基于煙絲風(fēng)速比控制的丘堆狀風(fēng)力喂絲工藝

廖和濱，李曉剛，張 偉，江家森，林 郁

1. 龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省龍巖市乘風(fēng)路1299 號 364021

2. 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298 號 361012

3. 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市思明區(qū)蓮岳路118 號 361002

風(fēng)力喂絲是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生具有一定負(fù)壓的氣流，通過管道將煙絲從貯絲房輸送至卷接機(jī)組的技術(shù)，具有輸送距離遠(yuǎn)、靈活性高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，但如何實現(xiàn)風(fēng)力喂絲系統(tǒng)的過程參數(shù)控制，是研究風(fēng)力喂絲工藝的重點(diǎn)之一。張楚安等［3］在原風(fēng)力配絲裝置的基礎(chǔ)上，采用喂入式配絲方式，開發(fā)了新型風(fēng)力配絲裝置，較好地解決了煙絲分層問題。謝海等［4］采用集束管替代通用樹狀型分支式、風(fēng)量自動補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)力送絲裝置，能較好地控制煙絲的輸送風(fēng)速，達(dá)到降低煙絲造碎率、節(jié)約能源的目的。李理等［5］、王浩等［6］、李計剛等［7］對卷接機(jī)組的負(fù)壓檢測相關(guān)裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。以上研究都是通過設(shè)備配置升級以達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的，但對于基礎(chǔ)理論的應(yīng)用研究較少。為此，從風(fēng)力喂絲技術(shù)的理論分析入手，通過對過程參數(shù)煙絲風(fēng)速比的控制，以實現(xiàn)高負(fù)載、非懸浮的丘堆狀風(fēng)力送絲，從而有效降低風(fēng)速，避免煙絲在風(fēng)力輸送過程中的分層并減少煙絲造碎，進(jìn)而提升卷包柔性風(fēng)力喂絲的過程控制水平。

1 問題分析

1.1 生產(chǎn)流程

如圖1 所示，卷包車間風(fēng)力喂絲系統(tǒng)的生產(chǎn)流程為：成品煙絲經(jīng)翻箱喂絲后送至定量喂料裝置，實現(xiàn)煙絲的恒流量控制；煙絲在喂絲斗內(nèi)與空氣充分混合后，經(jīng)風(fēng)送管道送至指定的卷接機(jī)組；在卷接機(jī)組的料倉內(nèi)，煙絲被截留，含有粉塵的空氣則被集中送至布袋除塵器進(jìn)行降塵處理，降塵后的干凈空氣經(jīng)消音后排空；在料倉內(nèi)的煙絲則進(jìn)入卷接機(jī)組進(jìn)行卷制。

1.2 存在問題

原卷包車間風(fēng)力喂絲系統(tǒng)僅靠系統(tǒng)尾端的調(diào)頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)，沒有其他相關(guān)的檢測裝置，無法對煙絲速度、風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。而生產(chǎn)過程中卷接機(jī)組料倉要料信號隨時切換，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻率不斷變化，風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時間遠(yuǎn)高于一次送料時間，因此，現(xiàn)有的風(fēng)力喂絲系統(tǒng)無法實現(xiàn)風(fēng)速和煙絲速度的有效控制，難以滿足煙絲風(fēng)送風(fēng)速工藝指標(biāo)的規(guī)定要求。

2 改進(jìn)方法

2.1 最佳煙絲輸送速度

風(fēng)力喂絲的煙絲輸送涉及“氣-固”兩相運(yùn)動，相關(guān)參數(shù)多，過程復(fù)雜。為確定物料輸送速度，首先需要確定懸浮速度Vf［8］。以物料在垂直管道中輸送為例進(jìn)行分析，在管道中，物料由下向上輸送，這時自下而上的空氣流作用在物料上的力應(yīng)等于物料本身的重力，使物料呈懸浮狀態(tài)，此時空氣流速成為懸浮速度Vf。

式中：α—煙絲的展開角度（rad）；φ—tan-12σ；σ— 煙絲與氣流間摩擦拽引力系數(shù)；；K=Sx/S0—煙絲展開系數(shù)，K≤1，煙絲全展開時K=1；δ—煙絲的平均厚度（m）；ρ—煙絲密度（kg/m3）；ρg—空氣密度（kg/m3）。

