□ 王勝枝□ 肖偉忠□ 蔡培良□ 樊瑜瑾□ 楊劍鋒□ 李浙昆

1.紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 曲靖卷煙廠 云南曲靖655000

2.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 昆明650500

1 研究背景

煙葉被曬干切成絲時(shí)，葉片上的莖也會(huì)一同留在煙絲中，這就是煙絲中梗簽的來(lái)源。在生產(chǎn)成品卷煙時(shí)，如果煙絲中梗簽含量太高，則對(duì)卷煙的質(zhì)量口感都會(huì)有負(fù)面影響；同時(shí)梗簽的存在也會(huì)影響機(jī)器的工作性能，使得機(jī)器的工作部件快速磨損［1］。梗簽在一次分離后還有許多殘留，因此需進(jìn)行二次分離，梗簽二次分離裝置的核心在于懸浮裝置中風(fēng)速的控制和軟管橫截面積的設(shè)計(jì)。在此通道中，梗簽和煙絲將被分離；若分離的梗簽比例過高，則梗簽會(huì)帶走一部分有用的煙絲，不僅造成浪費(fèi)，而且會(huì)降低企業(yè)利潤(rùn)。如果分離太少，煙絲又不滿足質(zhì)量要求。梗簽被剔除越多，則一同被帶走的原料煙絲也會(huì)越多；通常而言，從質(zhì)量要求高的煙絲中剔除出來(lái)的梗簽中含有約10%～25%的合格煙絲，回收后集中作為垃圾處理，造成了煙絲的浪費(fèi)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)上的損失。所以，再次將剔除出去的煙絲重新回收利用已是一個(gè)急需解決的問題［2］。

現(xiàn)階段我國(guó)的卷煙廠對(duì)梗簽分離技術(shù)的研究從未停止，且投入越來(lái)越大，研究的成果也很豐富，然而多數(shù)只是在工藝上研究改進(jìn)機(jī)器機(jī)構(gòu)，以提高剔梗率，而對(duì)于懸浮裝置的研究相對(duì)較少，筆者將對(duì)卷煙機(jī)梗簽二次分離裝置中懸浮技術(shù)作具體研究。

2 新型梗簽二次分離總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型梗簽二次分離總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)包括：真空發(fā)生器、氣流調(diào)節(jié)器及梗簽二次分離裝置等。梗簽二次分離裝置通過軟管與梗簽一次分離裝置相連，在梗簽二次分離裝置與梗簽一次分離裝置通過軟管連接的中間，安裝有一個(gè)真空發(fā)生器，并且這一真空發(fā)生器所產(chǎn)生的氣流大小可以通過氣流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。當(dāng)真空發(fā)生器開始工作時(shí)，梗簽一次分離裝置和梗簽二次分離裝置便通過軟管形成一個(gè)依次工作的整體，通過氣流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)氣流大小來(lái)達(dá)到對(duì)梗簽分離效果進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的，二次分離出來(lái)的梗簽自動(dòng)送入梗簽收集斗，分離出來(lái)的成品煙絲直接送入卷煙機(jī)。

3 工作原理分析

▲圖1 新型梗簽二次分離總體結(jié)構(gòu)

▲圖2 新型梗簽二次分離整體工作原理

圖2所示為新型梗簽二次分離整體工作原理，梗簽混合物在梗簽一次分離裝置中一次分離后，在真空發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)壓作用下進(jìn)入軟管，通過軟管被輸送到梗簽二次分離裝置中。真空發(fā)生器氣源通過氣流調(diào)節(jié)閥與外部氣源相連。

當(dāng)經(jīng)過一次分離的梗簽混合物被軟管輸送到梗簽二次分離裝置后，混合物將進(jìn)行二次分離。梗簽二次分離裝置被設(shè)計(jì)成U形，如圖3所示，腔體內(nèi)空間較軟管大，氣流在梗簽二次分離裝置內(nèi)速度變慢，氣流壓力變小，這時(shí)，相對(duì)成品煙絲質(zhì)量較重的梗簽便落入出料口，通過軟管進(jìn)入梗簽收集斗，相對(duì)質(zhì)量較輕的煙絲則在離心力的作用下，沿著外圓弧壁通過煙絲收集通道進(jìn)入卷煙機(jī)后部煙絲收集箱內(nèi)，從而起到梗簽混合物二次分離的目的，提高煙絲的回收利用率［3］。

