摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)殘廢煙支煙絲回收裝置存在的煙絲回收率低、純凈度差、整絲率偏低、細(xì)支卷煙加工適應(yīng)性差等問題，研制一種新型殘廢煙支煙絲回收裝置。該裝置通過滾筒篩網(wǎng)和搓絲螺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了煙絲與卷煙材料的快速分離，通過靜電吸附和負(fù)壓剔除相結(jié)合的除雜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分離煙絲精選除雜。以常規(guī)卷煙牌號(hào)云煙（紫）以及細(xì)支卷煙牌號(hào)云煙（細(xì)支珍品）進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，常規(guī)卷煙加工回收煙絲得率≥80.0%，細(xì)支卷煙加工回收煙絲得率≥70.0%；回收煙絲純凈度≥99.0%；回收煙絲整絲率≥60.0%；回收煙絲碎絲率≤6.0%；處理前后煙絲含水率變化≤0.5%。該裝置同時(shí)可以滿足常規(guī)卷煙和細(xì)支卷煙的殘廢煙支回收。

關(guān)鍵詞：殘廢煙支；回收裝置；煙絲回收率；純凈度

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0264-05

Design and Application of YN30 Type Cut Tobacco Recycling Device from Disabled Cigarette

Abstract：To improve the low recovery rate and poor purity of cut tobacco， the low rate of whole cut tobacco， and poor processing adaptability of thin cigarettes in the traditional recycling device for disabled cigarettes， a new type of waste cigarette shredded tobacco recycling device was designed， which rapidly separated cut tobacco and cigarette material through roller screen and tobacco rubbing mechanical structure， and removed the sundries in cut tobacco by electrostatic adsorption and negative pressure removal. The new device was applied to tests on conventional cigarette brand Yunyan （Zi） and thin cigarette brand Yunyan （Xizhizhenpin）， showing that the yield of recycled shredded tobacco in conventional cigarette processing is higher than or equal to 80.0%，while the one in thin cigarette processing is higher than or equal to 70.0%， the purity of recycled shredded tobacco is higher than or equal to 99.0%， the whole recycled tobacco rate is more than or equal to 60.0%， the recycled shredded tobacco rate is 6.0% or less， and the change of moisture content before and after treatment is 0.5% or less。The designed device well suits the disabled cigarette shredded tobacco recycling both for conventional cigarettes and thin cigarettes.

Keywords：disabled cigarettes; recycling device; cut recycled tobacco rate; purity

0 引言

在卷煙生產(chǎn)制造過程中，不可避免地造成一定量的殘廢煙支。為了降低煙絲損耗，殘廢煙支中的煙絲應(yīng)盡可能地被重新回收利用。如何提高回收效率并確保煙絲工藝品質(zhì)是煙草行業(yè)重要的研究課題之一［1-3］。國(guó)內(nèi)煙草生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)較多的回收設(shè)備是意大利某公司的TR1000系列殘廢煙支煙絲回收設(shè)備。但是實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備處理后存在較明顯的煙支剝離不充分、煙絲中摻雜卷煙紙等問題。統(tǒng)計(jì)顯示，該設(shè)備加工傳統(tǒng)卷煙殘廢煙支煙絲回收率只有74.3%，純凈度只有94.4%，加工細(xì)支卷煙殘廢煙支煙絲回收率只有56.1%，純凈度只有92.7%。針對(duì)以上問題，陳平［4］采用壓空回收方法設(shè)計(jì)的殘廢煙支煙絲回收裝置處理后的回收煙絲純凈度較好，但對(duì)煙絲中的水分和香精損失較嚴(yán)重，而且難以同時(shí)滿足常規(guī)卷煙和細(xì)支卷煙的加工需求，加工適應(yīng)性較差。蔡培良等［5］采用破碎回收方法設(shè)計(jì)卷接機(jī)組殘廢煙支自動(dòng)回收分類裝置，但是混入煙絲的卷煙紙碎屑難以有效分離，尤其是針對(duì)煙支圓周變小的細(xì)支和中支卷煙殘廢煙支，影響回收煙絲的純凈度、煙絲整絲率和使用價(jià)值。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型殘廢煙支煙絲回收裝置，具備較好的煙絲回收率和處理效果，適應(yīng)于不同規(guī)格殘廢煙支處理，提升了回收煙絲使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 煙絲回收裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 殘廢煙支煙絲回收裝置結(jié)構(gòu)

圖1為YN30型殘廢煙支煙絲回收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要由喂料機(jī)構(gòu)、煙支搓打分離機(jī)構(gòu)、振動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、靜電吸附與負(fù)壓除雜、主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電控裝置等部分組成。支架在裝置中起支撐作用，由鋼板等材料焊接而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于零部件安裝。篩網(wǎng)旋轉(zhuǎn)軸和靜電輥共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在裝置底部，采用變頻器調(diào)節(jié)，通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾篩旋轉(zhuǎn)軸和靜電輥。在裝置正面設(shè)置PLD編程器和觸摸顯示屏，提高設(shè)備操作便捷性。為提升設(shè)備操作安全性，在多個(gè)門罩上設(shè)置斷電保護(hù)光電開關(guān)。

