柔性喂絲機(jī)均分盤CFD分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 榮，王 甫，李城云

紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司昆明卷煙廠，昆明市紅錦路366號(hào) 650000

柔性喂絲機(jī)是風(fēng)力送絲系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是將成品煙絲通過吸風(fēng)送至卷煙機(jī)用于卷包生產(chǎn)［1］。當(dāng)卷煙機(jī)需要煙絲發(fā)出要料信號(hào)時(shí)，料倉底帶開始運(yùn)行，定量向計(jì)量槽輸送煙絲；煙絲經(jīng)輸送帶落入均分盤后，利用均分盤的離心力將煙絲進(jìn)行松散并均勻拋灑在積絲盤上；均勻分散的煙絲隨積絲盤一起旋轉(zhuǎn)，在負(fù)壓風(fēng)力作用下被吸入管道送至卷煙機(jī)中［2］。生產(chǎn)中由于柔性喂絲機(jī)的均分盤分散煙絲不夠均勻，導(dǎo)致均分盤與積絲盤間容易出現(xiàn)煙絲堵塞，造成均分盤無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至引起柔性喂絲機(jī)故障停機(jī)，影響生產(chǎn)運(yùn)行效率［3］。針對(duì)此問題，韓銳等［4］采用浮動(dòng)式吸絲口替代固定式吸絲口對(duì)轉(zhuǎn)盤振動(dòng)喂絲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，解決了煙絲分層問題，提高了風(fēng)送煙絲的均勻性。王志強(qiáng)等［5］設(shè)計(jì)了一種新型對(duì)稱式喂絲機(jī)，主要由雙向聯(lián)動(dòng)翻板、雙定量管、均料裝置、送料腔體等組成，提高了制絲生產(chǎn)柔性加工水平。但上述研究改進(jìn)仍未能解決吸絲口煙絲堵塞等問題。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）是將計(jì)算機(jī)快速計(jì)算能力與流體力學(xué)相結(jié)合的一種用于產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段［6-7］，Solidworks Flow Simulation則是一套嵌入在Solidworks軟件中的CFD仿真工具，具有直觀清晰、操作簡單等特點(diǎn)［8-9］。為了更好地模擬煙絲在流場內(nèi)的流動(dòng)情況，基于Solidworks Flow Simulation對(duì)均分盤分散煙絲效果進(jìn)行CFD分析，并對(duì)均分盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期解決柔性喂絲機(jī)煙絲堵塞問題，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

1 問題分析

柔性喂絲機(jī)主要由機(jī)架、均分盤、積絲盤、吸絲口、除雜裝置和吸絲管等部分組成。在制絲線中安裝于煙絲配送工序段，根據(jù)生產(chǎn)需求將煙絲配送至單臺(tái)或多臺(tái)卷煙機(jī)；煙絲經(jīng)均分盤松散后，均勻地拋灑在積絲盤上，由負(fù)壓吸風(fēng)將煙絲經(jīng)吸絲管輸送至對(duì)應(yīng)卷煙機(jī)。現(xiàn)使用的柔性喂絲機(jī)分為直吸式和側(cè)吸式，兩種設(shè)備的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)基本相同，主要是風(fēng)送煙絲的路徑不同［10］。直吸式通過吸絲管的上下擺動(dòng)吸取煙絲；側(cè)吸式無吸絲管，煙絲直接從側(cè)面吸入，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 側(cè)吸式柔性喂絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of lateral-suction flexible tobacco feeder

均分盤是側(cè)吸式柔性喂絲機(jī)的關(guān)鍵部件，主要由盤體、均分條和錐頂組成，見圖2。生產(chǎn)中采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)均分盤轉(zhuǎn)動(dòng)，煙絲在均分盤反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用下分散下落在積絲盤上，便于均勻吸取煙絲。均分條的作用是將均分盤上的煙絲均勻分散到積絲盤上，其結(jié)構(gòu)呈條狀且4條對(duì)稱分布在均分盤上，長度280 mm，超出均分盤半徑30 mm。

圖2 均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of equalizing plate

觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸風(fēng)風(fēng)速≥10 m/s時(shí)，吸絲口處不會(huì)出現(xiàn)堵絲現(xiàn)象；當(dāng)吸風(fēng)風(fēng)速較低（＜10 m/s）或出現(xiàn)結(jié)團(tuán)煙絲時(shí)，均分盤上的均分條無法將煙絲均勻分配到積絲盤上，煙絲在均分盤與積絲盤間產(chǎn)生聚積，導(dǎo)致均分盤不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，吸風(fēng)無法及時(shí)將煙絲吸走，進(jìn)而造成煙絲堵塞吸絲口，柔性喂絲機(jī)故障停機(jī)［11］，見圖3。而排除煙絲堵塞故障，操作時(shí)間長且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