▲圖3 梗簽二次分離裝置工作原理

4 梗簽和煙絲的受力分析

在梗簽二次分離裝置中，梗簽和煙絲的分離原理在前已敘述清楚，當(dāng)梗簽和煙絲在氣流中受力平衡時(shí)，這時(shí)的氣流速度分別稱為梗簽和煙絲的懸浮速度，根據(jù)煙絲和梗簽的懸浮速度的不同，再通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定的風(fēng)速，使二者分離開來(lái)。接下來(lái)對(duì)煙絲和梗簽在懸浮狀態(tài)時(shí)的受力作一詳細(xì)分析。

梗簽和煙絲在梗簽二次分離裝置中會(huì)受到各種力的作用［4］，包括重力、氣流升力、阻力等。在風(fēng)選過程中，由于形狀不規(guī)則的梗簽在氣流中的阻力相比球形的大，因此與球形梗簽具有相同質(zhì)量的梗簽中，球形梗簽的懸浮速度最大。對(duì)于不規(guī)則形狀的梗簽懸浮速度計(jì)算，只需要將其換算成當(dāng)量球體，然后將當(dāng)量球體直徑作為計(jì)算直徑代入計(jì)算式，得出近似懸浮速度。因此如果只將梗簽看成是等效懸浮在空氣中的球體，且只是作簡(jiǎn)單的上下運(yùn)動(dòng)，則梗簽受力示意圖如圖4所示。

▲圖4 梗簽受力示意圖

設(shè)梗簽當(dāng)量球體直徑為ds，懸浮速度為V0時(shí)，則梗簽受到的氣流升力F為：

式中：C為空氣阻力因數(shù)，對(duì)于球體，一般取0.5；ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.20 kg/m3。

由于梗簽在具有一定速度的氣流中會(huì)受到一定的浮力，因此在氣流中梗簽所受的重力G為：

式中：ρs為梗簽密度。

當(dāng)F=G，也就是上述所求兩力達(dá)到平衡時(shí)［5］，這時(shí)即可求得懸浮速度V0為：

對(duì)于不規(guī)則形狀的梗簽懸浮速度計(jì)算，將當(dāng)量球體直徑代入計(jì)算式，得出梗簽近似懸浮速度V0′，計(jì)算式為：

式中：C1為懸浮梗簽的實(shí)際受力面積與空氣的摩擦阻力因數(shù)；Ks為不規(guī)則梗簽的外形修正因數(shù)，Ks=C1/C。

由式（3）和式（4）可以計(jì)算得到梗簽的懸浮速度為4.5～6.5 m/s；同樣可以得到煙絲的懸浮速度為2.5～3 m/s［6］。當(dāng)風(fēng)速小于2.5 m/s時(shí)，則對(duì)混合物的分離將不起作用，混合物無(wú)法到達(dá)梗簽二次分離裝置。當(dāng)風(fēng)速大于6.5 m/s時(shí)，梗簽將一同被送入煙絲收集箱，梗簽與煙絲無(wú)法被分離。因此只有將風(fēng)速設(shè)置在3～4.5 m/s之間，才能達(dá)到預(yù)期分離的良好效果。

5 風(fēng)機(jī)及軟管參數(shù)選擇

為了達(dá)到所需要的風(fēng)速，對(duì)風(fēng)機(jī)的選擇至關(guān)重要。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)工廠現(xiàn)有設(shè)備的工作能力和效率進(jìn)行詳細(xì)的了解后，筆者選定以500 kg/h的梗簽煙絲混合物作分離處理效率展開計(jì)算［7］。

假定以W表示每小時(shí)的立方米風(fēng)量；以Q表示每小時(shí)的處理量，也就是500 kg/h。則每小時(shí)的風(fēng)量W計(jì)算式為：

式中：μ 為混合物濃度比，取 μ=0.13［8］。

由式（5）計(jì)算得到風(fēng)量W=3 205 m3/h。

根據(jù)煙絲的懸浮速度可求得與梗簽二次分離裝置相連的軟管橫截面積S的計(jì)算式為：

根據(jù)煙絲的懸浮速度V0為2.5～3 m/s，由式（6）計(jì)算可得軟管橫截面積S為0.297～0.356 m2。

由式（5）計(jì)算可知，在每小時(shí)處理梗簽煙絲混合物數(shù)量在500 kg時(shí)，風(fēng)機(jī)需產(chǎn)生3 205 m3/h的風(fēng)量才能達(dá)到所需要求。由式（6）計(jì)算可知，同時(shí)輸送梗簽煙絲混合物的軟管橫截面積需在0.297～0.356 m2之間。

