吳鐫峰，黃 杰，殷 宏，王德吉

(陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司漢中卷煙廠(chǎng)，漢中 723102)

加香加料工序是卷煙制絲環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工藝加工環(huán)節(jié)，煙葉或煙絲通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)均勻地松散，香精香料通過(guò)霧化噴嘴被蒸汽或空壓氣引射霧化后均勻地噴灑在煙葉或煙絲表面上，從而實(shí)現(xiàn)本環(huán)節(jié)的加水、加料或加香工藝。由于噴頭工作的區(qū)域一般是處于一個(gè)基本封閉的滾筒類(lèi)設(shè)備中，導(dǎo)致噴頭的霧化效果只能在剛開(kāi)始噴射的幾秒鐘進(jìn)行觀(guān)察，幾秒鐘過(guò)后，筒體內(nèi)充滿(mǎn)了水蒸氣，霧化效果無(wú)法清楚的查看，人也無(wú)法進(jìn)入筒體內(nèi)部進(jìn)行檢查。即使噴頭霧化不好或者有成滴料液落下，也無(wú)法觀(guān)察和排除，噴灑在葉片上的料液霧化效果難以確定。且霧化效果和霧化角度沒(méi)有定性或定量標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證質(zhì)量難以保證。還會(huì)造成加香加料筒壁黏附物料，增加消耗。所以,應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)噴嘴霧化效果，定期對(duì)噴嘴進(jìn)行調(diào)整，以保證噴出的料液呈霧狀。目前行業(yè)檢查調(diào)整噴嘴的方法為在滾筒內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整，然后進(jìn)行噴散觀(guān)察，這種調(diào)節(jié)噴嘴霧化效果的方法大多是依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié),帶有人為的試湊性和不確定性因素,并且對(duì)加料噴嘴霧化缺乏深入的研究，且霧化效果和霧化角度沒(méi)有定性或定量標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證質(zhì)量難以保證[1]。目前行業(yè)內(nèi)卷煙加工企業(yè)針對(duì)增溫增濕、加料設(shè)備噴嘴角度噴射范圍和噴嘴固定支架裝置調(diào)整定位等方面的研究較多，但行業(yè)內(nèi)對(duì)噴嘴霧化效果如何檢測(cè)驗(yàn)證以及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)量化方面的研究并不多見(jiàn)。文獻(xiàn)[2]提出了一種快速在線(xiàn)校準(zhǔn)加香加料流量系統(tǒng)的方法，解決了流量計(jì)在線(xiàn)校驗(yàn)困難的問(wèn)題；文獻(xiàn)[3]對(duì)加料加香系統(tǒng)進(jìn)行分析，改造了加香加料管道系統(tǒng)運(yùn)行控制；文獻(xiàn)[4]模擬實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的參數(shù)條件對(duì)噴嘴間隙進(jìn)行調(diào)試。但是都沒(méi)有研究霧化噴嘴實(shí)際工作工藝條件下各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，文獻(xiàn)[1]研究了空氣噴射壓力、氣液相對(duì)速度和空氣入射角等對(duì)加料噴嘴霧化特性的影響，未給出數(shù)據(jù)分析如何快速準(zhǔn)確校驗(yàn)噴嘴霧化效果。以上這些研究對(duì)解決噴嘴在滾筒內(nèi)憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整霧化效果提供了一定思路，因此，為保證料液施加的均勻性，需尋找出理想的噴嘴霧化效果，通過(guò)研發(fā)雙元噴嘴霧化校驗(yàn)平臺(tái)，在可見(jiàn)空間內(nèi)能比較直觀(guān)的觀(guān)察到噴嘴的噴射情況，減少了安裝調(diào)整的盲目性，保證了噴嘴霧化效果，提高加濕、加料的均勻性，從而為提高卷煙內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 雙元噴嘴霧化校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 校驗(yàn)平臺(tái)管路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)雙元噴嘴霧化校驗(yàn)平臺(tái)管路時(shí)，根據(jù)加香加料和增濕水霧化的管路原理優(yōu)化管柜布局，縮小管路結(jié)構(gòu)，保證霧化校驗(yàn)平臺(tái)的可操作性。應(yīng)用近年來(lái)國(guó)內(nèi)噴嘴霧化檢測(cè)方面的研究成果和技術(shù)，進(jìn)行噴嘴角度量化的研究應(yīng)用，使用快速定位裝置實(shí)現(xiàn)噴嘴與筒體內(nèi)噴嘴支架精確吻合[5]。根據(jù)機(jī)械加工工藝和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合工作人員操作習(xí)慣等因素各管路模塊布局如圖1所示。