1.2 工作原理

殘廢煙支經(jīng)喂料機(jī)構(gòu)1以一定傾斜角度落入到搓打分離機(jī)構(gòu)3中，在搓打分離機(jī)構(gòu)中受搓絲螺桿及軸流風(fēng)扇葉片的逐級(jí)搓打擠壓，煙支中的煙絲從搓打分離機(jī)構(gòu)的網(wǎng)孔中分離出來，而卷煙紙和煙嘴等煙草輔料沿著搓打分離機(jī)構(gòu)內(nèi)的螺旋軌跡向前吹進(jìn)，最后從末端廢料出口排出落入雜物收集裝置5中。從搓打分離機(jī)構(gòu)網(wǎng)孔拋壓分離出來的煙絲，經(jīng)振動(dòng)導(dǎo)板4輸送到均料帶9上，煙絲中的碎紙片、碎紙屑和絲束等輕雜物及碎煙末均被料帶上方的靜電負(fù)壓除塵機(jī)構(gòu)8吸附分離，通過上方負(fù)壓吸附裝置將雜物輸送至廢料回收袋中，純化后的煙絲落入煙絲收集裝置6中。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)殘廢煙支進(jìn)料均勻順暢，提高后續(xù)搓打分離效果，在喂料斗前設(shè)置圓網(wǎng)盤并設(shè)計(jì)兩級(jí)料斗，前級(jí)圓料斗作為后級(jí)方形料斗的緩沖。前級(jí)圓料斗入料口設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形，后級(jí)方形斗下料均勻，能夠有效防止下料堵塞。考慮到操作安全，后級(jí)方形斗呈60°傾斜，防止操作人員清理斗槽時(shí)受旋轉(zhuǎn)葉片導(dǎo)致的機(jī)械傷害。喂料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.2 搓打分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免廢煙支密集下料造成堵塞和搓打不均，在篩網(wǎng)筒體底部設(shè)置鼓風(fēng)管6，使物料口落入的煙支分散開來，同時(shí)使沉積在篩網(wǎng)底部的廢煙支處于懸浮狀態(tài)，達(dá)到廢煙支物料被搓絲螺桿和打風(fēng)葉扇均打分離的目的?？紤]到廢煙支物料在篩網(wǎng)狀筒體中通過時(shí)間過短，容易導(dǎo)致殘余斷支拋絲不凈。經(jīng)測(cè)試，在滾筒內(nèi)設(shè)置4個(gè)分室隔離網(wǎng)欄，將滾筒內(nèi)部分為5個(gè)部分。分室隔離網(wǎng)欄結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

篩網(wǎng)旋轉(zhuǎn)軸由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，其傳遞方式為帶傳動(dòng)。由于安裝有搓絲螺桿和螺旋葉片，形狀不規(guī)則，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的精確理論較為復(fù)雜，因此利用SolidWorks輔助計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［9］。通過建立旋轉(zhuǎn)部件簡(jiǎn)化模型和旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)系，定義材質(zhì)質(zhì)量屬性，即可計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=18 571.985 kg·mm2，如圖5所示。

以理想工況下空載啟動(dòng)進(jìn)行估算，旋轉(zhuǎn)軸慣性矩T=J/（ω/t），旋轉(zhuǎn)軸功率P1=（T×ω）/η，電機(jī)輸出功率Pgt;KP1。旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速n為1 000 r/min，即ω=2πn=104.8 rad/s，啟動(dòng)時(shí)間t為0.5s。η為機(jī)械效率，取0.7，K為系數(shù)，取1.5。經(jīng)估算，電機(jī)功率P約為0.87kW，為保證設(shè)備電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，選擇額定功率1.5kW工業(yè)變頻主電機(jī)。上述設(shè)計(jì)的電機(jī)運(yùn)行情況良好，能滿足各類型廢煙支處理的需要。

2.4 煙絲提純系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6為煙絲提純系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)采用靜電吸附［10］和負(fù)壓剔除相結(jié)合的方式，包括振動(dòng)導(dǎo)板、運(yùn)料帶、靜電輥、刮板、負(fù)壓吸風(fēng)道等。其工作原理為：振動(dòng)導(dǎo)板位于篩網(wǎng)下方，使分離出的煙絲均勻平鋪，防止堆疊，保證雜物剔除效果。在振動(dòng)導(dǎo)板后的勻料帶上方設(shè)置靜電除雜系統(tǒng)，當(dāng)混有碎紙屑等雜質(zhì)煙絲流經(jīng)高壓靜電輥時(shí)，被極化后產(chǎn)生極性電位差，煙絲中碎紙屑及輕質(zhì)絲塵等雜物被吸附到旋轉(zhuǎn)的靜電輥表面，然后隨著靜電輥的轉(zhuǎn)動(dòng)被刮板刮下，通過負(fù)壓吸風(fēng)道吸走。

