劉玉民，趙 喆，盧俊鵬

1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠制絲車間，濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006 號(hào) 250104

2.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，濟(jì)南市歷下區(qū)經(jīng)十路11888 號(hào) 250014

烤后煙葉中經(jīng)?；煊新槔K、羽毛、塑料、紙片以及金屬等異物［1-2］，為避免異物對卷煙產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備性能產(chǎn)生影響，在打葉復(fù)烤及制絲加工階段通常選用風(fēng)分除雜、光電除雜以及金屬除雜等設(shè)備將異物剔除［3-4］。光電除雜設(shè)備主要采用圖像除雜或激光除雜等方式［5-9］，識(shí)別并剔除攤薄煙草物料［10］中的非煙類雜質(zhì)，若攤鋪后物料過厚，部分異物會(huì)被片煙掩蓋，導(dǎo)致光電除雜效率降低［11］。近年來對于除雜設(shè)備已有較多研究。馬亞等［11］設(shè)計(jì)了一種垂直風(fēng)送片煙異物剔除系統(tǒng)，將風(fēng)選與光譜分選相結(jié)合，提高異物剔除率；張紹堂等［2］基于優(yōu)化的高斯同態(tài)濾波算法在煙草異物剔除系統(tǒng)中增設(shè)圖像增強(qiáng)功能，解決了系統(tǒng)剔除性能隨照度衰減而下降等問題；吳亞成［12］將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煙葉除雜系統(tǒng)，通過對煙葉顏色值進(jìn)行修正，提高了除雜精度；張紹堂等［8］采用顏色庫過濾的方法處理與煙葉顏色相近的異物，并設(shè)置報(bào)警裝置由人工分揀出大塊異物，將異物剔除率提高至97%；李陽萱［13］基于顏色特征和梯度能量特征建立一種煙草異物圖像處理方法，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)異物區(qū)域高效檢測。上述研究主要針對機(jī)器視覺和圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過改善物料布料狀態(tài)而提高異物剔除率的研究則鮮見報(bào)道。為此，通過分析煙草物料攤薄設(shè)備的工作原理，設(shè)計(jì)了一種片煙均勻布料裝置（以下簡稱均料裝置）用于增加物料分布寬度，以期提升光電除雜設(shè)備的剔除能力，提高片煙異物剔除率。

1 問題分析

改進(jìn)前煙草物料攤薄設(shè)備包括供料皮帶機(jī)和轉(zhuǎn)輥式分揀機(jī)，轉(zhuǎn)輥式分揀機(jī)由星輥輸送機(jī)構(gòu)、煙餅剔除皮帶機(jī)以及輸送底帶等組成，見圖1。松散回潮后的片煙經(jīng)供料皮帶機(jī)1落入轉(zhuǎn)輥式分揀機(jī)，體積較小的物料從星輥輸送機(jī)構(gòu)2 的星輥間隙下落至分揀機(jī)輸送底帶4上，體積較大的煙餅則隨星輥輸送機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，然后下落至煙餅剔除皮帶機(jī)3上；供料皮帶寬度為0.9～1.0 m，分揀機(jī)輸送底帶寬度為1.7～1.8 m。當(dāng)物料下落至輸送底帶上時(shí)，無法在底帶寬度方向上鋪滿物料，造成輸送底帶兩側(cè)空間浪費(fèi)且物料未被攤鋪至最薄，進(jìn)而影響后續(xù)光電除雜設(shè)備的剔除能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

片煙均料裝置由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、可調(diào)支架、轉(zhuǎn)軸、布料錐盤以及撥料板等組成，并通過機(jī)架固定安裝在星輥輸送機(jī)上，見圖2。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1 采用變頻電機(jī)，通過轉(zhuǎn)軸4帶動(dòng)布料錐盤5正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)；布料錐盤底部距離星輥約120 mm，大于煙餅的平均厚度85 mm，從而避免煙餅阻塞輸送通道；錐盤錐面上方均勻布置有4塊半徑為15 mm的半圓柱形撥料板6，在錐盤旋轉(zhuǎn)時(shí)對物料起到松散和均勻作用；可調(diào)支架2通過螺栓固定在機(jī)架3上，用于固定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)軸，通過調(diào)整可調(diào)支架的前后位置，可以將錐盤頂部調(diào)至與物料下落軌跡重合，確保物料與錐盤充分接觸，完成均料工作。

圖2 片煙均料裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of tobacco strip spreader