對于煙絲的氣力輸送，由于其姿態(tài)角的變化是隨機(jī)的，因此煙絲輸送的懸浮速度可視為α在0→π之間的積分周期平均值，故可得：

式（2）就是煙絲風(fēng)送時的懸浮速度，計算可得懸浮速度為3.3 ～3.8 m/s，便可確定煙絲的輸送速度V。

式中φ為大于1 的極限數(shù)，其值大小依輸送物料種類、狀況而定，對卷煙物料（煙絲）而言，φ=2.2～2.8［8］，計算可得出煙絲風(fēng)送速度的極限值。跟蹤實際生產(chǎn)運(yùn)行中的煙絲風(fēng)送速度與煙絲狀態(tài)的關(guān)系，過大的風(fēng)速導(dǎo)致煙絲分層、造碎增加，過小的風(fēng)速導(dǎo)致堵料，風(fēng)速值控制范圍見表1，由此可確定最佳的煙絲風(fēng)送速度為7～11 m/s。

表1 煙絲風(fēng)送速度與煙絲狀態(tài)描述Tab.1 Description of pneumatic feeding velocity and status of cut tobacco

2.2 低風(fēng)速丘堆狀風(fēng)力喂絲系統(tǒng)

2.2.1 風(fēng)速快速響應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)裝置

改造后的喂絲系統(tǒng)如圖2 所示，煙絲由翻箱喂絲機(jī)1 倒料，經(jīng)風(fēng)力送絲管2，送入卷接機(jī)組3，完成煙絲輸送，而帶有粉塵的尾氣則經(jīng)回風(fēng)管4 送至除塵器7 降塵，除塵風(fēng)機(jī)8 以固定頻率運(yùn)行，干凈的空氣經(jīng)過消音器10 后排空。為實現(xiàn)卷接機(jī)組喂絲風(fēng)速快速響應(yīng)且可控，新增了補(bǔ)風(fēng)裝置6，當(dāng)多臺卷煙機(jī)同時要煙絲時，補(bǔ)風(fēng)裝置完全關(guān)閉，當(dāng)某臺“要絲滿”信號觸發(fā)停止要煙絲時，補(bǔ)風(fēng)裝置會立即打開30%的閥門開度進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)［9-10］，該模式大大改善了原變頻響應(yīng)滯后的問題，為穩(wěn)定風(fēng)速控制提供了技術(shù)保證。

2.2.2 煙絲風(fēng)速比△VAT控制模式

2.2.2.1 煙絲風(fēng)速比△VAT的定義

在實際生產(chǎn)過程中，單次送料的煙絲高度曲線變化情況見圖3。由圖3 可以看出，在料頭和料尾處有明顯物料波峰，其中料頭波峰是由于上一次送絲過程中留在管道底部的尾料和本次送絲累加導(dǎo)致，而料尾波峰是因為卷接機(jī)組風(fēng)門逐漸關(guān)閉，管道風(fēng)速驟降而產(chǎn)生物料堆積。因此風(fēng)力送絲管道內(nèi)的煙絲量時刻都在變化，即任意截面內(nèi)的煙絲高度不同。如采用恒風(fēng)速控制模式，則煙絲速度時刻在變化，導(dǎo)致煙絲輸送為非穩(wěn)態(tài)，當(dāng)煙絲較多時，負(fù)壓過大，會加劇對管道下部煙絲的拉扯，當(dāng)煙絲較少時，負(fù)壓不足，容易使煙絲送不走。因此，煙絲速度的穩(wěn)定控制比風(fēng)速控制更利于系統(tǒng)平衡。

