基于SOLIDWORKS Flow Simulation 的卷煙設備改進

朱永明

（河南中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠，河南安陽 455000）

0 引言

ZJ17 卷接機組作為PROTOS 70 國產化機組，是目前煙草行業卷接機主力生產設備，以其較高的機電一體化程度、完善的檢測系統，得到卷煙廠的青睞。但在實際生產過程中，卷煙機風室煙道風量不均勻，且吸絲帶輪軸承處常因煙末堆積造成軸承運轉不順甚至卡死，使卷煙產品質量下降。通過SOLIDWORKS Flow Simulation 軟件，對吸絲帶輪進行仿真分析及改進，利用旋轉的吸絲帶輪形成渦旋氣流，使煙末無法在軸承處堆積，減少軸承卡死現象，提高軸承壽命。

1 問題分析

ZJ17 卷接機組的風室是吸絲成型系統的重要組成部分（圖1）。工作時風室體內形成一個負壓為8000 Pa 的腔室。吸絲帶在該負壓和吸絲道氣流的共同作用下吸住煙絲，形成具有一定寬度的煙絲束，并送往下步工序進行卷制。由于吸絲帶為帶有細孔的網狀尼龍材料，當吸附煙絲時會有少量煙末穿過吸絲帶被吸入到風室內。吸絲帶在主動輪的帶動下，通過5 個吸絲帶輪（包括1 個通過氣缸連接的張緊輪和4 個從動輪）。吸絲帶輪處于風室內充滿煙末的高塵環境中，其軸承處由于沒有擋灰機構，長時間運行會堆積較多的煙末等灰塵，煙末進入軸承內部極易使軸承損壞和卡死，降低軸承零件的使用壽命，需經常更換軸承，否則將會造成吸絲帶打滑，引發竹節煙和空頭煙等質量問題，影響產品質量和設備效能。

2 吸絲帶輪流體仿真及優化設計

吸絲帶輪呈圓柱形，直徑為60 mm，厚度為20 mm，內有2個6001 型軸承，煙條最大線速度為490 m/s，吸絲帶輪轉速為44.6 r/s，擬利用吸絲帶輪的自轉形成渦流使灰塵無法粘附在軸承上。需在吸絲帶輪上設計扇葉，由于扇葉的設計手工計算難度較大，憑經驗計算結果不準確，設計周期較長，成本較高。故使用SOLIDWORKS Flow Simulation 軟件設計扇葉。

圖1 卷煙機風室結構

首先，使用SOLIDWORKS 建立吸絲帶輪主要結構模型（圖2）。使用SOLIDWORKS Flow Simulation 建立流場仿真模型（圖3）。通過正常狀態下的流場分布圖和流跡軌線可以看出：在吸絲帶輪旋轉時負壓風在通過吸絲帶輪，其軸承及軸處流跡軌線變化劇烈，容易集聚灰塵，需要在吸絲帶輪上設計扇葉。扇葉的設計可在SOLIDWORKS中初步設計。圖4 所示為初步設計的卷煙機風室吸絲帶輪扇葉。

根據初步設計帶有導流板的卷煙機風室模型，建立卷煙機風室流場仿真。

（1）加載SOLIDWORKS Flow Simulation，使用向導創建一個新的flow simulation 項目。選擇合適的單位系統，分析類型選擇內部，默認流體選擇空氣，使用默認壁面條件，初始條件的熱動力參數設置為壓力101 325 Pa，溫度293.2 K，如圖5 所示。

圖2 卷煙機風室吸絲帶輪結構模型

圖3 卷煙機風室吸絲帶輪流場仿真模型

圖4 改進后初步設計帶有扇葉的吸絲帶輪結構模型

圖5 各初始條件的設定

（2）定義旋轉區域及邊界條件。①插入旋轉區域，將風室帶輪設置為旋轉區域，轉速設置為44.6 r/s。②定義出口壓力，根據卷煙機負壓風機為風室提供8000 Pa 的負壓可知，風室出口壓力應為101 325-8000=93 325 Pa。③定義出口壓力，根據卷煙機正壓風機為風室提供1200 Pa 的正壓可知，風室入口壓力應為101 325+1200=102 525 Pa。④定義邊界條件，將所有與氣流接觸的面設置為真實壁面并設置為定子。⑤定義工程目標，工程主要仿真的結果是流場的分布及壓力，在此定義靜壓為計算目標。

（3）運行計算并查看結果，如圖6 所示。通過流暢跡線可以看出，增加導流板后流場流速較增加前有明顯的改善，軸承處流量變小。但是增加初步設計的扇葉仍需進行進一步的設計改進。在SOLIDWORKS 中重新更改導流板草圖，通過改變扇葉的形狀與位置，經多次仿真模擬計算，得到優化后的扇葉，重新計算并得到最終流場如圖7 所示。

3 效果

在對風室帶輪進行分析后，將設計好的風室帶輪轉化為二維圖紙，經加工后應用于安陽卷煙廠卷包部ZJ17 卷接機組9#機設備，對改進效果進行驗證，經3 個月數據收集及驗證，整理結果見表1。

圖6 改進后初步設計卷煙機風室吸絲帶輪流場仿真模型

圖7 改進并優化后卷煙機風室吸絲帶輪結構及流場仿真模型

表1 平均每周更換軸承數量及設備停機時間

通過SOLIDWORKS Flow Simulation 軟件對風室內吸絲帶輪復雜流場進行仿真，可以直觀地看到風室內部的吸絲帶輪周圍氣體的流速分布、流速及壓力，為其扇葉的設計提供了較為直觀的方法。通過3 個月的試驗驗證，達到了預期目的，有效延長了軸承零件的使用壽命，防止了竹節煙和空頭煙等質量問題的發生，提高了產品質量和設備效能。