煙絲干燥過程中高頻振槽的參數(shù)優(yōu)化

劉雅君，李鵬超，徐建燎，王昭焜，許 梁，張 彬

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽(yáng)路1 號(hào) 361022

在卷煙制絲生產(chǎn)中，氣流烘絲機(jī)CDT（Comas Drying Tower）的作用是利用高溫氣流快速除去煙絲中的水分，增加煙絲的卷曲度和彈性，以滿足卷煙工藝生產(chǎn)要求。由于氣流干燥過程時(shí)間較短，對(duì)來料煙絲的松散性和均勻性要求較高［1］。高頻振槽作為氣流烘絲機(jī)的前端設(shè)備，主要用于輸送物料、松散煙絲和均衡物料層，對(duì)于穩(wěn)定煙絲出口含水率具有重要影響［2-4］。但高頻振槽在輸送煙絲時(shí)容易存在銜接不暢、煙絲松散性和均勻性差等問題，導(dǎo)致CDT 出口煙絲含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）過大。近年來對(duì)于高頻振槽的動(dòng)力學(xué)、物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等方面已有較多分析和研究［5-8］，韓曉娟等［9］通過計(jì)算振動(dòng)系統(tǒng)的頻率、振幅和輸送速度等參數(shù)，對(duì)激振器轉(zhuǎn)速和偏心塊進(jìn)行了調(diào)整；郭寶良等［10］分析了非諧和水平輸送機(jī)上的物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；晁禮鋒［11］設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)給料機(jī)，并對(duì)物料的拋擲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算。但對(duì)于振槽自身參數(shù)以及物料傳輸參數(shù)的優(yōu)化研究則鮮見報(bào)道。拋擲指數(shù)理論是將物料顆粒垂直于槽底方向的重力分力，與因槽體振動(dòng)所產(chǎn)生的物料顆粒慣性力分力進(jìn)行對(duì)比［12］，主要用于表征振槽拋射物料的能力。為此，通過調(diào)整高頻振槽傾角，基于拋擲指數(shù)理論對(duì)高頻振槽激振器頻率和偏心塊重合度進(jìn)行優(yōu)化，以期穩(wěn)定出口煙絲含水率，提高來料煙絲的均勻性。

1 問題分析

高頻振槽主要由槽體、機(jī)架、彈簧板、激振器、彈性裝置等部分組成，見圖1a。槽體在激振器的驅(qū)動(dòng)下通過彈簧板產(chǎn)生低幅高頻振動(dòng)，煙絲在槽體內(nèi)沿輸送方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)微小的拋擲或滑移。激振器由變頻器控制，通過對(duì)激振器頻率和偏心塊重合度進(jìn)行調(diào)整，可以調(diào)節(jié)振槽頻率和振幅。由圖1b 可見，煙絲經(jīng)上游電子皮帶秤落料口落下時(shí)，在第一臺(tái)高頻振槽進(jìn)料端容易發(fā)生堆積，造成煙絲輸送時(shí)斷時(shí)續(xù)（第二臺(tái)高頻振槽也存在相同問題），由此導(dǎo)致CDT 出口煙絲含水率不穩(wěn)定，甚至超出工藝要求范圍。

2 改進(jìn)方法

2.1 振槽進(jìn)料端加裝增板

振槽傾角對(duì)煙絲輸送速度有較大影響，為解決煙絲堆積問題，引入了振槽傾角修正系數(shù)γα［12］，槽體安裝傾角α與傾角修正系數(shù)γα對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，第一臺(tái)高頻振槽的槽體與水平面夾角α為-8°41′，向上輸送煙絲。分析發(fā)現(xiàn)，通過增大槽體與水平面夾角，可以防止積料，提高煙絲輸送能力。

圖1 高頻振槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of high frequency vibrating trough

表1 槽體安裝傾角α與振槽傾角修正系數(shù)γα對(duì)應(yīng)關(guān)系①Tab.1 Correspondence between inclination angle α and its coefficient of correction γα of vibrating trough

