摘 要：針對傳統(tǒng)殘廢煙支煙絲回收裝置存在的煙絲回收率低、純凈度差、整絲率偏低、細支卷煙加工適應性差等問題，研制一種新型殘廢煙支煙絲回收裝置。該裝置通過滾筒篩網和搓絲螺桿機構實現了煙絲與卷煙材料的快速分離，通過靜電吸附和負壓剔除相結合的除雜技術，實現了分離煙絲精選除雜。以常規(guī)卷煙牌號云煙（紫）以及細支卷煙牌號云煙（細支珍品）進行應用測試，常規(guī)卷煙加工回收煙絲得率≥80.0%，細支卷煙加工回收煙絲得率≥70.0%；回收煙絲純凈度≥99.0%；回收煙絲整絲率≥60.0%；回收煙絲碎絲率≤6.0%；處理前后煙絲含水率變化≤0.5%。該裝置同時可以滿足常規(guī)卷煙和細支卷煙的殘廢煙支回收。

關鍵詞：殘廢煙支；回收裝置；煙絲回收率；純凈度

中圖分類號：TH122文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0264-05

Design and Application of YN30 Type Cut Tobacco Recycling Device from Disabled Cigarette

Abstract：To improve the low recovery rate and poor purity of cut tobacco， the low rate of whole cut tobacco， and poor processing adaptability of thin cigarettes in the traditional recycling device for disabled cigarettes， a new type of waste cigarette shredded tobacco recycling device was designed， which rapidly separated cut tobacco and cigarette material through roller screen and tobacco rubbing mechanical structure， and removed the sundries in cut tobacco by electrostatic adsorption and negative pressure removal. The new device was applied to tests on conventional cigarette brand Yunyan （Zi） and thin cigarette brand Yunyan （Xizhizhenpin）， showing that the yield of recycled shredded tobacco in conventional cigarette processing is higher than or equal to 80.0%，while the one in thin cigarette processing is higher than or equal to 70.0%， the purity of recycled shredded tobacco is higher than or equal to 99.0%， the whole recycled tobacco rate is more than or equal to 60.0%， the recycled shredded tobacco rate is 6.0% or less， and the change of moisture content before and after treatment is 0.5% or less。The designed device well suits the disabled cigarette shredded tobacco recycling both for conventional cigarettes and thin cigarettes.

Keywords：disabled cigarettes; recycling device; cut recycled tobacco rate; purity

0 引言

在卷煙生產制造過程中，不可避免地造成一定量的殘廢煙支。為了降低煙絲損耗，殘廢煙支中的煙絲應盡可能地被重新回收利用。如何提高回收效率并確保煙絲工藝品質是煙草行業(yè)重要的研究課題之一［1-3］。國內煙草生產企業(yè)引進較多的回收設備是意大利某公司的TR1000系列殘廢煙支煙絲回收設備。但是實際生產中發(fā)現，該設備處理后存在較明顯的煙支剝離不充分、煙絲中摻雜卷煙紙等問題。統(tǒng)計顯示，該設備加工傳統(tǒng)卷煙殘廢煙支煙絲回收率只有74.3%，純凈度只有94.4%，加工細支卷煙殘廢煙支煙絲回收率只有56.1%，純凈度只有92.7%。針對以上問題，陳平［4］采用壓空回收方法設計的殘廢煙支煙絲回收裝置處理后的回收煙絲純凈度較好，但對煙絲中的水分和香精損失較嚴重，而且難以同時滿足常規(guī)卷煙和細支卷煙的加工需求，加工適應性較差。蔡培良等［5］采用破碎回收方法設計卷接機組殘廢煙支自動回收分類裝置，但是混入煙絲的卷煙紙碎屑難以有效分離，尤其是針對煙支圓周變小的細支和中支卷煙殘廢煙支，影響回收煙絲的純凈度、煙絲整絲率和使用價值。為此，本文設計了一種新型殘廢煙支煙絲回收裝置，具備較好的煙絲回收率和處理效果，適應于不同規(guī)格殘廢煙支處理，提升了回收煙絲使用價值和經濟效益。

1 煙絲回收裝置結構與工作原理

1.1 殘廢煙支煙絲回收裝置結構

圖1為YN30型殘廢煙支煙絲回收裝置的結構示意圖。該裝置主要由喂料機構、煙支搓打分離機構、振動輸送機構、靜電吸附與負壓除雜、主驅動機構、電控裝置等部分組成。支架在裝置中起支撐作用，由鋼板等材料焊接而成，結構簡單，便于零部件安裝。篩網旋轉軸和靜電輥共用一個驅動電機，主驅動電機安裝在裝置底部，采用變頻器調節(jié)，通過帶傳動驅動滾篩旋轉軸和靜電輥。在裝置正面設置PLD編程器和觸摸顯示屏，提高設備操作便捷性。為提升設備操作安全性，在多個門罩上設置斷電保護光電開關。