上述煙絲提純系統(tǒng)中靜電吸附過程為最關(guān)鍵步驟，為保證上述系統(tǒng)有效工作，需確保靜電輥在工作時(shí)能夠?qū)⒕頍熂埣埿嘉降届o電輥表面，同時(shí)不能將煙絲吸附到靜電輥表面，則：

Gp＜Fp（1）

Gt＞Ft（2）

式中：Gp為卷煙紙屑受到的重力；Fp為卷煙紙屑在靜電場(chǎng)中受到的靜電力；Gt為煙絲受到的重力；Ft為煙絲在靜電場(chǎng)中受到的靜電力，其中：

Gp=ρpSg（3）

Gt=ρtSg（4）

式中：ρp為卷煙紙的面密度；ρt為煙絲的面密度；S為電介質(zhì)面積；g為重力加速度。

為分析煙絲及卷煙紙屑在靜電場(chǎng)中受力，建立靜電吸附裝置工作原理圖如圖7所示。在靜電輥形成的電場(chǎng)中，卷煙紙屑和煙絲的體積相對(duì)于電場(chǎng)體積非常小，所以可以忽略其厚度［11］，而等效為只有一定面積的薄片狀電介質(zhì)。設(shè)在A點(diǎn)電介質(zhì)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，則根據(jù)靜電場(chǎng)中電介質(zhì)的受力分析［12］，有：

F=EσS（5）

W=χeε0E=σ（6）

εr=χe+1（7）

式中：F為電介質(zhì)在靜電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，N·C-1；σ為電介質(zhì)的極化電荷密度；W為電極化強(qiáng)度；χe為電極化率；ε0為真空介電常數(shù)，取值為8.85×10-12，C2·N-1·m-2；εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。綜合式（1）—式（7），可得：

按照標(biāo)準(zhǔn)方法《GB/T 1409—2006》測(cè)量煙絲的相對(duì)介電常數(shù)εrt和卷煙紙屑的相對(duì)介電常數(shù)εrp［13-14］，利用圖像法檢測(cè)煙絲和卷煙紙面積［15］，結(jié)合天平稱質(zhì)量得到卷煙后卷煙紙面密度、煙絲面密度，測(cè)量結(jié)果如下：

εrp=14.39，εrt=23.53，ρp=31.3×10-3kg/m2，ρt=70.4×10-3kg/m2。

將以上參數(shù)帶入式（8），計(jì)算得出：

39 217.34＜E＜76 302.03。

根據(jù)以上結(jié)論選擇靜電發(fā)生器，調(diào)整其安裝參數(shù)如表1所示。

3 效果驗(yàn)證

經(jīng)測(cè)試，YN30殘廢煙支煙絲回收裝置樣機(jī)廢煙處理能力達(dá)到46.5 kg/h，高于裝置設(shè)計(jì)處理廢煙能力30 kg/h，滿足裝備處理廢煙量的設(shè)計(jì)要求，其加工效果驗(yàn)證如下。

3.1 材料與方法

材料：云南中煙生產(chǎn)的常規(guī)卷煙云煙（紫）和細(xì)支卷煙云煙（細(xì)支珍品）。

設(shè)備與儀器：本文所研發(fā)的YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備和某卷煙廠生產(chǎn)五部廢煙線（下文稱“傳統(tǒng)廢煙線”，Garbuio公司生產(chǎn)，型號(hào)TR1000，由蒸汽回潮裝置、煙支剝離裝置、除雜裝置組成）。

方法：分別使用上述設(shè)備和卷煙進(jìn)行煙絲回收加工，對(duì)加工后煙絲回收率、煙絲純凈度、煙絲結(jié)構(gòu)（檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為YC/T 289—2009）、煙絲含水率（檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為YC/T 31—1996）等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

3.2 數(shù)據(jù)與分析

1）煙絲回收率對(duì)比分析

由表2可知，傳統(tǒng)廢煙線加工常規(guī)卷煙和細(xì)支煙的煙絲回收率分別為74.3%和56.1%，而采用YN30型裝備加工的煙絲回收率分別為81.7%和71.6%，均明顯高于傳統(tǒng)廢煙線，這說明采用YN30型裝備加工殘廢煙支具有較好的煙絲回收效率。

