任志立，李浙昆*，王勝枝，蔡培良，楊劍鋒

1 昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500；

2 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠，曲靖 655000

卷煙中梗簽的含量嚴(yán)重影響卷煙的質(zhì)量，卷煙生產(chǎn)過程中梗簽的剔除主要依靠卷煙機(jī)的懸浮風(fēng)分系統(tǒng)，利用梗簽和煙絲在氣流中懸浮速度的差異，用豎直氣流將煙絲和梗簽分離[1]。懸浮腔體內(nèi)氣流的速度及氣流的流動(dòng)形式對(duì)分離效果有較大的影響，研究懸浮分離裝置對(duì)提高梗簽分離效果有重要意義。

ZJ17和protos70卷接機(jī)組是目前應(yīng)用較為廣泛的機(jī)型。劉程[2]、熊克林[3]等改進(jìn)了Protos70卷接機(jī)組中懸浮分離裝置的風(fēng)選通道，柏世繡等[4]改進(jìn)了ZJ17卷接機(jī)組中懸浮分離裝置的煙絲出口處形狀，改進(jìn)后單箱耗絲量下降了2.1 kg，梗絲分離效果提升明顯。但在生產(chǎn)過程中仍能觀察到大量的煙絲與梗簽團(tuán)塊，說明懸浮分離腔內(nèi)部仍有改進(jìn)空間。基于此，本文通過仿真技術(shù)建立了多種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的懸浮腔模型，分析腔內(nèi)的風(fēng)分氣流，并做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期為進(jìn)一步提高懸浮風(fēng)分效率提供參考。

1 材料與方法

三維建模軟件SolidWorks （Dassault Systemes S.A，美國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司）；主要用于三維實(shí)體建模。

有限元分析軟件ANSYS_workbench（美國(guó)ANSYS公司），能對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱、電磁場(chǎng)以及耦合場(chǎng)等進(jìn)行分析模擬。本文研究氣流為流體動(dòng)力學(xué)用到軟件中的Fluent模塊。

ZJ17型卷煙機(jī)（中煙機(jī)械（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司））；ZJ17型卷煙機(jī)組是從德國(guó)HAUNI公司引進(jìn)的PROTOS-70卷煙機(jī)技術(shù)，經(jīng)消化吸收后國(guó)產(chǎn)化為ZJ17型卷接機(jī)組。

煙絲；密度152.7（Kg/m3）、當(dāng)量直徑0.335(mm)。

梗簽；密度253.2（Kg/m3）、當(dāng)量直徑3.815(mm)。

2 懸浮腔的結(jié)構(gòu)及建模

2.1 懸浮風(fēng)分工作原理

懸浮腔體上方與真空發(fā)生器相連，真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，腔體物料入口和梗簽出口與大氣相連，在腔體內(nèi)形成較大的氣流。當(dāng)梗簽和煙絲混合物從懸浮腔物料入口處進(jìn)入懸浮腔體內(nèi)時(shí)，在氣流的作用下重量較大的梗簽向下沉降，重量較小的煙絲則隨氣流進(jìn)入到上方的軟管中，實(shí)現(xiàn)梗簽與煙絲的分離[5]。在分離過程中，擋塊和彈絲松散機(jī)構(gòu)通過改變流場(chǎng)分布和將團(tuán)塊打散提高風(fēng)分效率，十分必要[6-7]。

2.2 懸浮腔的仿真建模

為對(duì)比不同形狀及不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的懸浮腔的流場(chǎng)分布，需建立多種不同類型的懸浮腔模型：

（1）圓柱形懸浮腔模型，其主腔體的尺寸直徑高度比例為1∶3，底部梗簽流出通道長(zhǎng)寬尺寸比例為2∶1，梗簽和煙絲混合物入口長(zhǎng)寬尺寸比例為3∶1，建立的模型如圖1所示。

（2）方形懸浮腔模型，其主腔體的尺寸比例同圓柱形懸浮腔模型，底部梗簽流出通道長(zhǎng)寬尺寸比例為4∶1，梗簽和煙絲混合物入口長(zhǎng)寬尺寸比例為4∶1。建立的模型如圖2所示。

