輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙森森，王寶林，楊永鋒，劉向真，馬一瓊，劉茂林

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街9 號(hào) 450000

打葉復(fù)烤是卷煙制絲生產(chǎn)的基礎(chǔ)［1］，經(jīng)加工后的片煙尺寸、片煙均勻性與卷煙煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲質(zhì)量密切相關(guān)［2-4］，而煙絲結(jié)構(gòu)和質(zhì)量則是影響卷煙質(zhì)量和卷制效率的重要因素［5-8］。因此，在打葉復(fù)烤生產(chǎn)中獲得具有合理尺寸的片煙成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。羅登山等［9］研究認(rèn)為，打葉后片煙尺寸的最佳范圍為10 mm×10 mm～35 mm×35 mm，記為適宜片型。新版《卷煙工藝規(guī)范》［10］中提出，應(yīng)將打葉后的大片率控制在＜45%范圍內(nèi)。可見，打葉復(fù)烤的片煙尺寸指標(biāo)已從追求大中片率轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖荡笃⑻嶂衅保瑹煶叽缯{(diào)控則成為打葉復(fù)烤工藝的難點(diǎn)和重點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)于打葉復(fù)烤片煙尺寸調(diào)控的途徑主要有兩種，一種是優(yōu)化調(diào)整打葉框欄［11-12］，另一種是增加篩分裝置［13］。這兩種方法都是基于篩網(wǎng)篩分原理，在處理過程中要經(jīng)過二次打葉工序，雖然降低了大片率，提高了中片率，但由于工藝過程處理強(qiáng)度較大，造碎明顯增加。為此，基于差速柔打原理，設(shè)計(jì)了一種輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)，并對(duì)其調(diào)控效果進(jìn)行驗(yàn)證，以期提高適宜片型比例，降低片煙葉中含梗率，滿足卷煙產(chǎn)品對(duì)片煙尺寸的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)主要由振動(dòng)輸送機(jī)、輥軸篩分設(shè)備、大片二次處理設(shè)備和風(fēng)選設(shè)備4 大部分組成，見圖1。其中，振動(dòng)輸送機(jī)由振槽實(shí)現(xiàn)對(duì)松散物料攤薄、截面加寬工作，提升篩分效率；輥軸篩分設(shè)備的作用是分離出不小于設(shè)定尺寸的片煙；大片二次處理設(shè)備主要對(duì)篩分出的超大片進(jìn)行剪切，以減小片煙面積；風(fēng)選設(shè)備的作用是從剪切后的片煙中分離出含梗片煙。

1.2 振動(dòng)輸送機(jī)

振動(dòng)輸送機(jī)是一種無牽引構(gòu)件的連續(xù)輸送設(shè)備，通過共振原理實(shí)現(xiàn)對(duì)松散物料的橫截面加寬和輸送。振動(dòng)輸送機(jī)包括進(jìn)料裝置、槽體、主振彈簧、驅(qū)動(dòng)裝置、卸料裝置等部分，見圖2。物料通過進(jìn)料裝置進(jìn)入槽體；驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)化動(dòng)能并傳送至主振彈簧；主振彈簧可以使振動(dòng)輸送機(jī)具有合適的近共振工作點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，以有效利用振動(dòng)能量對(duì)物料進(jìn)行加寬和攤薄并自左向右輸送；物料通過卸料裝置進(jìn)入后續(xù)工序。

1.3 輥軸篩分設(shè)備

輥軸篩分設(shè)備包括主體支架、主體支架上的機(jī)架槽體以及位于機(jī)架槽體底部的物料輸送裝置等部分，見圖3。機(jī)架槽體前端設(shè)置有來料落料口，末端上部設(shè)置有大尺寸片煙出料口，末端下部對(duì)應(yīng)的物料輸送裝置上設(shè)置有篩除大尺寸片煙的出料口；物料輸送裝置的上方設(shè)置有若干同向轉(zhuǎn)動(dòng)的撥動(dòng)輥。

基于差速慣性和截面篩分原理設(shè)計(jì)的輥軸篩分設(shè)備，由若干平行排列并同步轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組成，軸上按一定間隔串聯(lián)著齒輪狀轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤之間、轉(zhuǎn)盤與輥軸之間的間隙構(gòu)成篩孔。當(dāng)來料片煙進(jìn)入輥軸篩時(shí)，撥動(dòng)輥對(duì)片煙施予加速度，使片煙運(yùn)動(dòng)速度加快，與輥軸間的速度差產(chǎn)生慣性，進(jìn)而使物料層逐漸變薄并形成平鋪面。在輥軸推動(dòng)片煙向前移動(dòng)過程中，撥動(dòng)輥上的片煙以波動(dòng)形式向前運(yùn)動(dòng)。較小片煙通過轉(zhuǎn)盤與輥軸間的篩孔直接下落，中小片煙借助撥動(dòng)輥的擾動(dòng)，以豎斜或垂直方式下落，超大片煙在撥動(dòng)輥上繼續(xù)向前移動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)大小片煙的分離。

