唐 偉，陳 昆

（南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇南通 226014）

0 引言

近年來，卷煙市場新品層出不窮，能夠降低危害和新型特征風(fēng)味的卷煙深受消費(fèi)者喜愛。卷煙濾嘴中加入活性炭粉、咖啡粉、陳皮粉等風(fēng)味顆粒，能夠顯著降低卷煙危害，滿足不同消費(fèi)者群體差異化的卷煙消費(fèi)需求。

煙濾嘴中如何高效、精準(zhǔn)地添加風(fēng)味型顆粒是濾棒生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備升級(jí)改造的技術(shù)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)前活性炭粉等外加顆粒型濾棒，顆粒添加方式更多采用人工投料方式。國內(nèi)諸多專家學(xué)者對自動(dòng)投料裝置開展了設(shè)計(jì)與研究，致力于取代人工投料方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化投料。劉文婷等[1]設(shè)計(jì)了一種鼓風(fēng)爐投料氣控回路裝置，能夠保障投料人員操作安全并穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料任務(wù)；天工[2]研制了一種吸入式投料裝置，提高了顆粒物現(xiàn)場投料效率，投料效率比人工方式高60%；曹暉等[3]運(yùn)用模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)投料裝置控制方法，提高了投料裝置控制精度、穩(wěn)定性等問題；胡俊等[4]設(shè)計(jì)了一種粉末物料自動(dòng)投料裝置，該裝置對錐形槽、振動(dòng)器選型、自動(dòng)切斷閥選型等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與選型，解決了粉末物料投料過程中密閉性和精確性的問題；李躍鋒等[5]發(fā)明了一種卷煙加香加料系統(tǒng)改進(jìn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)換料作業(yè)精準(zhǔn)性的問題；林天勤等[6]發(fā)明了一種投料裝置，包括投料罐、過濾器、加料泵和噴嘴等零部件，該發(fā)明裝置有效解決了投料物進(jìn)入投料泵工作可靠性的問題。

本文設(shè)計(jì)一種濾棒成型機(jī)自動(dòng)循環(huán)投料裝置，運(yùn)用真空吸料原理，通過裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、投料系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高顆粒物在濾棒生產(chǎn)投料過程中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性；通過控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料，旨在取代人工操作方式，實(shí)現(xiàn)更加高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的投料方式。

1 裝置運(yùn)行原理

濾棒加料成型設(shè)備普遍采用人工投料方式，顆粒物通過料倉和施加輥進(jìn)入醋酸纖維絲束，部分顆粒則進(jìn)入回收料筒。該種運(yùn)行方式效率較低，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是人工投料方式效率低；二是回收料筒內(nèi)顆粒物無法自動(dòng)循環(huán)使用，造成呆滯。本文研發(fā)一種顆粒自動(dòng)循環(huán)投料裝置，能夠取代人工方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顆粒物循環(huán)使用。

自動(dòng)投料設(shè)計(jì)原理是通過顆粒儲(chǔ)罐內(nèi)正負(fù)壓切換，達(dá)到吸料和排料的目的。利用正壓氣體對過濾器自動(dòng)清洗，料倉位達(dá)到限位高度，自動(dòng)關(guān)閉投料系統(tǒng)，進(jìn)而完成自動(dòng)投料。循環(huán)投料設(shè)計(jì)原理是安裝循環(huán)料倉，物料經(jīng)落料口進(jìn)入循環(huán)料倉內(nèi)，在循環(huán)料倉安裝料位傳感器，通過控制振動(dòng)盤，對顆粒物進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒物的循環(huán)使用。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置主要包括自動(dòng)投料系統(tǒng)和循環(huán)投料系統(tǒng)。通過真空泵、精密氣壓閥、控制閥、料位傳感器、PLC控制器等裝置實(shí)現(xiàn)顆粒的循環(huán)投放。自動(dòng)投料系統(tǒng)由顆粒儲(chǔ)罐、真空泵、過濾器、控制閥、精密氣壓閥等組成；循環(huán)投料系統(tǒng)由循環(huán)料倉、振動(dòng)盤、加料管道、料位傳感器等組成。裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 顆粒儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 容積設(shè)計(jì)

加料濾棒生產(chǎn)時(shí)，裝置中的顆粒處于不斷循環(huán)狀態(tài)。為保證裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行，裝置的投料速度必須大于料倉的落料速度，且能在一定時(shí)間內(nèi)將料倉顆粒從低限位添加至高限位。因此，裝置的投料速度即為料倉落料速度與料倉傳感器檢測限位間的顆粒添加速度之和。

顆粒儲(chǔ)罐的容積。經(jīng)測量，傳感器檢測限位間的料倉容積為60 L，料倉落料速度為0.1 L/s，裝置投料速度計(jì)算公式為：

式中：v為裝置投料速度，L/s；t為儲(chǔ)罐單次吸—放料時(shí)間，s；n為投料次數(shù)；V為儲(chǔ)罐容積，L。

2.2.2 構(gòu)造設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐構(gòu)造設(shè)計(jì)需對材料、制造成本、抗壓性能等方面進(jìn)行綜合考慮，參考GB150.1-2011《壓力容器》，選取圓筒殼與球殼兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。其中，圓筒殼體壁厚計(jì)算公式為：

式中：δ為計(jì)算厚度，mm；Pc為計(jì)算壓力，MPa；Di為圓筒或球殼內(nèi)直徑，mm；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，φ=0.65。