1.2 工作原理

殘廢煙支經喂料機構1以一定傾斜角度落入到搓打分離機構3中，在搓打分離機構中受搓絲螺桿及軸流風扇葉片的逐級搓打擠壓，煙支中的煙絲從搓打分離機構的網孔中分離出來，而卷煙紙和煙嘴等煙草輔料沿著搓打分離機構內的螺旋軌跡向前吹進，最后從末端廢料出口排出落入雜物收集裝置5中。從搓打分離機構網孔拋壓分離出來的煙絲，經振動導板4輸送到均料帶9上，煙絲中的碎紙片、碎紙屑和絲束等輕雜物及碎煙末均被料帶上方的靜電負壓除塵機構8吸附分離，通過上方負壓吸附裝置將雜物輸送至廢料回收袋中，純化后的煙絲落入煙絲收集裝置6中。

2 關鍵部件設計

2.1 喂料機構設計

為了實現殘廢煙支進料均勻順暢，提高后續(xù)搓打分離效果，在喂料斗前設置圓網盤并設計兩級料斗，前級圓料斗作為后級方形料斗的緩沖。前級圓料斗入料口設計成長方形，后級方形斗下料均勻，能夠有效防止下料堵塞。考慮到操作安全，后級方形斗呈60°傾斜，防止操作人員清理斗槽時受旋轉葉片導致的機械傷害。喂料機構結構示意如圖2所示。

2.2 搓打分離機構設計

為了避免廢煙支密集下料造成堵塞和搓打不均，在篩網筒體底部設置鼓風管6，使物料口落入的煙支分散開來，同時使沉積在篩網底部的廢煙支處于懸浮狀態(tài)，達到廢煙支物料被搓絲螺桿和打風葉扇均打分離的目的?？紤]到廢煙支物料在篩網狀筒體中通過時間過短，容易導致殘余斷支拋絲不凈。經測試，在滾筒內設置4個分室隔離網欄，將滾筒內部分為5個部分。分室隔離網欄結構示意圖如圖4所示。

2.3 驅動電機選型

篩網旋轉軸由主驅動電機提供動力，其傳遞方式為帶傳動。由于安裝有搓絲螺桿和螺旋葉片，形狀不規(guī)則，旋轉軸轉動慣量的精確理論較為復雜，因此利用SolidWorks輔助計算旋轉軸的轉動慣量［9］。通過建立旋轉部件簡化模型和旋轉軸心坐標系，定義材質質量屬性，即可計算旋轉軸轉動慣量J=18 571.985 kg·mm2，如圖5所示。

以理想工況下空載啟動進行估算，旋轉軸慣性矩T=J/（ω/t），旋轉軸功率P1=（T×ω）/η，電機輸出功率Pgt;KP1。旋轉軸設計最高轉速n為1 000 r/min，即ω=2πn=104.8 rad/s，啟動時間t為0.5s。η為機械效率，取0.7，K為系數，取1.5。經估算，電機功率P約為0.87kW，為保證設備電機的穩(wěn)定性和可靠性，選擇額定功率1.5kW工業(yè)變頻主電機。上述設計的電機運行情況良好，能滿足各類型廢煙支處理的需要。

2.4 煙絲提純系統(tǒng)設計

圖6為煙絲提純系統(tǒng)結構示意圖，該系統(tǒng)采用靜電吸附［10］和負壓剔除相結合的方式，包括振動導板、運料帶、靜電輥、刮板、負壓吸風道等。其工作原理為：振動導板位于篩網下方，使分離出的煙絲均勻平鋪，防止堆疊，保證雜物剔除效果。在振動導板后的勻料帶上方設置靜電除雜系統(tǒng)，當混有碎紙屑等雜質煙絲流經高壓靜電輥時，被極化后產生極性電位差，煙絲中碎紙屑及輕質絲塵等雜物被吸附到旋轉的靜電輥表面，然后隨著靜電輥的轉動被刮板刮下，通過負壓吸風道吸走。

上述煙絲提純系統(tǒng)中靜電吸附過程為最關鍵步驟，為保證上述系統(tǒng)有效工作，需確保靜電輥在工作時能夠將卷煙紙紙屑吸附到靜電輥表面，同時不能將煙絲吸附到靜電輥表面，則：

Gp＜Fp（1）

Gt＞Ft（2）

式中：Gp為卷煙紙屑受到的重力；Fp為卷煙紙屑在靜電場中受到的靜電力；Gt為煙絲受到的重力；Ft為煙絲在靜電場中受到的靜電力，其中：

Gp=ρpSg（3）

Gt=ρtSg（4）

式中：ρp為卷煙紙的面密度；ρt為煙絲的面密度；S為電介質面積；g為重力加速度。

為分析煙絲及卷煙紙屑在靜電場中受力，建立靜電吸附裝置工作原理圖如圖7所示。在靜電輥形成的電場中，卷煙紙屑和煙絲的體積相對于電場體積非常小，所以可以忽略其厚度［11］，而等效為只有一定面積的薄片狀電介質。設在A點電介質處的電場強度為E，則根據靜電場中電介質的受力分析［12］，有：