為實現(xiàn)風(fēng)速和煙絲速度可控，在送絲管中增加△VAT控制單元并在回風(fēng)管中增加回風(fēng)控制單元，見圖4?！鱒AT控制單元2 安裝于卷接機(jī)組料斗前端的水平送絲管3 上，靠近卷接機(jī)組料斗1處，此單元安裝高速光電陣列管，用于檢測煙絲速度、送絲管壓力等參數(shù)，并實時傳遞給回風(fēng)控制單元4?；仫L(fēng)控制單元4 安裝于卷接機(jī)組之后的回風(fēng)管5 上，用于測量空氣氣流的速率、回風(fēng)管壓力等參數(shù)值［11］，并通過調(diào)節(jié)控制氣流的回風(fēng)閥，實現(xiàn)對回風(fēng)管風(fēng)量的及時調(diào)整。人機(jī)交互單元（HMI）7 安裝于卷接機(jī)組上，可以對煙絲傳送過程中的各個參數(shù)進(jìn)行采集和分析控制、參數(shù)管理、實時狀態(tài)監(jiān)控等。

式中：△VAT為煙絲風(fēng)速比；Vtoba為煙絲速度（m/s）；Vair為空氣速度（m/s）。

在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)通過安裝于△VAT控制單元內(nèi)的高速光電陣列管檢測煙絲速度，其原理是將激光發(fā)射在運(yùn)行中的煙絲上，煙絲會將光束反射回傳感器內(nèi)的光敏接收器，而光敏接收器為多像素陣列式，通過測量反射光角度和接收器上光斑的位移變化，借助內(nèi)置的微處理器和相應(yīng)的軟件算法，即可精準(zhǔn)獲得煙絲的即時速度Vtoba。與此同時，在回風(fēng)控制單元安裝有壓差式風(fēng)速傳感器，利用皮托管和壓力傳感器測量出動壓，由此可計算得到風(fēng)速Vair，進(jìn)而得到煙絲風(fēng)速比△VAT。

2.2.2.2 煙絲風(fēng)速比△VAT的控制方法

不同煙絲風(fēng)速比下，風(fēng)力喂絲系統(tǒng)的管道內(nèi)煙絲高度（管道內(nèi)煙絲高度的計算方法：煙絲高度與管道直徑的比值，無量綱）和送絲管與回風(fēng)管的壓力差曲線見圖5。隨著△VAT值的提高，管道內(nèi)煙絲高度總體呈增加趨勢，當(dāng)△VAT值＜0.70 時，煙絲高度基本保持不變，維持在23.58%左右；當(dāng)△VAT值大于0.70 時，煙絲高度呈線性提高，最大值達(dá)到36.54%，表明煙絲風(fēng)速比的提高能滿足大流量丘堆狀煙絲輸送的生產(chǎn)需求。送絲管與回風(fēng)管的壓力差值隨△VAT值升高呈線性遞增分布，可以看到△VAT在0.65 到0.90 之間，壓力差值由589.13 Pa 逐步升高至1 798.49 Pa，之后出現(xiàn)拐點(diǎn)并下降到1 650.44 Pa，這是由于在回風(fēng)管壓力基本不變的情況下，煙絲風(fēng)速比值在0.95 時（煙絲速度10.07 m/s、風(fēng)速10.61 m/s），壓力差值達(dá)到1 798.49 Pa，此時送絲管的壓力值達(dá)到最低點(diǎn)且僅有-2 464.87 Pa，加之卷接機(jī)組料倉漏風(fēng)狀況時有發(fā)生，管道的送風(fēng)負(fù)壓不足進(jìn)而導(dǎo)致煙絲無法及時被送走，因此風(fēng)力喂絲管道積料的可能性大增。

因此，為使系統(tǒng)達(dá)到較好的運(yùn)行狀態(tài)，煙絲在管道內(nèi)的堆積高度在25%至30%，送絲管與回風(fēng)管的壓力差值在600 Pa 至1 200 Pa 之間為宜，由此△VAT值在0.70 至0.85 之間較為合理。

因在一個完整的單次送料過程中，風(fēng)力喂絲系統(tǒng)可分為3 個階段（表2）：①頭料階段，接收到卷接機(jī)組要料信號后，將回風(fēng)閥開至最大，同時前端喂料系統(tǒng)延時0.5 s 后開始喂料，最大風(fēng)門持續(xù)2 s，將料頭階段堆積的物料及時送走，確保不堵料；②比例控制階段，對△VAT數(shù)值進(jìn)行柔性控制，以實現(xiàn)低風(fēng)速的丘堆狀煙絲風(fēng)力喂絲，把盡可能多的煙絲保護(hù)起來，不與管道接觸，減少造碎；③尾料階段，保持△VAT數(shù)值的比例控制，接收到卷接機(jī)組料滿倉信號后，喂料系統(tǒng)立即停止進(jìn)料，而回風(fēng)閥延時0.5 s 后關(guān)閉，完成本次喂絲。

