李 曉，趙凱歌，姚二民，袁 帥，陳科冰，莊光健

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 煙草科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.海南紅塔卷煙有限責(zé)任公司，海南 海口 571137)

0 引言

煙葉在卷煙生產(chǎn)過程中被加工成形狀、大小不同的煙片，這些規(guī)格不同煙片的質(zhì)量占煙片總質(zhì)量的比率稱為煙片結(jié)構(gòu)，以大中片率和碎片率表示。煙片結(jié)構(gòu)是衡量打葉質(zhì)量的重要指標之一，同時也是影響制絲工段煙絲結(jié)構(gòu)的主要因素之一，進而影響后期卷煙質(zhì)量，如端部落絲、單支重量、空頭率、煙支密度、填充值等指標[1-2]。煙片結(jié)構(gòu)的檢測主要采取振動分選篩[3]，這種檢測方法對煙片損傷大、勞動強度大且檢測結(jié)果不能及時反饋到生產(chǎn)中。

隨著卷煙加工技術(shù)的發(fā)展和“特色工藝”的提出，在線檢測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，對于煙片結(jié)構(gòu)的在線檢測，需要計算各煙片的面積大小，各煙片之間不能重疊，否則不能如實地反映煙片面積，所以，煙片單層化是在線檢測煙片結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟。目前煙草行業(yè)對于煙片在線單層化的研究主要是通過不同的機械設(shè)備實現(xiàn)。其中，齊海濤等[4]采用限料、振動松散、片煙攤薄設(shè)備以及設(shè)置逐級加速皮帶機等方法使煙片單層化；魏澤鼎等[5]采用電磁振動方法，在電磁鐵和彈簧力的共同作用下，使煙片作平拋運動，達到單層化目的。然而通過機械設(shè)備達到單層化的方法存在一定的局限性：設(shè)備體積增大，占地面積廣，有損煙片完整性。為此，本文設(shè)計了一套煙片在線單層化裝置，利用吸附力、風(fēng)力和速度差對煙片實施在線攤薄、單層化處理，并根據(jù)煙片在該裝置上的受力情況對主要參數(shù)進行設(shè)計計算。

1 煙片在線單層化裝置的設(shè)計

利用負壓吸附技術(shù)、氣流和差速分離原理，設(shè)計了一套煙片在線單層化裝置，對從生產(chǎn)線上所取煙片樣品進行在線攤薄、單層化處理，使煙片呈一片一片的分離狀態(tài)。

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的煙片單層化裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由皮帶輸送機、轉(zhuǎn)盤、擋板、減速電機以及抽氣泵和吹風(fēng)裝置等組成。減速電機通過齒輪傳動帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，并通過控制電機轉(zhuǎn)速、齒輪比控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速；利用抽氣泵使轉(zhuǎn)盤左下半?yún)^(qū)形成負壓區(qū)；利用吹風(fēng)裝置產(chǎn)生一定方向的氣流。

1-低速皮帶輸送機；2-減速電機；3,5,6-擋板；4-轉(zhuǎn)盤；7-攝像頭；8-支架；9-高速皮帶輸送機

1.2 工作原理

自動取樣裝置機械手從生產(chǎn)主線夾取煙片樣品后，由低速皮帶輸送機1將煙片樣品傳送至均勻設(shè)有負壓吸附孔的轉(zhuǎn)盤4上，隨著轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤的左半邊下方利用抽氣泵形成負壓區(qū)，將轉(zhuǎn)盤上方底層煙片吸附，與負壓區(qū)對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤上方，利用吹風(fēng)裝置產(chǎn)生由上往下與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動切線方向呈α夾角的氣流，將上層未吸附的煙片吹至來料方向，與底層煙片分離；在轉(zhuǎn)盤出口處，吸附力和風(fēng)力消失，靜摩擦力不足以提供所需的向心力，煙片會作離心運動，在風(fēng)力的作用下沿著切線方向脫離轉(zhuǎn)盤，落到高速皮帶輸送機9上，利用加速皮帶將部分重疊的煙片分離，使其呈一片一片的分離狀態(tài)，形成單層化，攝像頭7進行圖像采集，最后將煙片傳送回至主生產(chǎn)線上。

2 單層化裝置參數(shù)的確定

當(dāng)接通電源后，工作轉(zhuǎn)盤處于一定的轉(zhuǎn)速時，煙片在重力G、支持力N、摩擦力f、吸附力T、風(fēng)力F的相互作用下達到攤薄、單層化、分離的效果。將轉(zhuǎn)盤劃分為A、B、C、D四個區(qū)域，如圖2所示。從生產(chǎn)線上取樣后的煙片傳送至A處后，呈堆積狀態(tài)，利用風(fēng)力和吸附力在B區(qū)進行單層化，C區(qū)吸附力消失，作離心運動經(jīng)過D區(qū)傳送至高速皮帶輸送機。將與轉(zhuǎn)盤接觸的煙片視為底層煙片；反之，視為上層煙片。

