卷烟机梗签二次分离装置结构参数的研究

王胜枝

摘要：卷烟中梗签的含量将严重影响卷烟的质量，目前国内烟草加工中梗签分离主要采用风分法，烟草企业主流中的卷接机组有PROTOS70卷接机组、PROTOS-M5卷接机组等，这些设备引进时间较早，存在梗签分离不彻底的现象，造成卷烟的质量不稳定，还因为烟丝的浪费产生极大地生产消耗、增加生产成本。本文通过采用实验法、逻辑分析法对梗签分离进行了空气动力学分析，从理论上探究了梗签分离技术，分析了梗签分离装置的工作原理，结合实验数据计算了分离装置的结构参数，为工作效率的进一步提高、降低分离后烟丝中的含梗签率奠定了基础。

Abstract： The content of stems and sticks in cigarette will seriously affect the quality of cigarette. at present， the separation of stems and sticks in domestic tobacco processing mainly adopts air separation method. In this paper， the aerodynamic analysis of stem - stick separation was carried out by experimental method and logical analysis method， the stem - stick separation technology was explored theoretically， the working principle of stem - stick separation device was analyzed， and the structural parameters were calculated according to the experimental data， which laid a foundation for further improving the work efficiency and reducing the stem - stick rate in the separated tobacco.

關键词：风分原理；梗签；烟丝；分离；结构参数

Key words： wind principle；terrier sign；tobacco shreds；separation；structural parameter

中图分类号：TS43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0177-03

0 引言

我国作为世界上最大的烟草消费国，烟支的种类在逐渐增多，因此必须在增加产量的同时保证卷烟质量。国内烟草企业卷接组设备机型老旧，梗签分离不彻底，导致烟丝中含梗率高、剔除梗签中含有少量烟丝，降低卷烟品质，同时增加生产消耗。为解决梗签分离不彻底问题，对卷烟机梗签二次分离装置工作原理、梗签分离过程加以探究，配置分离装置相关参数，提高梗签分离效果。

1 梗签二次分离装置

1.1 梗签二次分离装置的组成

该梗签二次分离装置整体构成如图1所示。原机梗签分离装置1的上端有入口下端有开口斜向下且管身倾斜的直通管道并与真空悬浮装置2相连。原机梗签分离装置1内壁上零散分布有三角形挡板。真空悬浮装置2下部与原机梗签分离装置以管道连通，顶部与负压发生器4用管道5连接，真空悬浮装置底端与梗签收集器相连，真空悬浮装置腔室内壁分布有挡板。负压发生器另一侧与离心风分装置6通过管道连接。离心风分装置的起端与负压发生器相连，前部为有正压气流的管道，管道的顶端延伸出两个半径不同的圆弧管道，直径较大的管道与原机烟丝料斗8连接，直径较小的管道与梗签收集器底部的管道一同连接到梗签回收集管7，烟丝料斗为分离后烟丝的储存装置。

1.2 装置工作原理

该梗签二次分离装置工作原理的核心是利用梗签和烟丝在流动的空气中受到的作用力不同，使得梗签和烟丝分离。当负压发生器工作时装置中有运动气流，烟丝和梗签在装置中受重力和气流的共同作用产生不同的运动效果，使得烟丝和梗签得以分离。首先烟丝和梗签进入原机梗签分离装置，因负压气流和重力的作用下落。装置内腔壁上分布有挡板，将物料中较大的团块在进入真空悬浮装置前碰撞分散。物料由真空悬浮装置的下方进入真空悬浮装置，利用烟丝和梗签的悬浮速度不同，使悬浮速度较小的烟丝随气流向上运动，进入离心风分装置、悬浮速度较大的梗签向下运动进入梗签收集器回收到梗签收集料斗。由于真空悬浮装置分离后的烟丝中仍然存在着少量悬浮速度与烟丝悬浮速度相近的梗签，所以这些梗签随着烟丝一同被带进离心风分装置，根据颗粒在气流中运动产生康达效应和文丘里效应[1]，烟丝会在气流中沿着离心风分装置的顶端贴壁运动落入原机烟丝料斗，质量较重的梗签在同样大小的气流中则落入梗签收集装置中。

2 空气动力学分析

2.1 空气流动的分析

当空间中的气压并不处处相等时，气压高处的气体就会往气压较低的位置流动，此时就会产生气流。我们把单位时间内通过特定表面的流体的体积称为流量L，流量计算公式L=VL·S，VL为流速S为管截面积在真空悬浮装置中，真空悬浮装置的中部腔室管截面积较大，而真空悬浮装置顶端管截面积较小。根据流体力学原理，管道入口的截面积决定流速的快慢[2]，因此腔室内的流速远远小于管道内的流速。由伯努利定理[3]可知，流速越大压强越小、流速越小压强越大，因此在真空悬浮装置与管道中形成压强差，由压强差产生强大的气流。

