卷煙生產中梗簽二次分離裝置的設計*

□ 王勝枝□ 肖偉忠□ 蔡培良□ 樊瑜瑾□ 楊劍鋒□ 李浙昆

1.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司 曲靖卷煙廠 云南曲靖655000

2.昆明理工大學機電工程學院 昆明650500

1 研究背景

煙葉被曬干切成絲時，葉片上的莖也會一同留在煙絲中，這就是煙絲中梗簽的來源。在生產成品卷煙時，如果煙絲中梗簽含量太高，則對卷煙的質量口感都會有負面影響；同時梗簽的存在也會影響機器的工作性能，使得機器的工作部件快速磨損［1］。梗簽在一次分離后還有許多殘留，因此需進行二次分離，梗簽二次分離裝置的核心在于懸浮裝置中風速的控制和軟管橫截面積的設計。在此通道中，梗簽和煙絲將被分離；若分離的梗簽比例過高，則梗簽會帶走一部分有用的煙絲，不僅造成浪費，而且會降低企業利潤。如果分離太少，煙絲又不滿足質量要求。梗簽被剔除越多，則一同被帶走的原料煙絲也會越多；通常而言，從質量要求高的煙絲中剔除出來的梗簽中含有約10%～25%的合格煙絲，回收后集中作為垃圾處理，造成了煙絲的浪費和企業經濟上的損失。所以，再次將剔除出去的煙絲重新回收利用已是一個急需解決的問題［2］。

現階段我國的卷煙廠對梗簽分離技術的研究從未停止，且投入越來越大，研究的成果也很豐富，然而多數只是在工藝上研究改進機器機構，以提高剔梗率，而對于懸浮裝置的研究相對較少，筆者將對卷煙機梗簽二次分離裝置中懸浮技術作具體研究。

2 新型梗簽二次分離總體結構設計

新型梗簽二次分離總體結構如圖1所示，其主要結構包括：真空發生器、氣流調節器及梗簽二次分離裝置等。梗簽二次分離裝置通過軟管與梗簽一次分離裝置相連，在梗簽二次分離裝置與梗簽一次分離裝置通過軟管連接的中間，安裝有一個真空發生器，并且這一真空發生器所產生的氣流大小可以通過氣流調節器調節。當真空發生器開始工作時，梗簽一次分離裝置和梗簽二次分離裝置便通過軟管形成一個依次工作的整體，通過氣流調節器調節氣流大小來達到對梗簽分離效果進行調節的目的，二次分離出來的梗簽自動送入梗簽收集斗，分離出來的成品煙絲直接送入卷煙機。

3 工作原理分析

▲圖1 新型梗簽二次分離總體結構

▲圖2 新型梗簽二次分離整體工作原理

圖2所示為新型梗簽二次分離整體工作原理，梗簽混合物在梗簽一次分離裝置中一次分離后，在真空發生器產生的負壓作用下進入軟管，通過軟管被輸送到梗簽二次分離裝置中。真空發生器氣源通過氣流調節閥與外部氣源相連。

當經過一次分離的梗簽混合物被軟管輸送到梗簽二次分離裝置后，混合物將進行二次分離。梗簽二次分離裝置被設計成U形，如圖3所示，腔體內空間較軟管大，氣流在梗簽二次分離裝置內速度變慢，氣流壓力變小，這時，相對成品煙絲質量較重的梗簽便落入出料口，通過軟管進入梗簽收集斗，相對質量較輕的煙絲則在離心力的作用下，沿著外圓弧壁通過煙絲收集通道進入卷煙機后部煙絲收集箱內，從而起到梗簽混合物二次分離的目的，提高煙絲的回收利用率［3］。

▲圖3 梗簽二次分離裝置工作原理

4 梗簽和煙絲的受力分析

在梗簽二次分離裝置中，梗簽和煙絲的分離原理在前已敘述清楚，當梗簽和煙絲在氣流中受力平衡時，這時的氣流速度分別稱為梗簽和煙絲的懸浮速度，根據煙絲和梗簽的懸浮速度的不同，再通過負壓風機產生一定的風速，使二者分離開來。接下來對煙絲和梗簽在懸浮狀態時的受力作一詳細分析。

梗簽和煙絲在梗簽二次分離裝置中會受到各種力的作用［4］，包括重力、氣流升力、阻力等。在風選過程中，由于形狀不規則的梗簽在氣流中的阻力相比球形的大，因此與球形梗簽具有相同質量的梗簽中，球形梗簽的懸浮速度最大。對于不規則形狀的梗簽懸浮速度計算，只需要將其換算成當量球體，然后將當量球體直徑作為計算直徑代入計算式，得出近似懸浮速度。因此如果只將梗簽看成是等效懸浮在空氣中的球體，且只是作簡單的上下運動，則梗簽受力示意圖如圖4所示。

▲圖4 梗簽受力示意圖

設梗簽當量球體直徑為ds，懸浮速度為V0時，則梗簽受到的氣流升力F為：

式中：C為空氣阻力因數，對于球體，一般取0.5；ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.20 kg/m3。

