SP32 煙絲膨脹系統(tǒng)浸漬罐中的力學(xué)模型

路蘭卿， 陳 強(qiáng)

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所， 北京 100074）

0 引言

SP32 煙絲膨脹系統(tǒng)是北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的新型環(huán)保煙絲膨脹生產(chǎn)線。 項(xiàng)目來(lái)源于國(guó)家煙草專賣局2006 年科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目暨科技項(xiàng)目專項(xiàng)合同。項(xiàng)目名稱：環(huán)保型煙絲膨脹介質(zhì)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究。該項(xiàng)目通過(guò)了國(guó)家煙草專賣局的鑒定，鑒定意見(jiàn)和建議為：“項(xiàng)目總體達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，研發(fā)的零ODP 值新型環(huán)保膨脹介質(zhì)（KC-2A）獲得了國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，一致同意通過(guò)鑒定。 ”2014 年，SP32 煙絲膨脹生產(chǎn)線通過(guò)國(guó)家煙草專賣局的定價(jià)審核， 正式進(jìn)入國(guó)家煙草機(jī)械產(chǎn)品目錄。

1 SP32 工藝介紹

煙葉從收割到加工成煙絲時(shí)， 其煙葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由此造成了皺縮。而為了盡可能恢復(fù)到綠葉時(shí)相同的體積和形狀， 通過(guò)煙絲的膨脹處理能夠使皺縮的煙絲得到一定程度的恢復(fù)。SP32 煙絲膨脹系統(tǒng)是借助環(huán)保介質(zhì)KC-2A 來(lái)完成煙絲的膨脹過(guò)程。 首先環(huán)保介質(zhì)KC-2A 在一定壓力下浸漬煙絲，然后將浸漬好的煙絲送入微波膨脹器，在微波作用下，水分子急劇摩擦、碰撞產(chǎn)生的熱量促使煙絲中的膨脹劑蒸發(fā)， 推動(dòng)煙絲細(xì)胞壁向外擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)煙絲膨脹目的。

經(jīng)該工藝處理后的煙絲優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）經(jīng)該工藝處理的煙絲填充值可高達(dá)6.92cm3/g，具有填充值高、回彈好、造碎率低（≤1%）的特點(diǎn)，部分牌號(hào)使用比例達(dá)到了22%， 卷煙原料消耗降低0.2kg/萬(wàn)支，提高了卷煙企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

（2）經(jīng)該工藝處理的煙絲能夠有效地降低煙絲中焦油及尼古丁的含量， 減焦降害方面具有難以比擬的技術(shù)優(yōu)越性，有利于吸煙者的身心健康。 可在減輕吸煙對(duì)健康危害的同時(shí)完美展現(xiàn)高檔卷煙的品質(zhì)。

（3）經(jīng)該工藝處理的煙絲，理化指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)煙絲膨脹設(shè)備的產(chǎn)品，感官評(píng)吸好，可用于攙兌在中高檔卷煙品牌，有效提高卷煙吸食品質(zhì)，即提高煙支感官又能完美展現(xiàn)高檔卷煙的品質(zhì)和檔次。

該工藝采用的新型環(huán)保介質(zhì)KC-2A 具有優(yōu)良的煙絲膨脹能力，在一定的溫度和壓力條件下可以使煙絲得到完全膨脹，且膨脹后的煙絲體態(tài)飽滿、色澤鮮亮，在成倍提高煙絲填充值的同時(shí)又能提高煙絲的外觀質(zhì)量。 另外，介質(zhì)低毒、阻燃，具有很高的安全性，并且介質(zhì)難溶于水、沸點(diǎn)低，可在常溫下迅速揮發(fā)，因此膨脹后煙絲介質(zhì)殘留低。

該工藝系統(tǒng)組成相對(duì)簡(jiǎn)單， 主要設(shè)備組成為煙絲浸漬系統(tǒng)、介質(zhì)加注系統(tǒng)與回收系統(tǒng)和微波膨脹系統(tǒng)（系統(tǒng)的設(shè)備立面圖見(jiàn)圖1）。 其中比較關(guān)鍵的設(shè)備為煙絲浸漬罐和微波膨脹器， 下文主要針對(duì)浸漬罐在設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的力學(xué)模型進(jìn)行探討。

圖1 SP32 設(shè)備立面圖Fig.1 The facility layout of SP32 system

2 浸漬罐的技術(shù)條件

內(nèi)容器： 介質(zhì)：KC-2A、煙絲，工作壓力：0.6～1.0MPa，設(shè) 計(jì) 壓 力：1.2MPa， 工 作 溫度：＜100℃，設(shè)計(jì)溫度：145℃，容積：～3m3，內(nèi)徑：DN1200，日蒸發(fā)率：≤0.58%。

夾套：介質(zhì)：水蒸汽，工作壓力：0.2～0.4MPa，設(shè)計(jì)壓力：0.45MPa，工作溫度：120～140℃，設(shè)計(jì)溫度：155℃，容積：60L，內(nèi)徑：DN1250，最大高度：～3200mm。