由圖4 可見，撥動(dòng)輥上帶有輥齒，輥軸橫截面上共有4 根輥齒，呈90°等間距分布，并垂直于輥軸軸線；通過調(diào)節(jié)同一軸線上輥齒與輥軸的間距，可調(diào)整篩孔面積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同尺寸片煙的分離。在篩分過程中，形成篩孔的輥齒與輥軸均呈持續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免了篩網(wǎng)式篩分裝置中較大尺寸片煙容易堵塞篩孔的問題。通過輥軸篩分設(shè)備，可有效增加小尺寸片煙與篩孔的接觸面積，提高篩分能力。

1.4 大片二次處理設(shè)備

大片二次處理設(shè)備包括主體機(jī)架、主體機(jī)架上的柔打室等部分，見圖5。柔打室上方設(shè)置有來料落料口，下方設(shè)置有片煙出料口；柔打室內(nèi)部安裝有兩根相向轉(zhuǎn)動(dòng)的工作輥，每個(gè)工作輥的輥體在軸向上等間距分布有若干個(gè)輥齒帶，每個(gè)輥齒帶上等間距分布有若干根輥齒，兩個(gè)工作輥的輥齒錯(cuò)位設(shè)置。調(diào)整工作輥間距、輥齒軸向與徑向間距可控制剪切后的片煙大小。

大片二次處理設(shè)備主要基于差速柔打原理實(shí)現(xiàn)輥軸篩分后超大片煙的二次剪切，在剪切過程中保持片煙尺寸均勻一致并減少造碎。當(dāng)來料片煙進(jìn)入大片二次處理設(shè)備后，利用輥齒間差速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的撕扯力及剪切力，實(shí)現(xiàn)超大片煙剪切并在輥齒相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中將剪切后的片煙輸出。輥齒間的間距可以保持片煙尺寸均勻一致，在剪切過程中無撕裂處理，避免產(chǎn)生片煙造碎。

1.5 風(fēng)選設(shè)備

風(fēng)選是利用煙梗與片煙之間懸浮速度的差異，借助風(fēng)力剔除煙梗的方法。研究表明，超大片含梗率對(duì)片煙含梗率的貢獻(xiàn)達(dá)30%［14］。因此，在大片二次處理設(shè)備后增設(shè)風(fēng)選設(shè)備，主要作用是剔除煙梗及部分重質(zhì)雜物，降低成品片煙的葉中含梗率。風(fēng)選設(shè)備由片煙出口、上箱體、二次拋料風(fēng)分、擋板等部分組成，見圖6。來料通過氣力輸送進(jìn)入風(fēng)分室內(nèi)，通過一次拋料輥均勻地將混合物拋向風(fēng)分室，風(fēng)分室提供自下而上的空氣流，對(duì)葉梗混合物進(jìn)行分離，通過控制風(fēng)速得到理想的片煙。分離出的含梗片煙經(jīng)過二次拋料輥，通過二次均勻混合后進(jìn)入風(fēng)分室進(jìn)行二次風(fēng)分，篩分出的片煙自片煙出口流入下一道工序，含梗片煙通過網(wǎng)帶向前移動(dòng)，經(jīng)氣鎖調(diào)節(jié)的出料口排出，回?fù)街炼?jí)打葉處進(jìn)行再處理。

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 材料與設(shè)備

材料：2018 年河南省平頂山產(chǎn)C3F 烤煙煙葉。

設(shè)備：片煙結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè)系統(tǒng)（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南京焦耳科技有限責(zé)任公司聯(lián)合研制）；RS-29-10 型旋轉(zhuǎn)振動(dòng)篩分機(jī)（美國W S Tyler 公司）；河南寶豐復(fù)烤廠“黃金葉”專線（生產(chǎn)流量10 000 kg/h）。

2.1.2 方法

分別采用優(yōu)化框欄工藝（T1）、平板振動(dòng)篩分復(fù)打工藝（T2）和輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)（T3）3種方式對(duì)打葉后片煙尺寸進(jìn)行調(diào)控，并對(duì)片煙尺寸、葉中含梗率、均勻性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)照為常規(guī)打葉復(fù)烤工藝（CK）。

①按照YC/T 449—2012［15］的方法在復(fù)烤線儲(chǔ)柜出口處取樣，取樣間隔10 min，每組取樣5 個(gè)，每個(gè)處理工藝取1 組。將片煙尺寸按照＜10 mm ×10 mm、適宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）和＞35 mm×35 mm 劃分為3 個(gè)區(qū)間。在圖像法檢測(cè)中，面積＜100 mm2的片煙等效為＜10 mm×10 mm 區(qū)間，面積大于1 225 mm2的等效為＞35 mm×35 mm 區(qū)間，其余等效為10 mm×10 mm～35 mm×35 mm 區(qū)間。②按照GB/T 21136—2007［16］的方法進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算葉中含梗率。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0 軟件，利用方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 片煙尺寸分布

