搓板组件改进与应用[J]. 山东工业技术, 2018(14): 13-14.

ZHANG Wen-chang, WANG Guo-xing, CHEN Hai-long, et al. Improvement and Application of Washboard Assembly of ZJ17 Cigarette Making Machine Set[J]. Shandong Industrial Technology, 2018(14): 13-14.

[5] 栗勇伟, 乔建军, 马少军, 等. 卷接机组烟支搓接质量的研究及改进[J]. 烟草科技, 2012, 45(10): 24-27.

LI Yong-wei, QIAO Jian-jun, MA Shao-jun, et al. Improvement of Filter Plug Assembling Quality in Cigarette Making[J]. Tobacco Science & Technology, 2012, 45(10): 24-27.

[6] 董浩, 刘锋, 荆熠, 等. 不同类型烟用接装纸表面性能及其对卷接效果的影响[J]. 烟草科技, 2011, 44(4): 10-13.

DONG Hao, LIU Feng, JING Yi, et al. Surface Properties of Different Tipping Paper and Their Influences on Tipping Effects[J]. Tobacco Science & Technology, 2011, 44(4): 10-13.

[7] 张莹, 陈渝, 张振文, 等. 温度对烟用乳胶粘度的影响[J]. 烟草科技, 2005(4): 16-19.

ZHANG Ying, CHEN Yu, ZHANG Zhen-wen, et al. Effects of Temperature on Viscosity of Emulsion Adhesives for Cigarette[J]. Tobacco Science & Technology, 2005(4): 16-19.

[8] 倪昭, 刘军, 汤战, 等. 滤嘴泡皱烟支的统计学特征分析[J]. 烟草科技, 2000, 33(5): 26-27.

NI Zhao, LIU Jun, TANG Zhan, et al. Analysis of Statistical Characteristics of Wrinkled Cigarette in Filter Tip[J]. Tobacco Science & Technology, 2000, 33(5): 26-27.

[9] 周吉. 基于SolidWorks的功率单元热力分析[J]. 上海电气技术, 2013, 6(1): 35-40.

ZHOU Ji. The Power Unit's Thermal Analysis Based on SolidWorks[J]. Journal, 2013, 6(1): 35-40.

[10] 陈永当, 任慧娟, 武欣竹. 基于SolidWorks Simulation的有限元分析方法[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2011(09): 48-51.

CHEN Yong-dang, REN Hui-juan, WU Xin-zhu. Finite Element Analysis Method Based on SolidWorks Simulation[J]. Intelligent Manufacturing, 2011(9): 48-51.

[11] 陈永当, 鲍志强, 任慧娟, 等. 基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析[J]. 计算机技术与发展, 2012, 22(9): 177-180.

CHEN Yong-dang, BAO Zhi-qiang, REN Hui-juan, et al. Finite Element Analysis for Product Design Based on SolidWorks Simulation[J]. Computer Technology and Development, 2012, 22(9): 177-180.

[12] 周卫兵. 固态继电器的特点及应用[J]. 山西电子技术, 2010(1): 90-92.

ZHOU Wei-bing. The Characteristics of Solid-State Relays and Its Application[J]. Shanxi Electronic Technology, 2010(1): 90-92.

[13] 于兆磊. PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J]. 中国设备工程, 2021(1): 227-229.

YU Zhao-lei. Research on The Application of PLC Technology in Electrical Engineering[J]. China Plant Engineering, 2021(1): 227-229

[14] 黄礼刚. 加热器温度调整适应多种接装纸搓接效果的研究[J]. 现代制造技术与装备, 2016(11): 86-87.

HUANG Li-gang. Study on the Effect of the Temperature Adjustment of the Heater to the Rubbing Effect of Various Kinds of Tipping Paper[J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment, 2016(11): 86-87.

[15] 唐根利. 接装机搓板形状结构不同与搓接质量关系的研究[C]// 中国烟草学会2006年学术年会论文集, 2007: 913-922.

TANG Gen-li. Study on The Relationship Between The Different Shape And Structure of The Washboard of The Splicing Machine and The Splicing Quality[C]// Proceedings of 2006 Academic Annual Meeting of China Tobacco Society, 2007: 913-922.

Design of Double Core Heating Washboard Device of ZJ118 Cigarette Machine Based on Solidworks Simulation Analysis

PAN Yu-ting, CAI Pei-liang, HUANG Li, YANG Cai-hong, JIN Xue-peng, DU Pu-ze, DENG Jing

(Qujing Cigarette Factory, Hongyun Honghe (Group) Co., Ltd., Yunnan Qujing 655001, China)

The work aims to solve the quality problems of blister wrinkle, wrinkle and edge warping of tipping paper caused by uneven heating of washboard in production of fine cigarettes. Based on SolidWorks simulation analysis, a 400 W + 800 W double core heating washboard device was designed to replace the original 1 200 W single core heating washboard device. The heat distribution of the two kinds of washboard heating devices at the set temperature of 200 ℃ was simulated and analyzed, and then the application effect of the transformation scheme was verified in actual production. The results of simulation analysis showed that both heat limit and heating efficiency of the 400 W + 800 W dual core heating washboard device were higher than those of the 1 200 W single core heating washboard device. The dual core heating can reach the set temperature more quickly. The heat distribution on the washboard body was more uniform. The heat distribution on the washboard surface was more stable. And the temperature difference was small, which could better ensure the stability of cigarette splicing quality. The practical application results showed that after using the double core heating washboard device, there were no quality problems such as blister wrinkle, wrinkle and edge warping of tipping paper. It can be concluded that the 400 W + 800 W dual core heating washboard device has the advantages of high heating efficiency, uniform heat distribution and small temperature difference. It can more effectively improve the cigarette splicing quality, greatly reduce the frequency of coiling quality accidents and equipment shutdown and maintenance time, and reduce the consumption of cigarette production.

double core heating washboard; simulation analysis; tipping paper; heat distribution; cigarette machine; middle fine branch

TS43

A

1001-3563(2023)03-0268-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.034

2022−03−23

云南省科技项目（2018BA087）

潘昱亭（1994—），男，本科，助理工程师，主要研究方向为卷烟包装设备电气故障诊断。

蔡培良（1972—），男，高级工程师，主要研究方向为卷包设备和电气控制理论。

责任编辑：曾钰婵