ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析及改進(jìn)

龔道平

常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南省常德市長(zhǎng)庚路99號(hào) 415000

目前國(guó)內(nèi)卷煙生產(chǎn)企業(yè)廣泛應(yīng)用的ZJ17 卷接機(jī)組［1］，與其配套使用的包裝機(jī)組生產(chǎn)能力為400 包/分鐘。隨著企業(yè)設(shè)備管理、維護(hù)保養(yǎng)和操作水平的提高，包裝機(jī)組的有效運(yùn)行效率達(dá)97%，而ZJ17 卷接機(jī)組額定生產(chǎn)能力僅為7000 支/分鐘，已無(wú)法滿足下游包裝機(jī)組的生產(chǎn)要求。研究發(fā)現(xiàn)，與PROTOS2-2 卷接機(jī)組相比較，ZJ17 機(jī)組供絲系統(tǒng)的煙絲松散、梗簽分離和回絲系統(tǒng)等裝置在加工工藝及性能參數(shù)等方面存在設(shè)計(jì)缺陷，造成煙絲分布不均勻、煙絲分選速度偏低、梗簽分離不徹底和煙絲造碎嚴(yán)重等問(wèn)題，導(dǎo)致ZJ17 機(jī)組加工煙絲的能力不足，無(wú)法直接升速至8000 支/分鐘。祝智斌等［2］通過(guò)改進(jìn)吸絲帶輪、煙支成型等部分，將ZJ17 機(jī)組的生產(chǎn)能力提升至8000 支/分鐘，但由于未對(duì)供絲系統(tǒng)的工藝過(guò)程及相關(guān)部件進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，升速后的ZJ17 機(jī)組未能達(dá)到預(yù)期效果。關(guān)存春等［3］采用流化床技術(shù)對(duì)供絲系統(tǒng)進(jìn)行了局部改進(jìn)，有效降低了煙絲造碎率，但未能解決ZJ17 機(jī)組與包裝機(jī)組生產(chǎn)能力不匹配的問(wèn)題。為此，通過(guò)對(duì)PROTOS2-2 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，對(duì)ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以提高ZJ17 卷接機(jī)組的煙絲加工處理能力，滿足包裝機(jī)組的生產(chǎn)需求。

1 存在問(wèn)題

ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)主要由機(jī)架、輸送帶、拋絲輥、螺旋回梗機(jī)構(gòu)、風(fēng)室、計(jì)量輥等部分構(gòu)成［4］，見(jiàn)圖1。其工藝流程是:煙絲落入計(jì)量料槽（11）后，針輥（9）定量地從計(jì)量料槽中取出煙絲，彈絲轆（8）以恒定的轉(zhuǎn)速將煙絲從針輥里取出，再鋪放在輸送帶（2）上。煙絲在摩擦力作用下，被輸送帶以2.22 m/s 的線速度拋向風(fēng)分裝置（7）產(chǎn)生的噴射氣流中，質(zhì)量較輕的煙絲被噴射氣流吹向拋絲輥（4）后，被拋向風(fēng)室（6）的吸絲帶，質(zhì)量較重的煙絲和梗簽則在慣性的作用下落入螺旋回梗機(jī)構(gòu)（5）的料槽內(nèi)。螺旋回梗機(jī)構(gòu)將較重的煙絲和梗簽送至寬度為140 mm 的氣室中，在風(fēng)室負(fù)壓的作用下，較輕的煙絲向上直接吸附在風(fēng)室的吸絲帶上，稍重的梗簽則落入梗簽箱。

圖1 改進(jìn)前ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題:①梗簽分離裝置去除梗簽不徹底。首先，輸送帶和風(fēng)分裝置組成的一次分選裝置工作時(shí)，煙絲速度為2.22 m/s，升速至8000 支/分鐘后，輸送帶上煙絲層的厚度增加了14.3%。由于煙絲中夾雜的過(guò)長(zhǎng)煙絲未經(jīng)處理，梗簽易被過(guò)長(zhǎng)煙絲夾裹至拋絲輥，導(dǎo)致成品煙支中的梗簽難以被分離；其次，螺旋回梗機(jī)構(gòu)和氣室組成的二次分選裝置的有效寬度僅為140 mm，造成梗簽二次分離時(shí)梗簽和煙絲分離不徹底。②拋絲輥對(duì)煙絲產(chǎn)生造碎。拋絲輥等部件組成的勻絲機(jī)構(gòu)，因拋絲輥在有限的空間里高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)煙絲進(jìn)行撕扯、搓揉，導(dǎo)致短煙絲和煙末增加、煙支空頭率上升［5］。③回絲系統(tǒng)有漏灰和漏煙絲現(xiàn)象。由于采用皮帶輸送方式，皮帶裸露在外且有張緊機(jī)構(gòu)，無(wú)法將煙絲回收通道設(shè)計(jì)成全密封結(jié)構(gòu)，因此存在漏灰、漏煙絲及堵絲現(xiàn)象。④風(fēng)室升降結(jié)構(gòu)存在安全隱患。風(fēng)室升起后僅采用一根氣彈簧進(jìn)行支撐，在氣彈簧突然失效時(shí)易造成安全事故。

