□ 張皓天 □ 王 然 □ 梁 勇 □ 王勝枝 □ 楊劍鋒 □ 蔡培良

1.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曲靖卷煙廠 云南曲靖 655001 2.昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院 昆明 650500

1 研究背景

ZJ17卷接機(jī)組是由湖南常德煙機(jī)廠引進(jìn)德國PROTOS-70機(jī)組技術(shù)后生產(chǎn)制造的一款國產(chǎn)化卷接機(jī)組[1],由供料成條機(jī)、卷制成形機(jī)、濾嘴接裝機(jī)三部分組成。煙絲由絲管輸送至風(fēng)力送絲裝置后,在供料成條機(jī)處進(jìn)行兩次風(fēng)分離:煙絲在計(jì)量料槽中經(jīng)針輥、勻絲板,由彈絲轆取下,落至煙絲輸送帶,以一定的速度、角度輸送至一次風(fēng)分離裝置;在頂吹風(fēng)及煙絲慣性力的雙重作用下,較輕的煙絲吹向拋絲輥,在底吹風(fēng)及拋絲輥的作用下吸附在吸絲帶上,形成煙絲條,較重的煙絲團(tuán)、梗簽、雜質(zhì)等混合物落入螺旋回梗機(jī)構(gòu),輸送至二次風(fēng)分離裝置;在風(fēng)室體負(fù)壓的作用下,混合物中較輕的煙絲被吸附至吸絲帶上,參與制煙環(huán)節(jié),較重的梗簽混合物通過輸送管道,直接輸送至除塵房。

原卷接機(jī)組梗簽分離裝置分離出的梗簽中含絲率較高,造成一定的煙絲浪費(fèi)。近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了大量研究,可歸納為三個(gè)方面:① 優(yōu)化卷接機(jī)組的工藝參數(shù),降低梗中含絲率[2-7],如改變一次分離裝置梗導(dǎo)向板高度、小風(fēng)機(jī)壓力、風(fēng)機(jī)和電機(jī)的傳動(dòng)比等;② 優(yōu)化卷接機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低梗中含絲率[8-13],如改變懸浮室的尺寸、形狀等;③ 單獨(dú)設(shè)計(jì)一套梗簽分離裝置,加裝在卷接機(jī)組上[14-16]。

文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種外置式卷接機(jī)組梗簽二次分離裝置,通過仿真分析將真空懸浮腔設(shè)計(jì)為方形腔體,將離心分離腔體設(shè)計(jì)為馬蹄形,風(fēng)分離氣壓范圍為-2.3×105～-1.8×105Pa。真空懸浮腔作為梗簽二次分離裝置的第一級(jí)分離,對(duì)整個(gè)裝置的分離效果有很大影響,對(duì)此,筆者在上述研究的基礎(chǔ)上,繼續(xù)對(duì)卷接機(jī)組梗簽二次分離裝置真空懸浮腔進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,研究彈絲松散機(jī)構(gòu)、擋風(fēng)塊等對(duì)分離效果的影響。

2 系統(tǒng)工作原理

外置式卷接機(jī)組梗簽二次分離裝置工作原理如圖1所示。由原機(jī)梗簽二次風(fēng)分離裝置分離出的較輕煙絲進(jìn)入吸風(fēng)室,吸附在吸絲帶上,進(jìn)入制煙環(huán)節(jié)。較重的煙絲和梗簽混合物在落料口通過接料通道進(jìn)入外置式卷接機(jī)組梗簽二次分離裝置的真空懸浮腔,根據(jù)不同質(zhì)量的物體在空氣中懸浮速度不同的原理,完成混合物的第一級(jí)分離。第一級(jí)分離后的較重梗簽混合物落入梗簽收集器,在風(fēng)選口剔除,并輸送至除塵房處理。較輕的煙絲輸送至離心分離腔,依據(jù)不同質(zhì)量物體離心力不同的原理進(jìn)行第二級(jí)分離。第二級(jí)分離后的較輕煙絲進(jìn)入回絲儲(chǔ)料區(qū),隨陡角提升帶進(jìn)入計(jì)量料槽,再次進(jìn)入供料環(huán)節(jié),最后進(jìn)入吸風(fēng)室。含有少量煙絲的梗簽混合物在風(fēng)選口進(jìn)行剔除,并輸送至除塵房處理。

▲圖1 梗簽二次分離裝置工作原理

3 真空懸浮腔設(shè)計(jì)

真空懸浮腔腔體有Z字形、矩形、圓形等多種形狀,其三維模型如圖2所示。鄭新虎[18]通過研究發(fā)現(xiàn),矩形懸浮腔分離煙絲的效果比其它兩種形狀好。筆者設(shè)計(jì)的真空懸浮腔腔體為矩形,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中,H1、H2、H3用于確定三塊擋風(fēng)塊的位置,H4為彈絲松散機(jī)構(gòu)至懸浮腔下收縮口的高度,H5為懸浮腔上端收口至矩形腔體的高度,B為矩形腔體下端收口的寬度。

▲圖2 真空懸浮腔三維模型▲圖3 真空懸浮腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 仿真過程

煙絲和梗簽的輸送采用吸送式氣力輸送,選擇ANSYS Workbench軟件作為研究平臺(tái),以Fluent模塊進(jìn)行氣流仿真。

4.1 建模

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)真空懸浮腔進(jìn)行三維建模,保存為.x_t格式文件,并導(dǎo)入Fluent模塊。真空懸浮腔幾何模型如圖4所示。

