基于ANSYS 有限元分析的膨脹煙絲浸漬器壓料裝置設(shè)計

孫科雷，鄭 超，姚科東，龔劍強，林 斌，丁男哲，章 敏

浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經(jīng)濟開發(fā)區(qū)葭浦西路2001 號 315040

膨脹煙絲是卷煙葉組配方的重要組分［1］，葉絲經(jīng)過膨脹后填充能力增加，可以減少卷煙中葉絲耗用量，降低卷煙燃燒產(chǎn)生的焦油量［2］。因此，煙絲填充值是考察卷煙產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵指標之一，對于膨脹煙絲的摻兌使用具有較大影響［3-4］。二氧化碳膨脹煙絲是國內(nèi)應(yīng)用較成熟的技術(shù)［5-6］，采用液態(tài)二氧化碳對煙絲進行浸漬，在煙絲內(nèi)部和表面形成干冰，煙絲通過文丘里管快速進入升華管，在高溫熱氣流中二氧化碳迅速升華，促使煙絲膨脹。浸漬器是二氧化碳膨脹煙絲生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，主要完成二氧化碳對煙絲的浸漬，形成低溫干冰煙絲。一般情況下，煙絲表面密度為0.4～0.8 g/cm3，液態(tài)二氧化碳在-7.5 ℃時的密度為0.968 g/cm3，在浸漬過程中一部分煙絲漂浮在液態(tài)二氧化碳上方，導(dǎo)致煙絲無法完全浸漬，由此對煙絲膨脹率和填充值造成影響。目前對于液態(tài)二氧化碳煙絲膨脹法的工藝原理、參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)控制等方面已有較多研究。其中，崔偉等［7］分析了膨脹熱端工藝參數(shù)對膨脹煙絲內(nèi)在質(zhì)量的影響；廖和濱等［8］對干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線熱端系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進；張鐵榮等［9］對CO2膨脹煙絲工藝浸漬器控制系統(tǒng)進行了改進；吳敬華［10］采用綜合平衡法確定了升華溫度、蒸汽流量、塔內(nèi)風速、浸漬時間4 個最佳工藝參數(shù)。上述研究或改進在一定程度上提高了煙絲浸漬效果的穩(wěn)定性，但對于解決浸漬器內(nèi)部煙絲浮于液態(tài)二氧化碳表面而造成浸漬效果差等問題則鮮見報道。ANSYS 有限元分析軟件能夠與大多數(shù)計算機輔助設(shè)計軟件（CAD，Computer Aided Design）對接，可用于結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［11-14］。為此，通過對浸漬器工作原理進行分析，設(shè)計了一種圓錐形浸漬器壓料裝置，并利用ANSYS 有限元分析軟件對其設(shè)計合理性進行驗證，以期提高煙絲浸透率和葉絲膨脹率，改善卷煙產(chǎn)品品質(zhì)。

1 問題分析

在實際生產(chǎn)中，當工藝泵將液態(tài)二氧化碳由浸漬器底部泵入浸漬器內(nèi)部時，由于液態(tài)二氧化碳密度大于煙絲表面密度，一部分煙絲因浮力作用飄浮在液面上方，沒有被浸泡在液態(tài)二氧化碳中，造成部分煙絲存在未浸透現(xiàn)象，見圖1。未浸透煙絲硬度低，手感較軟，這是由于煙絲細胞組織內(nèi)的干冰未能達到飽和狀態(tài)或根本沒有干冰，當煙絲進入熱端進行膨脹處理時，會造成煙絲膨脹率和填充值下降，影響卷煙產(chǎn)品品質(zhì)。此外，未浸透煙絲進入膨脹塔內(nèi)容易燒焦，導(dǎo)致熱端除塵器、集灰小車起火，存在安全隱患。

圖1 煙絲浸漬示意圖Fig.1 Schematic diagram of cut tobacco dipping

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)組成

為保證氣態(tài)二氧化碳能夠順利通過且能完全壓住上部煙絲，浸漬器壓料裝置設(shè)計為空心形狀?？招难b置的理想模型有圓柱形和圓錐形，相同底面積下圓錐所用材料少、質(zhì)量輕且對上蓋影響小。為此，浸漬器壓料裝置為兩個大、小圓錐體重疊套在一起，主要由外圓錐壓料板、內(nèi)圓錐壓料板、連接板、十字支架等部分組成，見圖2。

圖2 浸漬器壓料裝置外形示意圖Fig.2 Schematic diagram of shape of pressing device in impregnator

