貯絲柜柔性進(jìn)出料技術(shù)研究與應(yīng)用

曾偉中 李 強(qiáng) 李 俊 鄒金鵬 劉 田 劉 暢 張興全 李家喜

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽卷煙廠，湖北 襄陽 441000)

煙絲貯存作為制絲車間最后一道生產(chǎn)工序，其工藝任務(wù)是保障配方煙絲充分混合均勻，平衡煙絲水分和溫度，滿足卷煙工藝要求[1-2]。由于貯柜進(jìn)料出料落差較大，在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生灰塵，造成區(qū)域粉塵濃度過高。同時(shí)，較大的落差和出料系統(tǒng)的耙料機(jī)構(gòu)反復(fù)擊打，造成出柜煙絲整絲率下降，碎絲率升高的問題，影響產(chǎn)品加工品質(zhì)[3-5]。行業(yè)內(nèi)針對貯柜進(jìn)出料產(chǎn)生的造碎問題研究多數(shù)集中在優(yōu)化出料方式，即對出料系統(tǒng)的耙料機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過重新設(shè)計(jì)耙料輥，從而減少對物料的攪拌強(qiáng)度。李艷芳等[6-8]通過改變耙釘撥料方向，將耙釘插入物料中，降低攪拌出料強(qiáng)度，但仍未解決反復(fù)攪拌的問題；劉亦堅(jiān)等[9]通過將撥料輥改為耙齒，將打擊式出料方式改為柔性出料，有效降低了煙絲造碎，但仍未解決進(jìn)料時(shí)煙絲造碎和揚(yáng)塵較大的問題；雷建生[10]對貯柜出料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)均勻出料，在一定程度上減少了物料造碎，但未從根本上解決進(jìn)出料落差較大和耙料輥反復(fù)攪拌擊打的問題。

研究擬設(shè)計(jì)一種貯絲柜柔性進(jìn)出料系統(tǒng)，通過落差緩沖裝置和滑動(dòng)升降耙料裝置減少煙絲進(jìn)柜落差和降低出料時(shí)耙輥對煙絲的打擊強(qiáng)度，以期提高成品煙絲質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

1 存在的問題

目前，行業(yè)內(nèi)貯絲柜進(jìn)料仍沿用傳統(tǒng)掉料方式；出料采用底帶變頻前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，配合耙機(jī)對物料進(jìn)行松散。然而，貯絲柜在進(jìn)料過程中，由于貯絲柜底面與貯柜上的鋪料行車落差大(1 900 mm)，物料在落入柜內(nèi)時(shí)，水分低、形態(tài)顆粒較小且易飄逸的物料及粉塵扇動(dòng)在空氣中逃逸出貯柜，造成車間區(qū)域環(huán)境含塵濃度超標(biāo)；同時(shí)，由于落差大(貯柜底面與下方帶式輸送機(jī)落差1 000 mm)、出料口帶有耙齒的輥軸對物料進(jìn)行反復(fù)松散，容易造成煙絲結(jié)構(gòu)的破壞。

研究選取A牌號卷煙為研究對象，對成品煙絲關(guān)鍵物理指標(biāo)及區(qū)域環(huán)境含塵濃度進(jìn)行測定，統(tǒng)計(jì)進(jìn)貯絲柜前和出貯絲柜各項(xiàng)指標(biāo)情況，測定結(jié)果(見表1)表明：整絲率下降1.5%，碎絲率升高至2.4%；進(jìn)出柜過程中，區(qū)域含塵(煙草塵)濃度C-TWA為1.8 mg/m3，接近國家工作場所空氣中粉塵的職業(yè)接觸限值(PC-TWA值為2.0 mg/m3)，而且貯柜區(qū)域蟲害頭數(shù)高于其他非貯柜區(qū)域(見圖1)。

表1 A牌號成品煙絲結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及區(qū)域粉塵濃度

蟲害頭數(shù)為每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數(shù)量

2 系統(tǒng)改進(jìn)

為克服貯絲柜進(jìn)出料系統(tǒng)造成的煙絲結(jié)構(gòu)破壞和區(qū)域含塵濃度增加的問題，對現(xiàn)有貯絲柜進(jìn)出料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在貯絲柜鋪料行車投料口增設(shè)落差緩沖裝置，出料口設(shè)計(jì)滑動(dòng)升降耙料裝置。

2.1 落差緩沖機(jī)構(gòu)