改進(jìn)后在振槽進(jìn)料端加裝增板，增板以A 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)圓心且角度可調(diào)，見圖2。其中，LT為煙絲由電子秤下落至槽體沿輸送方向的長(zhǎng)度范圍，H0為現(xiàn)有槽體側(cè)板高度，H1為增板最高點(diǎn)至A 點(diǎn)的垂直高度，HA為A 點(diǎn)距離電子秤輸送帶底面的高度，HT為煙絲由電子秤下落至槽體的高度，L0為A點(diǎn)到槽體尾部的距離，L1為A 點(diǎn)到增板尾部的距離。經(jīng)測(cè)量，HT=0.7 m，LT=0.3 m，L0=0.5 m，HA＞H1，LT＜L1≤L0。為防止煙絲下落時(shí)因氣流而落入槽體外，應(yīng)盡量延長(zhǎng)增板長(zhǎng)度，即L1=L0=0.5 m。

2.1.1 增板安裝傾角α0

圖2 增板安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spacer plate installation

為防止積料，下落至振槽進(jìn)料端的煙絲應(yīng)在后續(xù)煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。由圖2b 可見，增板沿A 點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度越大，煙絲輸送速度越快［12］。根據(jù)物料輸送速度公式［12］：

可得增板安裝傾角α0計(jì)算公式：

式中：HT—煙絲由電子秤下落至槽體的高度，m；g—重力加速度，9.8 m/s2；t—煙絲由電子秤下落至槽體時(shí)間，s；LT—煙絲由電子秤下落至槽體的距離，m；v—煙絲在槽體上的輸送速度，m/s；λ—振槽振幅，mm；ω—槽體振動(dòng)圓頻率，s-1；n—激振器軸轉(zhuǎn)速，r/min；f—激振器頻率，Hz；p—電機(jī)級(jí)數(shù)；γα—傾角修正系數(shù)；Ch—料層厚度影響系數(shù)；Cm—物料性質(zhì)影響系數(shù)；Cw—滑行運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)；f（D）—無(wú)因次系數(shù)；δ—振動(dòng)方向角，（°）。

已知振槽振幅λ 為10 mm，激振器頻率f 為32.6 Hz，將第一臺(tái)高頻振槽相關(guān)參數(shù)（表2）代入式（3），可得α0≈9°34'，取整α0=10°，即增板安裝傾角大于等于10°時(shí)，下落煙絲可在后續(xù)煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。

表2 第一臺(tái)高頻振槽相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters of first high frequency vibrating trough

2.1.2 不同傾角α0下煙絲輸送速度

傾角α0分別取-8°41' 、4°、7°、10°、13°、16°，測(cè)量煙絲輸送速度，重復(fù)5 組取平均值，記錄煙絲積料及輸送情況，見表3。可見，改進(jìn)前后不同傾角α0下煙絲輸送計(jì)算速度與實(shí)測(cè)速度基本相同，驗(yàn)證了傾角α0計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。加裝增板后，即α0≥10°時(shí)，積料情況均有所改善，其中α0=10°時(shí)煙絲輸送效果最好，不僅解決了積料問題，且與振槽傾斜段銜接順暢。

2.2 拋擲指數(shù)D 與煙絲含水率SD 值的關(guān)系

研究表明，拋擲指數(shù)D 越大，振槽對(duì)物料的松散能力和均衡能力越強(qiáng)［12］。但拋擲指數(shù)D 過大，會(huì)降低振槽的使用壽命，為此對(duì)拋擲指數(shù)D 與煙絲含水率SD 值的關(guān)系進(jìn)行分析。