已知參數(shù)設(shè)定如下：

(1) 轉(zhuǎn)盤直徑Φ1=1 000 mm，內(nèi)圈直徑Φ2=200 mm；

(2) 機械手每次從生產(chǎn)線上夾取的煙片質(zhì)量m1約100 g，其中一片煙片質(zhì)量m2均值約0.86 g；

(3) 煙片與煙片之間的摩擦因數(shù)μ1均值為0.55，煙片與轉(zhuǎn)盤之間的摩擦因數(shù)μ2均值為0.21[6]。

2.1 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的計算

在轉(zhuǎn)盤A處上層煙片和C處煙片受力如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤區(qū)域劃分 圖3 A處上層和C處煙片受力

當(dāng)煙片輸送到轉(zhuǎn)盤A處后，隨轉(zhuǎn)盤作圓周運動，需滿足內(nèi)圈的上層煙片不會作離心運動移動到外圈的擋板處，同時，煙片單層化后到C處時，保證內(nèi)圈的煙片會在轉(zhuǎn)盤上作離心運動，得：

fA靜≥F離.

(1)

F離≥fC靜.

(2)

且

fA靜=μ1m2g.

(3)

(4)

fC靜=μ2m2g.

(5)

其中：F離為葉片受到的離心力；fA靜和fC靜分別為A處和C處的靜摩擦力；g為重力加速度；v為葉片在轉(zhuǎn)盤上運動的線速度。

綜合式(1)～式(5)，求得轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈線速度v1的取值范圍是0.734 m/s≥v1≥0.454 m/s。

2.2 B區(qū)風(fēng)力F1的計算

當(dāng)煙片被輸送到轉(zhuǎn)盤B區(qū)，轉(zhuǎn)盤上層煙片受力如圖4所示。

為了實現(xiàn)煙片分離，需滿足上層煙片被風(fēng)力吹至來料方向，得：

F1sin(α-90°)>fB.

(6)

且

fB=μ1[m1g+F1cos(α-90°)].

(7)

其中：α為風(fēng)向與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動切線方向夾角。

考慮到風(fēng)力的利用率，風(fēng)力水平方向的分力等于或大于豎直向下的分力，即F1sin(α-90°)≥F1cos(α-90°)，角度α的取值范圍為180°≥α≥135°，當(dāng)α取135°時，理論計算得到的風(fēng)力最大，實際施加的風(fēng)力取值范圍大于理論最大值即可。綜合式(6)和式(7)，求得B區(qū)風(fēng)力的范圍為F1>1.69 N。

2.3 B區(qū)吸附力T的計算

在轉(zhuǎn)盤B區(qū)下層煙片受力如圖5所示。

圖4 B區(qū)上層煙片受力 圖5 B區(qū)下層煙片受力

需滿足下層煙片被吸附在轉(zhuǎn)盤上，不受風(fēng)力的影響而移動，得：

fB靜≥F1sin(α-90°).

(8)

且

fB靜=μ2[m2g+F1cos(α-90°)+T].

(9)

一片煙片的重力相對于風(fēng)力和吸附力太小，故忽略不計。當(dāng)α取180°時，理論計算的吸附力值最大，實際施加的吸附力取值范圍大于或等于理論計算最大值即可。綜合式(8)和式(9)，求得B區(qū)吸附力的范圍為T≥4.76F1

2.4 D區(qū)風(fēng)力F2的計算

在轉(zhuǎn)盤D區(qū)，煙片受力如圖6所示。

設(shè)定施加的風(fēng)力方向與運動方向夾角為β，取值范圍為45°≥β≥0(取值原理與α取值原理一致)。煙片受力如圖7所示。

圖6 D區(qū)煙片受力 圖7 施加風(fēng)力F2后D區(qū)煙片受力

煙片落到加速皮帶輸送機上需要滿足兩個條件：①風(fēng)力水平方向的分力大于或等于煙片在滑動過程中受到的摩擦力；②煙片末速度小于高速皮帶輸送機的速度。由以上條件得：

F2cosβ≥fD.

(10)

vt<3.67 m/s.

(11)

且

fD=μ2(m2g+F2sinβ).

(12)

(13)

F2cosβ-fD=m2a2.

(14)

其中：fD為葉片在D區(qū)受到的摩擦力；β為風(fēng)力與運動方向夾角；vt為煙片脫離轉(zhuǎn)盤的末速度；v1為內(nèi)圈煙片的初速度。

當(dāng)滿足條件一，β=45°時，理論計算的F2值最大，實際施加F2取值范圍大于或等于理論最大即可，綜合式(10)和式(12)，求得風(fēng)力F2的取值范圍為F2≥3.17×10-3N；當(dāng)滿足條件二，β=0時，F(xiàn)2取得最小值，取值范圍小于最小值即可，綜合式(11)、式(13)和式(14)，求得F2的取值范圍為F2<1.31×10-2N。綜上，風(fēng)力F2的取值范圍為1.31×10-2N>F2≥3.17×10-3N。

2.5 煙片單層化裝置參數(shù)匯總

煙片單層化裝置參數(shù)匯總見表1。

表1 煙片單層化裝置參數(shù)匯總

3 結(jié)語

利用負壓吸附技術(shù)、氣流和差速分離原理，設(shè)計了一套煙片在線單層化裝置，并根據(jù)煙片在該裝置上的受力情況對該裝置的主要參數(shù)進行計算。該裝置可使呈堆積狀態(tài)的煙片基本達到單層化、分離的目的。