摘要：建立了雜物在靜電場中的運動軌跡模型，運用多物理場耦合模型對靜電輥表面的電場分布、雜物在電場中的運動軌跡進行仿真分析；采用單因素實驗法研究各種摩擦式靜電除雜樣機除雜率的影響。結(jié)果表明：試驗效果與仿真結(jié)果的趨勢基本一致，在環(huán)境濕度為60%RH、靜電輥轉(zhuǎn)速為25 r/min時，雜物的挑出率為98.77%，相較于最初的工藝參數(shù)平均挑出率提高了20.51%。研究為提高摩擦式靜電除雜機的除雜率提供參考。

關(guān)鍵詞：煙葉碎片除雜；運動軌跡；多物理場耦合；電輥轉(zhuǎn)速；環(huán)境濕度

中圖分類號：TS443

文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-4348（2023）01-0014-06

Simulation and verification of process parameters for

secondary impurity removal in tobacco leaf threshing and rebaking

QIN Jian¹， ZHANG Tengjian²， PENG Xiaodong¹， LU Minrui²， PAN Feng²， QIN Hua²

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China;

2. Fujian Wuyi Leaf Tobacco Co.， Ltd.， Shaowu 354000， China）

Abstract： The trajectory model of impurities in electrostatic field was established， and the electric field distribution on the surface of electrostatic roller and the trajectory of impurities in the electric field were simulated and analyzed by means of multiphysical field coupling model. The single factor experiment was used to study the effect of various friction electrostatic impurity removal prototypes. Results show that the trend of test results is basically consistent with that of simulation results. When the ambient humidity is 60% RH and the speed of electrostatic roller is 25r/min， the pickout rate of impurities is 98.77%， which is 20.51% higher than the average pickout rate of initial process parameters. This study can provide reference for improving the impurity removal rate of friction electrostatic impurity remover.

Keywords： impurity removal of crumbled tobacco; trajectory; multiphysical field coupling; electric roller rotation speed; ambient humidity

收稿日期：2022-12-12

第一作者簡介：秦建（1994—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：煙葉靜電除雜。

通信作者：潘峰（1968—），男，福建邵武人，高級農(nóng)藝師，研究方向：煙葉分級。

打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上配備的除雜設(shè)備主要為風(fēng)選除雜機、金屬探測儀、光電除雜機、除麻絲機以及人工挑雜等。由于雜物本身細小且顏色與煙葉碎片相近，利用現(xiàn)有設(shè)備剔除機和人工挑揀相結(jié)合的方法除雜效果有限。

近年來，關(guān)于靜電分選除雜技術(shù)已有大量研究，根據(jù)靜電產(chǎn)生的不同，可分為摩擦式和高壓靜電式分選除雜。國外現(xiàn)有研究多為高壓靜電式分選^[1-2]，并且主要集中在顆粒物分選領(lǐng)域；而國內(nèi)主要以殘膜為研究對象，利用自制的高壓靜電式分離裝置及計算機仿真軟件研究殘膜的最佳分離率^[3-6]。本文利用多物理場耦合仿真結(jié)合單因素實驗法探究了不同因素對煙葉碎片除雜效果的影響，并針對一次風(fēng)選除雜后挑出的含雜碎片進行二次摩擦靜電吸附除雜實驗，以優(yōu)化摩擦式靜電除雜機的工藝參數(shù)。

1 雜物去除機理分析

應(yīng)用靜電除雜時，極板上的高壓靜電產(chǎn)生靜電場，雜物在電場中會產(chǎn)生與極板電荷相反的感應(yīng)電荷，如圖1所示，此時電場作用力充當(dāng)了吸住雜物的吸附力^[7]

式中，U為極板電壓，V；d為極板間距，mm；q為雜物攜帶的電荷量，C。

通過式（1）得到以下結(jié)論：吸附電極與雜物表面間的距離不變，增加吸附電極上的電壓可以提高電場力，但是極板上的電壓增加到一定程度時會導(dǎo)致空氣擊穿產(chǎn)生電火花，影響設(shè)備及人員的安全；極板上的電壓不變，雜物表面與吸附電極間的距離是提高吸附力的主要因素，減小距離可以提高吸附力。

雜物在電場中運動時不僅受到重力及電場力的影響，還會受到空氣阻力的影響，因為雜物的迎風(fēng)面積很小且實際生產(chǎn)中雜物相對于空氣的速度極小，其受到的空氣阻力對其運動產(chǎn)生的影響可以忽略，所以雜物在電場中y方向上運動的動力方程：

式中，m為雜物質(zhì)量，kg；y為雜物運動的距離，m；t為雜物運動的時間，s。

由于靜電輥和振動輸送臺之間為非均勻電場，故電場力F_e與雜物在電場中的位置有關(guān)，即F_e與雜物在電場中運動的時間有關(guān)，此處假設(shè)電場力F_e僅僅是時間t的函數(shù)，S_y表示位移，對式（2）二重積分：