表3 不同安裝角度下煙絲輸送情況Tab.3 Cut tobacco conveying at different inclination angles

2.2.1 拋擲指數(shù)D

拋擲指數(shù)D 是指垂直于槽底方向的振動(dòng)加速度分量與重力加速度分量之比［12］，計(jì)算公式為：

將第二臺(tái)高頻振槽相關(guān)參數(shù)（表4）帶入式（5），可得拋擲指數(shù)D=0.426λf2≈4.53?？梢姡谡駝?dòng)方向角δ、槽體安裝傾角α、電機(jī)級(jí)數(shù)p 確定的情況下，拋擲指數(shù)D 與振槽振幅λ和激振器頻率f 有關(guān)，而振幅λ與激振器頻率f、偏心塊重合度相關(guān)［9］。

2.2.2 煙絲含水率SD 值

通過水分儀在線檢測(cè)出口煙絲含水率SD 值，對(duì)不同激振器頻率和偏心塊重合度下的振槽振幅及SD/D 比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5 和圖3。研究表明，當(dāng)D=1～3.3 時(shí)，振槽每振動(dòng)一次，物料出現(xiàn)一次拋擲運(yùn)動(dòng)；當(dāng)D＞3.3 時(shí)，振槽多次振動(dòng)后物料才出現(xiàn)一次拋擲運(yùn)動(dòng)［12］。因此，取D=1～3.3 可提高生產(chǎn)效率。根據(jù)圖3 確定拋擲指數(shù)D 取值范圍為2.7～3.3，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，當(dāng)拋擲指數(shù)D 取3.1，λ=7 mm，f=32.0 Hz，偏心塊重合度75%時(shí)，出口煙絲含水率SD 值為最小。

表4 第二臺(tái)高頻振槽相關(guān)參數(shù)Tab.4 Parameters of secondary high frequency vibrating trough

表5 不同激振器頻率和偏心塊重合度下振槽振幅及SD/D 比值Tab.5 Amplitude of vibrating trough and SD/D ratio at different frequencies of vibrator and coincidence degrees of eccentric block

圖3 拋擲指數(shù)D 和出口煙絲含水率SD 值對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between throwing index D and SD of moisture content in output tobacco

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（豪情）”等7 個(gè)牌號(hào)卷煙煙絲（由廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備和儀器：高頻振槽（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）；氣流烘絲機(jī)CDT（意大利COMAS 公司）；TM710 紅外水分儀（美國(guó)NDC 紅外技術(shù)公司）。

方法：將CDT 前端的兩臺(tái)高頻振槽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在第一臺(tái)高頻振槽入口處加裝長(zhǎng)度0.5 m，傾角α0=10°的增板；將第二臺(tái)高頻振槽的激振器頻率和偏心塊重合度分別調(diào)整為32.0 Hz 和75%。以500 個(gè)生產(chǎn)批次為取樣周期，對(duì)改進(jìn)前后出口煙絲含水率SD 值和CPK 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表6 可見，兩臺(tái)高頻振槽參數(shù)調(diào)整后，CDT出口煙絲含水率SD 值由0.343 降低至0.260，CPK值由0.599 提升至1.175，表明生產(chǎn)控制過程趨于穩(wěn)定，提高了來料煙絲均勻性。

表6 改進(jìn)前后各卷煙牌號(hào)出口煙絲含水率SD 值對(duì)比Tab.6 Comparison of SD of moisture content in output tobacco for each cigarette brand before and after improvement

4 結(jié)論

通過在振槽進(jìn)料端加裝增板，增大了槽體與水平面夾角，防止產(chǎn)生積料現(xiàn)象，提高煙絲輸送能力。對(duì)激振器頻率和偏心塊重合度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確定拋擲指數(shù)D 取值范圍為2.7～3.3。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，當(dāng)拋擲指數(shù)D 取3.1，振槽振幅λ=7 mm，激振器頻率f=32.0 Hz，偏心塊重合度75%時(shí)，出口煙絲含水率SD 值達(dá)到最優(yōu)。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（豪情）”等7 個(gè)牌號(hào)卷煙煙絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后出口煙絲含水率SD 值降低24%，CPK 值提高96%，生產(chǎn)控制過程穩(wěn)定，有效提升了煙絲松散性和均勻性。