朱昭德，高 津，陸 驤，唐 宏，溫 靜，張皓然，陳 金，宋浩宇，張曉磊，高軍浩，張長(zhǎng)弓

1.貴州煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司銅仁復(fù)烤廠，貴州省銅仁市高新區(qū)銅仁復(fù)烤廠554300

2.秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河北省秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道67號(hào)066004

打葉復(fù)烤是卷煙制絲生產(chǎn)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)［1］，主要依靠打葉機(jī)組（包括打葉器、風(fēng)分器、落料器）和煙葉復(fù)烤設(shè)備完成。打葉機(jī)組中常用的風(fēng)分器有馬克式撥葉輥拋料風(fēng)分器和高速皮帶拋料風(fēng)分器（以下稱高速皮帶風(fēng)分器），在生產(chǎn)中一般是串聯(lián)多臺(tái)風(fēng)分器進(jìn)行風(fēng)分。其中，高速皮帶風(fēng)分器因造碎率低、設(shè)備占地面積小而被廣泛應(yīng)用［2］。近年來(lái)，新版《卷煙工藝規(guī)范》［3］對(duì)打葉復(fù)烤的各項(xiàng)指標(biāo)提出了更高要求，而常規(guī)高速皮帶風(fēng)分器受風(fēng)分載荷高、拋料角度固定等因素的限制，難以進(jìn)一步提升大中片率、減少片煙造碎以及降低葉中含梗率。針對(duì)此問(wèn)題，張忠峰等［4］采用氣流拋料器替代高速皮帶以解決拋料角度不可調(diào)的問(wèn)題，有效提升了風(fēng)分效率和各項(xiàng)性能指標(biāo)的穩(wěn)定性；陳秋榮等［5］采用降低高速皮帶拋料速度、增加風(fēng)力補(bǔ)償?shù)确椒▉?lái)改善拋料效果，同時(shí)減少了高速皮帶的維護(hù)工作量；陸俊平等［6］采用低速帶或低速振槽替代高速皮帶送料同時(shí)利用風(fēng)嘴和機(jī)械輥進(jìn)行二次拋料來(lái)改善拋料效果，解決了高速皮帶跑偏、回帶煙葉等問(wèn)題；李朋等［7］將高速皮帶與風(fēng)分器進(jìn)行軟連接，并通過(guò)調(diào)節(jié)支腿高度來(lái)改變拋料角度，調(diào)整范圍控制在5°以內(nèi)，避免對(duì)拋料效果產(chǎn)生較大影響。但對(duì)于如何解決高速皮帶風(fēng)分器風(fēng)分載荷高、不能進(jìn)行精細(xì)風(fēng)分的問(wèn)題則鮮見報(bào)道。為此，在高速皮帶風(fēng)分器的基礎(chǔ)上，基于重質(zhì)分流技術(shù)設(shè)計(jì)了一種重質(zhì)分流風(fēng)分器，通過(guò)對(duì)重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉合理分流，避免風(fēng)分器超負(fù)荷運(yùn)行，以期進(jìn)一步提升打葉機(jī)組的生產(chǎn)性能。

1 問(wèn)題分析

如圖1a所示，片煙經(jīng)一級(jí)打葉后依次進(jìn)入6臺(tái)串聯(lián)的高速皮帶風(fēng)分器。每臺(tái)風(fēng)分器篩分出的輕質(zhì)葉經(jīng)過(guò)落料器后由皮帶機(jī)匯總收集，剩余煙葉被輸送至下一臺(tái)風(fēng)分器繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)分，篩分出的重質(zhì)葉和未分出的輕質(zhì)葉被輸送至二級(jí)打葉。如圖1b所示，風(fēng)分過(guò)程中煙葉由傾斜的高速皮帶1拋撒至風(fēng)分倉(cāng)，在倉(cāng)內(nèi)上升氣流（風(fēng)選風(fēng)7）的作用下懸浮并因質(zhì)量不同而分層，輕質(zhì)葉和剩余煙葉分別從出口5和出口6脫離風(fēng)分器。為確保高速皮帶不跑偏并降低維護(hù)難度，要求皮帶運(yùn)行速度≤5 m/s，有效風(fēng)分寬度≤2 440 mm。根據(jù)精分要求（即風(fēng)分器寬度方向負(fù)荷為2.3 kg/mm）計(jì)算高速皮帶風(fēng)分器的額定負(fù)荷為5 600 kg/h。當(dāng)風(fēng)分器超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，片煙堆積厚度增加，風(fēng)選風(fēng)難以穿透堆積層，造成輕質(zhì)葉風(fēng)分效果不佳，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)大中片率降低以及造碎率增加等問(wèn)題，只能通過(guò)適度調(diào)節(jié)風(fēng)選風(fēng)量改善風(fēng)分效果。目前在流量為12 000 kg/h的打葉機(jī)組中，一般將1#、2#風(fēng)分器（圖1a）并聯(lián)以降低單臺(tái)機(jī)器負(fù)荷，但每臺(tái)風(fēng)分器仍然處于滿負(fù)荷（6 000 kg/h）運(yùn)行狀態(tài)。若增大風(fēng)量，則篩分出的輕質(zhì)葉中會(huì)含有大量重質(zhì)葉，造成葉中含梗率超標(biāo)；若減小風(fēng)量，則大量輕質(zhì)葉被輸送至后序工序，造成3#～6#風(fēng)分器負(fù)荷增大，進(jìn)而導(dǎo)致大中片率和造碎率超標(biāo)。

