梗签二次分离装置离心分离部分的结构分析研究

蔡培良

摘要：对分离装置的分析研究是卷烟机梗签分离的重要内容，分离装置的好坏直接影响着烟丝的纯度，最终影响成品卷烟质量。为了减少烟丝的浪费，节约资源，提高企业的经济效益，非常有必要将第一次分离出来的梗丝混合物进行进一步的分離。在现代工业中分离梗丝的方法很多，本文主要研究离心分离方法，对梗签二次分离装置的工作原理、主要结构参数等进行了研究，对梗、丝的运动及受力进行了分析。该离心分离装置安装在ZJ17卷烟机后，取得了较好的分离效果。

Abstract： The analysis of the separation device is an important part of the separation of cigarette machine. The separation device has a direct influence on the purity of the tobacco， and ultimately affects the quality of the finished cigarette. In order to reduce the waste of tobacco， save resources and improve the economic benefit of the enterprise， it is necessary to further detach the stem mixture from the first separation. There are many ways to separate stem and silk in the modern industrial. The principle of secondary separation device's working and the main structure parameters has been studied. The movement and stress of the stem and silk has been analyzed. Since the centrifugal separation unit was installed in the ZJ17 cigarette machine， we achieved good separation effect.

关键词：离心分离；结构；工作原理

Key words： centrifugal separation；structure；operating principle

中图分类号：TL25+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0164-03

1 绪论

随着卷烟工艺的不断进步和完善，卷烟产品中含梗签的问题成为各家卷烟工厂最为典型的难题。卷烟机在卷烟的过程中，经过第一次分离后，在烟丝中仍然会含有不少的烟梗，对这些烟梗如不能及时处理，将会对整个烟支的生产带来浪费，所以很有必要将第一次分离出的烟丝进行进一步的分离。

离心分离方法[1]与其它分离法相比具有分离过程简单、高效、成本低、分离物料下限粒度低、对环境友好等优点，由此本文采用了离心分离的方法对烟丝进行第二次梗签分离。

2 离心分离部分的结构研究及工作原理

2.1 结构研究

我们知道当分离液体中的多种固体杂质时，由于离心机等设备可产生相当高的角速度，使其离心力远大于重力，于是溶液中的悬浮物便易于沉淀析出，又由于比重不同的物质所受到的离心力不同，从而沉淀速度不同，能使比重不同的物质达到分离。根据分离原理[2]并结合卷烟工艺[3]要求，研发了一种梗丝分离装置，旨在把梗签进一步分离，提高经济效率。其结构图如图1所示。

整个梗签二次分离装置的离心分离部分大致由四个圆弧臂及三个通道相互配合而组成，包括与梗签第一次分离装置的连接口、进风口、梗签流动通道、梗丝分离通道、烟丝流出通道、烟梗流出通道。

2.2 工作原理的分析

首先，通过软管把梗签二次分离装置的前一个结构装置与此离心分离装置的通道1连接起了，把梗签进行第一次分离后，分离出来的梗丝混合物在通有一定大小的正气压（1.8～2.3bar）下被吹入到通道1中[4]。

然后，梗丝混合物受所给正气压的影响会继续前进，在图1中可以看出，梗丝混合物经通道1流向圆弧臂1时通道的横截面积变小，并产生比先前较大的速度，此时具有较大速度的空气和梗丝混合物会沿着圆弧臂1的内道作圆周运动。梗丝混合物的密度比空气大，梗丝混合物产生的离心力比空气大，因此梗丝混合物紧贴着圆弧臂1的外圆弧内壁向前运动。

最后，分离通道突然变成两个，横截面积变大，使得气流在分离通道内的速度变慢，使得梗、丝所受的离心力都变小，由于烟丝与烟梗的密度不同，它们所受的力也不同。此时烟丝所受的离心力还大于自身的重力，那么烟丝被旋起继续沿着圆弧臂2的外圆弧内壁流动；而相对于成品烟丝较重的烟梗不能被旋起，所受的离心力已小于自身的重力，在自身的重力下便远离圆弧臂1的外圆弧内壁，经圆弧臂3流动。最终，成品烟丝经通道3流出，而烟梗经通道2流出，从而达到梗签的二次分离。

3 离心分离部分结构分析

3.1 梗丝的运动分析

梗丝混合物在第一次分离后，需要软管连接进入第二次分离的离心分离装置中。我们知道烟丝与烟梗都是一块一块的，可把其看做一个个的颗粒，然后对这些颗粒进行力的分析。在大多数情况下除阻力以外的各种横向力都不是很重要，所以分析颗粒在受力时只考虑纵向力，因此把颗粒的运动看成简单的一维运动[5]-[6]，取一个烟丝颗粒进行分析，颗粒受力示意图如图2所示。