6 梗簽二次分離裝置分離效果評(píng)價(jià)

梗簽二次分離裝置在設(shè)計(jì)前需要對(duì)其在原理上進(jìn)行分析是否可行；當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，又必須要對(duì)其在實(shí)際生產(chǎn)中的分離效果進(jìn)行具體的評(píng)估。分離的效果和效率直接影響卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量，以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)裝置的工作效果評(píng)價(jià)主要從分離效率、煙絲中含梗簽率兩個(gè)指標(biāo)去分析。

6.1 分離效率

分離效率是評(píng)價(jià)梗簽分離裝置最主要的指標(biāo)，分離效率可以分為兩種，一種是通過分離出來(lái)被煙絲收集箱收集的煙絲數(shù)量來(lái)計(jì)算，另一種則是通過分離出來(lái)被梗簽收集斗收集的梗簽數(shù)量來(lái)計(jì)算［9］。兩者分離效率的計(jì)算均是用分離出來(lái)的煙絲或者梗簽數(shù)量與被送入到分離器煙絲或梗簽總量的比值，它們的計(jì)算公式均為：

式中：η為煙絲或梗簽的分離效率；m1為通過機(jī)器分離出來(lái)的煙絲或梗簽的總質(zhì)量；m2為參與分離的煙絲或梗簽的總質(zhì)量

無(wú)論用那種方法計(jì)算分離效率，均要求分離效率越高越好。分離效率越高，則說明裝置的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)均符合要求，能夠達(dá)到預(yù)期目的。經(jīng)過梗簽二次分離裝置分離后，再經(jīng)過在線上回收后統(tǒng)計(jì)得到，分離后煙絲中含絲率在99.5%以上。

6.2 煙絲含梗率

除了上述將煙絲和梗簽分開后單獨(dú)通過煙絲或者梗簽來(lái)計(jì)算分離效率的方法相比，還可以通過計(jì)算最后收集到的有用煙絲中含有的梗簽數(shù)量的方法來(lái)計(jì)算分離效率。用有用煙絲收集箱收集到的梗簽數(shù)量除以有用煙絲收集箱中煙絲和極少量的梗簽數(shù)量總和，其表達(dá)式為：

式中：ηg為煙絲中含梗率；m3為煙絲收集箱中回收到的梗簽質(zhì)量；m4為煙絲收集箱中回收到的煙絲質(zhì)量。

由式（8）計(jì)算所求得的是煙絲中含梗率，用煙絲中含梗率也能夠有效地反應(yīng)梗簽二次分離裝置在實(shí)際工作中的分離效率。梗簽二次分離裝置的工作性能對(duì)分離后煙絲的含梗率有著關(guān)鍵的影響，機(jī)器對(duì)煙絲和梗簽的收集效率越高，煙絲中含梗率就越低，說明機(jī)器的性能越優(yōu)越。反之，則說明分離效率差，機(jī)器不能滿足工作要求。一般而言，有效的煙絲含梗率應(yīng)小于10%［10］。

7 結(jié)論

梗簽二次分離裝置可以減少原料損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。筆者經(jīng)過力學(xué)分析得到煙絲的懸浮速度為2.5～3 m/s，梗簽的懸浮速度為4.5～6.5 m/s，具體在分離過程中，根據(jù)含梗率可以將風(fēng)速設(shè)置為3～4.5 m/s之間，含梗率高，可將風(fēng)速相應(yīng)提高，含梗率低，則相應(yīng)調(diào)低；為了使產(chǎn)生的風(fēng)速能達(dá)到煙絲與梗簽分離的要求，需要選擇每小時(shí)能產(chǎn)生3 205 m3風(fēng)量的風(fēng)機(jī)；軟管管道的橫截面積約在0.297～0.356 m2。采用這一風(fēng)選裝置進(jìn)行梗簽分離，分離效果較為理想，根據(jù)不同品牌、不同要求分離出不同含梗率的煙絲，能滿足不同質(zhì)量卷煙的需求。