由表1 可知，3 種調(diào)控工藝及CK 處理后的片煙尺寸分布差異呈極顯著水平（P＜0.01）。對(duì)于片煙尺寸＜10 mm×10 mm，表現(xiàn)為T1 處理最大，T2 處理居中，CK、T3 處理最小，但差異不顯著。3種處理均會(huì)增加片煙造碎，其中以T1 處理增加造碎最多，較CK 增加3.19 百分點(diǎn)；以T3 處理增加造碎最少，較CK 僅增加0.27 百分點(diǎn)。

表1 不同處理對(duì)片煙尺寸的影響①Tab.1 Effects of different treatments on size of tobacco strips （%）

對(duì) 于 片 煙 尺 寸10 mm×10 mm ～35 mm×35 mm，3 種處理均能顯著提升適宜片型的比例，其中T3 處理提升效果最好，較T1、T2 處理分別提升15.98、3.32 百分點(diǎn)。平板振動(dòng)篩分復(fù)打工藝（T2）提升效果稍差的原因可能是平板振篩在篩分過程中容易出現(xiàn)篩孔堵塞情況，進(jìn)而影響篩分效果，而輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)采用滾動(dòng)篩分方式，可有效避免篩孔堵塞現(xiàn)象，提高篩分效率。

對(duì)于片煙尺寸＞35 mm×35 mm，3 種處理后大片比例較CK 均顯著降低，其中T2、T3 處理效果最好，T3 又優(yōu)于T2 處理。綜合來看，片煙尺寸調(diào)控效果表現(xiàn)為輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)＞平板振動(dòng)篩分復(fù)打工藝＞優(yōu)化框欄工藝＞常規(guī)打葉復(fù)烤工藝，輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)效果最好，適宜片型占比最多，且造碎較少；平板振動(dòng)篩分復(fù)打工藝次之；優(yōu)化框欄工藝可提高適宜片型比例，但造碎增加較多。

2.2.2 葉中含梗率

葉中含梗率高會(huì)使后續(xù)制絲環(huán)節(jié)產(chǎn)生較多梗簽，出現(xiàn)卷煙產(chǎn)品被刺破、掉頭等質(zhì)量問題。因此，打葉后葉中含梗率越低卷煙質(zhì)量越好。由表2可知，3 種處理均可顯著降低打葉后葉中含梗率，且差異不顯著，但輥軸式調(diào)控系統(tǒng)處理后的葉中含梗率最低，較CK 降低0.5 百分點(diǎn)，較T1 和T2 處理分別降低0.19、0.12 百分點(diǎn)，這可能與輥軸式調(diào)控系統(tǒng)降低較多的大片煙比例有關(guān)。

2.2.3 均勻性系數(shù)

由表3 可知，3 種處理后均勻性系數(shù)差異不顯著。其中，T3 處理后均勻性系數(shù)最高，并顯著大于其他處理。可見，輥軸式調(diào)控系統(tǒng)可有效提升打葉后片煙尺寸的均勻性。

表2 不同處理對(duì)葉中含梗率的影響Tab.2 Effects of different treatments on stem content in lamina

表3 不同處理對(duì)均勻性系數(shù)的影響Tab.3 Effects of different treatments on uniformity coefficient

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)，利用振動(dòng)輸送機(jī)松散物料，采用輥軸篩分設(shè)備分離出大于設(shè)定尺寸的超大片，并使用超大片二次處理設(shè)備對(duì)超大片進(jìn)行處理，通過風(fēng)選設(shè)備除去煙梗及含梗片煙，有效解決了原工藝過程處理強(qiáng)度大、造碎明顯等問題。以2018 年河南省平頂山產(chǎn)C3F 烤煙煙葉為對(duì)象，分別采用優(yōu)化框欄工藝、平板振動(dòng)篩分復(fù)打工藝、輥軸式片煙尺寸調(diào)控系統(tǒng)和常規(guī)打葉復(fù)烤工藝4 種方式對(duì)片煙尺寸調(diào)控效果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：在4 種處理工藝中，經(jīng)輥軸式調(diào)控系統(tǒng)處理后的適宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）比例顯著提 高，達(dá)69.20%；＜10 mm×10 mm 片煙比例未顯著增加；＞35 mm×35 mm 片煙比例由47.87%降低至23.42%；葉中含梗率由1.49%降低至0.99%；均勻性系數(shù)由0.86%提升至1.04%，有效提高了打葉復(fù)烤的產(chǎn)品質(zhì)量。