综上所述，要想物体做离心运动需要使F离>Gcosθ（0<θ<90）。

3.2 结构参数确定

由于此离心分离装置，需要在通道1处通过软管与前一装置连接，通道1的内径取32mm，通道1只是为了与软管进行装配，一般取30mm，壁厚取3mm。

由于梗丝混合物进入通道1后需要使烟梗烟丝受到一定大小的离心力，并且也要使梗丝混合物的速度达到均匀，如果直接在通道1处设计圆弧分离通道可会使弧度变小、达不到离心分离的效果，还有可能给另一端的安装带来困难、影响整体结构的美观。故在通道1高90mm处设计离心分离通道，借助于solid works三维软件，以通道1顶部处为基准面放样到圆弧分离通道处。

由公式（1）～（3）计算出梗签悬浮速度为5.0～5.5m/s，烟丝的悬浮速度为2.0～2.3m/s，要想使梗、丝都能向上流动需要使流体速度大于烟梗的悬浮速度，故取流体速度为6m/s，根据前一装置的要求取通向通道1的气压为（1.8～2.3bar）[7]。

根据有关数据统计[8]，烟丝密度为1001kg/m3，烟梗密度为2570 kg/m3，一根84mm规格普通直径香烟烟丝的重量大约在1.05～1.18克之间，一个烟丝颗粒的直径大约为1mm，一个烟梗颗粒的直径大约为5mm，根据球体的计算公式可求得一个烟丝、烟梗颗粒的质量。

物料进入通道1时，在上面选定流体的速度为6m/s，由于烟丝及烟梗的质量很小常忽略它们的阻力，取它们的运动速度为6m/s，当物料继续前进进入到圆弧臂1的尾部时，通道的横截面积增大，根据流体的质量守恒定律，物料的流速会变小，那么横截面积变为多少合适呢，这与圆弧臂1的内外圆弧半径有关，至于圆弧臂2的内圆弧半径以及圆弧臂3的外圆弧半径为多少有合适呢，下面进行分别讨论。

首先，圆弧臂1的内圆弧半径的大小变化对整个装置没有太大的影响，根据工艺要求[9]取其半径为70mm，然后确定其外圆弧半径的大小，外圆弧半径的大小直接影响着横截面积的大小，而横截面积的大小又影响梗丝的速度，而速度又与离心力有关，故可在不同速度下考虑内圆弧半径的大小。

在进行工作原理分析时可知梗、丝在通道1处，在通入气流的作用下速度最大，由于烟丝及烟梗颗粒都非常小，其速度可以等于通入气流的速度，梗丝继续流动后通道的横截面积变大，速度变小，使得梗、丝所受的离心力变小，从而达到分离，那么多大的速度才能使梗丝分离？多的弧度半径合适呢？根据公式（4）及重力公式计算出不同速度下的圆弧半径，如表1所示。

由表1可知，速度越大其圆弧半径取得就越大，由于此结构尺寸不能过大，故可取速度V=1.2时，半径r=0.146m，即圆弧臂1的外圆弧半径为146mm，由速度及通道横截面积的变化比，圆弧臂3的外圆弧半径取65mm，而圆弧臂2的内径可取100mm。

4 结论

把此离心分离装置安装到ZJ17卷烟机上进行工作，进行20个工作日梗中含丝率的调查，得到如表2所示的结果。

从表2可以看出，某软珍品香烟平均含丝率为1.98%，某品牌香烟为1.62%，ZJ17卷烟机剔除梗签中梗中含丝率平均值为1.80%。把安装前的剔除率与安装后的进行对比，测试结果表明，安装此离心分离结构后剔除率由先前的20.33%降到1.80%，能够使烟梗、烟丝进一步分离，有效提高了梗-丝二次分离效果，梗中含丝量大大降低，有效提升了卷烟生产质量。

参考文献：

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[2]覃仕辉.对卷烟机梗丝分离原理的认识[N].东方烟草报，2005-12-17（1）.

[3]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京：中央文献出版社，2003：105-109.

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[5]Rabinovich E， Kalman H. Generalized master curve for threshold superficial velocities in article-fluid systems [J]. Powder Technology， 2008， 18（3）：304-313.

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[8]王爱霞，杨耀伟，熊安言.PROTOS70卷接机组梗签风选系统参数优化[J].中国科技纵横，2011，10（23）：351.

[9]陈良元.卷烟生产工艺技术[M].郑州：河南科学技术出版社，2002：56-60.