辊轴式片烟尺寸调控系统的设计与应用

赵森森，王宝林，杨永锋，刘向真，马一琼，刘茂林

河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街9 号 450000

打叶复烤是卷烟制丝生产的基础［1］，经加工后的片烟尺寸、片烟均匀性与卷烟烟丝结构、烟丝质量密切相关［2-4］，而烟丝结构和质量则是影响卷烟质量和卷制效率的重要因素［5-8］。因此，在打叶复烤生产中获得具有合理尺寸的片烟成为当前的研究热点。罗登山等［9］研究认为，打叶后片烟尺寸的最佳范围为10 mm×10 mm～35 mm×35 mm，记为适宜片型。新版《卷烟工艺规范》［10］中提出，应将打叶后的大片率控制在＜45%范围内。可见，打叶复烤的片烟尺寸指标已从追求大中片率转变为“降大片、提中片”，片烟尺寸调控则成为打叶复烤工艺的难点和重点。当前对于打叶复烤片烟尺寸调控的途径主要有两种，一种是优化调整打叶框栏［11-12］，另一种是增加筛分装置［13］。这两种方法都是基于筛网筛分原理，在处理过程中要经过二次打叶工序，虽然降低了大片率，提高了中片率，但由于工艺过程处理强度较大，造碎明显增加。为此，基于差速柔打原理，设计了一种辊轴式片烟尺寸调控系统，并对其调控效果进行验证，以期提高适宜片型比例，降低片烟叶中含梗率，满足卷烟产品对片烟尺寸的需求。

1 系统设计

1.1 结构组成

辊轴式片烟尺寸调控系统主要由振动输送机、辊轴筛分设备、大片二次处理设备和风选设备4 大部分组成，见图1。其中，振动输送机由振槽实现对松散物料摊薄、截面加宽工作，提升筛分效率；辊轴筛分设备的作用是分离出不小于设定尺寸的片烟；大片二次处理设备主要对筛分出的超大片进行剪切，以减小片烟面积；风选设备的作用是从剪切后的片烟中分离出含梗片烟。

1.2 振动输送机

振动输送机是一种无牵引构件的连续输送设备，通过共振原理实现对松散物料的横截面加宽和输送。振动输送机包括进料装置、槽体、主振弹簧、驱动装置、卸料装置等部分，见图2。物料通过进料装置进入槽体；驱动装置转化动能并传送至主振弹簧；主振弹簧可以使振动输送机具有合适的近共振工作点，进行动能与势能相互转化，以有效利用振动能量对物料进行加宽和摊薄并自左向右输送；物料通过卸料装置进入后续工序。

1.3 辊轴筛分设备

辊轴筛分设备包括主体支架、主体支架上的机架槽体以及位于机架槽体底部的物料输送装置等部分，见图3。机架槽体前端设置有来料落料口，末端上部设置有大尺寸片烟出料口，末端下部对应的物料输送装置上设置有筛除大尺寸片烟的出料口；物料输送装置的上方设置有若干同向转动的拨动辊。

基于差速惯性和截面筛分原理设计的辊轴筛分设备，由若干平行排列并同步转动的轴组成，轴上按一定间隔串联着齿轮状转盘，转盘与转盘之间、转盘与辊轴之间的间隙构成筛孔。当来料片烟进入辊轴筛时，拨动辊对片烟施予加速度，使片烟运动速度加快，与辊轴间的速度差产生惯性，进而使物料层逐渐变薄并形成平铺面。在辊轴推动片烟向前移动过程中，拨动辊上的片烟以波动形式向前运动。较小片烟通过转盘与辊轴间的筛孔直接下落，中小片烟借助拨动辊的扰动，以竖斜或垂直方式下落，超大片烟在拨动辊上继续向前移动，由此实现大小片烟的分离。