1.2 噴嘴角度定位組件設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，加料、加香和加水噴嘴角度通常依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法將其軸向和徑向角度標(biāo)準(zhǔn)量化。為了準(zhǔn)確量化噴嘴角度，以便在筒體中對(duì)應(yīng)安裝，達(dá)到模擬實(shí)驗(yàn)的效果，借鑒行業(yè)在滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)噴嘴定位支架的成熟技術(shù)[6]，設(shè)計(jì)帶有刻度盤(pán)的噴嘴快速定位組件，實(shí)現(xiàn)噴嘴在軸向和徑向兩個(gè)方向上的精準(zhǔn)定位，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體管路設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of the pipeline

1—上活動(dòng)板(縱向)刻度表盤(pán);2—上活動(dòng)板;3—噴嘴;4—固定螺栓;5—下活動(dòng)板;6—活頁(yè)銷(xiāo);7—固定架;8—橫向指針;9—下活動(dòng)板(橫向)刻度表盤(pán)。圖2 噴嘴角度調(diào)整裝置示意圖Fig.2 Schematic of the nozzle’s angle adjustment device

1.3 角度調(diào)整

徑向角度調(diào)整時(shí)根據(jù)物料的下降位置進(jìn)行定位。物料約在筒體的11刻線(xiàn)位置沿拋物曲線(xiàn)的頂端開(kāi)始下落，此時(shí)加入料液吸收效果較佳， 因此噴嘴的霧化區(qū)域落在11刻線(xiàn)位置時(shí)料液可完全霧化。軸向角度調(diào)整時(shí)，根據(jù)滾筒直徑的大小進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)噴嘴方向過(guò)于靠近進(jìn)料端時(shí)，容易在筒壁形成液態(tài)的料液，無(wú)法將料液充分霧化；當(dāng)噴嘴方向遠(yuǎn)離進(jìn)料端時(shí)，料液霧化區(qū)域未落在物料下落區(qū)域，煙葉不能充分吸收料液。因此噴嘴需要在徑向和軸向兩個(gè)方向進(jìn)行定位。角度調(diào)節(jié)需要6個(gè)步驟完成：① 翻動(dòng)上活動(dòng)板(松動(dòng)螺栓)；② 調(diào)整徑向/軸向角度；③ 確認(rèn)徑向角度調(diào)整到位，否則繼續(xù)調(diào)整；④ 鎖定固定支架上的螺栓；⑤ 讀取刻度盤(pán)刻度值；⑥ 定位徑向/軸向角度。

1.4 校驗(yàn)平臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用變頻控制方式，加料流量恒定,批次加水量恒定，研究加香加料工序霧化介質(zhì)種類(lèi)、霧化壓力、霧化角度與霧化半徑和霧化效果之間的相互關(guān)系，以及對(duì)產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的影響。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器頻率驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵來(lái)控制被霧化介質(zhì)的瞬時(shí)流量，完全模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)料液施加的實(shí)際流量和料液壓力，從而提高霧化的均勻性和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)流量計(jì)、變頻器和計(jì)量泵等電氣元件的選擇，在保證霧化效果的前提下，有效減少水、蒸汽、空壓氣和料液的消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。參考移動(dòng)式喂料機(jī)的電控設(shè)計(jì)，電控柜設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)小而精簡(jiǎn)，結(jié)構(gòu)美觀(guān)，保證平臺(tái)使用的實(shí)用性。電路控制如圖3所示。AC308V/N為動(dòng)力電源，QF為熱保護(hù)開(kāi)關(guān)，KM為交流接觸器主觸點(diǎn)，KA為運(yùn)行繼電器觸點(diǎn)，AC/DC為直流電源(輸入電壓為220 V，輸出電壓為24 V)，QF/AUX為熱保護(hù)開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)，SB1為停止按鈕，SB2為啟動(dòng)按鈕，KM1為交流接觸器輔助觸點(diǎn)，KA1為運(yùn)行繼電器觸點(diǎn)，HL為運(yùn)行指示燈。

