劉雅君,李鵬超,徐建燎,王昭焜,許 梁,張 彬
廈門煙草工業(yè)有限責任公司,福建省廈門市海滄區(qū)新陽路1 號 361022
在卷煙制絲生產(chǎn)中,氣流烘絲機CDT(Comas Drying Tower)的作用是利用高溫氣流快速除去煙絲中的水分,增加煙絲的卷曲度和彈性,以滿足卷煙工藝生產(chǎn)要求。由于氣流干燥過程時間較短,對來料煙絲的松散性和均勻性要求較高[1]。高頻振槽作為氣流烘絲機的前端設備,主要用于輸送物料、松散煙絲和均衡物料層,對于穩(wěn)定煙絲出口含水率具有重要影響[2-4]。但高頻振槽在輸送煙絲時容易存在銜接不暢、煙絲松散性和均勻性差等問題,導致CDT 出口煙絲含水率標準偏差(SD)過大。近年來對于高頻振槽的動力學、物料運動狀態(tài)等方面已有較多分析和研究[5-8],韓曉娟等[9]通過計算振動系統(tǒng)的頻率、振幅和輸送速度等參數(shù),對激振器轉速和偏心塊進行了調(diào)整;郭寶良等[10]分析了非諧和水平輸送機上的物料運動狀態(tài);晁禮鋒[11]設計了一種振動給料機,并對物料的拋擲運動狀態(tài)進行了計算。但對于振槽自身參數(shù)以及物料傳輸參數(shù)的優(yōu)化研究則鮮見報道。拋擲指數(shù)理論是將物料顆粒垂直于槽底方向的重力分力,與因槽體振動所產(chǎn)生的物料顆粒慣性力分力進行對比[12],主要用于表征振槽拋射物料的能力。為此,通過調(diào)整高頻振槽傾角,基于拋擲指數(shù)理論對高頻振槽激振器頻率和偏心塊重合度進行優(yōu)化,以期穩(wěn)定出口煙絲含水率,提高來料煙絲的均勻性。
高頻振槽主要由槽體、機架、彈簧板、激振器、彈性裝置等部分組成,見圖1a。槽體在激振器的驅動下通過彈簧板產(chǎn)生低幅高頻振動,煙絲在槽體內(nèi)沿輸送方向實現(xiàn)連續(xù)微小的拋擲或滑移。激振器由變頻器控制,通過對激振器頻率和偏心塊重合度進行調(diào)整,可以調(diào)節(jié)振槽頻率和振幅。由圖1b 可見,煙絲經(jīng)上游電子皮帶秤落料口落下時,在第一臺高頻振槽進料端容易發(fā)生堆積,造成煙絲輸送時斷時續(xù)(第二臺高頻振槽也存在相同問題),由此導致CDT 出口煙絲含水率不穩(wěn)定,甚至超出工藝要求范圍。
振槽傾角對煙絲輸送速度有較大影響,為解決煙絲堆積問題,引入了振槽傾角修正系數(shù)γα[12],槽體安裝傾角α與傾角修正系數(shù)γα對應關系見表1。經(jīng)現(xiàn)場測量,第一臺高頻振槽的槽體與水平面夾角α為-8°41′,向上輸送煙絲。分析發(fā)現(xiàn),通過增大槽體與水平面夾角,可以防止積料,提高煙絲輸送能力。
圖1 高頻振槽結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of high frequency vibrating trough
表1 槽體安裝傾角α與振槽傾角修正系數(shù)γα對應關系①Tab.1 Correspondence between inclination angle α and its coefficient of correction γα of vibrating trough
改進后在振槽進料端加裝增板,增板以A 點為旋轉圓心且角度可調(diào),見圖2。其中,LT為煙絲由電子秤下落至槽體沿輸送方向的長度范圍,H0為現(xiàn)有槽體側板高度,H1為增板最高點至A 點的垂直高度,HA為A 點距離電子秤輸送帶底面的高度,HT為煙絲由電子秤下落至槽體的高度,L0為A點到槽體尾部的距離,L1為A 點到增板尾部的距離。經(jīng)測量,HT=0.7 m,LT=0.3 m,L0=0.5 m,HA>H1,LT<L1≤L0。為防止煙絲下落時因氣流而落入槽體外,應盡量延長增板長度,即L1=L0=0.5 m。
2.1.1 增板安裝傾角α0
圖2 增板安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spacer plate installation
為防止積料,下落至振槽進料端的煙絲應在后續(xù)煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。由圖2b 可見,增板沿A 點逆時針旋轉角度越大,煙絲輸送速度越快[12]。根據(jù)物料輸送速度公式[12]:
可得增板安裝傾角α0計算公式:
式中:HT—煙絲由電子秤下落至槽體的高度,m;g—重力加速度,9.8 m/s2;t—煙絲由電子秤下落至槽體時間,s;LT—煙絲由電子秤下落至槽體的距離,m;v—煙絲在槽體上的輸送速度,m/s;λ—振槽振幅,mm;ω—槽體振動圓頻率,s-1;n—激振器軸轉速,r/min;f—激振器頻率,Hz;p—電機級數(shù);γα—傾角修正系數(shù);Ch—料層厚度影響系數(shù);Cm—物料性質(zhì)影響系數(shù);Cw—滑行運動影響系數(shù);f(D)—無因次系數(shù);δ—振動方向角,(°)。
已知振槽振幅λ 為10 mm,激振器頻率f 為32.6 Hz,將第一臺高頻振槽相關參數(shù)(表2)代入式(3),可得α0≈9°34',取整α0=10°,即增板安裝傾角大于等于10°時,下落煙絲可在后續(xù)煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。