圖3 煙絲堵塞位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of cut tobacco jam

2 柔性喂絲機(jī)均分盤CFD分析

2.1 喂絲機(jī)簡化模型

針對(duì)柔性喂絲機(jī)風(fēng)送過程中存在的問題，基于Solidworks Flow Simulation對(duì)均分盤分散煙絲效果進(jìn)行CFD分析。由于風(fēng)送過程中由負(fù)壓吸風(fēng)將煙絲送至卷煙機(jī)，喂絲機(jī)內(nèi)的煙絲與吸風(fēng)間存在耦合現(xiàn)象，且吸風(fēng)流動(dòng)與煙絲流動(dòng)軌跡基本一致，因此可對(duì)柔性喂絲機(jī)進(jìn)行簡化，簡化后模型見圖4。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

將流動(dòng)介質(zhì)設(shè)為空氣場以模擬煙絲流場，以分析均分盤在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)吸風(fēng)速度變化情況。設(shè)定分析類型為內(nèi)部，排除不具備流動(dòng)條件的腔，忽略空穴的作用；Solidworks Flow Simulation能夠分析多種流動(dòng)類型，本文中根據(jù)柔性喂絲機(jī)實(shí)際工況，選擇層流和湍流兩種狀態(tài)；設(shè)定邊界條件、入口體積流量和靜壓，壁面條件為真實(shí)壁面；確定計(jì)算流體域，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和后處理。模型計(jì)算流體域范圍見圖5。

圖4 柔性喂絲機(jī)簡化模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of simplified model for flexible tobacco feeder

圖5 計(jì)算流體域范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational fluid domain range

2.3 分析結(jié)果

基于SolidWorks Flow Simulation分析求解收斂后，采用速度云圖評(píng)估空氣場內(nèi)吸風(fēng)速度變化情況，見圖6。仿真結(jié)果顯示：均分盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，當(dāng)均分條與吸絲口平行時(shí)，吸絲口吸風(fēng)風(fēng)速為4～7 m/s，低于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s，由此造成煙絲在吸絲口處聚積，導(dǎo)致吸絲口堵塞。

圖6 原均分盤吸風(fēng)速度云圖Fig.6 Nephogram of suction air velocity in original equalizing plate

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的均分條對(duì)均分盤進(jìn)行改進(jìn)，見圖7。A型均分盤采用4條條狀均分條對(duì)稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等；B型均分盤采用2條“S”形均分條對(duì)稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等。利用Solidworks Flow Simulation對(duì)兩種均分盤的吸風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行CFD仿真分析，結(jié)果見圖8?？梢?，A型、B型均分盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，吸絲口風(fēng)速均大于10 m/s，整個(gè)流場內(nèi)風(fēng)速梯度變化明顯，說明吸絲效果良好。

圖7 改進(jìn)后兩種均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure of two modified equalizing plates

圖8 改進(jìn)后兩種均分盤吸風(fēng)速度云圖Fig.8 Nephograms of suction air velocity in two modified equalizing plates

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機(jī)上進(jìn)行CFD分析。由表1可見：①原均分盤吸絲口風(fēng)速在4～12 m/s之間，當(dāng)均分盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置為0°時(shí)，吸絲口風(fēng)速明顯低于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s，且流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于A型和B型均分盤；②A型和B型均分盤吸絲口風(fēng)速均在14～16 m/s之間，大于正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s，但兩種均分盤在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)流場內(nèi)部風(fēng)速存在明顯差異，A型均分盤流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于B型均分盤。

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場對(duì)比測(cè)試。由表2可見，原均分盤煙絲堵塞次數(shù)為8次/月，A型均分盤堵塞次數(shù)為3次/月，B型均分盤為0?？梢?，B型均分盤的結(jié)構(gòu)性能更加穩(wěn)定可靠，顯著優(yōu)于A型和原均分盤。

表1 原裝置與兩種均分盤CFD仿真分析結(jié)果對(duì)比Tab.1 CFD simulation results of original and two modified equalizing plates （m·s-1）

表2 原裝置與兩種均分盤現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.2 Frequencies of tobacco jam of original and two modified equalizing plates （次·月-1）

4 結(jié)論

采用Solidworks Flow Simulation對(duì)柔性喂絲機(jī)均分盤內(nèi)煙絲流場進(jìn)行CFD仿真分析，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)對(duì)均分盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種均分盤以及原均分盤的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析和現(xiàn)場對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：A型和B型均分盤的吸絲口風(fēng)速均大于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s，當(dāng)均分條與吸絲口在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)，A型均分盤流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于B型均分盤，且在6個(gè)月現(xiàn)場測(cè)試中B型均分盤煙絲堵塞為0。因此，改進(jìn)后喂絲機(jī)采用B型均分盤更加穩(wěn)定可靠，流場內(nèi)風(fēng)速梯度變化明顯，送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現(xiàn)象。