2.2 真空悬浮装置中烟丝和梗签的受力及运动状态

由于在生产实践中烟丝和梗签的实际形状相当复杂且实际测量也难以实现，因此我们对烟丝和梗签做力学分析时将其看做颗粒状[4]，通过对在真空悬浮装置中的颗粒进行受力分析可以得知这些固体颗粒在气流流场中受到的许多力的作用[5-7]，包括浮力、气流曳引阻力、惯性力、压力梯度力、重力、Stokes黏性阻力等。但只有纵向且较大的力对颗粒竖直方向运动有影响，所以我们只研究起主要作用的重力和气流曳引阻力。颗粒受重力作用记为G，力方向向下。颗粒在运动的气流中受气流曳引阻力记为F，力的方向与气流运动方向相同，F的计算公式为

式中：K为空气阻力系数、ρ为运动介质密度（此处为空气密度）（单位为kg/m3）、A为颗粒的迎风面积（单位为m2）、C为介质运动的绝对速度（单位为m/s）、V为颗粒在运动介质中的绝对速度（单位为m/s）。

根据重力G和气流曳引阻力F三种不同的大小关系可以得到颗粒三种不同的运动效果。①当重力G大于气流曳引阻力F时，颗粒受合力向下，因此颗粒向下运动。②当重力G等于气流曳引阻力F时，颗粒受到的作用向上和向下的力大小相互抵消后合力为零，因此颗粒处于悬浮状态，会在水平面做不规则运动，竖直方向无运动。③当重力G小于气流曳引阻力F时，颗粒受合力向上，因此颗粒向上运动。

2.3 离心分离装置中烟丝和梗签的受力及运动状态

在离心分离装置的竖直上升管道中，烟丝和梗签受到重力和气流曳引阻力的作用。整个装置各处空气的流速不同，进而对烟丝和梗签的分离效果不同。在竖直上升管道中烟丝和梗签做竖直向上的变速运动，当烟丝和梗签运动到离心风分装置的曲壁时，受到重力与沿曲壁倾斜的气流曳引阻力，将使得烟丝和梗签做斜抛运动。同时在康达效应和文丘里效应影响下，将会使得重量较轻、面积较大、曳引阻力较大的烟丝沿曲壁做曲线运动被抛出更远的距离，落入原机烟丝料斗中。而质量较重、面积较小、曳引阻力较小的梗签做斜抛运动被抛出的距离较近，进入梗签回收管中，使得烟丝和梗签再一次分离，达到梗签较为彻底分离的目的。

3 确定各部分的结构参数

3.1 真空悬浮装置的部分参数

3.1.1 真空悬浮室悬浮速度V0

真空悬浮装置的工作原理是利用烟丝和梗签的悬浮速度不同，使得烟丝和梗签在同一装置中有不同的运动效果，达到烟丝和梗签分离的目的。因此气流的流速选择尤为重要，气流流速应大于烟丝的悬浮速度小于梗签的悬浮速度。所以烟丝的悬浮速度是一个重要的参数，烟丝在运动的气流中受气流曳引阻力F、重力G。当气流对烟丝的气流曳引阻力等于烟丝重力时，即可求得烟丝的悬浮速度。

式中：初速度与水平方向的夹角θ=45°、梗签初速度V初=4.5m/s

计算得H=50mm，则离心风分装置的下壁曲率半径R1=H=50mm。由于烟丝的受力面积较大，故烟丝在做斜抛运动时仍受水平方向的曳引阻作用，同时根据康达效应和文丘里效应烟丝做沿曲壁运动的曲线运动，为增强分离效果取上壁曲率半径R2=2R1既得R2=100mm。

4 结论

要确定卷烟机梗签二次分离装置的结构参数，首先需要了解整个分离装置的各部分的工作原理，并对部分装置包括原机梗签分离装置、真空悬浮装置、离心风分装置等，进行详细的理论分析，然后结合空氣动力学采集相关数据进行计算得到卷烟机梗签二次分离装置的部分结构参数。参数的正确合理可以提高梗签分离装置的工作效率，使梗签分离的更彻底，分离后的烟丝含梗率降低，以降低成品烟支的破损率、提高了产品的质量。

参考文献：

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