▲圖4 真空懸浮腔幾何模型

為了研究真空懸浮腔腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)氣流的影響,在腔體內(nèi)部充滿空氣,進(jìn)行流體域仿真分析。流體域模型如圖5所示。

▲圖5 流體域模型

4.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選擇底部和側(cè)面矩形平面作為氣流壓力入口,以腔體頂部作為氣流壓力出口,采用CutCell笛卡爾網(wǎng)格生成算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體域網(wǎng)格模型如圖6所示。

▲圖6 流體域網(wǎng)格模型

4.3 邊界條件設(shè)置

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent模塊,查看最小單元格體積是否為負(fù)值。若為負(fù),則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算失敗。經(jīng)檢查,筆者所劃分網(wǎng)格的最小單元格體積為正值,可以進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算仿真。

選擇k-ε湍流模型,入口壓力設(shè)為0 MPa,出口壓力設(shè)為-0.02 MPa。選擇壓力耦合方程組的半隱式算法,其它參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值,松弛因子設(shè)為0.001,迭代次數(shù)為2 000。

5 仿真結(jié)果分析

5.1 有無彈絲松散機(jī)構(gòu)的影響

有無彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流的壓力云圖、跡線云圖分別如圖7、圖8所示。由圖7可以看出,無論是有彈絲松散機(jī)構(gòu),還是無彈絲松散機(jī)構(gòu),真空懸浮腔腔體內(nèi)部的壓力基本都是均勻分布的,不存在壓力突變。無彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí),真空懸浮腔內(nèi)最大壓力差為25 564 Pa。有彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí),真空懸浮腔內(nèi)最大壓力差為25 804 Pa。兩者相差不大。

由圖8可以看出,無彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí),真空懸浮腔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)比較雜亂,在壁面處大小各異的漩渦較多。這些漩渦湍動(dòng)能較大,可能會(huì)提高煙絲的造碎率。在左下方擋風(fēng)塊與真空懸浮腔底部之間有一個(gè)較大的漩渦,有利于吹散結(jié)團(tuán)煙絲。在一定的大氣流壓力下,可以將煙絲混合物吹起進(jìn)行再次分離。有彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí),真空懸浮腔體內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)比較有規(guī)律,在彈絲松散機(jī)構(gòu)周圍有一些漩渦,有利于梗絲的分離。在右側(cè)煙絲入口處,氣流分布比較均勻,可以適當(dāng)降低煙絲的造碎率。

5.2 彈絲松散機(jī)構(gòu)位置的影響

彈絲松散機(jī)構(gòu)在不同位置時(shí),真空懸浮腔內(nèi)氣流的跡線云圖如圖9所示。由圖9可以看出,當(dāng)H4為35 mm和40 mm時(shí),真空懸浮腔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)比較雜亂,在壁面及擋風(fēng)塊周圍存在漩渦,容易造成煙絲造碎;當(dāng)H4為45 mm和50 mm時(shí),真空懸浮腔體內(nèi)的氣流比較平穩(wěn),且H4為45 mm時(shí)氣流以一定的斜率上升,這樣比豎直上升更有利于梗簽混合物的輸送及分離。

▲圖7 有無彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流壓力云圖

▲圖8 有無彈絲松散機(jī)構(gòu)時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流跡線云圖▲圖9 彈絲松散機(jī)構(gòu)不同位置時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流跡線云圖

5.3 擋風(fēng)塊的影響

不同數(shù)量擋風(fēng)塊時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流的跡線云圖如圖10所示。

由圖10可以看出,在三塊擋風(fēng)塊的真空懸浮腔中部位置,擋風(fēng)塊處形成一股有規(guī)律的漩渦,并且氣流在整個(gè)腔體內(nèi)以一定的斜度呈螺旋上升。對(duì)于四塊擋風(fēng)塊的真空懸浮腔,右側(cè)兩個(gè)擋風(fēng)塊之間的氣流流速較慢,并且流動(dòng)雜亂,不利于梗絲的分離。

6 結(jié)論

筆者對(duì)卷接機(jī)組梗簽二次分離裝置真空懸浮腔進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)真空懸浮腔內(nèi)的氣流進(jìn)行仿真,通過氣流壓力云圖、跡線云圖分析了真空懸浮腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)腔體內(nèi)氣流的影響,結(jié)論如下:

(1) 懸浮腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形尺寸的改變對(duì)腔體內(nèi)氣流壓力分布的影響不明顯;

(2) 添加彈絲松散機(jī)構(gòu)后,在真空懸浮腔體中部及氣流入口上方形成漩渦,這些漩渦可以打散較大的結(jié)團(tuán)梗簽混合物,有利于梗絲的分離;

(3) 彈絲松散機(jī)構(gòu)主懸浮腔下收縮口高度H4在35～50 mm之間變化時(shí),真空懸浮腔體內(nèi)氣流的速度分布比較均勻,當(dāng)H4為45 mm時(shí),更有利于煙絲的分離;

(4) 三塊擋風(fēng)塊的真空懸浮腔分離梗絲的效果相比四塊擋風(fēng)塊更好。

▲圖10 不同擋風(fēng)塊數(shù)量時(shí)真空懸浮腔內(nèi)氣流跡線云圖