3 浸漬罐的機(jī)構(gòu)

在工程實(shí)踐中， 大多裝置的工作都是由許多不同的機(jī)構(gòu)來(lái)完成的， 而各種機(jī)構(gòu)都是用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力或改變運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械裝置， 為實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)操作起著很大的作用[1]。這些機(jī)構(gòu)有楔塊機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、摩擦輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向鉸鏈機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。在這些機(jī)構(gòu)中連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用比較普遍，而平面連桿機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)剛性構(gòu)件用平面低副連接而成，各構(gòu)件均在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)[2]。 在平面連桿機(jī)構(gòu)中，四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為普遍。 這個(gè)在SP32煙絲膨脹系統(tǒng)中得到了充分體現(xiàn)， 是完成煙絲膨脹系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備—浸漬罐自動(dòng)化運(yùn)行必不可少的機(jī)構(gòu)。

浸漬罐的工作過(guò)程：浸漬罐工作時(shí)，在液壓缸、曲臂組成的四桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，打開(kāi)罐蓋，煙絲送入罐體。 接著， 在相同的四桿機(jī)構(gòu)反向作用下關(guān)閉罐蓋， 又在由氣缸、鎖圈等組成的四桿機(jī)構(gòu)的作用下鎖緊浸漬罐的上蓋，實(shí)現(xiàn)浸漬罐在一定密封壓力下完成罐體內(nèi)抽空、 介質(zhì)加注、煙絲浸漬、介質(zhì)回收等一系列工藝過(guò)程，為后續(xù)的微波膨脹做準(zhǔn)備。

由以上浸漬罐的工作過(guò)程可以了解到： 為了實(shí)現(xiàn)浸漬罐的自動(dòng)化操作，需要兩個(gè)機(jī)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)都是最簡(jiǎn)單的平面四桿結(jié)構(gòu)。 正是這兩個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了浸漬罐開(kāi)鎖-開(kāi)蓋-關(guān)蓋-鎖緊的過(guò)程，這樣周而復(fù)始的動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)浸漬罐自動(dòng)運(yùn)行的目的。

3.1 浸漬罐中的液壓開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)浸漬罐門蓋自動(dòng)開(kāi)關(guān)過(guò)程， 在該系統(tǒng)中使用了四桿機(jī)構(gòu)：液壓缸、活塞（液壓桿）、曲臂和固定件組成了傳統(tǒng)意義上的四桿機(jī)構(gòu)。 其中液壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)作為機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，做為負(fù)載的浸漬罐門蓋，在液壓推力的作用下，由水平位置旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)豎直位置，此時(shí)活塞的行程為207mm，液壓缸的最大擺角為4.7°。為了使四桿機(jī)構(gòu)能夠拉起門蓋，液壓系統(tǒng)必須提供一定的液壓。

當(dāng)需要打開(kāi)門蓋時(shí)，鎖圈松開(kāi)門蓋，液壓缸活塞向下運(yùn)動(dòng)，在活塞桿拉力作用下，門蓋繞曲臂中心旋轉(zhuǎn)從水平位置旋轉(zhuǎn)至豎直位置，門蓋完全打開(kāi)（運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2）。 活塞在液壓缸內(nèi)部滑動(dòng)同時(shí)也做平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液壓缸以O(shè)1為中心左右擺動(dòng)，門蓋則繞曲臂中心O2旋轉(zhuǎn)。

圖2 浸漬罐開(kāi)蓋四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 The diagram of the dip tank’s unclosing machine

開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。 圖中實(shí)線部分是門蓋處于關(guān)閉位置鎖緊的狀態(tài)， 雙點(diǎn)化線所示位置是門蓋旋轉(zhuǎn)90°后處于打開(kāi)的位置。如果門蓋以曲臂的旋轉(zhuǎn)中心勻速開(kāi)啟，那么門蓋在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終處于平衡狀態(tài)，則可以計(jì)算出在開(kāi)啟過(guò)程中所需的液壓系統(tǒng)提供的液壓力，并根據(jù)已知的液壓壓力得到理論上的活塞直徑， 再考慮到設(shè)計(jì)計(jì)算中為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程忽略摩擦力的因素，實(shí)際門蓋有保溫材料和沖擊等， 取一個(gè)安全系數(shù)后即可選定液壓缸的大小。

圖3 浸漬罐開(kāi)蓋結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The schematic diagram of the dip tank’s unclosing machine

門蓋開(kāi)啟時(shí)以曲臂中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，此處的合力為0，合力矩為0，得到以下平衡式：

由計(jì)算知所需液壓缸的推力為19393N。 液壓缸選型為：最大工作壓力8MPa，活塞直徑90mm，活塞桿28mm，提供的推力41350N，可以滿足使用要求。