在不改變浸漬器原有結(jié)構(gòu)前提下，利用浸漬器上蓋的網(wǎng)罩固定螺栓，將壓料裝置固定在上蓋上，通過上蓋的開啟或關(guān)閉動作帶動壓料裝置上升或下降。為了壓住更多的煙絲，壓料裝置的圓錐直徑應(yīng)盡可能大，而壓料裝置的總高度直接影響圓錐直徑，所以高度取最大值。此外，浸漬器采用伸縮溜槽來填充煙絲，浸漬器上蓋與伸縮溜槽的極限位置距離為700 mm，因此壓料裝置的總高度不超過700 mm。由圖3 可見，液態(tài)二氧化碳的最高液位即為浸漬器中間溫度傳感器位置，為充分浸透煙絲，壓料裝置的下端應(yīng)盡量達到中間傳感器位置。當浸漬器關(guān)閉時，最上方傳感器距離上蓋距離為390 mm，3個傳感器之間的距離均為200 mm。

在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，中間傳感器檢測到液態(tài)二氧化碳與補液泵停止補液之間存在時間差，導(dǎo)致二氧化碳液位上升近10 mm。由于浸漬器關(guān)閉時上蓋與中間傳感器之間距離為590 mm，結(jié)合二氧化碳液位變化情況，壓料裝置總高度確定為580 mm。當浸漬器關(guān)閉時壓料裝置下端與浸漬器壁接觸，根據(jù)圖4 和勾股定理可求解大圓錐最大允許直徑。

圖3 浸漬器壓料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of pressing device in impregnator

圖4 大圓錐直徑計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of calculation of larger cone diameter

大圓錐最大允許直徑計算公式為：

分析可見，大圓錐最大允許直徑不能超過563×2=1 126 mm，考慮到未浸透煙絲的分布情況以及壓料裝置的質(zhì)量，選定大圓錐直徑為900 mm。根據(jù)圓錐直徑利用AUTOCAD 軟件進行旋轉(zhuǎn)模擬，上蓋關(guān)閉時與浸漬器壁的最小距離為64 mm，不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。將大圓錐均分為三等分，得到小圓錐直徑為300 mm。

由圖5 可見，壓料裝置的安裝支架設(shè)計為十字撐形狀，利用上蓋網(wǎng)罩的4 個固定螺栓進行固定，在上蓋中心有一圓孔與外部管路相連用于吹掃和加壓，因此十字撐的中心部分為圓環(huán)狀。經(jīng)過測量安裝浸漬器網(wǎng)罩的兩對螺栓中心距為694 mm，螺栓尺寸為M8，為此在支架相應(yīng)位置加工4 個直徑為8.5 mm 的孔，以便將壓料裝置安裝于浸漬器上蓋上方。

圖5 安裝支架設(shè)計圖Fig.5 Design diagram of installation bracket

2.2 強度校核

2.2.1 壓料裝置受力計算

在生產(chǎn)中煙絲同時受到液態(tài)二氧化碳浮力、壓料裝置壓力以及自身重力的影響，通過計算液態(tài)二氧化碳浮力和煙絲自身重力，可得到壓料裝置對煙絲施加的壓力，即壓料裝置受到向上的反作用力。在浸漬器內(nèi)有煙絲和無煙絲兩種情況下，通過測量液體二氧化碳質(zhì)量變化，根據(jù)阿基米德原理［15］計算煙絲體積。無煙絲情況下，連續(xù)6 d測量制冷時泵入浸漬器內(nèi)的液態(tài)二氧化碳質(zhì)量，結(jié)果見表1?？梢姡瑹o煙絲時泵入的液態(tài)二氧化碳平均質(zhì)量為2 318 kg。

表1 無煙絲制冷時泵液質(zhì)量Tab.1 Weight of pumped liquid CO2 without tobacco during refrigeration （kg）

有煙絲情況下，連續(xù)測量6 批次正常浸漬時泵入浸漬器內(nèi)的液態(tài)二氧化碳質(zhì)量，結(jié)果見表2?？梢姡袩熃z時泵入的液態(tài)二氧化碳平均質(zhì)量為1 903 kg。

表2 有煙絲正常浸漬時泵液質(zhì)量Tab.2 Weight of pumped liquid CO2 containing tobacco during dipping （kg）