2 供絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

為解決ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)供絲能力不足問(wèn)題，對(duì)PROTOS2-2［6］卷接機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究。與ZJ17 采用的輸送帶及拋絲輥技術(shù)相比，PROTOS2-2 供絲系統(tǒng)采用了攤鋪輥和流化床技術(shù)，即對(duì)煙絲中的過(guò)長(zhǎng)煙絲進(jìn)行過(guò)濾并整理,加快煙絲的分選速度,對(duì)完成梗簽分離后的煙絲采用氣力方式進(jìn)行處理，形成均勻且蓬松的煙絲層，再將煙絲平穩(wěn)地輸送至風(fēng)室，有效提高了供絲系統(tǒng)處理煙絲的能力。

2.1 攤鋪輥銷(xiāo)釘間距

PROTOS2-2 中增設(shè)的攤鋪輥主要是提高供絲系統(tǒng)加工煙絲的能力。該裝置由均勻分布在機(jī)架上的定銷(xiāo)釘和均勻分布在旋轉(zhuǎn)輥上的動(dòng)銷(xiāo)釘組成，這些銷(xiāo)釘構(gòu)成了對(duì)過(guò)長(zhǎng)煙絲起過(guò)濾作用的篩網(wǎng)，長(zhǎng)度小于銷(xiāo)釘間距的煙絲在下落過(guò)程中可直接穿過(guò)篩網(wǎng)，落入計(jì)量料槽；而長(zhǎng)度大于該間距的過(guò)長(zhǎng)煙絲則被阻擋在篩網(wǎng)上，動(dòng)銷(xiāo)釘將過(guò)長(zhǎng)煙絲從定銷(xiāo)釘?shù)拈g隙中向下?lián)艹?，過(guò)長(zhǎng)煙絲被整理成需要的長(zhǎng)度再落入計(jì)量料槽。銷(xiāo)釘間距的大小對(duì)煙支空頭率及梗簽分離效果影響較大，PROTOS2-2 的銷(xiāo)釘間距為8 mm 左右。實(shí)驗(yàn)表明，銷(xiāo)釘間距過(guò)小，煙支空頭率上升；間距過(guò)大，則無(wú)法將過(guò)長(zhǎng)煙絲整理均勻，降低梗簽分離效果。煙絲經(jīng)過(guò)攤鋪輥裝置后，計(jì)量料槽中的煙絲分布更均勻和密實(shí)。

2.2 煙絲分選初速度

在生產(chǎn)過(guò)程中，煙絲以一定的速度穿越分選氣流才能完成梗簽分離，該速度稱(chēng)為煙絲分選初速度。PROTOS2-2 彈絲轆將煙絲從針輥中梳出時(shí)，煙絲即獲得垂直向下的初速度。煙絲分選初速度越大，處理煙絲的流量越大，得到的煙支產(chǎn)量越高。該初速度的大小與彈絲轆的直徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)，增大彈絲轆的直徑或加快彈絲轆的轉(zhuǎn)速可提高煙絲分選初速度。經(jīng)計(jì)算，PROTOS2-2 供絲系統(tǒng)的煙絲分選初速度平均為3.5 m/s，明顯高于ZJ17 供絲系統(tǒng)2.22 m/s 的煙絲速度。從針輥中梳出的煙絲通過(guò)自流槽向下進(jìn)入一次分選裝置的可調(diào)氣流，在此過(guò)程中對(duì)煙絲幾乎沒(méi)有造碎。

2.3 流化床寬度

PROTOS2-2 供絲系統(tǒng)中采用的流化床寬度是決定煙支產(chǎn)量和品質(zhì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。研究表明，給定寬度的流化床處理煙絲的流量并不能無(wú)限增大，當(dāng)超過(guò)某個(gè)極限值時(shí)，流化床開(kāi)始出現(xiàn)堵絲現(xiàn)象。單位寬度流化床處理煙絲的流量極限值q 為:

式中:q 為單位寬度流化床處理煙絲的流量極限值，kg/（m·min）；F 為生產(chǎn)速率，支/分鐘；m 為單支無(wú)濾嘴煙的煙絲質(zhì)量，kg；h 為允許的最大回絲量,百分比；d 為流化床寬度，即主墻板之間的距離，m。

可見(jiàn)，增大流化床寬度可提高供絲系統(tǒng)處理煙絲的能力，但流化床寬度加大，將增加供絲系統(tǒng)整機(jī)的寬度。因此，受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，流化床寬度并不能任意增大。

PROTOS2-2 供絲系統(tǒng)的生產(chǎn)速率為16000 支/分鐘，流化床寬度為1.114 m。取單支煙絲質(zhì)量0.0007 千克/支，最大回絲量按50%計(jì)算，根據(jù)式（1）即可計(jì)算出流化床處理煙絲的流量極限值q=15.081 kg/（m·min）。由于ZJ17 供絲系統(tǒng)主墻板之間的距離為0.82 m，其流化床寬度可設(shè)計(jì)為0.82 m，根據(jù)式（1）可得到ZJ17 供絲系統(tǒng)的最大生產(chǎn)速率Fmax:

可見(jiàn)，ZJ17 供絲系統(tǒng)改為流化床后，最大生產(chǎn)速率可達(dá)11777 支/分鐘。在保持其主墻板之間距離不變的條件下，其煙絲處理能力仍可滿足8000 支/分鐘的生產(chǎn)要求。

2.4 正壓空氣壓差

正壓空氣壓差是指為一次、二次分選裝置和流化床各噴嘴供給工作氣體的空氣相對(duì)壓強(qiáng)。PROTOS2-2 供絲系統(tǒng)的正壓空氣壓差為5000 Pa。在分選裝置和流化床各噴嘴孔口尺寸確定后，各噴嘴的出口氣流速度由正壓空氣壓差決定［7］，其與壓力的關(guān)系為:

式中:v 為出口氣流速度，m/s；M 為馬赫數(shù)；a 為音速，m/s；k 為比熱比，空氣 為1.4；p0為氣流總壓，Pa；p 為氣流 靜壓，Pa。

一次分選裝置噴嘴產(chǎn)生的噴射氣流產(chǎn)生前作動(dòng)力，驅(qū)使質(zhì)量較輕的煙絲從原料煙絲中分離出來(lái)。通過(guò)改變正壓空氣壓差，可調(diào)節(jié)初次梗簽分離的強(qiáng)度。一次分選裝置的多個(gè)矩形噴口組成一個(gè)狹長(zhǎng)噴嘴，從該噴嘴進(jìn)入大氣的氣流可看成是平面（二維）亞音速等溫自由射流，其軸心速度沿流向的變化規(guī)律［8］為:

式中:v0為噴嘴的出口氣流速度,m/s；b0為平面噴嘴高度的一半，mm；x 為距噴嘴出口的距離，m；a 為噴嘴湍流系數(shù)，平面噴口為1.108。

二次分選裝置噴嘴產(chǎn)生的附壁噴射氣流，則作為引射工作介質(zhì)的引射流，以產(chǎn)生二次梗簽分離所需要的負(fù)壓空氣。該負(fù)壓空氣流的通流截面可根據(jù)煙絲來(lái)料狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。流化床各噴嘴產(chǎn)生的附壁噴射氣流也用來(lái)產(chǎn)生前作動(dòng)力，由于這些噴嘴分布于流化床的弧面上，因此產(chǎn)生的射流亦為附壁噴射氣流。流化床噴嘴的間距較小且弧面半徑較大，因此附壁噴射氣流也可簡(jiǎn)化成平面（二維）亞音速等溫自由射流，其軸心速度沿流向的變化規(guī)律可根據(jù)式（4）進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)b0為平面噴口的整個(gè)高度，其噴嘴湍流系數(shù)a=0.118。由于射流的附壁效應(yīng)，噴射氣流產(chǎn)生一個(gè)沿弧面呈鋸齒形分布的流場(chǎng)，見(jiàn)圖2。該流場(chǎng)中的氣流驅(qū)動(dòng)煙絲沿弧面以忽快忽慢的速度運(yùn)動(dòng)，從而使煙絲分布均勻和蓬松。