為解決貯絲柜進(jìn)料落差較大問題，在貯絲柜鋪料行車投料口增設(shè)落差緩沖裝置。該裝置主要由料位信號傳感器、鋪料行車、來料感應(yīng)器和自動(dòng)伸縮溜料板等部分組成(見圖2)。自動(dòng)伸縮溜料板安裝于鋪料行車兩端落料口皮帶下方，由外殼蓋板、張力曲臂和外固定管蓋帽組成(見圖3、圖4)，溜料板長度為1 800 mm，寬度為2 400 mm。料位傳感器提供三段預(yù)留料位堆積高度空間信號，分別為300，600，1 100 mm，隨著貯柜內(nèi)堆積物料高度的變化控制自動(dòng)伸縮溜料板的伸出長度，既能達(dá)到由低位物料至高位物料的落料過程減速緩沖的目的，又能保障落差緩沖裝置的位置準(zhǔn)確。

1. 料位信號傳感器 2. 鋪料行車 3. 來料感應(yīng)器 4. 自動(dòng)伸縮溜料板

1. 外殼蓋板 2. 張力曲臂 3. 外固定管蓋帽

圖4 自動(dòng)伸縮溜料板伸開與收縮

貯絲柜進(jìn)料時(shí)，通過自動(dòng)伸縮溜料板將物料減速緩沖導(dǎo)入至柜內(nèi)，在陸續(xù)向柜內(nèi)投料時(shí)料位會(huì)逐步堆高。隨著貯絲柜內(nèi)物料堆積高度增高，安裝于貯柜兩側(cè)的料位檢測信號傳感器將料位高度信號傳遞給自動(dòng)伸縮溜料板，進(jìn)行角度和長度調(diào)節(jié)，達(dá)到緩沖目的。改進(jìn)后，物料進(jìn)料最大落差由原來的1 900 mm降至300 mm，有效降低了煙絲造碎及粉塵外溢。

2.2 滑動(dòng)升降耙料機(jī)構(gòu)

為減少出料時(shí)耙輥對煙絲的反復(fù)擊打、攪拌等問題，在貯柜出料口設(shè)計(jì)一套能夠上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)升降式耙料輥。該裝置主要由升降結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和耙料機(jī)構(gòu)三部分組成(見圖5)。出料時(shí)，升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和耙料機(jī)構(gòu)在出料口進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)耙料結(jié)構(gòu)對出口物料進(jìn)行松散。

1. 升降機(jī)構(gòu) 2. 耙料機(jī)構(gòu) 3. 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2.1 升降機(jī)構(gòu) 升降機(jī)構(gòu)設(shè)置(見圖6)在耙料刺輥軸端，左右對稱布置，設(shè)有軸承、軸承座及帶動(dòng)輥軸升降的升降滑臺，采用滾珠絲桿與螺母進(jìn)行傳動(dòng)。減速電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使螺母做上下運(yùn)動(dòng)，耙輥組件安裝在絲桿螺母安裝座上，也隨之上下運(yùn)動(dòng)，通過兩側(cè)安裝的光軸滑套，在限定運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)，也起到穩(wěn)定整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。兩側(cè)步進(jìn)電機(jī)使用同一個(gè)變頻器，從而保證運(yùn)動(dòng)的一致性，其上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)速度可由變頻器根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。

1. 步進(jìn)電機(jī) 2. 聯(lián)軸器 3. 安裝板加強(qiáng)筋 4. 光軸座安裝板 5. 光軸座 6. 光軸 7. 絲桿 8. 絲桿螺母 9. 光軸滑套 10. 減速機(jī) 11. 電機(jī) 12. 安裝板 13. 電機(jī)支撐桿 14. 上絲桿座 15. 螺母安裝座 16. 耙齒安裝板 17. 耙齒安裝軸承 18. 軸承座 19. 下絲桿座

整個(gè)升降滑臺上下運(yùn)動(dòng)范圍為0～500 mm，在貯柜處料過程中，為避免耙輥對煙絲的反復(fù)擊打造成物料破損，通過升降滑臺帶動(dòng)耙料輥?zhàn)錾舷峦鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，在保障對物料松散的同時(shí)，減少對同一部位物料的反復(fù)擊打、攪拌，從而減少物料的造碎率。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 耙輥旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于輥軸兩端，主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、鏈輪和鏈條三部分組成(見圖7)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過鏈輪和鏈條，驅(qū)動(dòng)輥軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)速度可通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對物料的松散功能。由于升降機(jī)構(gòu)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)耙機(jī)轉(zhuǎn)速由原來35 r/min降至25 r/min，減少對物料的攪拌強(qiáng)度。

1. 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 2. 鏈條 3. 鏈輪

2.2.3 耙料機(jī)構(gòu) 耙料刺輥主要由輥軸和耙料齒兩部分組成(見圖8)。出料時(shí)，為了減少耙料齒插入物料的深度，減少耙料齒對物料的反復(fù)攪拌，耙料齒長度應(yīng)較常規(guī)耙料齒的減少近1/3；同時(shí)將耙齒設(shè)置為沿軸的中心線呈螺旋線狀分布[10]，減少原有直線設(shè)計(jì)的耙齒與物料反復(fù)接觸，在保障松散物料的前提下，有效避免了對物料的攪拌，降低了物料造碎率。

