貯絲柜柔性進出料技術研究與應用

曾偉中 李 強 李 俊 鄒金鵬 劉 田 劉 暢 張興全 李家喜

(湖北中煙工業有限責任公司襄陽卷煙廠，湖北 襄陽 441000)

煙絲貯存作為制絲車間最后一道生產工序，其工藝任務是保障配方煙絲充分混合均勻，平衡煙絲水分和溫度，滿足卷煙工藝要求[1-2]。由于貯柜進料出料落差較大，在生產過程中易產生灰塵，造成區域粉塵濃度過高。同時，較大的落差和出料系統的耙料機構反復擊打，造成出柜煙絲整絲率下降，碎絲率升高的問題，影響產品加工品質[3-5]。行業內針對貯柜進出料產生的造碎問題研究多數集中在優化出料方式，即對出料系統的耙料機構進行優化和改進，通過重新設計耙料輥，從而減少對物料的攪拌強度。李艷芳等[6-8]通過改變耙釘撥料方向，將耙釘插入物料中，降低攪拌出料強度，但仍未解決反復攪拌的問題；劉亦堅等[9]通過將撥料輥改為耙齒，將打擊式出料方式改為柔性出料，有效降低了煙絲造碎，但仍未解決進料時煙絲造碎和揚塵較大的問題；雷建生[10]對貯柜出料系統的控制系統進行優化實現均勻出料，在一定程度上減少了物料造碎，但未從根本上解決進出料落差較大和耙料輥反復攪拌擊打的問題。

研究擬設計一種貯絲柜柔性進出料系統，通過落差緩沖裝置和滑動升降耙料裝置減少煙絲進柜落差和降低出料時耙輥對煙絲的打擊強度，以期提高成品煙絲質量，實現清潔生產。

1 存在的問題

目前，行業內貯絲柜進料仍沿用傳統掉料方式；出料采用底帶變頻前進運動，配合耙機對物料進行松散。然而，貯絲柜在進料過程中，由于貯絲柜底面與貯柜上的鋪料行車落差大(1 900 mm)，物料在落入柜內時，水分低、形態顆粒較小且易飄逸的物料及粉塵扇動在空氣中逃逸出貯柜，造成車間區域環境含塵濃度超標；同時，由于落差大(貯柜底面與下方帶式輸送機落差1 000 mm)、出料口帶有耙齒的輥軸對物料進行反復松散，容易造成煙絲結構的破壞。

研究選取A牌號卷煙為研究對象，對成品煙絲關鍵物理指標及區域環境含塵濃度進行測定，統計進貯絲柜前和出貯絲柜各項指標情況，測定結果(見表1)表明：整絲率下降1.5%，碎絲率升高至2.4%；進出柜過程中，區域含塵(煙草塵)濃度C-TWA為1.8 mg/m3，接近國家工作場所空氣中粉塵的職業接觸限值(PC-TWA值為2.0 mg/m3)，而且貯柜區域蟲害頭數高于其他非貯柜區域(見圖1)。

表1 A牌號成品煙絲結構現狀及區域粉塵濃度

蟲害頭數為每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數量

2 系統改進

為克服貯絲柜進出料系統造成的煙絲結構破壞和區域含塵濃度增加的問題，對現有貯絲柜進出料系統進行改進，在貯絲柜鋪料行車投料口增設落差緩沖裝置，出料口設計滑動升降耙料裝置。

2.1 落差緩沖機構

為解決貯絲柜進料落差較大問題，在貯絲柜鋪料行車投料口增設落差緩沖裝置。該裝置主要由料位信號傳感器、鋪料行車、來料感應器和自動伸縮溜料板等部分組成(見圖2)。自動伸縮溜料板安裝于鋪料行車兩端落料口皮帶下方，由外殼蓋板、張力曲臂和外固定管蓋帽組成(見圖3、圖4)，溜料板長度為1 800 mm，寬度為2 400 mm。料位傳感器提供三段預留料位堆積高度空間信號，分別為300，600，1 100 mm，隨著貯柜內堆積物料高度的變化控制自動伸縮溜料板的伸出長度，既能達到由低位物料至高位物料的落料過程減速緩沖的目的，又能保障落差緩沖裝置的位置準確。

1. 料位信號傳感器 2. 鋪料行車 3. 來料感應器 4. 自動伸縮溜料板

1. 外殼蓋板 2. 張力曲臂 3. 外固定管蓋帽

圖4 自動伸縮溜料板伸開與收縮

貯絲柜進料時，通過自動伸縮溜料板將物料減速緩沖導入至柜內，在陸續向柜內投料時料位會逐步堆高。隨著貯絲柜內物料堆積高度增高，安裝于貯柜兩側的料位檢測信號傳感器將料位高度信號傳遞給自動伸縮溜料板，進行角度和長度調節，達到緩沖目的。改進后，物料進料最大落差由原來的1 900 mm降至300 mm，有效降低了煙絲造碎及粉塵外溢。

2.2 滑動升降耙料機構

為減少出料時耙輥對煙絲的反復擊打、攪拌等問題，在貯柜出料口設計一套能夠上下往復運動的滑動升降式耙料輥。該裝置主要由升降結構、旋轉機構和耙料機構三部分組成(見圖5)。出料時，升降機構帶動旋轉機構和耙料機構在出料口進行上下往復運動，同時旋轉機構驅動耙料結構對出口物料進行松散。

1. 升降機構 2. 耙料機構 3. 旋轉機構

2.2.1 升降機構 升降機構設置(見圖6)在耙料刺輥軸端，左右對稱布置，設有軸承、軸承座及帶動輥軸升降的升降滑臺，采用滾珠絲桿與螺母進行傳動。減速電機帶動滾珠絲桿旋轉，絲桿旋轉運動使螺母做上下運動，耙輥組件安裝在絲桿螺母安裝座上，也隨之上下運動，通過兩側安裝的光軸滑套，在限定運動方向的同時，也起到穩定整個運動狀態的目的。兩側步進電機使用同一個變頻器，從而保證運動的一致性，其上下往復的運動速度可由變頻器根據需求進行調整。