圖2 流化床弧面上的氣流速度分布圖

3 改進(jìn)方法

根據(jù)上述研究和分析，對(duì)ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn):①增加了攤鋪輥裝置，其銷(xiāo)釘間距為8.5 mm。將過(guò)長(zhǎng)的煙絲整理均勻，使卷接機(jī)組能夠適應(yīng)不同的煙絲狀況，提高梗簽分離效果。②對(duì)勻絲板、針輥和彈絲轆的相對(duì)位置重新布局，煙絲分選初速度設(shè)計(jì)值為3.5 m/s。使彈絲轆從針輥中梳出的煙絲垂直向下拋入導(dǎo)板的自流槽，煙絲獲得更高的分選初速度，以提高卷接機(jī)組的生產(chǎn)能力，同時(shí)取消了煙絲輸送帶裝置。③設(shè)計(jì)了計(jì)量料槽和二次分選裝置。將二次分選裝置從原機(jī)右側(cè)移至主墻板之間，并將其寬度由140 mm加寬至820 mm（兩主墻板之間的整個(gè)寬度），使煙絲和梗簽的二次分離更徹底。④增加了流化床裝置，工作氣體壓力為4500 Pa。采用氣力方式將煙絲均勻輸送至風(fēng)室，取消了拋絲輥等造成煙絲造碎的裝置。⑤采用螺旋回絲系統(tǒng)替代原皮帶回絲輸送裝置。使多余煙絲在全密封的回絲通道內(nèi)被輸送至煙絲儲(chǔ)存裝置中，避免產(chǎn)生漏灰、漏煙絲及堵絲問(wèn)題，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單。⑥采用氣缸替代人工驅(qū)動(dòng)風(fēng)室升降［9］，并對(duì)氣路系統(tǒng)進(jìn)行完善，避免了原氣彈簧結(jié)構(gòu)突然失效造成的安全隱患，提高了機(jī)器的自動(dòng)化程度。

改進(jìn)后的ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)見(jiàn)圖3。來(lái)自提絲帶（15）的煙絲，在重力作用下自由下落，經(jīng)過(guò)磁選裝置（1）時(shí)將煙絲中可能存在的鐵質(zhì)雜物吸附在磁鐵上，煙絲繼續(xù)下落進(jìn)入攤鋪輥（2），再由攤鋪輥將煙絲均勻分布到計(jì)量料槽（3）內(nèi)。

圖3 改進(jìn)后ZJ17 卷接機(jī)組供絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

計(jì)量料槽中的煙絲被勻絲板（4）、針輥（5）和彈絲轆（6）定量均勻地取出，向下拋送進(jìn)入煙絲導(dǎo)板（7）后落入一次分選裝置（10）的可調(diào)噴射氣流中。質(zhì)量較輕的煙絲被氣流從一次分選裝置帶到流化床（9），流化床各噴嘴產(chǎn)生的噴射氣流使煙絲在弧形工作面上形成均勻的煙絲層，隨后煙絲被風(fēng)室（8）的負(fù)壓空氣吸附在吸絲帶上，輸送到卷煙機(jī)的煙槍中。質(zhì)量較重的煙絲和梗簽則穿過(guò)一次分選裝置產(chǎn)生的噴射氣流落入二次分選裝置（11），氣流速度決定了落入二次分選裝置的煙絲量。二次分選裝置的寬度與流化床寬度相同，通過(guò)調(diào)節(jié)二次分選裝置可調(diào)整梗簽的分離效果。分離出的煙絲由氣流送回流化床中，梗簽則被送入梗簽箱或中央除塵系統(tǒng)。

4 改進(jìn)效果

改進(jìn)后的ZJ17 卷接機(jī)組額定生產(chǎn)能力達(dá)到了8000支/分鐘，實(shí)現(xiàn)了與下游包裝機(jī)組的匹配生產(chǎn)，有效運(yùn)行效率達(dá)到96.7%，滿足了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不低于85%的要求［10］。優(yōu)化了煙絲松散、梗簽分離以及回絲系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的煙絲加工處理能力，有效解決了梗簽分離不徹底和煙絲造碎等問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)前后整絲率提高2.3 百分點(diǎn)/月，碎絲率降低0.12 百分點(diǎn)/月，含末率減少0.07 百分點(diǎn)/月，提升了煙支內(nèi)在品質(zhì)。

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