圖1 圓柱形懸浮腔Fig.1 Cylindrical suspension cavity

圖2 方形懸浮腔Fig.2 Square suspension cavity

2.3 擋塊及彈絲松散機(jī)構(gòu)的建模

擋塊的作用是打散團(tuán)塊狀的煙絲和梗簽的混合物并改變氣流的流場(chǎng)?；谙虿煌较蚋淖儦饬鬟\(yùn)動(dòng)的思路，擋塊的形狀設(shè)計(jì)方案有三種：

1）橫向布置的三角形型擋塊，模型見圖3；

2）豎向布置的曲線形擋塊，模型見圖4；

3）豎向布置的復(fù)合型擋塊，模型見圖5。

為保證可比性，擋塊數(shù)量均設(shè)為4個(gè)，在懸浮腔內(nèi)均勻分布。

彈絲松散機(jī)構(gòu)體積不宜過大，需有較大的可接觸面，故將彈絲松散機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，模型見圖6。

圖3 橫置三角形型擋Fig.3 Transverse triangular stopper

圖4 豎置曲線型擋塊Fig.4 Vertical curved stopper

圖5 復(fù)合形擋塊Fig.5 Composite stopper

圖6 彈絲松散機(jī)構(gòu)Fig.6 Elastic thread loosening mechanism

3 懸浮腔體內(nèi)氣流的仿真模擬

3.1 懸浮腔體內(nèi)氣流分布的仿真分析方法

懸浮分離是利用氣流分離梗絲混合物，故采用流體分析軟件ANSYS_workbench的Fluent模塊仿真分析。分析包括前處理、求解和后處理三個(gè)步驟[8]。

根據(jù)風(fēng)分原理的分析，在氣流中混合物的運(yùn)動(dòng)取決于受力的大小，通過調(diào)節(jié)氣流的大小即可調(diào)節(jié)顆粒的受力。當(dāng)顆粒的懸浮速度與流體的速度相等[9]，顆粒將處于一種水平擺動(dòng)的平衡狀態(tài)。由于煙絲和梗簽并不是規(guī)則的球形顆粒，但進(jìn)行模擬仿真時(shí)需要將它們理想化，因此這里需要提到當(dāng)量直徑的概念[10]。當(dāng)量直徑的表達(dá)式為 2s/π d= ，式中s為物體的截面面積。懸浮速度的計(jì)算公式為式中c為懸浮系數(shù)，0ρ為顆粒密度，ρ為煙絲密度。結(jié)合真空度0ρ的計(jì)算公式，出口速度經(jīng)計(jì)算得（7.167～25.738）m/s，經(jīng)計(jì)算得出口處的負(fù)壓為在仿真時(shí)負(fù)壓取值-2.0bar。

3.2 懸浮腔外形的仿真選擇

打開軟件ANSYS_workbench將Fluent模塊拖入到右方后打開如圖7所示，將x_t格式文件導(dǎo)入，建立的模型只有外壁和內(nèi)部實(shí)物，其模型中并沒有氣體，需要將模型打開后使用fill功能將氣體填充入模型中。

圖7 模塊圖Fig.7 Fluent module diagram

圖8 劃分網(wǎng)格Fig.8 Partitioning grid

圖9 定義進(jìn)出口Fig.9 Defining import and export

圖10 方形懸浮腔壓力云圖Fig.10 Pressure cloud diagram of square suspension cavity

圖11 圓形懸浮腔壓力云圖Fig.11 Pressure cloud diagram of circular suspension cavity

圖12 方形懸浮腔速度矢量圖Fig.12 Velocity vector diagram of square suspension cavity

圖13 圓形懸浮腔速度矢量圖Fig.13 Velocity vector diagram of circular suspension cavity

圖14 方形懸浮腔跡線圖Fig.14 Trace diagram of square suspension cavity

圖15 圓形懸浮腔跡線圖Fig.15 Trace diagram of circular suspension cavity

因?yàn)槲覀円治龅氖瞧鋬?nèi)部的流體即對(duì)內(nèi)部的流體進(jìn)行有限元分析，故需對(duì)懸浮腔內(nèi)部的流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格劃分后其結(jié)果如圖8所示，然后定義模型的入口和出口。將物料入口定義為in1、將梗簽出口定義為in2、將模型上方煙絲出口定義為out1，其過程如圖9所示。在設(shè)置選項(xiàng)中定義重力，把算法設(shè)置為將在設(shè)置邊界條件時(shí)將in1、in2處氣壓設(shè)置為0，將out1處氣壓設(shè)置為負(fù)壓-2.0bar。