由表1 和表2 可知，有煙絲與無煙絲的液態(tài)二氧化碳質(zhì)量差為：

查閱資料可知，在-6℃、3 MPa 壓力下，液態(tài)二氧化碳的密度為968 kg/m3，由此可得：

式中：V煙絲為煙絲體積，m3；Vco2為液態(tài)二氧化碳體積，m3。

煙絲受到的浮力：

式中：F 為煙絲受到的浮力，N；ρ為液態(tài)二氧化碳密度，取968 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

壓料裝置受到向上的力：

式中：F壓為壓料裝置受到向上的力，N；F 為煙絲受到的浮力，N；m 為每批次煙絲質(zhì)量，取350 kg；g 為重力加速度，取9.8 m/s2。

2.2.2 安裝壓料裝置后上蓋受力分析

浸漬器上蓋由液壓缸提供動力，通過連桿機構(gòu)完成開閉。當浸漬器上蓋處于水平位置閉合狀態(tài)時，在開啟的瞬間液壓缸的載荷最大，為此需要計算浸漬器上蓋水平位置時，液壓缸能否提供足夠的動力。已知液壓缸力臂L 為300 mm，浸漬器上蓋與壓料裝置的質(zhì)心力臂LG為1 140 mm，見圖6。采用厚度1 mm 的不銹鋼制作大、小圓錐，十字支架選用厚度3 mm 的不銹鋼焊接，圓錐與支架相連選用厚度2 mm 的不銹鋼焊接，完成加工后壓料裝置總質(zhì)量為16 kg。

圖6 水平位置時浸漬器上蓋受力分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of load acted on top lid of impregnator at horizontal position

查閱資料可知，浸漬器上蓋質(zhì)量為1 200 kg，加裝壓料裝置后質(zhì)量為1 216 kg。因此，自重力矩為：

式中：MG為壓料裝置與浸漬器上蓋的自重力矩，N·m；FG為壓料裝置與浸漬器上蓋的重力，N；LG為壓料裝置與浸漬器上蓋的力臂，m；mG為壓料裝置與浸漬器上蓋的質(zhì)量，kg；g 為重力加速度，取9.8 m/s2。

根據(jù)液壓缸型號C-SBB-2HRLS33MC-500，查閱資料可知，缸徑127 mm，R1=63.5 mm；桿徑63.5 mm，R2=31.75 mm。因此，液壓缸內(nèi)油液的有效作用面積為：

式中：S 為液壓缸內(nèi)油液的有效作用面積，m2；R1為液壓缸半徑，m；R2為液壓缸活塞桿半徑，m。

根據(jù)液壓泵型號PV023R1K1T1NMFW，查閱資料可知，額定壓強為35 MPa，將上蓋驅(qū)動液壓回路中溢流閥壓強設(shè)定為8 MPa，故Pmax=8 MPa。因此，液壓泵提供給液壓缸的最大壓力為：

式中：Fmax為液壓泵提供給液壓缸的最大壓力，N；Pmax為液壓泵提供給液壓缸的壓強，Pa；S 為液壓缸內(nèi)油液的有效作用面積，m2。

液壓缸最大力矩為：

式中：Mmax為液壓缸最大力矩，N·m；Fmax為液壓泵提供給液壓缸的最大壓力，N；L 為液壓缸力臂，m。

由此可見，Mmax＞MG。因此，改進后液壓缸能夠帶動浸漬器上蓋動作，符合設(shè)計要求。

2.2.3 壓料裝置的應(yīng)力計算

壓料裝置采用厚度1 mm 的不銹鋼SUS304，其許用正應(yīng)力為137 MPa，屈服強度σ0.2≥205 MPa。由圖7 可見，壓料裝置受到的力F壓可以分解為F1和F2。在F1的作用下，壓料裝置內(nèi)部產(chǎn)生正應(yīng)力，故壓料裝置載荷P=F壓=637 N。

圖7 壓料裝置受力分析示意圖Fig.7 Schematic diagram of load acted on pressing device

壓料裝置載荷P 作用在大、小圓錐的下端面上，則壓料裝置的受力面積為：

式中：S大圓錐為大圓錐下端面受力面積，m2；R外為大圓錐下端面外半徑，m；R內(nèi)為大圓錐下端面內(nèi)半徑，m。

式中：S小圓錐為小圓錐下端面受力面積，m2；r外為小圓錐下端面外半徑，m；r內(nèi)為小圓錐下端面內(nèi)半徑，m。

式中：S總為壓料裝置總受力面積，m2；S大圓錐為大圓錐下端面受力面積，m2；S小圓錐為小圓錐下端面受力面積，m2。

壓料裝置內(nèi)部應(yīng)力為：

式中：σ為壓料裝置內(nèi)部應(yīng)力，MPa；P 為壓料裝置載荷，N；S總為壓料裝置總受力面積，m2。

查閱資料可知，不銹鋼SUS304 的抗疲勞系數(shù)為1.5～3.0，抗變形系數(shù)為1.2～2.0，抗斷裂系數(shù)為2～4。取最大系數(shù)進行計算，得到安全系數(shù)為：