1. 升降滑臺 2. 耙料機(jī)構(gòu) 3、4. 鏈條

2.3 工作原理

如圖9所示，進(jìn)料系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)伸縮溜料板裝置降到最低點(diǎn)，物料通過落料裝置緩沖后落入貯柜，緩慢堆積。當(dāng)進(jìn)料檢測光電傳感器檢測到物料堆積至一定高度時(shí)，進(jìn)料控制系統(tǒng)啟動(dòng)，帶動(dòng)自動(dòng)伸縮溜料板裝置上升到第二個(gè)高度后停止。當(dāng)光電傳感器檢測到第二個(gè)高度(物料堆積高度)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)帶動(dòng)緩沖落料裝置上升到第三個(gè)高度(物料堆積高度)后停止，當(dāng)光電傳感器檢測到第三個(gè)高度時(shí)，自動(dòng)伸縮溜料板自動(dòng)上升退回到最高點(diǎn)。

圖9 貯絲柜柔性進(jìn)出料系統(tǒng)工作原理

出料時(shí)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)首先啟動(dòng)，帶動(dòng)耙料機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和耙料機(jī)構(gòu)開始上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)出料裝置按照設(shè)定的程序自動(dòng)上下往復(fù)運(yùn)行，通過耙料輥的上下運(yùn)動(dòng)，避免對同一部位物料反復(fù)擊打、攪拌，從而達(dá)到降低造碎的目的。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 材料

以正常生產(chǎn)的A牌號黃鶴樓成品煙絲為試驗(yàn)對象。

3.1.2 儀器與設(shè)備

煙絲振動(dòng)分選篩：YQ-2型，鄭州恒德通用機(jī)械有限公司。

3.1.3 方法

(1) 整絲率與碎絲率測定：按YC/T 178—2003《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》執(zhí)行。

(2) 含塵濃度測定：按GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》執(zhí)行。

(3) 蟲害頭數(shù)統(tǒng)計(jì)：分別統(tǒng)計(jì)貯柜區(qū)域和非貯柜區(qū)域蟲情誘捕器上蟲害數(shù)量。

跟蹤測試10個(gè)批次成品煙絲質(zhì)量，每個(gè)批次測定3次，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可知，改進(jìn)后成品煙絲整絲率由80.2%升至81.1%，提高0.9%；碎絲率降低至2.2%；整絲率變化率提升1.1%；整絲率升高和碎絲率降低，有利于提升后續(xù)卷接過程的穩(wěn)定性，從而提高成品煙支的物理質(zhì)量和感官質(zhì)量穩(wěn)定性；由于煙絲造碎率減小，耗絲率由20.21 kg/箱降至20.18 kg/箱，按年產(chǎn)量60萬箱計(jì)算(煙絲單價(jià)100元/kg)，共計(jì)節(jié)約成本180萬元。

表2 改進(jìn)后煙絲結(jié)構(gòu)及區(qū)域粉塵濃度?

同時(shí)，改進(jìn)后貯柜區(qū)域蟲害頭數(shù)由每月平均8.5頭降至5頭，與非貯柜區(qū)域基本相同(見圖10)。區(qū)域含塵濃度C-TWA降低至0.5 mg/m3，遠(yuǎn)低于國家工作場所空氣中粉塵的職業(yè)接觸限值(2.0 mg/m3)，從而改善了工作環(huán)境，降低了職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)隱患。

蟲害頭數(shù)為每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數(shù)量

4 結(jié)論

通過對原有貯絲柜進(jìn)出料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，有效降低了車間區(qū)域粉塵濃度，提升了煙絲結(jié)構(gòu)。以黃鶴樓(A牌號)成品煙絲為試驗(yàn)對象，采用貯絲柜柔性進(jìn)出料系統(tǒng)后，成品煙絲結(jié)構(gòu)得到有效提升，整絲率升高0.9%，單箱耗絲量由每箱耗絲20.21 kg降至20.18 kg；同時(shí)，區(qū)域含塵濃度C-TWA由1.8 mg/m3降至0.5 mg/m3，減少了煙塵散逸；貯柜區(qū)域蟲害頭數(shù)(每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數(shù)量)也隨之降低，降低至每月5頭；在保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到了清潔生產(chǎn)和降本增效的目的。研究解決了貯絲柜進(jìn)出料過程中煙絲造碎和粉塵外溢的問題，但如何有效減少出料過程中長絲變短的問題仍有待進(jìn)一步研究。