煙支濾棒成型設(shè)備中多孔管道輔助正壓增程裝置的設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】針對(duì)濾棒在傳遞過(guò)程中因安裝、制造公差等原因?qū)е鹿ぷ餍谐淘龃?、傳遞過(guò)程中斷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多孔管道正壓輔助傳動(dòng)裝置進(jìn)行傳輸?！痉椒ā空龎汗艿纼?nèi)的氣流，在流經(jīng)正壓孔時(shí)會(huì)對(duì)濾棒施加沿徑向方向運(yùn)動(dòng)的力，由于鼓輪本身自帶轉(zhuǎn)速，其產(chǎn)生的離心力會(huì)對(duì)濾棒施加沿鼓輪切向方向運(yùn)動(dòng)的力，這兩個(gè)方向的位移能夠在實(shí)現(xiàn)濾棒于空間位置連續(xù)傳遞的同時(shí)增加各鼓輪間的輸送間距。【結(jié)果】通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算管道內(nèi)壓強(qiáng)流失情況，并對(duì)正壓孔進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，該裝置能夠有效降低安裝、制造精度，節(jié)約成本的同時(shí)增加傳遞鼓輪的傳輸間距?！窘Y(jié)論】在提高傳送類鼓輪的工作效率的同時(shí)，避免了零部件的重復(fù)加工或返修情況的發(fā)生，也使得傳送鼓輪在空間設(shè)計(jì)、排布的多樣性成為可能。

關(guān)鍵詞：多孔管道；正壓；傳輸間距；增程

中圖分類號(hào)：TS43" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）09-0030-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.006

Design of Porous Pipe Auxiliary Positive Pressure Range Extension

Device in Smoke Stick Filter Forming Equipment

HAN" Zongzheng

（Xuchang Tobacco Machinery Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract： [Purposes] In view of the situation that the working stroke of the filter rod increases due to installation， manufacturing tolerance and other reasons in the transmission process， which leads to the interruption of the transmission process， the method of positive pressure auxiliary transmission of porous pipeline is proposed. [Methods] When the air flow in the positive pressure pipe flows through the positive pressure hole， it will exert a radial movement on the filter rod. Because the drum wheel itself has its own speed， the centrifugal force generated will exert a tangential movement on the filter rod. The displacement in these two directions can realize the continuous transmission of the filter rod in the space position and increase the transmission distance between the drums. [Findings] Through the analysis and calculation of the pressure loss in the pipeline， the positive pressure hole was designed and improved. The device can effectively reduce the installation and manufacturing accuracy and increase the transmission distance of the transfer drum. [Conclusions] While improving the working efficiency of the conveyer drum， the repeated processing or repair of the parts is avoided， and the diversity of the spatial design and arrangement of the conveyer drum is possible.

Keywords： void channels; positive pressure; transmission interval; range extension

0 引言

在濾棒成型設(shè)備中，上游成型裝置中的濾棒如何連續(xù)、平穩(wěn)地傳遞至下游裝置一直是研究的重點(diǎn)。該傳遞過(guò)程不僅影響著成型設(shè)備的運(yùn)行效率，更直接影響著產(chǎn)出效能。在實(shí)際工作中，接收、傳遞濾棒的鼓輪在設(shè)計(jì)和排列組合時(shí)，常受到工藝、空間等因素限制［1］。多孔管道增程裝置是在傳遞鼓輪交接處開(kāi)設(shè)正壓增程孔，當(dāng)棒類傳遞到此處時(shí)，多孔管道輔助正壓裝置接通，各正壓孔開(kāi)始以恒定且相等的力作用于傳遞中的濾棒，使濾棒平穩(wěn)地“飛出”。此時(shí)，下游鼓輪接通負(fù)壓對(duì)濾棒進(jìn)行吸附“拉回”，以此來(lái)避免因傳遞鼓輪間距過(guò)大而導(dǎo)致濾棒掉落的情況發(fā)生。此外可專門(mén)擴(kuò)大鼓輪間的傳遞距離，增加傳送鼓輪在空間排布的多樣性。

近年來(lái)，煙草設(shè)備的發(fā)展日新月異，越來(lái)越多的新結(jié)構(gòu)、新方法應(yīng)用于煙草成型設(shè)備中。例如，楊成波等［2］因煙支在傳遞過(guò)程容易折斷和堆積，研究設(shè)計(jì)了加熱卷煙接裝機(jī)雙路供料系統(tǒng)；孫莉［3］為提高煙支棒料傳動(dòng)平穩(wěn)性，對(duì)接收煙支的鼓輪煙槽負(fù)壓孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；熊克林［4］利用負(fù)壓設(shè)計(jì)出V形吸風(fēng)孔，解決了煙支因傳遞過(guò)程而導(dǎo)致外觀損傷的問(wèn)題；潘松君［5］提出的煙支變節(jié)距柔和交接技術(shù)，解決了煙支在傳輸過(guò)程中接空率較高的問(wèn)題；倪建彬［6］為提高煙支的吸阻穩(wěn)定性對(duì)煙機(jī)設(shè)備的工藝參數(shù)和煙支棒重量進(jìn)行了改進(jìn)；劉謙等［7］利用負(fù)壓將ZJ17卷接機(jī)組產(chǎn)生的廢料收集，解決了因廢料堆積而導(dǎo)致的煙支生產(chǎn)缺陷等問(wèn)題；徐亞軍［8］為制成品質(zhì)更高、更好的煙絲條，設(shè)計(jì)了一種雙氣流通道裝置。

