李 榮，王 甫，李城云

紅云紅河煙草(集團)有限責任公司昆明卷煙廠，昆明市紅錦路366號 650000

柔性喂絲機是風力送絲系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，其功能是將成品煙絲通過吸風送至卷煙機用于卷包生產(chǎn)［1］。當卷煙機需要煙絲發(fā)出要料信號時，料倉底帶開始運行，定量向計量槽輸送煙絲；煙絲經(jīng)輸送帶落入均分盤后，利用均分盤的離心力將煙絲進行松散并均勻拋灑在積絲盤上；均勻分散的煙絲隨積絲盤一起旋轉(zhuǎn)，在負壓風力作用下被吸入管道送至卷煙機中［2］。生產(chǎn)中由于柔性喂絲機的均分盤分散煙絲不夠均勻，導致均分盤與積絲盤間容易出現(xiàn)煙絲堵塞，造成均分盤無法正常轉(zhuǎn)動，甚至引起柔性喂絲機故障停機，影響生產(chǎn)運行效率［3］。針對此問題，韓銳等［4］采用浮動式吸絲口替代固定式吸絲口對轉(zhuǎn)盤振動喂絲機進行改進，解決了煙絲分層問題，提高了風送煙絲的均勻性。王志強等［5］設計了一種新型對稱式喂絲機，主要由雙向聯(lián)動翻板、雙定量管、均料裝置、送料腔體等組成，提高了制絲生產(chǎn)柔性加工水平。但上述研究改進仍未能解決吸絲口煙絲堵塞等問題。計算流體動力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是將計算機快速計算能力與流體力學相結(jié)合的一種用于產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段［6-7］，Solidworks Flow Simulation則是一套嵌入在Solidworks軟件中的CFD仿真工具，具有直觀清晰、操作簡單等特點［8-9］。為了更好地模擬煙絲在流場內(nèi)的流動情況，基于Solidworks Flow Simulation對均分盤分散煙絲效果進行CFD分析，并對均分盤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以期解決柔性喂絲機煙絲堵塞問題，提高設備運行效率。

1 問題分析

柔性喂絲機主要由機架、均分盤、積絲盤、吸絲口、除雜裝置和吸絲管等部分組成。在制絲線中安裝于煙絲配送工序段，根據(jù)生產(chǎn)需求將煙絲配送至單臺或多臺卷煙機；煙絲經(jīng)均分盤松散后，均勻地拋灑在積絲盤上，由負壓吸風將煙絲經(jīng)吸絲管輸送至對應卷煙機?，F(xiàn)使用的柔性喂絲機分為直吸式和側(cè)吸式，兩種設備的運行原理和結(jié)構(gòu)基本相同，主要是風送煙絲的路徑不同［10］。直吸式通過吸絲管的上下擺動吸取煙絲；側(cè)吸式無吸絲管，煙絲直接從側(cè)面吸入，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 側(cè)吸式柔性喂絲機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of lateral-suction flexible tobacco feeder

均分盤是側(cè)吸式柔性喂絲機的關(guān)鍵部件，主要由盤體、均分條和錐頂組成，見圖2。生產(chǎn)中采用電機減速機驅(qū)動均分盤轉(zhuǎn)動，煙絲在均分盤反向旋轉(zhuǎn)運動作用下分散下落在積絲盤上，便于均勻吸取煙絲。均分條的作用是將均分盤上的煙絲均勻分散到積絲盤上，其結(jié)構(gòu)呈條狀且4條對稱分布在均分盤上，長度280 mm，超出均分盤半徑30 mm。

圖2 均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of equalizing plate

觀察發(fā)現(xiàn)，當吸風風速≥10 m/s時，吸絲口處不會出現(xiàn)堵絲現(xiàn)象；當吸風風速較低（＜10 m/s）或出現(xiàn)結(jié)團煙絲時，均分盤上的均分條無法將煙絲均勻分配到積絲盤上，煙絲在均分盤與積絲盤間產(chǎn)生聚積，導致均分盤不能正常轉(zhuǎn)動，吸風無法及時將煙絲吸走，進而造成煙絲堵塞吸絲口，柔性喂絲機故障停機［11］，見圖3。而排除煙絲堵塞故障，操作時間長且勞動強度大。

圖3 煙絲堵塞位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of cut tobacco jam

2 柔性喂絲機均分盤CFD分析

2.1 喂絲機簡化模型

針對柔性喂絲機風送過程中存在的問題，基于Solidworks Flow Simulation對均分盤分散煙絲效果進行CFD分析。由于風送過程中由負壓吸風將煙絲送至卷煙機，喂絲機內(nèi)的煙絲與吸風間存在耦合現(xiàn)象，且吸風流動與煙絲流動軌跡基本一致，因此可對柔性喂絲機進行簡化，簡化后模型見圖4。