由于梗簽在具有一定速度的氣流中會受到一定的浮力，因此在氣流中梗簽所受的重力G為：

式中：ρs為梗簽密度。

當F=G，也就是上述所求兩力達到平衡時［5］，這時即可求得懸浮速度V0為：

對于不規則形狀的梗簽懸浮速度計算，將當量球體直徑代入計算式，得出梗簽近似懸浮速度V0′，計算式為：

式中：C1為懸浮梗簽的實際受力面積與空氣的摩擦阻力因數；Ks為不規則梗簽的外形修正因數，Ks=C1/C。

由式（3）和式（4）可以計算得到梗簽的懸浮速度為4.5～6.5 m/s；同樣可以得到煙絲的懸浮速度為2.5～3 m/s［6］。當風速小于2.5 m/s時，則對混合物的分離將不起作用，混合物無法到達梗簽二次分離裝置。當風速大于6.5 m/s時，梗簽將一同被送入煙絲收集箱，梗簽與煙絲無法被分離。因此只有將風速設置在3～4.5 m/s之間，才能達到預期分離的良好效果。

5 風機及軟管參數選擇

為了達到所需要的風速，對風機的選擇至關重要。通過查閱相關文獻對工廠現有設備的工作能力和效率進行詳細的了解后，筆者選定以500 kg/h的梗簽煙絲混合物作分離處理效率展開計算［7］。

假定以W表示每小時的立方米風量；以Q表示每小時的處理量，也就是500 kg/h。則每小時的風量W計算式為：

式中：μ 為混合物濃度比，取 μ=0.13［8］。

由式（5）計算得到風量W=3 205 m3/h。

根據煙絲的懸浮速度可求得與梗簽二次分離裝置相連的軟管橫截面積S的計算式為：

根據煙絲的懸浮速度V0為2.5～3 m/s，由式（6）計算可得軟管橫截面積S為0.297～0.356 m2。

由式（5）計算可知，在每小時處理梗簽煙絲混合物數量在500 kg時，風機需產生3 205 m3/h的風量才能達到所需要求。由式（6）計算可知，同時輸送梗簽煙絲混合物的軟管橫截面積需在0.297～0.356 m2之間。

6 梗簽二次分離裝置分離效果評價

梗簽二次分離裝置在設計前需要對其在原理上進行分析是否可行；當設計完成后，又必須要對其在實際生產中的分離效果進行具體的評估。分離的效果和效率直接影響卷煙產品的質量，以及企業的經濟效益。對裝置的工作效果評價主要從分離效率、煙絲中含梗簽率兩個指標去分析。

6.1 分離效率

分離效率是評價梗簽分離裝置最主要的指標，分離效率可以分為兩種，一種是通過分離出來被煙絲收集箱收集的煙絲數量來計算，另一種則是通過分離出來被梗簽收集斗收集的梗簽數量來計算［9］。兩者分離效率的計算均是用分離出來的煙絲或者梗簽數量與被送入到分離器煙絲或梗簽總量的比值，它們的計算公式均為：

式中：η為煙絲或梗簽的分離效率；m1為通過機器分離出來的煙絲或梗簽的總質量；m2為參與分離的煙絲或梗簽的總質量

無論用那種方法計算分離效率，均要求分離效率越高越好。分離效率越高，則說明裝置的設計原理和結構均符合要求，能夠達到預期目的。經過梗簽二次分離裝置分離后，再經過在線上回收后統計得到，分離后煙絲中含絲率在99.5%以上。

6.2 煙絲含梗率

除了上述將煙絲和梗簽分開后單獨通過煙絲或者梗簽來計算分離效率的方法相比，還可以通過計算最后收集到的有用煙絲中含有的梗簽數量的方法來計算分離效率。用有用煙絲收集箱收集到的梗簽數量除以有用煙絲收集箱中煙絲和極少量的梗簽數量總和，其表達式為：

式中：ηg為煙絲中含梗率；m3為煙絲收集箱中回收到的梗簽質量；m4為煙絲收集箱中回收到的煙絲質量。

由式（8）計算所求得的是煙絲中含梗率，用煙絲中含梗率也能夠有效地反應梗簽二次分離裝置在實際工作中的分離效率。梗簽二次分離裝置的工作性能對分離后煙絲的含梗率有著關鍵的影響，機器對煙絲和梗簽的收集效率越高，煙絲中含梗率就越低，說明機器的性能越優越。反之，則說明分離效率差，機器不能滿足工作要求。一般而言，有效的煙絲含梗率應小于10%［10］。

7 結論

梗簽二次分離裝置可以減少原料損耗，提高經濟效益。筆者經過力學分析得到煙絲的懸浮速度為2.5～3 m/s，梗簽的懸浮速度為4.5～6.5 m/s，具體在分離過程中，根據含梗率可以將風速設置為3～4.5 m/s之間，含梗率高，可將風速相應提高，含梗率低，則相應調低；為了使產生的風速能達到煙絲與梗簽分離的要求，需要選擇每小時能產生3 205 m3風量的風機；軟管管道的橫截面積約在0.297～0.356 m2。采用這一風選裝置進行梗簽分離，分離效果較為理想，根據不同品牌、不同要求分離出不同含梗率的煙絲，能滿足不同質量卷煙的需求。