柔性喂絲機均分盤CFD分析和優化設計

李 榮，王 甫，李城云

紅云紅河煙草(集團)有限責任公司昆明卷煙廠，昆明市紅錦路366號 650000

柔性喂絲機是風力送絲系統的關鍵設備，其功能是將成品煙絲通過吸風送至卷煙機用于卷包生產［1］。當卷煙機需要煙絲發出要料信號時，料倉底帶開始運行，定量向計量槽輸送煙絲；煙絲經輸送帶落入均分盤后，利用均分盤的離心力將煙絲進行松散并均勻拋灑在積絲盤上；均勻分散的煙絲隨積絲盤一起旋轉，在負壓風力作用下被吸入管道送至卷煙機中［2］。生產中由于柔性喂絲機的均分盤分散煙絲不夠均勻，導致均分盤與積絲盤間容易出現煙絲堵塞，造成均分盤無法正常轉動，甚至引起柔性喂絲機故障停機，影響生產運行效率［3］。針對此問題，韓銳等［4］采用浮動式吸絲口替代固定式吸絲口對轉盤振動喂絲機進行改進，解決了煙絲分層問題，提高了風送煙絲的均勻性。王志強等［5］設計了一種新型對稱式喂絲機，主要由雙向聯動翻板、雙定量管、均料裝置、送料腔體等組成，提高了制絲生產柔性加工水平。但上述研究改進仍未能解決吸絲口煙絲堵塞等問題。計算流體動力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是將計算機快速計算能力與流體力學相結合的一種用于產品開發的重要技術手段［6-7］，Solidworks Flow Simulation則是一套嵌入在Solidworks軟件中的CFD仿真工具，具有直觀清晰、操作簡單等特點［8-9］。為了更好地模擬煙絲在流場內的流動情況，基于Solidworks Flow Simulation對均分盤分散煙絲效果進行CFD分析，并對均分盤結構進行優化設計，以期解決柔性喂絲機煙絲堵塞問題，提高設備運行效率。

1 問題分析

柔性喂絲機主要由機架、均分盤、積絲盤、吸絲口、除雜裝置和吸絲管等部分組成。在制絲線中安裝于煙絲配送工序段，根據生產需求將煙絲配送至單臺或多臺卷煙機；煙絲經均分盤松散后，均勻地拋灑在積絲盤上，由負壓吸風將煙絲經吸絲管輸送至對應卷煙機。現使用的柔性喂絲機分為直吸式和側吸式，兩種設備的運行原理和結構基本相同，主要是風送煙絲的路徑不同［10］。直吸式通過吸絲管的上下擺動吸取煙絲；側吸式無吸絲管，煙絲直接從側面吸入，其結構見圖1。

圖1 側吸式柔性喂絲機結構示意圖Fig.1 Structure of lateral-suction flexible tobacco feeder

均分盤是側吸式柔性喂絲機的關鍵部件，主要由盤體、均分條和錐頂組成，見圖2。生產中采用電機減速機驅動均分盤轉動，煙絲在均分盤反向旋轉運動作用下分散下落在積絲盤上，便于均勻吸取煙絲。均分條的作用是將均分盤上的煙絲均勻分散到積絲盤上，其結構呈條狀且4條對稱分布在均分盤上，長度280 mm，超出均分盤半徑30 mm。

圖2 均分盤結構示意圖Fig.2 Structure of equalizing plate

觀察發現，當吸風風速≥10 m/s時，吸絲口處不會出現堵絲現象；當吸風風速較低（＜10 m/s）或出現結團煙絲時，均分盤上的均分條無法將煙絲均勻分配到積絲盤上，煙絲在均分盤與積絲盤間產生聚積，導致均分盤不能正常轉動，吸風無法及時將煙絲吸走，進而造成煙絲堵塞吸絲口，柔性喂絲機故障停機［11］，見圖3。而排除煙絲堵塞故障，操作時間長且勞動強度大。

