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(lái)，卷煙市場(chǎng)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(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者對(duì)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(chǎng)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(wèn)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(duì)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(guò)程中密閉性和精確性的問(wèn)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(wèn)題；林天勤等[6]發(fā)明了一種投料裝置，包括投料罐、過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性；通過(guò)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(guò)料倉(cāng)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(wú)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(guò)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(duì)過(guò)濾器自動(dòng)清洗，料倉(cāng)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(cāng)，物料經(jīng)落料口進(jìn)入循環(huán)料倉(cāng)內(nèi)，在循環(huán)料倉(cāng)安裝料位傳感器，通過(guò)控制振動(dòng)盤，對(duì)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(guò)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(guò)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(cāng)、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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，裝置的投料速度必須大于料倉(cāng)的落料速度，且能在一定時(shí)間內(nèi)將料倉(cāng)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(cāng)落料速度與料倉(cāng)傳感器檢測(cè)限位間的顆粒添加速度之和。

顆粒儲(chǔ)罐的容積。經(jīng)測(cè)量，傳感器檢測(cè)限位間的料倉(cāng)容積為60 L，料倉(cāng)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(duì)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(cè)與控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在顆粒儲(chǔ)罐、料倉(cāng)、循環(huán)料倉(cāng)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(cè)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(cè)3個(gè)倉(cāng)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(duì)所有傳感器完成自檢，確定各倉(cāng)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(cè)到物料時(shí)，說(shuō)明料倉(cāng)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(cè)到物料時(shí)，說(shuō)明料倉(cāng)中料位處于高位，無(wú)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(shuō)明料倉(cāng)中料位已低于料倉(cāng)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(cè)到物料，然后對(duì)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(cāng)中，此過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直至料位傳感器3檢測(cè)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(cè)到物料時(shí)，說(shuō)明循環(huán)料倉(cāng)中的料位已降至低位，此時(shí)系統(tǒng)提示需向循環(huán)料倉(cāng)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(cè)到物料，而料位傳感器7檢測(cè)到物料時(shí)，說(shuō)明循環(huán)料倉(cāng)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(cāng)體內(nèi)的料位平衡，直至料位傳感器6檢測(cè)到物料后關(guān)閉振動(dòng)盤，此過(guò)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(cè)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(duì)研制的自動(dòng)循環(huán)投料裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)改變顆粒種類，觀測(cè)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(cè)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(duì)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(wú)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(cè)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(cè)值

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，提高了生產(chǎn)效率。

（2）投料裝置操作簡(jiǎn)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(guò)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(duì)生產(chǎn)環(huán)境的污染，同時(shí)減少了環(huán)境和人員對(duì)物料的污染，提高了運(yùn)行環(huán)境的潔凈度。