1. 步進電機 2. 聯軸器 3. 安裝板加強筋 4. 光軸座安裝板 5. 光軸座 6. 光軸 7. 絲桿 8. 絲桿螺母 9. 光軸滑套 10. 減速機 11. 電機 12. 安裝板 13. 電機支撐桿 14. 上絲桿座 15. 螺母安裝座 16. 耙齒安裝板 17. 耙齒安裝軸承 18. 軸承座 19. 下絲桿座

整個升降滑臺上下運動范圍為0～500 mm，在貯柜處料過程中，為避免耙輥對煙絲的反復擊打造成物料破損，通過升降滑臺帶動耙料輥做上下往復運動，在保障對物料松散的同時，減少對同一部位物料的反復擊打、攪拌，從而減少物料的造碎率。

2.2.2 旋轉機構 耙輥旋轉機構位于輥軸兩端，主要由旋轉電機、鏈輪和鏈條三部分組成(見圖7)。旋轉電機通過鏈輪和鏈條，驅動輥軸進行旋轉運動，其旋轉速度可通過變頻器控制電機轉速，實現對物料的松散功能。由于升降機構的上下往復運動，從而使旋轉機構耙機轉速由原來35 r/min降至25 r/min，減少對物料的攪拌強度。

1. 旋轉電機 2. 鏈條 3. 鏈輪

2.2.3 耙料機構 耙料刺輥主要由輥軸和耙料齒兩部分組成(見圖8)。出料時，為了減少耙料齒插入物料的深度，減少耙料齒對物料的反復攪拌，耙料齒長度應較常規耙料齒的減少近1/3；同時將耙齒設置為沿軸的中心線呈螺旋線狀分布[10]，減少原有直線設計的耙齒與物料反復接觸，在保障松散物料的前提下，有效避免了對物料的攪拌，降低了物料造碎率。

1. 升降滑臺 2. 耙料機構 3、4. 鏈條

2.3 工作原理

如圖9所示，進料系統啟動時，自動伸縮溜料板裝置降到最低點，物料通過落料裝置緩沖后落入貯柜，緩慢堆積。當進料檢測光電傳感器檢測到物料堆積至一定高度時，進料控制系統啟動，帶動自動伸縮溜料板裝置上升到第二個高度后停止。當光電傳感器檢測到第二個高度(物料堆積高度)時，系統啟動帶動緩沖落料裝置上升到第三個高度(物料堆積高度)后停止，當光電傳感器檢測到第三個高度時，自動伸縮溜料板自動上升退回到最高點。

圖9 貯絲柜柔性進出料系統工作原理

出料時，旋轉結構首先啟動，帶動耙料機構進行旋轉運動，隨后升降機構帶動旋轉機構和耙料機構開始上下往復運動，整個出料裝置按照設定的程序自動上下往復運行，通過耙料輥的上下運動，避免對同一部位物料反復擊打、攪拌，從而達到降低造碎的目的。

3 應用效果

3.1 試驗設計

3.1.1 材料

以正常生產的A牌號黃鶴樓成品煙絲為試驗對象。

3.1.2 儀器與設備

煙絲振動分選篩：YQ-2型，鄭州恒德通用機械有限公司。

3.1.3 方法

(1) 整絲率與碎絲率測定：按YC/T 178—2003《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》執行。

(2) 含塵濃度測定：按GBZ 2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分：化學有害因素》執行。

(3) 蟲害頭數統計：分別統計貯柜區域和非貯柜區域蟲情誘捕器上蟲害數量。

跟蹤測試10個批次成品煙絲質量，每個批次測定3次，取平均值。

3.2 數據分析

由表2可知，改進后成品煙絲整絲率由80.2%升至81.1%，提高0.9%；碎絲率降低至2.2%；整絲率變化率提升1.1%；整絲率升高和碎絲率降低，有利于提升后續卷接過程的穩定性，從而提高成品煙支的物理質量和感官質量穩定性；由于煙絲造碎率減小，耗絲率由20.21 kg/箱降至20.18 kg/箱，按年產量60萬箱計算(煙絲單價100元/kg)，共計節約成本180萬元。

表2 改進后煙絲結構及區域粉塵濃度?

同時，改進后貯柜區域蟲害頭數由每月平均8.5頭降至5頭，與非貯柜區域基本相同(見圖10)。區域含塵濃度C-TWA降低至0.5 mg/m3，遠低于國家工作場所空氣中粉塵的職業接觸限值(2.0 mg/m3)，從而改善了工作環境，降低了職業病風險隱患。

蟲害頭數為每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數量

4 結論

通過對原有貯絲柜進出料系統進行改進優化，有效降低了車間區域粉塵濃度，提升了煙絲結構。以黃鶴樓(A牌號)成品煙絲為試驗對象，采用貯絲柜柔性進出料系統后，成品煙絲結構得到有效提升，整絲率升高0.9%，單箱耗絲量由每箱耗絲20.21 kg降至20.18 kg；同時，區域含塵濃度C-TWA由1.8 mg/m3降至0.5 mg/m3，減少了煙塵散逸；貯柜區域蟲害頭數(每100 m2蟲情誘捕器上蟲害數量)也隨之降低，降低至每月5頭；在保障產品質量的前提下，達到了清潔生產和降本增效的目的。研究解決了貯絲柜進出料過程中煙絲造碎和粉塵外溢的問題，但如何有效減少出料過程中長絲變短的問題仍有待進一步研究。