煙絲干燥過程中高頻振槽的參數優化

劉雅君，李鵬超，徐建燎，王昭焜，許 梁，張 彬

廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄區新陽路1 號 361022

在卷煙制絲生產中，氣流烘絲機CDT（Comas Drying Tower）的作用是利用高溫氣流快速除去煙絲中的水分，增加煙絲的卷曲度和彈性，以滿足卷煙工藝生產要求。由于氣流干燥過程時間較短，對來料煙絲的松散性和均勻性要求較高［1］。高頻振槽作為氣流烘絲機的前端設備，主要用于輸送物料、松散煙絲和均衡物料層，對于穩定煙絲出口含水率具有重要影響［2-4］。但高頻振槽在輸送煙絲時容易存在銜接不暢、煙絲松散性和均勻性差等問題，導致CDT 出口煙絲含水率標準偏差（SD）過大。近年來對于高頻振槽的動力學、物料運動狀態等方面已有較多分析和研究［5-8］，韓曉娟等［9］通過計算振動系統的頻率、振幅和輸送速度等參數，對激振器轉速和偏心塊進行了調整；郭寶良等［10］分析了非諧和水平輸送機上的物料運動狀態；晁禮鋒［11］設計了一種振動給料機，并對物料的拋擲運動狀態進行了計算。但對于振槽自身參數以及物料傳輸參數的優化研究則鮮見報道。拋擲指數理論是將物料顆粒垂直于槽底方向的重力分力，與因槽體振動所產生的物料顆粒慣性力分力進行對比［12］，主要用于表征振槽拋射物料的能力。為此，通過調整高頻振槽傾角，基于拋擲指數理論對高頻振槽激振器頻率和偏心塊重合度進行優化，以期穩定出口煙絲含水率，提高來料煙絲的均勻性。

1 問題分析

高頻振槽主要由槽體、機架、彈簧板、激振器、彈性裝置等部分組成，見圖1a。槽體在激振器的驅動下通過彈簧板產生低幅高頻振動，煙絲在槽體內沿輸送方向實現連續微小的拋擲或滑移。激振器由變頻器控制，通過對激振器頻率和偏心塊重合度進行調整，可以調節振槽頻率和振幅。由圖1b 可見，煙絲經上游電子皮帶秤落料口落下時，在第一臺高頻振槽進料端容易發生堆積，造成煙絲輸送時斷時續（第二臺高頻振槽也存在相同問題），由此導致CDT 出口煙絲含水率不穩定，甚至超出工藝要求范圍。

2 改進方法

2.1 振槽進料端加裝增板

振槽傾角對煙絲輸送速度有較大影響，為解決煙絲堆積問題，引入了振槽傾角修正系數γα［12］，槽體安裝傾角α與傾角修正系數γα對應關系見表1。經現場測量，第一臺高頻振槽的槽體與水平面夾角α為-8°41′，向上輸送煙絲。分析發現，通過增大槽體與水平面夾角，可以防止積料，提高煙絲輸送能力。

圖1 高頻振槽結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of high frequency vibrating trough

表1 槽體安裝傾角α與振槽傾角修正系數γα對應關系①Tab.1 Correspondence between inclination angle α and its coefficient of correction γα of vibrating trough

改進后在振槽進料端加裝增板，增板以A 點為旋轉圓心且角度可調，見圖2。其中，LT為煙絲由電子秤下落至槽體沿輸送方向的長度范圍，H0為現有槽體側板高度，H1為增板最高點至A 點的垂直高度，HA為A 點距離電子秤輸送帶底面的高度，HT為煙絲由電子秤下落至槽體的高度，L0為A點到槽體尾部的距離，L1為A 點到增板尾部的距離。經測量，HT=0.7 m，LT=0.3 m，L0=0.5 m，HA＞H1，LT＜L1≤L0。為防止煙絲下落時因氣流而落入槽體外，應盡量延長增板長度，即L1=L0=0.5 m。

2.1.1 增板安裝傾角α0

圖2 增板安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spacer plate installation

為防止積料，下落至振槽進料端的煙絲應在后續煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。由圖2b 可見，增板沿A 點逆時針旋轉角度越大，煙絲輸送速度越快［12］。根據物料輸送速度公式［12］：

可得增板安裝傾角α0計算公式：

式中：HT—煙絲由電子秤下落至槽體的高度，m；g—重力加速度，9.8 m/s2；t—煙絲由電子秤下落至槽體時間，s；LT—煙絲由電子秤下落至槽體的距離，m；v—煙絲在槽體上的輸送速度，m/s；λ—振槽振幅，mm；ω—槽體振動圓頻率，s-1；n—激振器軸轉速，r/min；f—激振器頻率，Hz；p—電機級數；γα—傾角修正系數；Ch—料層厚度影響系數；Cm—物料性質影響系數；Cw—滑行運動影響系數；f（D）—無因次系數；δ—振動方向角，（°）。