圖3 電控系統(tǒng)原理圖Fig.3 Diagram of electrical control system

2 介質(zhì)流量控制

2.1 控制模型的構(gòu)建

選取主要工序中的梗絲加料雙元噴嘴在校驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)試，讓校驗(yàn)環(huán)境更加接近實(shí)際生產(chǎn)，分析加料系統(tǒng)的過(guò)程能力[7]，每隔1 min記錄一個(gè)流量數(shù)據(jù)，觀(guān)察介質(zhì)流量的變化情況，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 梗絲加料介質(zhì)流量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Flow rate statistical

根據(jù)數(shù)據(jù)繪制梗絲加料雙元噴嘴介質(zhì)流量的單值移動(dòng)極差控制圖，并進(jìn)行所有的特殊原因檢驗(yàn)，如圖4所示。

從控制圖可以看出，梗絲加料前室噴嘴介質(zhì)流量穩(wěn)定地控制在43.615～45.265 kg·h-1之間，波動(dòng)較小，與生產(chǎn)時(shí)流量相符。

圖4 單值移動(dòng)極差控制圖Fig.4 Range control chart of single-value movement

介質(zhì)的流量是通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率對(duì)齒輪泵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)流量的控制。變頻器頻率與介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系是通過(guò)介質(zhì)霧化試驗(yàn)確定，以加料噴嘴為實(shí)驗(yàn)對(duì)象統(tǒng)計(jì)不同頻率下單位時(shí)間介質(zhì)流，見(jiàn)表2。

借鑒行業(yè)相關(guān)成功分析案例[8]，分析得到頻率和流量的Pearson相關(guān)系數(shù)為 0.998，顯著性概率P值為0。P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.05，數(shù)據(jù)之間成線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，結(jié)果如圖5所示。

回歸方程為

Q=41.42+9.043f。

(1)

式中：Q為流量；f為頻率。

加料流量與物料流量、加料比例之間的關(guān)系為

Qa=Qmq。

(2)

式中：Qa為加料流量；Qm為物料流量；q為加料比例。

表2 不同頻率下單位時(shí)間介質(zhì)流量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Time media flow statistics per unit time at different frequencies

圖5 頻率和流量的擬合線(xiàn)圖Fig.5 Fitting of frequency and flow

根據(jù)式(2)，將式(1)轉(zhuǎn)化為

Y=(X1X2-41.42)/9.043。

(3)

式中：Y為加料霧化平臺(tái)齒輪泵對(duì)應(yīng)瞬時(shí)加料流量下的工作頻率；X1為物料流量；X2為料液加料比例。

2.2 模型分析與評(píng)價(jià)

經(jīng)方差分析可得，離均差平方和為54 469.7，均方為54 384.6，顯著性差異水平F值為11 513.40，表示線(xiàn)性回歸方程效果顯著。測(cè)定系數(shù)為99.8%，調(diào)整測(cè)定系數(shù)為99.8%，測(cè)定系數(shù)和調(diào)整測(cè)定系數(shù)相等，模型達(dá)到精度要求。圖6～7為頻率和流量的殘差圖。由圖6～7可知，殘差對(duì)于觀(guān)測(cè)值順序呈隨機(jī)分布；殘差與擬合值未見(jiàn)喇叭形和漏斗形，圖形正常；殘差的正態(tài)概率圖服從正態(tài)分布；整個(gè)線(xiàn)性回歸方程與數(shù)據(jù)擬合是較好的，流量-頻率回歸方程是接近于實(shí)際情況的。

為檢測(cè)校驗(yàn)平臺(tái)性能，根據(jù)加香加料系統(tǒng)校驗(yàn)方法[9]，分別安裝加香、加料工序的噴嘴進(jìn)行測(cè)試。選取加香、加料流量計(jì)算對(duì)應(yīng)的齒輪泵頻率，分別在 0.20 MPa和0.25 MPa霧化壓力下分別用空壓和蒸汽作為引射介質(zhì)對(duì)加香和加料噴嘴的間隙進(jìn)行調(diào)試，將調(diào)試好的噴嘴安裝到對(duì)應(yīng)工序設(shè)備，連續(xù)測(cè)試 5 d，由技術(shù)人員對(duì)噴嘴霧化效果進(jìn)行確認(rèn)。