表2 單次風(fēng)力喂絲邏輯控制Tab.2 Logical control for single pneumatic cut tobacco feeding

2.3 穩(wěn)態(tài)大流量的煙絲輸送系統(tǒng)

2.3.1 翻箱喂絲的大流量供絲

原翻箱喂絲出料系統(tǒng)為折彎限量管設(shè)計，見圖6。生產(chǎn)狀態(tài)下，煙絲經(jīng)貯柜3 出料后，經(jīng)出料皮帶4 送至限量管5 穩(wěn)流后，再經(jīng)恒流皮帶6 至喂絲斗7，最終風(fēng)送至卷接機(jī)組；而貯柜內(nèi)的煙絲尾料則通過尾料口2 反向送至紙箱1 進(jìn)行收集，生產(chǎn)結(jié)束。原系統(tǒng)約32 s 將煙絲從喂絲斗送至卷接機(jī)組料斗，使其滿倉（約9 kg 煙絲），因此出料系統(tǒng)設(shè)計流量為1 012 kg/h。低風(fēng)速丘堆狀風(fēng)力喂絲技術(shù)的核心理念是在短時間即15 s 內(nèi)完成送絲，由此翻箱喂絲系統(tǒng)的出料頻率需大幅提升，滿足2 160 kg/h 的喂絲量，在此過程中容易在煙絲輸送系統(tǒng)的拐角處發(fā)生堵料，影響正常生產(chǎn)，尤其在喂絲斗的位置（喂絲斗因安裝高度有限，其折邊斜度不足，容易發(fā)生因煙絲架空而堵料）堵料頻次較多。

為解決原系統(tǒng)折彎處堵料問題，將原出料系統(tǒng)進(jìn)行反向直供設(shè)計，即煙絲經(jīng)貯柜翻箱送料，再經(jīng)出料皮帶向左出料，直接將煙絲送入喂絲斗1并風(fēng)送至卷接機(jī)組料斗。同時系統(tǒng)為解決貯柜出料流量波動大的問題，在出料皮帶4 上方增設(shè)了撥料輥2，當(dāng)出料皮帶上的物料較多時，撥料輥將超高的煙絲向后撥，從而有效提高了出料系統(tǒng)的流量均勻性，見圖7。該出料方式能有效避開原系統(tǒng)多次折彎產(chǎn)生的堵料堆積，且由于富余的安裝高度，可通過優(yōu)化煙絲下料結(jié)構(gòu)，提高喂絲斗的折邊斜度，有效杜絕了煙絲堵料現(xiàn)象。

2.3.2 自動防堵料技術(shù)

通過前端翻箱喂絲的改造，實現(xiàn)了來料的大流量供絲，但風(fēng)力喂絲管道至卷接機(jī)組料倉等處仍存在堵料風(fēng)險，即容易因管道內(nèi)堆積煙絲過多，致使送絲管道的負(fù)壓不足而發(fā)生堵料。為提高風(fēng)力送絲的穩(wěn)定性，增設(shè)了自動防堵料功能。該功能模塊工作原理如下：正常生產(chǎn)情況下，回風(fēng)閥開度維持在65%左右，送絲負(fù)壓約-2 000 Pa，當(dāng)系統(tǒng)檢測到送絲負(fù)壓在200 ms 內(nèi)急劇變化約1 200 Pa且超過系統(tǒng)設(shè)置的壓力差啟動值800 Pa 時，啟動防堵料功能，如圖8 所示。此時系統(tǒng)立即全開回風(fēng)閥，使送絲管內(nèi)保持高負(fù)壓，即可將此刻管道內(nèi)堆積的煙絲送走，消除堵料隱患，維持1 s 后閥門恢復(fù)至65%開度。通過以上自反饋系統(tǒng)，能夠有效降低煙絲在管道內(nèi)的堵料風(fēng)險。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗設(shè)計