對(duì)圓柱形懸浮腔體和方形懸浮腔體進(jìn)行仿真計(jì)算，通過后處理得到其壓力圖、速度圖及流線軌跡圖，其結(jié)果如圖10～15所示。

從圖10、11可知，相比于圓形方案，方形懸浮腔內(nèi)壓力分布更為均勻，兩者的比較與圖12、13所示的氣流速度分布情況相符。從圖13還能看出圓柱形懸浮腔出氣口處速度較大，容易使煙絲與腔壁碰撞后產(chǎn)生碎絲現(xiàn)象。

從圖14、15跡線圖上看，方形懸浮腔的上方氣流漩渦比較多且分布規(guī)則，更容易分離煙絲和梗簽，圓柱形懸浮腔內(nèi)雖然也存在氣流漩渦，但是分布凌亂且處于懸浮腔的下半部分，容易使煙絲和梗簽的混合物在還未分離的狀態(tài)下一起從下方出口中流出，造成煙絲的浪費(fèi)。綜合比較認(rèn)為方形腔體更適合懸浮分離。

3.3 方形懸浮腔不同擋塊的仿真選擇

將不同形狀的擋塊和彈絲松散機(jī)構(gòu)按預(yù)定位置裝配到方形懸浮腔的內(nèi)壁上，再次對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過后處理得到三個(gè)模型的壓力云圖、速度矢量圖及流線軌跡圖，再通過surface工具截出懸浮腔中間位置的一個(gè)平面。對(duì)比三種模型中間平面上的壓力云圖、速度矢量圖及流線軌跡圖的優(yōu)劣，綜合考慮可得出最適合懸浮分離的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

三種擋塊設(shè)計(jì)模型的壓力云圖見圖16所示。在懸浮腔上部煙絲出口的位置壓力較大且壓力降低的梯度較明顯，此段區(qū)域三種懸浮腔壓力分布幾乎相同。在懸浮腔內(nèi)部的中間區(qū)域，結(jié)構(gòu)為三角形型擋塊和曲線型擋塊時(shí)內(nèi)部壓力分布較均勻，懸浮腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)為復(fù)合型擋塊的時(shí)候內(nèi)部壓力分布明顯不均勻，在懸浮腔的上部較大區(qū)域存在清晰的壓力界線。

圖16 三角形型擋塊、曲線型擋塊、復(fù)合型擋塊懸浮腔壓力云圖Fig.16 Pressure cloud diagram of suspension cavity with triangular stopper,curved stopper and composite stopper

圖17 三角形型擋塊、曲線型擋塊、復(fù)合型擋塊懸浮腔速度矢量圖Fig.17 Express vector diagram of suspension cavity with triangular stopper,curved stopper and compound stopper

三種模型的速度矢量圖見圖17所示。三角形型擋塊的速度矢量圖可明顯看出存在較多的漩渦且分布在擋塊附近，說明該設(shè)計(jì)能形成有利于分離的氣流漩渦；曲線型擋塊和復(fù)合型擋塊設(shè)計(jì)的氣流漩渦較少，且分布也不均勻。綜合比較認(rèn)為三角形型擋塊設(shè)計(jì)能更徹底地分離梗簽和煙絲。

三種擋塊設(shè)計(jì)模型的跡線圖見圖18?？梢钥闯鋈切涡蛽鯄K設(shè)計(jì)的顆粒運(yùn)動(dòng)主要呈螺旋狀，可使梗簽和煙絲的運(yùn)動(dòng)更加充分，在彈絲松散機(jī)構(gòu)處出現(xiàn)較多折線軌跡，說明向下運(yùn)動(dòng)的梗絲團(tuán)塊和彈絲松散機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞并改變運(yùn)動(dòng)方向，重新進(jìn)入上升分離氣流，使煙絲和梗簽分離的更徹底。曲線型擋塊設(shè)計(jì)的跡線圖可以看出螺旋運(yùn)動(dòng)的區(qū)域并不明顯，有的顆粒是從入口直接運(yùn)動(dòng)到出口，彈絲松散機(jī)構(gòu)處出現(xiàn)折線軌跡較少。復(fù)合型擋塊設(shè)計(jì)顯示顆粒運(yùn)動(dòng)與懸浮腔內(nèi)壁碰撞非常多，這會(huì)較大的提高碎絲率。