圖6 流量的殘差圖Fig.6 Variance diagram of flow

圖7 流量響應(yīng)圖Fig.7 Flow response diagram

經(jīng)確認(rèn)，校驗(yàn)的噴嘴霧化效果確認(rèn)良好，與按工序設(shè)備原有方式調(diào)試出的噴嘴霧化效果不相上下。同時(shí)，對(duì)噴嘴在校驗(yàn)平臺(tái)和工序設(shè)備調(diào)試占用的生產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

可見(jiàn)，用校驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試噴嘴，能通過(guò)調(diào)節(jié)引射介質(zhì)壓力和泵頻率，達(dá)到與工序生產(chǎn)霧化系統(tǒng)相同的霧化條件，該校驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試出來(lái)的噴嘴可以直接安裝到設(shè)備上投入實(shí)際生產(chǎn)，減少了生產(chǎn)時(shí)間的浪費(fèi)。

表3 調(diào)試時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.3 Debug time statistics

3 加料流量與霧化壓力的相關(guān)性分析

加料噴嘴霧化壓力的大小影響混合的均勻性。如果霧化壓力過(guò)小，料液霧化不完全，不利于煙葉對(duì)料液的吸附，容易出現(xiàn)濕團(tuán)煙葉；如果霧化壓力過(guò)大，噴射出的料液霧柱會(huì)將物料沖散開(kāi)，直抵滾筒內(nèi)壁，使?jié)L筒壁黏附大量的煙葉；同時(shí)，過(guò)大的霧化壓力下料液霧滴粒徑過(guò)小，飄散的霧滴容易在排潮風(fēng)機(jī)的作用下隨負(fù)壓排出，造成料液浪費(fèi)。試驗(yàn)設(shè)備采用噴嘴霧化校驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)材料采用帶墨汁的水，測(cè)量?jī)x器采用TPI150-Ⅱ投影儀測(cè)定取樣區(qū)域內(nèi)的霧滴粒徑值。

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

霧滴粒徑和霧滴數(shù)量是評(píng)價(jià)霧化效果的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[10]。以霧滴粒徑在某一范圍內(nèi)占比作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以霧滴數(shù)量作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)測(cè)量霧滴在排潮負(fù)壓下出現(xiàn)飄散時(shí)，采集紙上霧滴粒徑值來(lái)確定主要評(píng)價(jià)指標(biāo)下限。通過(guò)在0.20 MPa霧化壓力下,測(cè)試不同加料流量下，滾筒內(nèi)煙葉黏附量及霧滴粒徑均值來(lái)確定主要評(píng)價(jià)指標(biāo)上限，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4～5。

表4 紙上霧滴粒徑值Tab.4 Size of mist particles on paper

表5 煙葉黏附量與霧滴粒徑均值Tab.5 Adhesive amount and size of droplet in tobacco leaves

從霧滴粒徑均值與滾筒內(nèi)壁物料黏附量的對(duì)應(yīng)關(guān)系中看出，紙上霧滴粒徑均值為148 μm；當(dāng)霧滴粒徑達(dá)到549 μm時(shí)，滾筒內(nèi)壁物料黏附量明顯增加。由此確定評(píng)價(jià)指標(biāo)上限和下限分別為150 μm和550 μm。

3.2 流量與霧化壓力的關(guān)系

在60 kg·h-1加料流量時(shí)，霧化壓力為0.15 MPa，此時(shí)150～550 μm的霧滴占比最大(79.89%)；霧化效果最佳,并且根據(jù)研究成果，壓力增大到一定程度，流量和噴射效果將不會(huì)發(fā)生變化[11]。在70 kg·h-1加料流量時(shí)，霧化壓力為0.15 MPa，此時(shí)150～550 μm的霧滴占比最大(79.56%)；霧化效果最佳。采用相同的統(tǒng)計(jì)分析方法，得到加料流量為80,90,…,340,350 kg·h-1時(shí)的最佳霧化壓力。將各加料流量下的最佳霧化壓力進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 流量與霧化壓力的關(guān)系Tab.6 Correlation between flow and atomization pressure

由表6可知，流量和霧化壓力的 Pearson相關(guān)系數(shù)為0.995，P值為0.000。P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.05，數(shù)據(jù)之間成線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系?；貧w方程為

pm=0.127+0.000 394Q。

(4)