圖1 改進(jìn)前一級(jí)風(fēng)分流程（a）及高速皮帶風(fēng)分器結(jié)構(gòu)示意圖（b）Fig.1 Flow of first stage pneumatic separation（a）and structure of pneumatic separator with highspeed belt（b）before modification

2 改進(jìn)方法

2.1 重質(zhì)分流風(fēng)分器工作原理

如圖2a所示，針對(duì)風(fēng)分器因超負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致風(fēng)分效果不佳等問(wèn)題，對(duì)高速皮帶風(fēng)分器進(jìn)行了改進(jìn)，基于重質(zhì)分流技術(shù)設(shè)計(jì)了一種重質(zhì)分流風(fēng)分器。使用2臺(tái)并聯(lián)的重質(zhì)分流風(fēng)分器替代原打葉機(jī)組中的1#、2#風(fēng)分器。經(jīng)一級(jí)打葉后的片煙經(jīng)重質(zhì)分流風(fēng)分器風(fēng)分后，輕質(zhì)葉被匯總收集送入下一級(jí)工序，重質(zhì)葉被匯總輸送至二級(jí)打葉，剩余煙葉依次進(jìn)入3#～6#高速皮帶風(fēng)分器繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)分。

如圖2b所示，重質(zhì)分流風(fēng)分器采用高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械輥2替代高速皮帶進(jìn)行拋料，并在機(jī)械輥2下方增加了導(dǎo)料板1；將原剩余煙葉出口劃分為重質(zhì)葉出口7和剩余煙葉出口6，配合活動(dòng)擋板5實(shí)現(xiàn)重質(zhì)葉的分流；機(jī)械輥2上安裝有可調(diào)節(jié)高度的齒形板［6］，當(dāng)機(jī)械輥2高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣流可以將進(jìn)入齒形板的重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉拋入風(fēng)分倉(cāng)，并對(duì)片煙起到松散作用；根據(jù)重質(zhì)葉的拋物線軌跡可調(diào)整導(dǎo)料板1的角度，進(jìn)而改變拋料角度與拋料距離；活動(dòng)擋板5可上下移動(dòng)，用于調(diào)整重質(zhì)葉的篩分比例。當(dāng)加工不同部位、不同等級(jí)煙葉時(shí)，根據(jù)重質(zhì)葉的質(zhì)量、懸浮速度調(diào)整機(jī)械輥2拋料速度、導(dǎo)料板1角度以及活動(dòng)擋板5高度，可以使重質(zhì)葉、輕質(zhì)葉拋出后因懸浮速度不同而自然分層。分層后的片煙中，大部分輕質(zhì)葉被篩分出，一部分重質(zhì)葉受活動(dòng)擋板5阻擋而下落到輸送網(wǎng)板3上，剩余煙葉從活動(dòng)擋板5上方進(jìn)入剩余煙葉出口6。

1.導(dǎo)料板2.機(jī)械輥3.輸送網(wǎng)板4.輕質(zhì)葉出口5.活動(dòng)擋板6.剩余煙葉出口7.重質(zhì)葉出口8.風(fēng)選風(fēng)