表2 第一臺高頻振槽相關參數(shù)Tab.2 Parameters of first high frequency vibrating trough
2.1.2 不同傾角α0下煙絲輸送速度
傾角α0分別取-8°41' 、4°、7°、10°、13°、16°,測量煙絲輸送速度,重復5 組取平均值,記錄煙絲積料及輸送情況,見表3??梢?,改進前后不同傾角α0下煙絲輸送計算速度與實測速度基本相同,驗證了傾角α0計算公式的準確性。加裝增板后,即α0≥10°時,積料情況均有所改善,其中α0=10°時煙絲輸送效果最好,不僅解決了積料問題,且與振槽傾斜段銜接順暢。
研究表明,拋擲指數(shù)D 越大,振槽對物料的松散能力和均衡能力越強[12]。但拋擲指數(shù)D 過大,會降低振槽的使用壽命,為此對拋擲指數(shù)D 與煙絲含水率SD 值的關系進行分析。
表3 不同安裝角度下煙絲輸送情況Tab.3 Cut tobacco conveying at different inclination angles
2.2.1 拋擲指數(shù)D
拋擲指數(shù)D 是指垂直于槽底方向的振動加速度分量與重力加速度分量之比[12],計算公式為:
將第二臺高頻振槽相關參數(shù)(表4)帶入式(5),可得拋擲指數(shù)D=0.426λf2≈4.53??梢?,在振動方向角δ、槽體安裝傾角α、電機級數(shù)p 確定的情況下,拋擲指數(shù)D 與振槽振幅λ和激振器頻率f 有關,而振幅λ與激振器頻率f、偏心塊重合度相關[9]。
2.2.2 煙絲含水率SD 值
通過水分儀在線檢測出口煙絲含水率SD 值,對不同激振器頻率和偏心塊重合度下的振槽振幅及SD/D 比值進行統(tǒng)計,結果見表5 和圖3。研究表明,當D=1~3.3 時,振槽每振動一次,物料出現(xiàn)一次拋擲運動;當D>3.3 時,振槽多次振動后物料才出現(xiàn)一次拋擲運動[12]。因此,取D=1~3.3 可提高生產(chǎn)效率。根據(jù)圖3 確定拋擲指數(shù)D 取值范圍為2.7~3.3,結合實際生產(chǎn)情況,當拋擲指數(shù)D 取3.1,λ=7 mm,f=32.0 Hz,偏心塊重合度75%時,出口煙絲含水率SD 值為最小。
表4 第二臺高頻振槽相關參數(shù)Tab.4 Parameters of secondary high frequency vibrating trough
表5 不同激振器頻率和偏心塊重合度下振槽振幅及SD/D 比值Tab.5 Amplitude of vibrating trough and SD/D ratio at different frequencies of vibrator and coincidence degrees of eccentric block
圖3 拋擲指數(shù)D 和出口煙絲含水率SD 值對應關系Fig.3 Correspondence between throwing index D and SD of moisture content in output tobacco
材料:“七匹狼(豪情)”等7 個牌號卷煙煙絲(由廈門煙草工業(yè)有限責任公司提供)。
設備和儀器:高頻振槽(昆明船舶設備集團有限公司);氣流烘絲機CDT(意大利COMAS 公司);TM710 紅外水分儀(美國NDC 紅外技術公司)。
方法:將CDT 前端的兩臺高頻振槽參數(shù)進行優(yōu)化改進,在第一臺高頻振槽入口處加裝長度0.5 m,傾角α0=10°的增板;將第二臺高頻振槽的激振器頻率和偏心塊重合度分別調(diào)整為32.0 Hz 和75%。以500 個生產(chǎn)批次為取樣周期,對改進前后出口煙絲含水率SD 值和CPK 值進行統(tǒng)計。
由表6 可見,兩臺高頻振槽參數(shù)調(diào)整后,CDT出口煙絲含水率SD 值由0.343 降低至0.260,CPK值由0.599 提升至1.175,表明生產(chǎn)控制過程趨于穩(wěn)定,提高了來料煙絲均勻性。
表6 改進前后各卷煙牌號出口煙絲含水率SD 值對比Tab.6 Comparison of SD of moisture content in output tobacco for each cigarette brand before and after improvement
通過在振槽進料端加裝增板,增大了槽體與水平面夾角,防止產(chǎn)生積料現(xiàn)象,提高煙絲輸送能力。對激振器頻率和偏心塊重合度進行優(yōu)化調(diào)整,確定拋擲指數(shù)D 取值范圍為2.7~3.3。結合實際生產(chǎn)情況,當拋擲指數(shù)D 取3.1,振槽振幅λ=7 mm,激振器頻率f=32.0 Hz,偏心塊重合度75%時,出口煙絲含水率SD 值達到最優(yōu)。以廈門煙草工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的“七匹狼(豪情)”等7 個牌號卷煙煙絲為對象進行測試,結果表明:改進后出口煙絲含水率SD 值降低24%,CPK 值提高96%,生產(chǎn)控制過程穩(wěn)定,有效提升了煙絲松散性和均勻性。