壓料裝置的最大應(yīng)力為：

式中：σmax為壓料裝置的最大應(yīng)力，MPa；σ為壓料裝置內(nèi)部應(yīng)力，MPa；K 為安全系數(shù)。

計算結(jié)果表明，壓料裝置的最大應(yīng)力小于不銹鋼許用正應(yīng)力137 MPa 和屈服強度205 MPa，符合設(shè)計要求。

2.2.4 ANSYS 靜力學校核

利用ANSYS 有限元分析軟件對壓料裝置進行靜力學校核。靜力分析載荷施加方法：將煙絲受到的液態(tài)二氧化碳浮力減去自身重力后作用在壓料裝置上，即壓料裝置內(nèi)外兩個圓錐受到垂直向上的力F壓=637 N。壓料裝置網(wǎng)格劃分見圖8。

圖8 壓料裝置網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Diagram of grid division in pressing device

在煙絲浸漬過程中，隨著液態(tài)二氧化碳的泵入，壓料裝置承受的載荷逐漸變大，進而產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中。由圖9 可見，在X 軸上產(chǎn)生5.581 7×10-6mm 的變形量，在Y 軸上產(chǎn)生8.003 3×10-6mm的變形量，在Z 軸上產(chǎn)生5.879 4×10-6mm 的變形量。

壓料裝置整體受力變形分布見圖10，變形部分主要位于壓料裝置下部，最大變形為4 個支撐的中間位置（圖10 中紅色部分），最大變形量為1.157 8×10-5m。

壓料裝置整體受到的應(yīng)力分布見圖11，承受的最大應(yīng)力為2.657 6×106Pa（約2.66 MPa），遠小于不銹鋼SUS304 許用正應(yīng)力137 MPa 和屈服強度205 MPa。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：膨脹煙絲（浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠提供）

圖9 煙絲浸漬過程中X 軸、Y 軸和Z 軸方向上的變形量Fig.9 Deformations in X-axis,Y-axis and Z-axis directions during tobacco dipping

圖10 壓料裝置整體變形圖Fig.10 Overall deformation diagram of pressing device

圖11 最大應(yīng)力分析圖Fig.11 Diagram of maximum stress analysis

儀器和設(shè)備：V-23 浸漬器（德國SCHOLZ 公司）；SB16001 型電子天平（精度1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；D61C 型填充測定儀（精度0.01 cm3/g，德國Borgwaldt 公司）。

測試方法：每批次煙絲350 kg，取浸漬處理后位于頂部的30 kg 左右煙絲進行膨脹加工處理，根據(jù)《卷煙工藝規(guī)范》［16］的方法，分別檢測浸漬器加裝壓料裝置前后各5 批次的煙絲填充值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3 可見，改進后浸漬器內(nèi)頂部煙絲的浸漬效果顯著提高，煙絲填充值由改進前3.016 cm3/g增加到6.802 cm3/g，膨脹率提高125.5%，滿足煙絲填充值6.4～7.4 cm3/g 的工藝要求，有效降低了卷煙生產(chǎn)成本。

表3 改進前后浸漬器內(nèi)頂部煙絲質(zhì)量及填充值對比Tab.3 Comparison of weight and filling value of upper layer cut tobacco inside impregnator before and after modification

4 結(jié)論

基于干冰膨脹煙絲的生產(chǎn)原理，通過對浸漬器工作過程進行研究，設(shè)計了一種圓錐形浸漬器壓料裝置，并采用ANSYS 有限元分析軟件對壓料裝置的受力進行仿真分析，驗證了其設(shè)計合理性。以寧波卷煙廠生產(chǎn)的膨脹煙絲為研究對象進行測試，結(jié)果表明：加裝壓料裝置后較好地解決了浸漬器內(nèi)頂部煙絲浸漬效果差等問題，浸漬器內(nèi)頂部煙絲填充值提高3.786 cm3/g，膨脹率提高125.5%，有效降低了卷煙生產(chǎn)成本，進一步完善了膨脹煙絲生產(chǎn)工藝。