2.2 布料錐盤參數(shù)

以濟(jì)南卷煙廠使用的物料攤薄設(shè)備為例，供料皮帶機(jī)上物料平均寬度為560 mm，而物料下落過程中因受空氣阻力影響寬度會(huì)略有增加，因此將布料錐盤底面直徑設(shè)計(jì)為600 mm。如圖3 所示，物料在錐盤上受到的作用力包括重力G、支持力FN和摩擦力f（取f與母線的銳角夾角為α），摩擦力f可以被分解為與錐盤母線方向垂直的水平分力f1和沿錐盤母線方向的分力f2。為避免物料在錐盤上堆積或散開角度較小而影響布料效果，通過調(diào)整錐角θ（錐盤母線與底面直徑的夾角）可以使物料在錐盤上處于滑動(dòng)臨界狀態(tài)，此時(shí)在母線方向上對物料進(jìn)行受力分析可得：

圖3 物料在錐盤上的受力分析Fig.3 Mechanical analysis of tobacco strips on conical disk

式中：μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，無量綱。

由公式（1）可得μ=tanθ，通過測量得到松散回潮后片煙在錐盤上的動(dòng)摩擦因數(shù)μ值為0.55，計(jì)算可得θ=29°。

摩擦力沿錐盤母線方向上的分力f2為物料運(yùn)動(dòng)提供向心力，為實(shí)現(xiàn)物料松散和均勻，應(yīng)確保物料被拋出錐盤時(shí)布料面呈扇形，此時(shí)物料所受向心力滿足：

式中：F向?yàn)槲锪纤芟蛐牧?，N；m為物料質(zhì)量，kg；ω為錐盤角速度，rad/min；r為錐盤底面半徑，mm；n為錐盤轉(zhuǎn)速，r/min。

結(jié)合公式（1）和公式（2）可得：

鑒于實(shí)際生產(chǎn)中布料效果還會(huì)受到空氣摩擦力等因素的影響，根據(jù)錐盤轉(zhuǎn)速的理論設(shè)計(jì)值，設(shè)置電機(jī)頻率分別為20.0、22.5、25.0、27.5、30.0 Hz（對應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為63.2、71.1、79.0、86.9、94.8 r/min）開展布料實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：電機(jī)頻率為20.0 和22.5 Hz 時(shí)，物料未在輸送底帶寬度方向上鋪滿，底帶空間未被充分利用；電機(jī)頻率為27.5 和30.0 Hz 時(shí)，較多物料沿分揀機(jī)兩側(cè)擋板滑落至輸送底帶上，導(dǎo)致底帶兩側(cè)分布的物料較多，未能實(shí)現(xiàn)均勻布料；電機(jī)頻率為25.0 Hz 時(shí)，物料可以均勻鋪滿整個(gè)輸送底帶。因此，取電機(jī)頻率為25.0 Hz，錐盤轉(zhuǎn)速為79.0 r/min。

2.3 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)

2.3.1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)布料錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)受到物料的沖擊作用，所承受的彎矩和扭矩可能會(huì)使布料錐盤產(chǎn)生軸向或周向的相對運(yùn)動(dòng)。如圖4 所示，轉(zhuǎn)軸一端通過聯(lián)軸器1 連接電機(jī)，另一端采用型面連接方式帶動(dòng)錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)并通過螺母5 實(shí)現(xiàn)軸向固定；型面連接軸段4 的橫截面為帶切口的非圓形狀（圖4b），配合錐盤上相應(yīng)形狀的孔槽可以實(shí)現(xiàn)錐盤在轉(zhuǎn)軸上的周向固定并傳遞扭矩；轉(zhuǎn)軸屬于長軸，為防止轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生晃動(dòng)，在中間軸段加裝兩個(gè)固定軸承2 和3。根據(jù)裝配零件屬性，將轉(zhuǎn)軸劃分為7 個(gè)軸段（圖4a）。其中，①②④⑥⑦軸段為定位軸肩，③⑤軸段為非定位軸肩。

圖4 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of rotating shaft

2.3.2 轉(zhuǎn)軸直徑

轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)布料錐盤所需功率P為：

式中：T為轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)布料錐盤傳遞的扭矩，N·m；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；α為角加速度，rad/s2；m為布料錐盤與撥料板的質(zhì)量，kg；Δω為轉(zhuǎn)軸啟動(dòng)角速度的變化量，rad/min；Δt為轉(zhuǎn)軸啟動(dòng)所需時(shí)間，s。

