王勝枝

摘要：卷煙中梗簽的含量將嚴(yán)重影響卷煙的質(zhì)量，目前國內(nèi)煙草加工中梗簽分離主要采用風(fēng)分法，煙草企業(yè)主流中的卷接機(jī)組有PROTOS70卷接機(jī)組、PROTOS-M5卷接機(jī)組等，這些設(shè)備引進(jìn)時(shí)間較早，存在梗簽分離不徹底的現(xiàn)象，造成卷煙的質(zhì)量不穩(wěn)定，還因?yàn)闊熃z的浪費(fèi)產(chǎn)生極大地生產(chǎn)消耗、增加生產(chǎn)成本。本文通過采用實(shí)驗(yàn)法、邏輯分析法對梗簽分離進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)分析，從理論上探究了梗簽分離技術(shù)，分析了梗簽分離裝置的工作原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為工作效率的進(jìn)一步提高、降低分離后煙絲中的含梗簽率奠定了基礎(chǔ)。

Abstract： The content of stems and sticks in cigarette will seriously affect the quality of cigarette. at present， the separation of stems and sticks in domestic tobacco processing mainly adopts air separation method. In this paper， the aerodynamic analysis of stem - stick separation was carried out by experimental method and logical analysis method， the stem - stick separation technology was explored theoretically， the working principle of stem - stick separation device was analyzed， and the structural parameters were calculated according to the experimental data， which laid a foundation for further improving the work efficiency and reducing the stem - stick rate in the separated tobacco.

關(guān)鍵詞：風(fēng)分原理；梗簽；煙絲；分離；結(jié)構(gòu)參數(shù)

Key words： wind principle；terrier sign；tobacco shreds；separation；structural parameter

中圖分類號：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0177-03

0 引言

我國作為世界上最大的煙草消費(fèi)國，煙支的種類在逐漸增多，因此必須在增加產(chǎn)量的同時(shí)保證卷煙質(zhì)量。國內(nèi)煙草企業(yè)卷接組設(shè)備機(jī)型老舊，梗簽分離不徹底，導(dǎo)致煙絲中含梗率高、剔除梗簽中含有少量煙絲，降低卷煙品質(zhì)，同時(shí)增加生產(chǎn)消耗。為解決梗簽分離不徹底問題，對卷煙機(jī)梗簽二次分離裝置工作原理、梗簽分離過程加以探究，配置分離裝置相關(guān)參數(shù)，提高梗簽分離效果。

1 梗簽二次分離裝置

1.1 梗簽二次分離裝置的組成

該梗簽二次分離裝置整體構(gòu)成如圖1所示。原機(jī)梗簽分離裝置1的上端有入口下端有開口斜向下且管身傾斜的直通管道并與真空懸浮裝置2相連。原機(jī)梗簽分離裝置1內(nèi)壁上零散分布有三角形擋板。真空懸浮裝置2下部與原機(jī)梗簽分離裝置以管道連通，頂部與負(fù)壓發(fā)生器4用管道5連接，真空懸浮裝置底端與梗簽收集器相連，真空懸浮裝置腔室內(nèi)壁分布有擋板。負(fù)壓發(fā)生器另一側(cè)與離心風(fēng)分裝置6通過管道連接。離心風(fēng)分裝置的起端與負(fù)壓發(fā)生器相連，前部為有正壓氣流的管道，管道的頂端延伸出兩個(gè)半徑不同的圓弧管道，直徑較大的管道與原機(jī)煙絲料斗8連接，直徑較小的管道與梗簽收集器底部的管道一同連接到梗簽回收集管7，煙絲料斗為分離后煙絲的儲存裝置。