圖3 煙絲堵塞位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of cut tobacco jam

2 柔性喂絲機均分盤CFD分析

2.1 喂絲機簡化模型

針對柔性喂絲機風送過程中存在的問題，基于Solidworks Flow Simulation對均分盤分散煙絲效果進行CFD分析。由于風送過程中由負壓吸風將煙絲送至卷煙機，喂絲機內的煙絲與吸風間存在耦合現象，且吸風流動與煙絲流動軌跡基本一致，因此可對柔性喂絲機進行簡化，簡化后模型見圖4。

2.2 仿真參數設置

將流動介質設為空氣場以模擬煙絲流場，以分析均分盤在不同轉動位置時吸風速度變化情況。設定分析類型為內部，排除不具備流動條件的腔，忽略空穴的作用；Solidworks Flow Simulation能夠分析多種流動類型，本文中根據柔性喂絲機實際工況，選擇層流和湍流兩種狀態；設定邊界條件、入口體積流量和靜壓，壁面條件為真實壁面；確定計算流體域，進行網格劃分和后處理。模型計算流體域范圍見圖5。

圖4 柔性喂絲機簡化模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of simplified model for flexible tobacco feeder

圖5 計算流體域范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational fluid domain range

2.3 分析結果

基于SolidWorks Flow Simulation分析求解收斂后，采用速度云圖評估空氣場內吸風速度變化情況，見圖6。仿真結果顯示：均分盤轉動過程中，當均分條與吸絲口平行時，吸絲口吸風風速為4～7 m/s，低于喂絲機正常吸風風速10 m/s，由此造成煙絲在吸絲口處聚積，導致吸絲口堵塞。

圖6 原均分盤吸風速度云圖Fig.6 Nephogram of suction air velocity in original equalizing plate

3 優化設計

根據上述分析結果，設計了兩種不同結構的均分條對均分盤進行改進，見圖7。A型均分盤采用4條條狀均分條對稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等；B型均分盤采用2條“S”形均分條對稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等。利用Solidworks Flow Simulation對兩種均分盤的吸風風速進行CFD仿真分析，結果見圖8。可見，A型、B型均分盤在轉動過程中，吸絲口風速均大于10 m/s，整個流場內風速梯度變化明顯，說明吸絲效果良好。

圖7 改進后兩種均分盤結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure of two modified equalizing plates

圖8 改進后兩種均分盤吸風速度云圖Fig.8 Nephograms of suction air velocity in two modified equalizing plates

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機上進行CFD分析。由表1可見：①原均分盤吸絲口風速在4～12 m/s之間，當均分盤轉動位置為0°時，吸絲口風速明顯低于喂絲機正常吸風風速10 m/s，且流場內部風速顯著低于A型和B型均分盤；②A型和B型均分盤吸絲口風速均在14～16 m/s之間，大于正常吸風風速10 m/s，但兩種均分盤在不同轉動位置時流場內部風速存在明顯差異，A型均分盤流場內部風速顯著低于B型均分盤。

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機上進行現場對比測試。由表2可見，原均分盤煙絲堵塞次數為8次/月，A型均分盤堵塞次數為3次/月，B型均分盤為0。可見，B型均分盤的結構性能更加穩定可靠，顯著優于A型和原均分盤。

表1 原裝置與兩種均分盤CFD仿真分析結果對比Tab.1 CFD simulation results of original and two modified equalizing plates （m·s-1）

表2 原裝置與兩種均分盤現場測試結果對比Tab.2 Frequencies of tobacco jam of original and two modified equalizing plates （次·月-1）

4 結論

采用Solidworks Flow Simulation對柔性喂絲機均分盤內煙絲流場進行CFD仿真分析，結合模擬數據對均分盤進行優化設計，并對兩種均分盤以及原均分盤的結構性能進行仿真分析和現場對比測試，結果表明：A型和B型均分盤的吸絲口風速均大于喂絲機正常吸風風速10 m/s，當均分條與吸絲口在不同轉動位置時，A型均分盤流場內部風速顯著低于B型均分盤，且在6個月現場測試中B型均分盤煙絲堵塞為0。因此，改進后喂絲機采用B型均分盤更加穩定可靠，流場內風速梯度變化明顯，送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現象。