通過對(duì)懸浮腔仿真分析可得，方形懸浮腔內(nèi)安裝三角形型擋塊和彈絲松散機(jī)構(gòu)使氣流速度分布更加均勻、煙絲運(yùn)動(dòng)更加充分。其中彈絲松散機(jī)構(gòu)與團(tuán)塊狀梗簽、煙絲混合物碰撞效果作用明顯，應(yīng)保留此裝置。

圖18 三角形型擋塊、曲線型擋塊、復(fù)合型擋塊懸浮腔跡線圖Fig.18 Trace diagram of suspension cavity with triangular stopper,curved stopper and composite stopper

圖19 ZJ17型卷煙機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.19 ZJ17 cigarette making machine experimental platform

4 方形懸浮腔不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的上機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

按照仿真結(jié)果按尺寸加工出橫置三角形型擋塊、豎直曲線型擋塊、復(fù)合型擋塊，在紅云紅河集團(tuán)曲靖卷煙廠卷煙生產(chǎn)車間一部的ZJ17卷煙機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖19所示。

實(shí)驗(yàn)方案：把橫置三角形型擋塊、豎直曲線型擋塊、復(fù)合型擋塊依次安裝在裝有彈絲松散機(jī)構(gòu)的方形懸浮腔內(nèi)，進(jìn)行3輪實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)更換裝不同形狀擋塊的懸浮分離腔，待機(jī)器狀態(tài)穩(wěn)定后，把梗簽分離裝置的氣壓調(diào)節(jié)到-2.0 bar，待運(yùn)行氣壓穩(wěn)定后，在懸浮分離腔的入口處投入相同數(shù)量的煙絲、梗簽小團(tuán)塊顆粒，為方便得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果每次投入顆粒的數(shù)量為100～1000，且為得到的結(jié)果更準(zhǔn)確每次顆粒的投入量增加100，每個(gè)裝置共進(jìn)行10次試驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算捕捉到的裝置出口及懸浮分離腔下方收集的未能被打散的煙絲和梗簽小團(tuán)塊顆粒的數(shù)量，計(jì)算每次的分離效率，通過多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證仿真結(jié)果及得出最佳懸浮腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

表1 曲線型、三角形型、復(fù)合型擋塊裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of curved,triangular and compound stoppers

4.1 各型擋塊裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每種擋塊分別進(jìn)行10次分離實(shí)驗(yàn)，三種擋塊共計(jì)進(jìn)行30次試驗(yàn)，記錄每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得表1。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到方形懸浮腔安裝曲線型薄片擋塊裝置的分離效率和碎絲率均值分別為63.64%、2.84%；安裝橫置三角形型擋塊裝置的分離效率和碎絲率均值分別為80.91%、2.74%；安裝復(fù)合型擋塊裝置的分離效率和碎絲率均值分別為75.45%、6.49%。

4.2 三種擋塊分離效果及碎絲率的對(duì)比

表2 三種擋塊分離效果及碎絲率對(duì)比表Tab.2 Comparison of separation effects by three kinds of stoppers

三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果：分離效率及碎絲率對(duì)比如表2所示。由表可以看出分離效率由高到低依次為三角形型擋塊方形懸浮腔、復(fù)合型擋塊方形懸浮腔、曲線型擋塊方形懸浮腔；碎絲率由低到高依次為三角形型擋塊方形懸浮腔、曲線型擋塊方形懸浮腔、復(fù)合型擋塊方形懸浮腔。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

通過ANSYS_Workbench_fluent對(duì)不同形狀及不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的懸浮腔進(jìn)行建模仿真分析，得到各種類型懸浮腔的壓力云圖、速度矢量圖及跡線圖。通過對(duì)比分析可以得出方形懸浮腔較圓柱形懸浮腔氣流速度分布更加均勻、氣流漩渦更多分離效果更好。

通過實(shí)驗(yàn)可得，懸浮腔內(nèi)部三角形型擋塊能保證壓力平穩(wěn)、有較多有利于分離的漩渦，使煙絲與梗簽顆粒團(tuán)塊分離的更徹底，且具有較少碰壁減少碎絲率的特點(diǎn)，故方形懸浮腔橫置三角形型擋塊用于梗簽和煙絲的懸浮分離效果較佳。