2.2 仿真參數(shù)設置

將流動介質(zhì)設為空氣場以模擬煙絲流場，以分析均分盤在不同轉(zhuǎn)動位置時吸風速度變化情況。設定分析類型為內(nèi)部，排除不具備流動條件的腔，忽略空穴的作用；Solidworks Flow Simulation能夠分析多種流動類型，本文中根據(jù)柔性喂絲機實際工況，選擇層流和湍流兩種狀態(tài)；設定邊界條件、入口體積流量和靜壓，壁面條件為真實壁面；確定計算流體域，進行網(wǎng)格劃分和后處理。模型計算流體域范圍見圖5。

圖4 柔性喂絲機簡化模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of simplified model for flexible tobacco feeder

圖5 計算流體域范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational fluid domain range

2.3 分析結(jié)果

基于SolidWorks Flow Simulation分析求解收斂后，采用速度云圖評估空氣場內(nèi)吸風速度變化情況，見圖6。仿真結(jié)果顯示：均分盤轉(zhuǎn)動過程中，當均分條與吸絲口平行時，吸絲口吸風風速為4～7 m/s，低于喂絲機正常吸風風速10 m/s，由此造成煙絲在吸絲口處聚積，導致吸絲口堵塞。

圖6 原均分盤吸風速度云圖Fig.6 Nephogram of suction air velocity in original equalizing plate

3 優(yōu)化設計

根據(jù)上述分析結(jié)果，設計了兩種不同結(jié)構(gòu)的均分條對均分盤進行改進，見圖7。A型均分盤采用4條條狀均分條對稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等；B型均分盤采用2條“S”形均分條對稱分布在均分盤上，均分條長度250 mm，與均分盤半徑相等。利用Solidworks Flow Simulation對兩種均分盤的吸風風速進行CFD仿真分析，結(jié)果見圖8?？梢?，A型、B型均分盤在轉(zhuǎn)動過程中，吸絲口風速均大于10 m/s，整個流場內(nèi)風速梯度變化明顯，說明吸絲效果良好。

圖7 改進后兩種均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure of two modified equalizing plates

圖8 改進后兩種均分盤吸風速度云圖Fig.8 Nephograms of suction air velocity in two modified equalizing plates

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機上進行CFD分析。由表1可見：①原均分盤吸絲口風速在4～12 m/s之間，當均分盤轉(zhuǎn)動位置為0°時，吸絲口風速明顯低于喂絲機正常吸風風速10 m/s，且流場內(nèi)部風速顯著低于A型和B型均分盤；②A型和B型均分盤吸絲口風速均在14～16 m/s之間，大于正常吸風風速10 m/s，但兩種均分盤在不同轉(zhuǎn)動位置時流場內(nèi)部風速存在明顯差異，A型均分盤流場內(nèi)部風速顯著低于B型均分盤。

將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機上進行現(xiàn)場對比測試。由表2可見，原均分盤煙絲堵塞次數(shù)為8次/月，A型均分盤堵塞次數(shù)為3次/月，B型均分盤為0?？梢姡珺型均分盤的結(jié)構(gòu)性能更加穩(wěn)定可靠，顯著優(yōu)于A型和原均分盤。

表1 原裝置與兩種均分盤CFD仿真分析結(jié)果對比Tab.1 CFD simulation results of original and two modified equalizing plates （m·s-1）

表2 原裝置與兩種均分盤現(xiàn)場測試結(jié)果對比Tab.2 Frequencies of tobacco jam of original and two modified equalizing plates （次·月-1）

4 結(jié)論

采用Solidworks Flow Simulation對柔性喂絲機均分盤內(nèi)煙絲流場進行CFD仿真分析，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)對均分盤進行優(yōu)化設計，并對兩種均分盤以及原均分盤的結(jié)構(gòu)性能進行仿真分析和現(xiàn)場對比測試，結(jié)果表明：A型和B型均分盤的吸絲口風速均大于喂絲機正常吸風風速10 m/s，當均分條與吸絲口在不同轉(zhuǎn)動位置時，A型均分盤流場內(nèi)部風速顯著低于B型均分盤，且在6個月現(xiàn)場測試中B型均分盤煙絲堵塞為0。因此，改進后喂絲機采用B型均分盤更加穩(wěn)定可靠，流場內(nèi)風速梯度變化明顯，送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現(xiàn)象。