已知振槽振幅λ 為10 mm，激振器頻率f 為32.6 Hz，將第一臺高頻振槽相關參數（表2）代入式（3），可得α0≈9°34'，取整α0=10°，即增板安裝傾角大于等于10°時，下落煙絲可在后續煙絲落入槽體前完全輸送出落料范圍。

表2 第一臺高頻振槽相關參數Tab.2 Parameters of first high frequency vibrating trough

2.1.2 不同傾角α0下煙絲輸送速度

傾角α0分別取-8°41' 、4°、7°、10°、13°、16°，測量煙絲輸送速度，重復5 組取平均值，記錄煙絲積料及輸送情況，見表3?？梢?，改進前后不同傾角α0下煙絲輸送計算速度與實測速度基本相同，驗證了傾角α0計算公式的準確性。加裝增板后，即α0≥10°時，積料情況均有所改善，其中α0=10°時煙絲輸送效果最好，不僅解決了積料問題，且與振槽傾斜段銜接順暢。

2.2 拋擲指數D 與煙絲含水率SD 值的關系

研究表明，拋擲指數D 越大，振槽對物料的松散能力和均衡能力越強［12］。但拋擲指數D 過大，會降低振槽的使用壽命，為此對拋擲指數D 與煙絲含水率SD 值的關系進行分析。

表3 不同安裝角度下煙絲輸送情況Tab.3 Cut tobacco conveying at different inclination angles

2.2.1 拋擲指數D

拋擲指數D 是指垂直于槽底方向的振動加速度分量與重力加速度分量之比［12］，計算公式為：

將第二臺高頻振槽相關參數（表4）帶入式（5），可得拋擲指數D=0.426λf2≈4.53。可見，在振動方向角δ、槽體安裝傾角α、電機級數p 確定的情況下，拋擲指數D 與振槽振幅λ和激振器頻率f 有關，而振幅λ與激振器頻率f、偏心塊重合度相關［9］。

2.2.2 煙絲含水率SD 值

通過水分儀在線檢測出口煙絲含水率SD 值，對不同激振器頻率和偏心塊重合度下的振槽振幅及SD/D 比值進行統計，結果見表5 和圖3。研究表明，當D=1～3.3 時，振槽每振動一次，物料出現一次拋擲運動；當D＞3.3 時，振槽多次振動后物料才出現一次拋擲運動［12］。因此，取D=1～3.3 可提高生產效率。根據圖3 確定拋擲指數D 取值范圍為2.7～3.3，結合實際生產情況，當拋擲指數D 取3.1，λ=7 mm，f=32.0 Hz，偏心塊重合度75%時，出口煙絲含水率SD 值為最小。

表4 第二臺高頻振槽相關參數Tab.4 Parameters of secondary high frequency vibrating trough

表5 不同激振器頻率和偏心塊重合度下振槽振幅及SD/D 比值Tab.5 Amplitude of vibrating trough and SD/D ratio at different frequencies of vibrator and coincidence degrees of eccentric block

圖3 拋擲指數D 和出口煙絲含水率SD 值對應關系Fig.3 Correspondence between throwing index D and SD of moisture content in output tobacco

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“七匹狼（豪情）”等7 個牌號卷煙煙絲（由廈門煙草工業有限責任公司提供）。

設備和儀器：高頻振槽（昆明船舶設備集團有限公司）；氣流烘絲機CDT（意大利COMAS 公司）；TM710 紅外水分儀（美國NDC 紅外技術公司）。

方法：將CDT 前端的兩臺高頻振槽參數進行優化改進，在第一臺高頻振槽入口處加裝長度0.5 m，傾角α0=10°的增板；將第二臺高頻振槽的激振器頻率和偏心塊重合度分別調整為32.0 Hz 和75%。以500 個生產批次為取樣周期，對改進前后出口煙絲含水率SD 值和CPK 值進行統計。

3.2 數據分析

由表6 可見，兩臺高頻振槽參數調整后，CDT出口煙絲含水率SD 值由0.343 降低至0.260，CPK值由0.599 提升至1.175，表明生產控制過程趨于穩定，提高了來料煙絲均勻性。

表6 改進前后各卷煙牌號出口煙絲含水率SD 值對比Tab.6 Comparison of SD of moisture content in output tobacco for each cigarette brand before and after improvement

4 結論

通過在振槽進料端加裝增板，增大了槽體與水平面夾角，防止產生積料現象，提高煙絲輸送能力。對激振器頻率和偏心塊重合度進行優化調整，確定拋擲指數D 取值范圍為2.7～3.3。結合實際生產情況，當拋擲指數D 取3.1，振槽振幅λ=7 mm，激振器頻率f=32.0 Hz，偏心塊重合度75%時，出口煙絲含水率SD 值達到最優。以廈門煙草工業有限責任公司生產的“七匹狼（豪情）”等7 個牌號卷煙煙絲為對象進行測試，結果表明：改進后出口煙絲含水率SD 值降低24%，CPK 值提高96%，生產控制過程穩定，有效提升了煙絲松散性和均勻性。