式中：pm為霧化壓力；Q為流量。

測(cè)定系數(shù)預(yù)測(cè)值為99.0%，測(cè)定系數(shù)調(diào)整值為98.9%，線(xiàn)性回歸方程總效果是顯著的。圖8為霧化壓力的殘差分析圖，由圖8可知,殘差對(duì)于觀(guān)測(cè)值順序呈隨機(jī)分布，殘差值之間是相互獨(dú)立的。殘差與擬合值未見(jiàn)喇叭形和漏斗形，圖形正常，殘差是等方差的。殘差的正態(tài)概率圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)基本在一條直線(xiàn)上，殘差服從正態(tài)分布。整個(gè)線(xiàn)性回歸方程與數(shù)據(jù)擬合是較好的。因此，回歸方程是接近于實(shí)際情況的。

圖8 霧化壓力的殘差分析圖Fig.8 Analysis of residual atomization pressure

根據(jù)加料流量與加料比例、物料流量之間的關(guān)系，可將回歸方程轉(zhuǎn)化為

pmo=0.127+0.000 394X1X2。

(5)

式中：pmo為最佳霧化壓力；X1為物料流量；X2為加料比例。

加料流量與最佳霧化壓力之間的關(guān)系分析，為不同加料比例及不同物料流量下的最佳霧化壓力參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)，能在實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)加料工序在不同料液流量時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)霧化壓力來(lái)保證霧化效果的一致性。

4 霧化效果驗(yàn)證

研究表明，隨著扇面控制孔壓力的增大,空氣噴嘴的霧幅也在逐漸增大,但氣流場(chǎng)中心線(xiàn)的軸向速度會(huì)減小。且扇面控制孔的壓力不能過(guò)大[12]。

在霧化壓力為0.2 MPa時(shí)對(duì)各工序前后室定比加料噴嘴[13]的霧化半徑進(jìn)行測(cè)試，在霧化穩(wěn)定后，用鋼卷尺測(cè)量各工序噴嘴霧化的半徑R。霧化半徑如圖9所示，統(tǒng)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

通過(guò)表7看出，各工序噴嘴隨著介質(zhì)流量不同，霧化半徑有所不同。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，SJ1024型加料機(jī)最佳噴射角度如下：加料噴嘴軸向定位約為 92.5°，徑向定位約為 87.4°。即噴嘴噴射點(diǎn)距滾筒進(jìn)料端約1 m，用此方法對(duì)其他幾道工序的噴嘴進(jìn)行依次驗(yàn)證，數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

噴嘴角度調(diào)整組件較好地解決了加料噴嘴角度無(wú)法精確定位的問(wèn)題，維護(hù)人員根據(jù)準(zhǔn)確的軸向和徑向刻度值對(duì)噴嘴重新定位，操作簡(jiǎn)單方便，滿(mǎn)足了噴嘴徑向和軸向雙向精確定位的要求。

圖9 霧化半徑示意圖Fig.9 Diagram of atomization radius

表7 各工序噴嘴霧化半徑統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of atomization radius of nozzles

表8 噴嘴軸向和徑向定位統(tǒng)計(jì)Tab.8 Statistics of axial and radial angles of nozzles

5 結(jié) 論

文中提出了一種煙草制絲香料噴嘴霧化效果校驗(yàn)裝置，該裝置能真實(shí)模擬噴嘴在筒體內(nèi)的霧化狀況，將噴嘴調(diào)整到最佳狀態(tài)后在設(shè)備上直接使用，可使封閉的不可觀(guān)察空間內(nèi)噴嘴霧化距離、霧化半徑和效果粒徑等指標(biāo)變成可觀(guān)測(cè)的量化值；該裝置可使噴嘴霧化效果調(diào)節(jié)由原來(lái)憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)變?yōu)樵陂_(kāi)闊的場(chǎng)所根據(jù)觀(guān)測(cè)狀態(tài)快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)噴嘴霧化效果，調(diào)整好的噴嘴可以直接安裝到設(shè)備上投入實(shí)際生產(chǎn)。雙元噴嘴霧化均勻，消除了噴嘴滴漏產(chǎn)生濕團(tuán)的現(xiàn)象，有效降低了煙草制絲環(huán)節(jié)筒體類(lèi)設(shè)備內(nèi)原料黏附量，對(duì)穩(wěn)定煙草制絲加香加料均勻性起到關(guān)鍵作用。