則雜物在x方向的運動位移S_x：

式中，v₀為雜物在x方向上的水平初速度，m/s。

即雜物在靜電輥電場中的運動軌跡：

由于實際生產(chǎn)中煙葉碎片的質(zhì)量較大，所以在U取合適的值時，可以保證煙葉碎片所受到的重力比它在靜電場中受到的靜電力大，即煙葉碎片在靜電輥電場中y方向的運動遠小于雜物在靜電輥電場中的運動，因此可將煙葉碎片中的雜物通過靜電輥與振動輸送臺之間的靜電場吸附分離去除。

2 雜物與煙葉碎片靜電吸附分離仿真與實驗

2.1 雜物與煙葉碎片靜電吸附分離仿真

2.1.1 仿真模型建立及仿真參數(shù)設(shè)置

運用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立簡化的仿真模型，采用軟件中的AC/DC模塊與流體流動顆粒跟蹤模塊多物理場耦合進行粒子在靜電場中運動的軌跡仿真。將模型簡化為二維平面模型，如圖2所示。其中橡膠靜電輥簡化為圓，其直徑為140 mm，與橡膠靜電輥摩擦的羊毛氈并未給出，而是直接在仿真軟件中給定靜電輥電壓參數(shù)；振動輸送臺充當(dāng)接地電極；長方形表示仿真的邊界，邊長分別為500、350 mm；質(zhì)點表示簡化后的塑料絲、塑料片，根據(jù)實驗所用的設(shè)備物料入口到靜電輥的距離測量得知：質(zhì)點與靜電輥圓心的水平距離為130 mm。利用仿真軟件對摩擦式靜電除雜結(jié)構(gòu)的電場分布及雜物在電場中的粒子軌跡進行仿真模擬。仿真默認煙葉碎片的質(zhì)量都比雜物的質(zhì)量大；一次只考慮一種煙葉碎片中的雜物，并且雜物都分布在煙葉碎片的表面；不考慮雜物的形狀對靜電吸附去除效果的影響，雜物在電場中只考慮重力與電場力。

應(yīng)用靜電模塊，在靜電輥表面施加大小一定的電勢，并且將振動輸送臺以及空氣域的邊界接地；在流體流動顆粒跟蹤模塊中的粒子屬性界面設(shè)置粒子攜帶的電荷數(shù)：煙葉碎片中塑料絲與塑料片的材質(zhì)都是聚丙烯，通過查閱文獻^[8]可知，聚丙烯粒子在電場中的飽和荷電電荷數(shù)為1.0×10⁸，對靜電吸附除雜結(jié)構(gòu)的電場分布和雜物在電場中的運動軌跡進行仿真。

2.1.2 仿真結(jié)果與分析

由圖3可知，在靜電輥與振動輸送臺距離不變時，隨著靜電輥表面電壓的增加，靜電場的分布情況基本一樣，但是從圖3中表示電場的箭頭可以看出，靜電場的場強隨著靜電電壓的增大而增大，并且隨著靜電輥表面電壓的增加，靜電場中出現(xiàn)電場強度較大的區(qū)域也在增加，當(dāng)靜電輥表面電壓為12 kV時，電場強度最大，電場強度較大的區(qū)域面積也最大。圖4和圖5為仿真結(jié)果。

通過圖4和圖5仿真的結(jié)果可以得出：

（1）圖4中仿真參數(shù)靜電輥與振動輸送臺的距離5 cm，靜電輥表面的電壓11 kV。隨著雜物質(zhì)量的增加，雜物在靜電場中運動速度驟降為零所需的時間會逐漸增加，但最終都被靜電輥吸附：其中10 mg的雜物從釋放到被吸附所需時間為1.3 s，而30 mg的雜物從釋放到被吸附所需的時間為1.65 s。

（2）隨著靜電輥與振動輸送臺距離增加，靜電輥對雜物的吸附效果變得越來越差，雜物運動速度最終降為零時所需要的靜電輥表面電壓越來越高；當(dāng)靜電輥與振動輸送臺的距離為6 cm時，靜電輥表面的電壓只有達到11 kV時，雜物才有可能被靜電輥吸附去除。

（3）隨著靜電輥表面電壓的增加，雜物在靜電場中的運動速度逐漸增加直至被靜電輥吸附即雜物運動速度驟降至零，并且在雜物質(zhì)量一定時，電壓越高，雜物被吸附所需的時間越短，在靜電輥到振動輸送臺的距離為4 cm，靜電輥表面電壓為12 kV時，雜物在釋放后1.6 s時速度降為零，即被靜電輥吸附。