根據(jù)式（1）～（2），不同構(gòu)造下顆粒儲(chǔ)罐壁厚的數(shù)據(jù)如表1所示；材料厚度與材料應(yīng)力關(guān)系圖如圖2所示。

2.3 檢測與控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在顆粒儲(chǔ)罐、料倉、循環(huán)料倉中共計(jì)安裝7個(gè)料位傳感器，傳感器選用電容式接近開關(guān)，適用于各類介電物質(zhì)。檢測距離為2～15 mm，重復(fù)精度小于5%（Sr），響應(yīng)時(shí)間小于1.5 ms，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測3個(gè)倉體中的料位變化，控制系統(tǒng)吸料和投料。

表1 圓筒與球形結(jié)構(gòu)選用材料應(yīng)力數(shù)據(jù)表

圖2 材料厚度與材料應(yīng)力關(guān)系圖

加料濾棒生產(chǎn)時(shí)，只需根據(jù)濾棒規(guī)格確定顆粒信息，調(diào)節(jié)精密氣壓閥的設(shè)定壓力，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鍵，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行后，對所有傳感器完成自檢，確定各倉體中的料位狀態(tài)，將信號(hào)反饋給PLC控制器，由PLC控制各部件啟動(dòng)與關(guān)閉。調(diào)控裝置存在兩個(gè)獨(dú)立模塊，一是自動(dòng)投料系統(tǒng)，當(dāng)料位傳感器5未檢測到物料時(shí)，說明料倉中料位已低于最低限位，此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，PLC控制成型設(shè)備停機(jī)；當(dāng)料位傳感器3檢測到物料時(shí)，說明料倉中料位處于高位，無需進(jìn)行投料，則PLC控制投料系統(tǒng)停止投料；當(dāng)料位低于料位傳感器4時(shí)，說明料倉中料位已低于料倉容積的2/5，需要進(jìn)行投料，此時(shí)真空泵啟動(dòng)，精密氣壓閥打開至設(shè)定開度，控制閥和氣壓閥關(guān)閉，開始向顆粒儲(chǔ)罐中吸料，直至料位傳感器1檢測到物料，然后對上述零部件反向操作，利用正壓空氣迅速將物料投放進(jìn)料倉中，此過程循環(huán)往復(fù)，直至料位傳感器3檢測到物料后停止投料。二是循環(huán)投料系統(tǒng)，當(dāng)料位傳感器6和7都未檢測到物料時(shí)，說明循環(huán)料倉中的料位已降至低位，此時(shí)系統(tǒng)提示需向循環(huán)料倉中投料，若5 min內(nèi)未進(jìn)行人工投料，則PLC控制成型設(shè)備停機(jī)；當(dāng)料位傳感器6未檢測到物料，而料位傳感器7檢測到物料時(shí)，說明循環(huán)料倉中的料位因生產(chǎn)落料出現(xiàn)傾斜，此時(shí)PLC控制振動(dòng)盤啟動(dòng)，利用箱體振動(dòng)使倉體內(nèi)的料位平衡，直至料位傳感器6檢測到物料后關(guān)閉振動(dòng)盤，此過程循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)投料。料位檢測與控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖3所示。

3 可靠性驗(yàn)證

對研制的自動(dòng)循環(huán)投料裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，判斷其運(yùn)行的可靠性。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，任選3種規(guī)格加料濾棒進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過改變顆粒種類，觀測在不同真空壓力、顆粒種類條件下，每班次人工投料情況、循環(huán)投料下顆粒目數(shù)的穩(wěn)定性，以及濾棒中顆粒目數(shù)的穩(wěn)定性。每組實(shí)驗(yàn)測試多組，然后求取平均值進(jìn)行分析，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2～3所示。

由表可以看出，啟動(dòng)裝置后，平均每班次人工投料次數(shù)為4次、耗時(shí)500 s、人工投料質(zhì)量為220 kg左右，對比關(guān)閉裝置后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各項(xiàng)指標(biāo)均低于50%，極大減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。循環(huán)投料下，顆粒樣品粒度各項(xiàng)指標(biāo)與濾棒中無明顯差異。自動(dòng)循環(huán)投料裝置的可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，且能適用于多種顆粒物料的自動(dòng)投放。

圖3 料位檢測與控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

表2 不同規(guī)格濾棒下啟停裝置的人工投料實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 取樣樣品粒度分布檢測值

4 結(jié)束語

（1）自動(dòng)循環(huán)投料裝置基于真空系統(tǒng)與大氣壓力差的原理，采用真空吸料和物料循環(huán)使用方式，既減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又適用于多種顆粒的自動(dòng)投料，保證生產(chǎn)過程的連續(xù)進(jìn)行，提高了生產(chǎn)效率。

（2）投料裝置操作簡單，內(nèi)部安裝多個(gè)傳感器與氣動(dòng)控制閥，設(shè)備運(yùn)行過程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控料位，操作人員設(shè)定生產(chǎn)濾棒規(guī)格后只需點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行且精準(zhǔn)控制物料的輸送與投放。

（3）物料的輸送與投放均在密閉環(huán)境中進(jìn)行，該種輸送方式既杜絕了粉塵對生產(chǎn)環(huán)境的污染，同時(shí)減少了環(huán)境和人員對物料的污染，提高了運(yùn)行環(huán)境的潔凈度。