F=EσS（5）

W=χeε0E=σ（6）

εr=χe+1（7）

式中：F為電介質在靜電場中受到的電場力；E為電場強度，N·C-1；σ為電介質的極化電荷密度；W為電極化強度；χe為電極化率；ε0為真空介電常數，取值為8.85×10-12，C2·N-1·m-2；εr為電介質的相對介電常數。綜合式（1）—式（7），可得：

按照標準方法《GB/T 1409—2006》測量煙絲的相對介電常數εrt和卷煙紙屑的相對介電常數εrp［13-14］，利用圖像法檢測煙絲和卷煙紙面積［15］，結合天平稱質量得到卷煙后卷煙紙面密度、煙絲面密度，測量結果如下：

εrp=14.39，εrt=23.53，ρp=31.3×10-3kg/m2，ρt=70.4×10-3kg/m2。

將以上參數帶入式（8），計算得出：

39 217.34＜E＜76 302.03。

根據以上結論選擇靜電發(fā)生器，調整其安裝參數如表1所示。

3 效果驗證

經測試，YN30殘廢煙支煙絲回收裝置樣機廢煙處理能力達到46.5 kg/h，高于裝置設計處理廢煙能力30 kg/h，滿足裝備處理廢煙量的設計要求，其加工效果驗證如下。

3.1 材料與方法

材料：云南中煙生產的常規(guī)卷煙云煙（紫）和細支卷煙云煙（細支珍品）。

設備與儀器：本文所研發(fā)的YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備和某卷煙廠生產五部廢煙線（下文稱“傳統(tǒng)廢煙線”，Garbuio公司生產，型號TR1000，由蒸汽回潮裝置、煙支剝離裝置、除雜裝置組成）。

方法：分別使用上述設備和卷煙進行煙絲回收加工，對加工后煙絲回收率、煙絲純凈度、煙絲結構（檢測標準為YC/T 289—2009）、煙絲含水率（檢測標準為YC/T 31—1996）等指標進行檢測和對比分析，結果如表2所示。

3.2 數據與分析

1）煙絲回收率對比分析

由表2可知，傳統(tǒng)廢煙線加工常規(guī)卷煙和細支煙的煙絲回收率分別為74.3%和56.1%，而采用YN30型裝備加工的煙絲回收率分別為81.7%和71.6%，均明顯高于傳統(tǒng)廢煙線，這說明采用YN30型裝備加工殘廢煙支具有較好的煙絲回收效率。

2）煙絲純凈度對比分析

由表2可知，YN30型裝備處理常規(guī)和細支卷煙廢煙的煙絲純凈度分別為99.6%和99.0%，顯著高于傳統(tǒng)廢煙線加工效果，說明YN30型裝備使用靜電吸附和負壓剔除的方式對煙絲進行提純具有較好的可行性和處理效果。

3）煙絲結構對比分析

由表2可知，YN30型裝備處理常規(guī)和細支卷煙廢煙的煙絲整絲率分別為66.0%和62.0%，與傳統(tǒng)廢煙線處理效果相比較，整絲率指標更好，碎絲率基本一致，說明YN30型裝備在煙絲結構指標上具有一定的優(yōu)勢。

4）煙絲含水率對比分析

由表2可知，傳統(tǒng)廢煙線加工后的煙絲含水率提升幅度達0.60個百分點以上，主要是傳統(tǒng)廢煙線上在煙絲與輔料分離前設置有蒸汽回潮裝置，具有對殘廢煙支回潮的功能。YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備加工后的煙絲含水率會有一定程度的降低，但降低幅度小于0.32個百分點。

綜上分析可知，YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備具有良好的加工質量保障能力，對常規(guī)卷煙和細支卷煙都具有良好的加工適應性，可與在線卷煙機臺配套進行在線廢煙處理煙絲回收，也可應用于離線廢煙收集集中處理煙絲回收，具有良好的應用前景和現實意義。

4 結語

本文基于搓打擠壓、靜電吸附和負壓剔除相結合原理研制了一種YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備，實現了高回收率和較高處理工藝質量的功能。通過與進口設備對比測試分析，結果表明：加工常規(guī)卷煙殘廢煙支煙絲回收率≥80.0%，細支卷煙殘廢煙支煙絲回收率≥70.0%，煙絲純凈度≥99.0%，煙絲整絲率≥60.0%，碎絲率≤6.0%，加工前后煙絲含水率變化≤0.5%，能夠滿足常規(guī)卷煙和細支卷煙的殘廢煙支處理要求，在煙絲純凈度、煙絲結構、煙絲含水率等指標方面具有較好的優(yōu)勢，同時具備結構緊湊、工作穩(wěn)定可靠、維護方便等特點，并擁有自主知識產權，具有較好的適應性、應用前景和推廣價值。

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