2.2 摩擦式靜電除雜實驗

2.2.1 實驗裝置和方法

摩擦式靜電除雜樣機，如圖6所示。FMX-003型靜電場測試儀（感量0.01 kV）；TH101B型溫濕度計；CPA223S型電子天平（ 感量0.001 g）；FLUKE-931接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)速計。煙葉樣品為浙江中煙HN2119BCF批次中風(fēng)力除雜設(shè)備風(fēng)選后的煙葉碎片和雜物。

將靜電輥轉(zhuǎn)速設(shè)定為20 r/min，利用靜電場測試儀測試摩擦式靜電除雜機在不同環(huán)境濕度時，靜電輥表面摩擦產(chǎn)生的靜電電壓的大??；在不同濕度環(huán)境下，調(diào)節(jié)靜電輥的轉(zhuǎn)速為8、12、20、25、31 r/min，分析濕度與靜電輥轉(zhuǎn)速對靜電輥表面靜電電壓產(chǎn)生的影響；分別取7個不同質(zhì)量的塑料片及塑料絲，測試各個雜物被摩擦式靜電除雜機吸附去除時的靜電輥表面的靜電電壓值；根據(jù)上述的實驗結(jié)果，將摩擦式靜電除雜機置于自然環(huán)境濕度下，靜電輥的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至合適的大小，將煙葉碎片與雜物混合后放在摩擦式靜電除雜樣機上進行雜物去除實驗，測試摩擦式靜電除雜機的除雜效果; 將靜電輥至振動輸送臺的距離調(diào)節(jié)為5 cm，靜電輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為25 r/min，在不同濕度下進行實驗。

雜物剔出率的計算方法：

式中：n為雜物剔出率；N₁為雜物剔出個數(shù)，個；N為雜物總個數(shù)，個。

and electrostatic roller speed

2.2.2 實驗結(jié)果與分析

從圖7中看出：處較低環(huán)境濕度（40%～60%RH）下，靜電輥摩擦產(chǎn)生的靜電電壓總體偏大，靜電輥表面的電壓值同靜電輥轉(zhuǎn)速成一定的正相關(guān)，即隨著靜電輥轉(zhuǎn)速的增大，靜電輥表面的靜電電壓隨之增高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為25 r/min，靜電電壓達到19.4 kV，繼續(xù)加大轉(zhuǎn)速，靜電電壓的波動變化不大；在不同濕度環(huán)境下時，同一靜電輥轉(zhuǎn)速下的靜電輥表面的靜電電壓值有比較明顯的區(qū)別：隨著濕度的增加，靜電輥表面的靜電電壓隨之降低，因為空氣中的水氣為導(dǎo)體，濕度增加則橡膠靜電輥的表面電導(dǎo)率增加，使物體積蓄的靜電荷可以更快地泄漏。

從圖8中可以看出：

（1）隨著塑料絲與塑料片的質(zhì)量增加，被吸附起時的靜電電壓也隨之增大，并且隨著質(zhì)量的增加，塑料絲、塑料片被吸附起時的靜電電壓增加的趨勢相似。

（2）在塑料絲與塑料片質(zhì)量相差不大的情況下，塑料絲被吸附起時的靜電電壓要比塑料片的小，可能的原因是：塑料片的形狀不利于電子在其一端聚集，導(dǎo)致塑料片所需的靜電電壓比電子更易聚集的塑料絲高。

通過表1中的數(shù)據(jù)可以看出，通過羊毛氈與橡膠輥筒相互摩擦產(chǎn)生靜電以吸附去除煙葉碎片中的雜物是可行的，并且在環(huán)境濕度為76%RH（自然環(huán)境）、靜電輥轉(zhuǎn)速20 r/min時，雜物的平均挑出率為78.26%；在不同濕度下的實驗結(jié)果如表2所示，在濕度為60%RH時，摩擦式靜電除雜樣機的挑出率為98.77%。

3 結(jié)論

1）靜電輥表面電壓、靜電輥與振動輸送臺的距離以及雜物本身的質(zhì)量都對摩擦式靜電除雜機二次除雜的挑出率有較大影響：雜物的質(zhì)量一定時、靜電輥表面的電壓為12 kV、靜電輥與振動輸送臺的距離為4 cm時，雜物被吸附去除的時間最短。

2）靜電輥的轉(zhuǎn)速與環(huán)境濕度對羊毛氈與靜電輥表面摩擦產(chǎn)生的靜電場電壓有顯著影響，并且雜物在被吸附時所需的靜電電壓隨著雜物重量的增加而逐漸增加，并且在環(huán)境濕度為60%RH、靜電輥轉(zhuǎn)速為25 r/min時，雜物的挑出率為98.77%，相較于最初工藝參數(shù)的平均挑出率提高了20.51%。

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（責(zé)任編輯：陳雯）