3.2 浸漬罐中的氣缸鎖緊機(jī)構(gòu)

由于SP32 煙絲膨脹系統(tǒng)的工作罐是在完全自動(dòng)的條件下工作的，而其工作過(guò)程又需要一定的壓力下進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)采用了液壓開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)，而為了實(shí)現(xiàn)門蓋到位后的鎖緊， 在該系統(tǒng)中采用了氣缸鎖緊機(jī)構(gòu)。 當(dāng)門蓋關(guān)閉并到位后， 需要門蓋能夠承受0.6～1.0MPa 的工作壓力，這時(shí)在氣缸鎖緊機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下將門蓋壓緊在工作罐的筒體端面上。 該氣缸鎖緊機(jī)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)角度分析同樣是一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖4，由筒體、活塞、氣缸、鎖圈四個(gè)構(gòu)件組成，實(shí)現(xiàn)門蓋鎖緊的目的。 其中氣缸與工作罐上的鎖圈通過(guò)銷軸連接， 活塞桿同樣通過(guò)銷軸與工作罐的筒體連接，活塞在氣缸中滑動(dòng)，而鎖圈可以圍繞工作罐筒體旋轉(zhuǎn)。 鎖圈和門蓋上焊接有楔形塊，門蓋與筒體端面之間安裝O 形圈，當(dāng)需要鎖緊時(shí)，氣缸充壓，在活塞桿的推動(dòng)下鎖圈旋轉(zhuǎn)， 使得上下兩楔塊（鎖圈楔塊為上楔塊，門蓋楔塊為下楔塊） 重合并在氣缸推力作用下壓緊， 這樣門蓋被固定并保證了連接面的密封性。 為了調(diào)整筒體端面O 形圈的密封力，可以通過(guò)限制氣缸的行程來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。 其中座塊焊接在筒體上，限位塊安裝在鎖圈上，并通過(guò)調(diào)整限位塊上螺栓的伸出長(zhǎng)度達(dá)到限制氣缸運(yùn)動(dòng)行程的目的。

圖4 浸漬罐鎖緊四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 The diagram of the dip tank’s closing machine

圖5 浸漬罐氣缸工作圖Fig.5 The schematic diagram of the dip tank’s cylinder

為了選定氣缸的型號(hào)， 可以對(duì)楔塊受力進(jìn)行分析求解。 楔塊受力圖見(jiàn)圖6（以鎖圈楔塊為模型分析， 門蓋楔塊受力與之相反）。

在鎖緊過(guò)程中， 楔塊受到4 個(gè)力的作用，見(jiàn)圖6（a）：氣缸的水平推力P、 下楔塊的支反力N、 兩楔塊之間的摩擦力Ff 和筒體對(duì)于鎖圈的壓力F。 為了簡(jiǎn)化受力計(jì)算過(guò)程，引入文獻(xiàn)3 中的摩擦角概念，從而得到圖6（b），此時(shí)構(gòu)件受力簡(jiǎn)化為3 個(gè)力， 應(yīng)用力的三角形概念可以得到圖7。

圖6 浸漬罐楔塊受力圖Fig.6 The force diagram of the dip tank’s chock

圖7 浸漬罐楔塊受力三角形圖Fig.7 The triangle force diagram of the dip tank’s chock

由文獻(xiàn)3 知三力合力為0，得到

鎖圈轉(zhuǎn)動(dòng)所需的水平力P 氣缸力由3 個(gè)氣缸提供，氣缸能夠提供的最大水平力Pmax為

所以門蓋與O 圈之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

式中：α—楔塊傾角 （α=3°）；ρ—鋼鋼之間摩擦角（鋼鋼之間的摩擦系數(shù)在0.1～0.15 之間， 對(duì)應(yīng)的摩擦角在5.7～8.5°）；G—鎖圈的重力 （G=2000N）；Fa—O 形圈的密封力（N）；Ff—門蓋端面與O 形圈之間的摩擦力 （N）；μ—O 形圈與金屬之間的摩擦系數(shù)；f—壓力系數(shù)（f=0.185）；d—O形圈截面直徑 （d=11.8mm）；D—O 形圈內(nèi)徑（D=1210mm）；E—O 形圈的彈性模量 （D=4.3MPa）；Dc-氣缸內(nèi)徑（mm）；p—?dú)飧撞僮鲏毫Γ∕Pa）。

由以上的計(jì)算即可確定氣缸型號(hào)，并能夠了解到：當(dāng)氣缸推動(dòng)鎖圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，門蓋與O 形圈之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；氣缸所能夠提供的氣缸力大于鎖圈運(yùn)動(dòng)所需的力，故能夠推動(dòng)鎖圈轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在SP32 煙絲膨脹系統(tǒng)中用到了不少種機(jī)構(gòu)，這里只介紹了其中浸漬罐用到的最基本的四桿機(jī)構(gòu)。 也正是由于這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用使得工作罐的工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化操作，并確保了工作罐的密封性。