基于EDEM和ANSYS Workbench加料機混料過程的研究

周重凱,黃亞宇,李 俏,倪 立

(昆明理工大學，云南 昆明 650500)

在制作香煙的過程中，煙絲的整絲率是評價卷煙煙絲的重要物理特性。如雷諾公司采用長絲率(>1.68 mm)、中絲率(0.85～1.68 mm)和碎絲率(<0.85 mm)來表示煙絲結構[1]，國內以整絲率(>2.50 mm)和碎絲率(<1.0 mm)來表示[2]。然而，煙絲與香料在滾筒中混合時，混合均勻度以及混合過程對煙絲的破壞程度，直接制約著生產效益；因此，滾筒的旋轉速度、傾斜角度和筒內耙釘的數量等相關信息都會影響煙絲的質量，對煙絲在滾筒中受力的分析至關重要[3]。

1 加料機混料過程仿真

1.1 加料機滾筒參數設置

圖1 傾角為5°的滾筒模型

從某煙廠實際考察后，發現加料機的內部混料效果展示的不明顯，為了充分模擬其內部結構以及滾動過程中煙葉的混合過程，現應用離散元軟件EDEM進行動態仿真。為了筒內的混料成分順利滾出，現將滾筒傾角設計成5°，再設置其旋轉的速度分別為20和30 r/min，這樣可以通過一定數量的煙絲的整絲率來確定最佳的轉動速度[4]。設計的傾角為5°的滾筒模型如圖1所示。

1.2 滾筒內混料情況動態仿真

圖2 傾角為5°時滾筒內的混料分布情況

在EDEM軟件中進行動態仿真，加入模擬的煙葉進行滾動。當滾筒傾角為5°時，滾筒內混料的分布情況如圖2所示。通過仿真，將現實生產線中滾筒的真實混料情況進行了可視化處理，從而為今后研究滾筒內部情況提供了一種新的方法。混料滾筒在實際工作中，其內部情況比較復雜，不易觀察和分析。現通過離散元軟件EDEM進行仿真研究，能夠充分地將其內部混料速度情況及受力情況分析出來,為提高滾筒效率提供設計參考[5]。轉速分別為20和30 r/min時，滾筒內顆粒轉速的分布情況如圖3所示。

a)滾筒旋轉速度為20 r/min

b)滾筒旋轉速度為30 r/min圖3 滾筒內顆粒的速度分布情況

由圖3可知，在轉速較高(30 r/min)的情況下，筒內顆粒的數目變化不明顯，但是轉速增加，滾筒其中混合顆粒的受力情況會發生很大的變化。為了保證煙葉的整絲率，必須對煙絲進行受力分析，將滾筒轉速設計在煙葉能夠承受的受力范圍內，這樣在保證效率的過程中，同時提高了生產質量[6]。整個過程的受力情況如圖4所示。

圖4 顆粒模型在運動仿真過程中的受力

由圖4可知，顆粒的平均受力情況隨著滾筒的速度逐漸增加而增加， 由于受到混料筒的旋轉使得煙絲模型在筒壁內的方向力增加，從而受到的筒內壁摩擦力增加，以及煙絲顆粒直接的作用力會增大，使得煙葉模型發生受力變形。

顆粒在滾筒內運動過程中，其受力情況是變化的。當受到最大力的作用時，會出現破碎的現象，這是在整個生產過程中不可避免的現象。為了減少這種破壞現象，保證顆粒模型的完整率，需要對顆粒模型的受力變形情況進行分析，再根據其本身的材料屬性，確定其滾筒的最適合的轉速。

1.3 煙葉建模及受力分析

根據在EDEM軟件中粘結的顆粒模型，建立煙葉在ANSYS Workbench軟件中的模型。通過上述分析的受力情況，對煙葉縱向和橫向2個方向進行受力分析，得出煙葉的變形情況，觀察其是否滿足其彈性變形量。設置其受力情況為25 N，其縱向和橫向的變形情況分別如圖5和圖6所示。

通過對模型的分析可知，在此受力情況下，能夠最高效率地保證整絲率，提高產品的合格率，為實際的加工操作過程提供了可靠性依據。

圖5 煙葉模型縱向受力變形圖

圖6 煙葉模型橫向受力變形圖

2 結語

通過以上分析，可以得出下述結論。

1)加料機滾筒部分內部情況運動過程不易觀察，且較為復雜，用EDEM軟件進行動態仿真，實現了內部結構的可視化，為今后的研究提供了一種方法和途徑。

2)為了保證一定的整絲率，應用軟件ANSYS Workbench對模型進行了分析，依據煙絲的彈性變形情況，確定了滾筒在轉速為20 r/min時整絲率最高，這是保證卷煙質量的關鍵環節之一，為進一步優化制絲工藝參數提供了理論依據。

[1] Reynolds R J. Tyler Ro-tap cut filler sieve analysis[J]. Quality Assurance Manual, 1999(6):13-14.

[2] 中國國家煙草專賣局. YC/T 178—2003 煙絲整絲率、碎絲率的測定方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2005.

[3] Ashok G, Denis S Y. Mineral processing design and operation[M]. Holland: Elsevier, 2006.

[4] 朱文魁，李斌，溫若愚，等. 工業中試裝置中煙絲的滾筒傳輸特性[J]. 煙草科技，2011(7)：10-14.

[5] 楊美麗. 不同工藝參數對煙絲質量影響的研究[J]. 科學之友, 2012(8)：144-146.

[6] 胡國明. 顆粒系統的離散元素法[M]. 武漢: 武漢理工大學出版社, 2010.