1.2 裝置工作原理

該梗簽二次分離裝置工作原理的核心是利用梗簽和煙絲在流動(dòng)的空氣中受到的作用力不同，使得梗簽和煙絲分離。當(dāng)負(fù)壓發(fā)生器工作時(shí)裝置中有運(yùn)動(dòng)氣流，煙絲和梗簽在裝置中受重力和氣流的共同作用產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)效果，使得煙絲和梗簽得以分離。首先煙絲和梗簽進(jìn)入原機(jī)梗簽分離裝置，因負(fù)壓氣流和重力的作用下落。裝置內(nèi)腔壁上分布有擋板，將物料中較大的團(tuán)塊在進(jìn)入真空懸浮裝置前碰撞分散。物料由真空懸浮裝置的下方進(jìn)入真空懸浮裝置，利用煙絲和梗簽的懸浮速度不同，使懸浮速度較小的煙絲隨氣流向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入離心風(fēng)分裝置、懸浮速度較大的梗簽向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入梗簽收集器回收到梗簽收集料斗。由于真空懸浮裝置分離后的煙絲中仍然存在著少量懸浮速度與煙絲懸浮速度相近的梗簽，所以這些梗簽隨著煙絲一同被帶進(jìn)離心風(fēng)分裝置，根據(jù)顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生康達(dá)效應(yīng)和文丘里效應(yīng)[1]，煙絲會(huì)在氣流中沿著離心風(fēng)分裝置的頂端貼壁運(yùn)動(dòng)落入原機(jī)煙絲料斗，質(zhì)量較重的梗簽在同樣大小的氣流中則落入梗簽收集裝置中。

2 空氣動(dòng)力學(xué)分析

2.1 空氣流動(dòng)的分析

當(dāng)空間中的氣壓并不處處相等時(shí)，氣壓高處的氣體就會(huì)往氣壓較低的位置流動(dòng)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氣流。我們把單位時(shí)間內(nèi)通過特定表面的流體的體積稱為流量L，流量計(jì)算公式L=VL·S，VL為流速S為管截面積在真空懸浮裝置中，真空懸浮裝置的中部腔室管截面積較大，而真空懸浮裝置頂端管截面積較小。根據(jù)流體力學(xué)原理，管道入口的截面積決定流速的快慢[2]，因此腔室內(nèi)的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道內(nèi)的流速。由伯努利定理[3]可知，流速越大壓強(qiáng)越小、流速越小壓強(qiáng)越大，因此在真空懸浮裝置與管道中形成壓強(qiáng)差，由壓強(qiáng)差產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流。

2.2 真空懸浮裝置中煙絲和梗簽的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

由于在生產(chǎn)實(shí)踐中煙絲和梗簽的實(shí)際形狀相當(dāng)復(fù)雜且實(shí)際測量也難以實(shí)現(xiàn)，因此我們對煙絲和梗簽做力學(xué)分析時(shí)將其看做顆粒狀[4]，通過對在真空懸浮裝置中的顆粒進(jìn)行受力分析可以得知這些固體顆粒在氣流流場中受到的許多力的作用[5-7]，包括浮力、氣流曳引阻力、慣性力、壓力梯度力、重力、Stokes黏性阻力等。但只有縱向且較大的力對顆粒豎直方向運(yùn)動(dòng)有影響，所以我們只研究起主要作用的重力和氣流曳引阻力。顆粒受重力作用記為G，力方向向下。顆粒在運(yùn)動(dòng)的氣流中受氣流曳引阻力記為F，力的方向與氣流運(yùn)動(dòng)方向相同，F(xiàn)的計(jì)算公式為

式中：K為空氣阻力系數(shù)、ρ為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)密度（此處為空氣密度）（單位為kg/m3）、A為顆粒的迎風(fēng)面積（單位為m2）、C為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的絕對速度（單位為m/s）、V為顆粒在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的絕對速度（單位為m/s）。

根據(jù)重力G和氣流曳引阻力F三種不同的大小關(guān)系可以得到顆粒三種不同的運(yùn)動(dòng)效果。①當(dāng)重力G大于氣流曳引阻力F時(shí)，顆粒受合力向下，因此顆粒向下運(yùn)動(dòng)。②當(dāng)重力G等于氣流曳引阻力F時(shí)，顆粒受到的作用向上和向下的力大小相互抵消后合力為零，因此顆粒處于懸浮狀態(tài)，會(huì)在水平面做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，豎直方向無運(yùn)動(dòng)。③當(dāng)重力G小于氣流曳引阻力F時(shí)，顆粒受合力向上，因此顆粒向上運(yùn)動(dòng)。