針對(duì)煙支傳遞過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，本研究設(shè)計(jì)了一種多孔管道輔助正壓增程裝置，在提供合適且恒定的正壓下，通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析計(jì)算，確定各正壓孔半徑關(guān)系和間距位置，為傳遞鼓輪的空間排布增加了可能性，節(jié)省傳遞空間的同時(shí)壓縮了制造成本。

1 鼓輪間的傳遞方式

鼓輪濾棒傳遞示意如圖1所示。濾棒自上游傳遞鼓輪后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)正壓增程輪負(fù)壓區(qū)吸附濾棒后，在傳遞至右側(cè)的接收鼓輪時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)輔助正壓增程裝置中的正壓風(fēng)口，此時(shí)正壓風(fēng)口將提供恒定的力，并產(chǎn)生徑向初速度V1；另一方面，由于濾棒傳遞過(guò)程中鼓輪自身旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿徑向方向的切向速度V2，此時(shí)產(chǎn)生的合速度V3的方向就是濾棒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向。

由圖1可知，上游傳遞鼓輪與正壓增程輪圓心距a與接收鼓輪與正壓增程輪圓心距b之間的關(guān)系為a≤b（本研究中所有鼓輪直徑相等）。

當(dāng)a=b時(shí)，即增程輪正壓風(fēng)口關(guān)閉，只起傳遞作用；

當(dāng)a＜b時(shí)，增程輪正壓風(fēng)口打開(kāi)，增加傳遞行程。

需要注意的是，濾棒在傳遞過(guò)程中依靠鼓輪上的負(fù)壓孔進(jìn)行吸附，若濾棒無(wú)法堵住鼓輪上的負(fù)壓孔，則會(huì)出現(xiàn)棒支掉落的情況。與負(fù)壓風(fēng)口不同的是，輔助正壓裝置中的每個(gè)風(fēng)口提供的力必須是恒定且相等的，正壓孔風(fēng)力示意如圖2所示。因此，則有F1=F2=……=F6，這樣棒支在經(jīng)過(guò)正壓風(fēng)口時(shí)才不會(huì)因受力不均勻出現(xiàn)傾斜、扭轉(zhuǎn)等導(dǎo)致棒支傳遞不及時(shí)或掉落的情況發(fā)生。

2 正壓輔助裝置計(jì)算

多孔管道輔助正壓增程裝置采用控制變量法分別對(duì)管徑D，管長(zhǎng)L，開(kāi)孔半徑r等進(jìn)行設(shè)計(jì)并計(jì)算。由帕斯卡定律可知[F=P·S]。因此，若要為濾棒提供恒等且相等的力F，就應(yīng)該控制正壓口處的壓強(qiáng)P及開(kāi)口面積S，使得任一正壓口的開(kāi)口面積S與壓強(qiáng)P無(wú)論怎么變化，其乘積值F均相等。

2.1 等徑管道壓力損失計(jì)算

在橫截面積處處相等的正壓管道（等徑管道）中，達(dá)西-韋斯巴赫方程見(jiàn)式（1）至式（3）。

[△P=λ·L·v22Dg] （1）

[λ=75Re]" （2）

[Re=ρvDμ] （3）

式中：△P為壓力損失；λ為空氣在正壓管道內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，m；v為壓縮空氣在管道內(nèi)的流速，m/s；D為管徑直徑，m；g為重力加速度，m/s2；Re為流體在容器內(nèi)的流動(dòng)情況，即雷諾系數(shù)；ρ為空氣密度，常溫下的空氣密度一般為1.293 kg/m3；μ為流體的動(dòng)力黏度系數(shù)，常溫狀態(tài)下一般為1.81×10-5 Pa·s。

本研究中取流速v=10 m/s；管道直徑D=10" mm；入口壓強(qiáng)為10 kPa； ρ、 μ均取常溫下數(shù)值。

由式（2）和式（3）可以計(jì)算出Re=71.436，λ=1.050。

根據(jù)泊肅葉定律見(jiàn)式（4）。

[Q=qv=△P·r48Lλ]" （4）

式中：Q為流量；q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道截面的流量；r為管道半徑，m。

結(jié)合式（1）至式（4）可得[△P]見(jiàn)式（5）。

[△P=λρLv22D] （5）

取不同孔間距與主通風(fēng)管道直徑關(guān)系，并將其代入式（4）和式（5）中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在本研究預(yù)設(shè)工況條件下，經(jīng)計(jì)算可知，在主管道直徑相同情況下，孔間距越大，壓強(qiáng)損失越多，若要保證正壓孔處風(fēng)力處處相等，開(kāi)孔半徑由入口端至出口端應(yīng)緩慢增大；另一方面，在保證孔間距相等的條件下，隨著主管道直徑增大，壓強(qiáng)損失越來(lái)越少。