假設(shè)Δt=1 s，m=4 kg，將r=0.3 m、n=79.0 r/min帶入公式（4），可得P=1.27 kW。轉(zhuǎn)軸主要承受的是扭矩，其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為轉(zhuǎn)軸所受扭矩，N·mm；WT為轉(zhuǎn)軸的抗扭矩截面系數(shù)，mm3；d為①⑦軸段直徑，mm；［τT］為需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。

由公式（5）可得：

轉(zhuǎn)軸所用材料為45 號(hào)鋼，查閱文獻(xiàn)［14］可得［τ T］在25～ 45 MPa 范圍內(nèi)，計(jì)算可得d≥27 mm?？紤]設(shè)計(jì)余量并將軸徑圓整至標(biāo)準(zhǔn)直徑可得dmin=30 mm。結(jié)合整體布局和零件裝配需要，完成其他各個(gè)軸段的長度及軸徑設(shè)計(jì)。

2.3.3 軸承選擇

如圖5所示，物料對轉(zhuǎn)軸的沖擊力F沖擊可以正交分解為F1和F2，轉(zhuǎn)軸同時(shí)承受的作用力有徑向載荷（F1）和軸向載荷（F2+F重）。因此，設(shè)計(jì)中選用了角接觸球軸承及配套軸承座。根據(jù)軸段②和軸段④的直徑查詢《角接觸軸承型號(hào)尺寸對照表》，可得軸承Ⅰ和軸承Ⅱ代號(hào)分別為7209C和7211C。

圖5 轉(zhuǎn)軸受力分析簡圖Fig.5 Mechanical analysis of rotating shaft

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（白將軍）”牌卷煙配方片煙（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠）。

設(shè)備：TB-S 松散回潮機(jī)（德國HAUNI 公司）；DUC10 皮帶輸送機(jī)、DG17 轉(zhuǎn)輥式分揀機(jī)、TS3 光電除雜器（美國KEY TECHNOLOGY公司）。

方法：參考文獻(xiàn)［13，15-16］制作12 種標(biāo)準(zhǔn)異物，包括線繩、木塊、紙箱板、灰白色紙板、灰白色塑料薄片、透明玻璃片、不同顏色泡沫以及塑料薄片等。其中，片狀異物尺寸約為12.7 mm×12.7 mm，條狀異物長度約為50 mm。在50 kg 片煙中隨機(jī)、均勻摻入12 種標(biāo)準(zhǔn)異物（每種標(biāo)準(zhǔn)異物5 片，共60片），由人工裝料至供料皮帶機(jī)。設(shè)置物料流量為4 800 kg/h，測量并統(tǒng)計(jì)均料裝置應(yīng)用前后輸送底帶上物料平鋪寬度和厚度、片煙造碎率、環(huán)境粉塵濃度、光電除雜器剔除的異物數(shù)量和片煙質(zhì)量，根據(jù)公式（7）和公式（8）計(jì)算異物剔除率和誤剔率。重復(fù)3次，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，應(yīng)用均料裝置后，轉(zhuǎn)棍式分揀機(jī)輸送底帶上物料寬度為1 700 mm，厚度為100 mm，與應(yīng)用前相比寬度增加650 mm，厚度減小55 mm；光電除雜器的異物剔除率由86.67%提升至95.56%，誤剔率由0.23%降低至0.15%；安裝均料裝置未對片煙造碎率和環(huán)境粉塵濃度產(chǎn)生影響。

表1 均料裝置應(yīng)用前后布料效果和異物剔除效果對比Tab.1 Tobacco spreading effect and foreign matter rejection rate before and after application of spreader

4 結(jié)論

在煙草物料攤薄設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種片煙均料裝置并安裝于轉(zhuǎn)輥式分揀機(jī)上方，有效解決了片煙除雜過程中攤鋪后物料過厚而導(dǎo)致光電除雜效率低等問題。以濟(jì)南卷煙廠生產(chǎn)的“泰山（白將軍）”牌卷煙配方片煙為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：應(yīng)用均料裝置后，分揀機(jī)輸送底帶上物料分布寬度增加650 mm，厚度降低55 mm；光電除雜器的異物剔除率由86.67%提升至95.56%，誤剔率由0.23%降低至0.15%。對均料裝置中布料錐盤轉(zhuǎn)速、底面直徑等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后可在其他同類布料設(shè)備中推廣應(yīng)用。