2.3 離心分離裝置中煙絲和梗簽的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在離心分離裝置的豎直上升管道中，煙絲和梗簽受到重力和氣流曳引阻力的作用。整個(gè)裝置各處空氣的流速不同，進(jìn)而對煙絲和梗簽的分離效果不同。在豎直上升管道中煙絲和梗簽做豎直向上的變速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煙絲和梗簽運(yùn)動(dòng)到離心風(fēng)分裝置的曲壁時(shí)，受到重力與沿曲壁傾斜的氣流曳引阻力，將使得煙絲和梗簽做斜拋運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在康達(dá)效應(yīng)和文丘里效應(yīng)影響下，將會(huì)使得重量較輕、面積較大、曳引阻力較大的煙絲沿曲壁做曲線運(yùn)動(dòng)被拋出更遠(yuǎn)的距離，落入原機(jī)煙絲料斗中。而質(zhì)量較重、面積較小、曳引阻力較小的梗簽做斜拋運(yùn)動(dòng)被拋出的距離較近，進(jìn)入梗簽回收管中，使得煙絲和梗簽再一次分離，達(dá)到梗簽較為徹底分離的目的。

3 確定各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 真空懸浮裝置的部分參數(shù)

3.1.1 真空懸浮室懸浮速度V0

真空懸浮裝置的工作原理是利用煙絲和梗簽的懸浮速度不同，使得煙絲和梗簽在同一裝置中有不同的運(yùn)動(dòng)效果，達(dá)到煙絲和梗簽分離的目的。因此氣流的流速選擇尤為重要，氣流流速應(yīng)大于煙絲的懸浮速度小于梗簽的懸浮速度。所以煙絲的懸浮速度是一個(gè)重要的參數(shù)，煙絲在運(yùn)動(dòng)的氣流中受氣流曳引阻力F、重力G。當(dāng)氣流對煙絲的氣流曳引阻力等于煙絲重力時(shí)，即可求得煙絲的懸浮速度。

式中：初速度與水平方向的夾角θ=45°、梗簽初速度V初=4.5m/s

計(jì)算得H=50mm，則離心風(fēng)分裝置的下壁曲率半徑R1=H=50mm。由于煙絲的受力面積較大，故煙絲在做斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)仍受水平方向的曳引阻作用，同時(shí)根據(jù)康達(dá)效應(yīng)和文丘里效應(yīng)煙絲做沿曲壁運(yùn)動(dòng)的曲線運(yùn)動(dòng)，為增強(qiáng)分離效果取上壁曲率半徑R2=2R1既得R2=100mm。

4 結(jié)論

要確定卷煙機(jī)梗簽二次分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先需要了解整個(gè)分離裝置的各部分的工作原理，并對部分裝置包括原機(jī)梗簽分離裝置、真空懸浮裝置、離心風(fēng)分裝置等，進(jìn)行詳細(xì)的理論分析，然后結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到卷煙機(jī)梗簽二次分離裝置的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。參數(shù)的正確合理可以提高梗簽分離裝置的工作效率，使梗簽分離的更徹底，分離后的煙絲含梗率降低，以降低成品煙支的破損率、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]岑可法，樊建人.煤粉顆粒在氣流中的受力分析及其運(yùn)動(dòng)軌跡的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），1987（6）：6-16.

[2]黃嘉礽.卷煙工業(yè)中的氣力輸送[J].煙草科技，1980（2）：22-26.

[3]張?jiān)?液壓與氣壓傳動(dòng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2014：20-25.

[4]呂子劍，曹文仲，劉今，吳若瓊.不同粒徑固體顆粒的懸浮速度計(jì)算及測試[J].化學(xué)工程，1997（5）：42-46.

[5]Rabinovich E， Kalman H. Generalized master curve for threshold superficial velocities in article-fluid systems [J].Powder Technology，2008，183：304-313.

[6]Key Technology Company，Tobacco Sorter3（TS3）一 Key Technology Automated Sorting Equipment.

[7]Yuji Tomita，Vijay Kumar Agarwal，Hiroyuki Asou，Katsuya Funatsu，Low- Veloeity Pneumatic conveying in horizontal Pipe for eoarse Particles and fine Powders.China Particuology，20086（5），316 -321.

[8]覃仕輝.對卷煙機(jī)梗絲分離原理的認(rèn)識[C].二〇〇五年煙草機(jī)械學(xué)術(shù)研討會(huì)，2005.

[9]劉繼娥.梗絲梗簽分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算[J].煙草科技，1991（4）：17-18.

[10]曹文仲.鋁土礦漿溶出反應(yīng)工程學(xué)的研究[D].長沙：中南工業(yè)大學(xué)，1994.