2.2 變徑管道壓力損失計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)在正壓孔徑r不變的情況下使得正壓風(fēng)口提供徑向恒定的力，可以通過(guò)調(diào)節(jié)主管道的橫截面積及管道開(kāi)孔間距，使得每個(gè)正壓風(fēng)口處的壓強(qiáng)相等，即管道內(nèi)的橫截面積處處發(fā)生變化（即變徑）。變徑管道示意如圖3所示。

在截面不斷變化的管道中存在的關(guān)系見(jiàn)式（6）。

[q1v1=q2v2]" " " " "（6）

伯努里方程見(jiàn)式（7）。

[P1+12ρv21=P2+12ρv22+△P]" "（7）

式中：P1為輸入管道時(shí)的靜壓強(qiáng)；[12ρv21]為管道內(nèi)的動(dòng)壓強(qiáng)；P2為輸出管道時(shí)的靜壓強(qiáng)；[12ρv22]為輸出管道時(shí)的動(dòng)壓強(qiáng)；△P為管道內(nèi)的壓力損失。

由于正壓輔助推力裝置中靜壓為0，則公式簡(jiǎn)化后見(jiàn)式（8）。

[△P=ρ2（v21?v22）]" " "（8）

開(kāi)口處截面面積見(jiàn)式（9）。

[S=π（D2?10tanθ）2]" " （9）

式中：θ為變孔徑錐度。

由式（6）至式（9）可知，在流量Q一定的情況下，管徑截面q與流速v成反比。本研究取不同變孔徑錐度θ與正壓孔處橫向截面面積數(shù)值，經(jīng)計(jì)算所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表1和表2可知，在本研究預(yù)設(shè)的等開(kāi)口間距工況條件下，在等徑管道中單位長(zhǎng)度內(nèi)的壓強(qiáng)損失相等，等間距正壓孔的半徑隨著開(kāi)孔間距增大而遞增，成正比關(guān)系；變徑管道中隨著傾斜角度θ增大，各截面間的流速差也越來(lái)越大，壓強(qiáng)損失也越來(lái)越多。

通過(guò)上述計(jì)算公式可知，在實(shí)際工作生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能地增大主風(fēng)管道的直徑來(lái)獲取流量，減短管道長(zhǎng)度來(lái)縮減壓強(qiáng)損失，此外可以根據(jù)以上兩種孔徑壓強(qiáng)損失特性和流速變化進(jìn)行選擇，以此應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的不同工況條件。

3 受力運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)

濾棒受徑向推力和向心力影響，在脫離正壓增程輪后將產(chǎn)生類似拋物線運(yùn)動(dòng)，若對(duì)該曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，將會(huì)在一定程度上避免由傳遞速度過(guò)快導(dǎo)致濾棒因受力過(guò)大產(chǎn)生反彈變形或負(fù)壓區(qū)無(wú)法吸附濾棒致使濾棒脫離鼓輪的情況發(fā)生。

在實(shí)際工況中，濾棒運(yùn)動(dòng)軌跡受多種因素影響，因此考慮將其進(jìn)行拆解計(jì)算。

濾棒在傳遞過(guò)程中受到正壓孔作用沿徑向方向移動(dòng)。

徑向推力見(jiàn)式（10）。

[F=ma] （10）

徑向位移見(jiàn)式（11）。

[L徑=12at2] （11）

式中：a為徑向產(chǎn)生的加速度，m/s2；t為沿徑向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

濾棒在傳遞過(guò)程中受傳遞鼓輪作用沿切向方向移動(dòng)。

向心力見(jiàn)式（12）。

[F=mv2r=mw2r] （12）

切向位移見(jiàn)式（13）。

[L切=vt] （13）

式中：v為向心力F作用產(chǎn)生的速度，m/s；t為沿切向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

根據(jù)不同工況及棒料種類，結(jié)合式（10）至式（13），可以預(yù)測(cè)出濾棒經(jīng)正壓增程輪作用后的大致線路。

4 結(jié)論

本研究以傳統(tǒng)鼓輪傳遞方式為研究切入點(diǎn)對(duì)正壓增程裝置的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，利用壓強(qiáng)差彌補(bǔ)濾棒在傳遞過(guò)程中因裝配、制造生產(chǎn)等原因使傳遞鼓輪間距過(guò)大導(dǎo)致濾棒掉落的情況發(fā)生，在提高傳送類鼓輪的工作效率的同時(shí)，也避免了零部件的重復(fù)加工或返修情況的發(fā)生。此外可利用該增程裝置的管道壓強(qiáng)損失特性和流速變化來(lái)解決因空間位置不足致使鼓輪排布、設(shè)計(jì)思維受限等問(wèn)題。

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