材料：“紅七匹狼”牌號成品煙絲（由龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

儀器與設(shè)備：Tipper and Mini Silo 翻箱喂絲系統(tǒng)（意大利Garbuio 公司）；Protos M5 卷接機(jī)組（德國Hauni 公司）；ME203 電子天平（感量：0.1 g，瑞士Metter Toledo 公司）；YQ-2 煙絲結(jié)構(gòu)測定儀（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；AS400 篩分儀（德國Retsch 公司）。

方法：風(fēng)送前的煙絲在貯柜出料皮帶上取樣，風(fēng)送后的煙絲在卷接機(jī)組料倉內(nèi)取樣，分別對改進(jìn)前后的煙絲整絲率、碎絲率和煙絲混合均勻度進(jìn)行評價。其中煙絲的整絲率、碎絲率測定方法參考《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》［12］。煙絲混合均勻度測試方法參照《煙草混合均勻度的測定》［13］。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖9 為實時過程參數(shù)控制圖，分別有風(fēng)速、煙絲速度、煙絲風(fēng)速比、閥門開度和煙絲高度等參數(shù)值。由圖9 和表3 可知，實施柔性風(fēng)力喂絲系統(tǒng)改造后，風(fēng)速由原不可控降低至11.32 m/s（紅線a），煙絲速度降低至9.5 m/s（綠線b），并且實現(xiàn)了煙絲風(fēng)速比（紫線c）在0.70 到0.85 之間的精準(zhǔn)控制，卷接機(jī)組料倉單次滿倉填充時間由32 s 縮短至19.36 s，滿足了低風(fēng)速丘堆狀風(fēng)力喂絲的工藝需求。

通過對風(fēng)力喂絲過程風(fēng)速、煙絲風(fēng)送速度和煙絲風(fēng)速比的過程指標(biāo)精準(zhǔn)控制，其結(jié)果見表4?？梢钥闯?，丘堆狀煙絲風(fēng)力喂絲技術(shù)，將每千克空氣輸送的煙絲量由0.58 kg 提升至1.71 kg，有效解決了煙絲風(fēng)送速度過快帶來的煙絲分層問題，提升了生產(chǎn)過程的工藝質(zhì)量。煙絲的混合均勻度由5.41%降低至5.16%，煙絲整絲率下降絕對值由1.27%降低至0.74%，煙絲消耗由32.17 kg·（50 000支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1，減少了煙絲消耗，實現(xiàn)了過程控制的精細(xì)化生產(chǎn)需求。

表3 改造前后風(fēng)力喂絲過程指標(biāo)控制效果Tab.3 Process index control for pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

表4 改造前后風(fēng)力喂絲效果驗證Tab.4 Effect verification of pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

4 結(jié)論

①隨著煙絲風(fēng)送速度的增加，煙絲分層加劇并產(chǎn)生大量造碎，煙絲風(fēng)送速度控制在7～11 m/s時，能實現(xiàn)低風(fēng)速的丘堆狀風(fēng)力喂絲，煙絲不會與送絲管道產(chǎn)生過多摩擦，從而有效保護(hù)煙絲。②建立了無量綱煙絲風(fēng)速比△VAT的參數(shù)控制，將△VAT值比例控制在0.70 至0.85 之間，可以達(dá)到最好的煙絲輸送狀態(tài)。③通過對翻箱喂絲系統(tǒng)的改進(jìn)，使喂絲能力大幅提升，卷煙機(jī)料斗單次喂絲時間由32 s 縮短至15 s。④風(fēng)力喂絲系統(tǒng)改進(jìn)后實現(xiàn)了低風(fēng)速的丘堆狀風(fēng)力喂絲，風(fēng)速由不可控降低至11.32 m/s，煙絲速度降低至9.5 m/s，有效解決了原系統(tǒng)煙絲風(fēng)送速度過快帶來的煙絲分層問題。煙絲的混合均勻度由5.41%降低至5.16%；煙絲整絲率下降絕對值由1.27%降低至0.74%，煙絲消耗由32.17 kg·（50 000 支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1。