2.2 重質(zhì)分流風(fēng)分器參數(shù)的確定

重質(zhì)分流風(fēng)分器的組成以結(jié)構(gòu)制作件為主，在運(yùn)行過(guò)程中不需要維護(hù)，其最大寬度達(dá)到3 660 mm，根據(jù)精分計(jì)算得到單臺(tái)額定負(fù)荷最大約為8 400 kg/h，并聯(lián)使用2臺(tái)重質(zhì)分流風(fēng)分器即可滿足12 000 kg/h打葉機(jī)組的生產(chǎn)要求?？紤]到節(jié)能降耗要求，最終選用寬度為3 050 mm的重質(zhì)分流風(fēng)分器。

2.3 重質(zhì)葉拋料運(yùn)動(dòng)軌跡的確定

由于重質(zhì)葉與輕質(zhì)葉的懸浮速度不同，故運(yùn)動(dòng)軌跡也不同。在x、y兩個(gè)方向上，重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉的運(yùn)動(dòng)軌跡可通過(guò)運(yùn)動(dòng)微分方程和解微分的理論進(jìn)行計(jì)算：

式中：m為物料質(zhì)量，kg；ux、uy為物料速度水平分量和豎直分量，m/s；Cd為氣流阻尼系數(shù)；Ap為物料在垂直氣流方向的投影面積，m2；ρj為氣流介質(zhì)密度，kg/m3；ρp為物料密度，kg/m3；uj為氣流速度，m/s；α為氣流傾角，（°）；u0為物料初速度，m/s；β為物料初速度傾角，（°）；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)公式（1）和（2）計(jì)算并繪制重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖3），可見重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉被拋出后出現(xiàn)兩種不同軌跡，且改變拋料速度u0和角度β對(duì)重質(zhì)葉軌跡的影響大于輕質(zhì)葉：在相同拋料角度（β=0°）下逐漸增大拋料速度，重質(zhì)葉水平速度增大，落點(diǎn)逐漸趨于遠(yuǎn)端；在同等拋料速度（u0=2 m/s）下增大拋料角度，重質(zhì)葉水平速度減小，落點(diǎn)逐漸趨于近端。重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉在不同拋料角度和速度下的運(yùn)動(dòng)軌跡為重質(zhì)葉的分流及其出口位置的設(shè)計(jì)提供了理論支持。

圖3 輕質(zhì)葉和重質(zhì)葉受拋料速度和角度影響的運(yùn)行軌跡Fig.3 Moving trajectory of lighter and heavier tobacco affected by projecting speed and angle

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：貴州省銅仁市2020年產(chǎn)WCC3F等級(jí)（C2F和C3F混 打，C2F占 比15.4%，C3F占 比84.6%）中部煙葉。

設(shè)備：12 000 kg/h打葉機(jī)組（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司），其中一級(jí)風(fēng)分中1#、2#風(fēng)分器采用有效風(fēng)分寬度為3 050 mm的重質(zhì)分流風(fēng)分器且并聯(lián)使用，3#～6#風(fēng)分器采用有效風(fēng)分寬度為2 440 mm的高速皮帶風(fēng)分器；CA24.DA質(zhì)量控制振動(dòng)篩（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；賓德M-115干燥箱（德國(guó)Binder公司）；CA13葉中含梗率測(cè)定儀（北京長(zhǎng)征高科技公司）；RX-29-10多層振動(dòng)篩分器（美國(guó)W.S.TYLER公司）；LA34111S型電子秤（感量0.1 g，德國(guó)Sartorius公司）；CAP223S型電子天平（感量0.001 g，德國(guó)Sartorius公司）；62MAX型測(cè)溫槍（美國(guó)FLUKE公司）。