2）煙絲純凈度對(duì)比分析

由表2可知，YN30型裝備處理常規(guī)和細(xì)支卷煙廢煙的煙絲純凈度分別為99.6%和99.0%，顯著高于傳統(tǒng)廢煙線加工效果，說明YN30型裝備使用靜電吸附和負(fù)壓剔除的方式對(duì)煙絲進(jìn)行提純具有較好的可行性和處理效果。

3）煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

由表2可知，YN30型裝備處理常規(guī)和細(xì)支卷煙廢煙的煙絲整絲率分別為66.0%和62.0%，與傳統(tǒng)廢煙線處理效果相比較，整絲率指標(biāo)更好，碎絲率基本一致，說明YN30型裝備在煙絲結(jié)構(gòu)指標(biāo)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4）煙絲含水率對(duì)比分析

由表2可知，傳統(tǒng)廢煙線加工后的煙絲含水率提升幅度達(dá)0.60個(gè)百分點(diǎn)以上，主要是傳統(tǒng)廢煙線上在煙絲與輔料分離前設(shè)置有蒸汽回潮裝置，具有對(duì)殘廢煙支回潮的功能。YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備加工后的煙絲含水率會(huì)有一定程度的降低，但降低幅度小于0.32個(gè)百分點(diǎn)。

綜上分析可知，YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備具有良好的加工質(zhì)量保障能力，對(duì)常規(guī)卷煙和細(xì)支卷煙都具有良好的加工適應(yīng)性，可與在線卷煙機(jī)臺(tái)配套進(jìn)行在線廢煙處理煙絲回收，也可應(yīng)用于離線廢煙收集集中處理煙絲回收，具有良好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于搓打擠壓、靜電吸附和負(fù)壓剔除相結(jié)合原理研制了一種YN30型殘廢煙支煙絲回收裝備，實(shí)現(xiàn)了高回收率和較高處理工藝質(zhì)量的功能。通過與進(jìn)口設(shè)備對(duì)比測(cè)試分析，結(jié)果表明：加工常規(guī)卷煙殘廢煙支煙絲回收率≥80.0%，細(xì)支卷煙殘廢煙支煙絲回收率≥70.0%，煙絲純凈度≥99.0%，煙絲整絲率≥60.0%，碎絲率≤6.0%，加工前后煙絲含水率變化≤0.5%，能夠滿足常規(guī)卷煙和細(xì)支卷煙的殘廢煙支處理要求，在煙絲純凈度、煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲含水率等指標(biāo)方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有較好的適應(yīng)性、應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王軼，曾偉中，李強(qiáng)，等. 適宜細(xì)支殘煙處理裝置的改進(jìn)［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，49（8）：184-187.

［2］ 王漢嶺. 提高S200型廢煙回收機(jī)回收細(xì)長(zhǎng)煙支殘煙效率［J］. 科技資訊，2012，10（11）：100-101.

［3］ 李成剛，許克靜，王愛霞，等. 基于S400殘煙機(jī)的煙絲回收工藝優(yōu)化［J］. 食品與機(jī)械，2018，34（7）：215-219.

［4］ 陳平. 氣吹式殘煙支煙絲回收機(jī)的設(shè)計(jì)研究［J］. 機(jī)械工程師，2013（8）：38-39.

［5］ 蔡培良，李明，楊劍鋒，等. PROTOS-M5型卷接機(jī)組殘煙自動(dòng)回收分類裝置的設(shè)計(jì)［J］. 煙草科技，2017，50（4）：88-92.

［6］ 劉禹江，金姝彬，張朝暉，等. ZJ17卷接機(jī)組煙絲在線回收裝置的研制與應(yīng)用［J］. 煙草科技，2014，47（6）：26-28.

［7］ 祝榮壯. 一種煙絲精選裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2017，46（4）：75-78.

［8］ 葉松濤. FY36廢煙支處理機(jī)柔性分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析［J］. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（2）：2-3.

［9］ 王愛峰. 用SolidWorks計(jì)算零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［J］. 金屬加工（冷加工），2012（21）：73.

［10］ 秦建，張騰健，彭小冬，等. 打葉復(fù)烤二次靜電除雜工藝參數(shù)仿真與驗(yàn)證［J］. 福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，21（1）：14-19.

［11］ 劉浩，戴寧. 基于樹干振動(dòng)原理的核桃采收機(jī)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2023，52（1）：226-229.

［12］ 胡水. 靜電吸附式月壤微量采樣器設(shè)計(jì)研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2021.

［13］ 毛六平，唐艷，譚政華. 靜電測(cè)量及其程序設(shè)計(jì)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器，2001（1）：21-22，41.

［14］ 秦瑞霞，徐華東，陳能志，等. 基于介電譜的介電常數(shù)與木材含水率的相關(guān)性［J］. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（3）：162-169.

［15］ 余娜，徐大勇，堵勁松，等. 基于圖像法和粒度分形模型的打葉過程煙片結(jié)構(gòu)在線檢測(cè)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（5）：173-177.