方法：①設(shè)置兩種風(fēng)分器的煙葉流量均為6 000 kg/h，分別對(duì)風(fēng)分器進(jìn)口處、出口處的煙葉進(jìn)行取樣。按照GB/T 21137—2007［8］檢測(cè)風(fēng)分前煙葉中輕質(zhì)葉、重質(zhì)葉所占比例；根據(jù)文獻(xiàn)［9］計(jì)算兩種風(fēng)分器的風(fēng)分效率；按照GB/T 21136—2007［10］檢測(cè)并計(jì)算輕質(zhì)葉出口處煙葉的葉中含梗率；按照GB/T 21137—2007［8］檢測(cè)并計(jì)算重質(zhì)葉出口處的流量及輕質(zhì)葉的比例。每個(gè)樣品重復(fù)取樣3次，間隔5 min，取平均值。②在相同測(cè)試條件下對(duì)比改進(jìn)前后打葉機(jī)組的大中片率、葉中含梗率、造碎率等關(guān)鍵工藝指標(biāo)，采用M-115干燥箱和62MAX型測(cè)溫槍檢測(cè)重質(zhì)葉樣品在一級(jí)風(fēng)分前和二級(jí)打葉前的溫度和含水率，對(duì)比水分和溫度散失情況，取平均值進(jìn)行對(duì)比。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 改進(jìn)前后風(fēng)分器風(fēng)分效率對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，煙葉經(jīng)一級(jí)打葉后，重質(zhì)葉和輕質(zhì)葉所占比例分別為61%和39%，因2臺(tái)重質(zhì)分流風(fēng)分器并聯(lián)且均勻分料，單臺(tái)重質(zhì)分流風(fēng)分器的煙葉流量為6 000 kg/h，其中輕質(zhì)葉流量為3 660 kg/h，重質(zhì)葉流量為2 340 kg/h。如表1所示，重質(zhì)分流風(fēng)分器風(fēng)分效率為70.67%，與高速皮帶風(fēng)分器相比提高6.57百分點(diǎn)，葉中含梗率控制在0.65%以內(nèi)；由于重質(zhì)葉分流比例超過(guò)45%，且重質(zhì)葉中輕質(zhì)葉含量在1.5%以內(nèi)，減少了后續(xù)工序的造碎；經(jīng)計(jì)算，進(jìn)入3#高速皮帶風(fēng)分器的片煙流量未超過(guò)4 700 kg/h，低于其額定負(fù)荷，由此提高了3#～6#風(fēng)分器的風(fēng)分效率。

表1 改進(jìn)前后風(fēng)分器測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of pneumatic separators before and after modification （%）

3.2.2 重質(zhì)葉溫度和含水率對(duì)比

如表2所示，改進(jìn)后重質(zhì)葉在二級(jí)打葉前的含水率和溫度分別提高1.5百分點(diǎn)和7.3℃，原因在于輕質(zhì)葉與重質(zhì)葉分流，避免了重質(zhì)葉因長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離風(fēng)選而造成溫度和水分流失，提高了片煙耐加工性，有利于減少煙葉造碎［11］。

表2 改進(jìn)前后打葉機(jī)組重質(zhì)葉含水率和溫度對(duì)比Tab.2 Moisture content and temperature of heavier tobacco before and after modification of threshing line

3.2.3 改進(jìn)前后關(guān)鍵工藝指標(biāo)對(duì)比

如表3所示，改進(jìn)后打葉機(jī)組采用了重質(zhì)分流風(fēng)分器+高速皮帶風(fēng)分器的風(fēng)分組合方式，葉中含梗率降低至1.2%以下，大中片率達(dá)到86.10%，造碎率控制在0.25%以內(nèi)，能夠滿足葉梗分離后片煙結(jié)構(gòu)的工藝指標(biāo)要求。

表3 改進(jìn)前后打葉機(jī)組工藝指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Technical indexes of threshing line before and after modification （%）

4 結(jié)論

基于重質(zhì)分流技術(shù)對(duì)打葉機(jī)組中的風(fēng)分器及一級(jí)風(fēng)分流程進(jìn)行了改進(jìn)，采用機(jī)械輥進(jìn)行拋料，通過(guò)導(dǎo)料板調(diào)節(jié)拋料角度和距離，增加重質(zhì)葉出口并通過(guò)活動(dòng)擋板將重質(zhì)葉直接輸送至二級(jí)打葉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)葉與重質(zhì)葉分流，從而避免了重質(zhì)葉溫度和水分的流失，降低了風(fēng)分器的風(fēng)分負(fù)荷。以貴州煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司銅仁復(fù)烤廠生產(chǎn)加工的WCC3F烤煙煙葉為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：與高速皮帶風(fēng)分器相比，重質(zhì)分流風(fēng)分器的風(fēng)分效率提高6.57百分點(diǎn)；改進(jìn)后打葉機(jī)組進(jìn)入二級(jí)打葉的重質(zhì)葉含水率和溫度分別提高1.5百分點(diǎn)和7.3℃，大中片率提高0.69百分點(diǎn)，造碎率和葉中含梗率均降低0.23百分點(diǎn)，有效提升了打葉機(jī)組的性能指標(biāo)。