由图4 可见，拨动辊上带有辊齿，辊轴横截面上共有4 根辊齿，呈90°等间距分布，并垂直于辊轴轴线；通过调节同一轴线上辊齿与辊轴的间距，可调整筛孔面积，进而实现不同尺寸片烟的分离。在筛分过程中，形成筛孔的辊齿与辊轴均呈持续运动状态，避免了筛网式筛分装置中较大尺寸片烟容易堵塞筛孔的问题。通过辊轴筛分设备，可有效增加小尺寸片烟与筛孔的接触面积，提高筛分能力。

1.4 大片二次处理设备

大片二次处理设备包括主体机架、主体机架上的柔打室等部分，见图5。柔打室上方设置有来料落料口，下方设置有片烟出料口；柔打室内部安装有两根相向转动的工作辊，每个工作辊的辊体在轴向上等间距分布有若干个辊齿带，每个辊齿带上等间距分布有若干根辊齿，两个工作辊的辊齿错位设置。调整工作辊间距、辊齿轴向与径向间距可控制剪切后的片烟大小。

大片二次处理设备主要基于差速柔打原理实现辊轴筛分后超大片烟的二次剪切，在剪切过程中保持片烟尺寸均匀一致并减少造碎。当来料片烟进入大片二次处理设备后，利用辊齿间差速运动产生的撕扯力及剪切力，实现超大片烟剪切并在辊齿相对旋转运动中将剪切后的片烟输出。辊齿间的间距可以保持片烟尺寸均匀一致，在剪切过程中无撕裂处理，避免产生片烟造碎。

1.5 风选设备

风选是利用烟梗与片烟之间悬浮速度的差异，借助风力剔除烟梗的方法。研究表明，超大片含梗率对片烟含梗率的贡献达30%［14］。因此，在大片二次处理设备后增设风选设备，主要作用是剔除烟梗及部分重质杂物，降低成品片烟的叶中含梗率。风选设备由片烟出口、上箱体、二次抛料风分、挡板等部分组成，见图6。来料通过气力输送进入风分室内，通过一次抛料辊均匀地将混合物抛向风分室，风分室提供自下而上的空气流，对叶梗混合物进行分离，通过控制风速得到理想的片烟。分离出的含梗片烟经过二次抛料辊，通过二次均匀混合后进入风分室进行二次风分，筛分出的片烟自片烟出口流入下一道工序，含梗片烟通过网带向前移动，经气锁调节的出料口排出，回掺至二级打叶处进行再处理。

2 应用效果

2.1 试验设计

2.1.1 材料与设备

材料：2018 年河南省平顶山产C3F 烤烟烟叶。

设备：片烟结构综合检测系统（河南中烟工业有限责任公司，南京焦耳科技有限责任公司联合研制）；RS-29-10 型旋转振动筛分机（美国W S Tyler 公司）；河南宝丰复烤厂“黄金叶”专线（生产流量10 000 kg/h）。

2.1.2 方法

分别采用优化框栏工艺（T1）、平板振动筛分复打工艺（T2）和辊轴式片烟尺寸调控系统（T3）3种方式对打叶后片烟尺寸进行调控，并对片烟尺寸、叶中含梗率、均匀性系数进行对比分析，对照为常规打叶复烤工艺（CK）。

①按照YC/T 449—2012［15］的方法在复烤线储柜出口处取样，取样间隔10 min，每组取样5 个，每个处理工艺取1 组。将片烟尺寸按照＜10 mm ×10 mm、适宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）和＞35 mm×35 mm 划分为3 个区间。在图像法检测中，面积＜100 mm2的片烟等效为＜10 mm×10 mm 区间，面积大于1 225 mm2的等效为＞35 mm×35 mm 区间，其余等效为10 mm×10 mm～35 mm×35 mm 区间。②按照GB/T 21136—2007［16］的方法进行检测，计算叶中含梗率。

2.1.3 数据分析

采用SPSS 26.0 软件，利用方差分析对数据进行统计和分析。

2.2 结果与分析

2.2.1 片烟尺寸分布

由表1 可知，3 种调控工艺及CK 处理后的片烟尺寸分布差异呈极显著水平（P＜0.01）。对于片烟尺寸＜10 mm×10 mm，表现为T1 处理最大，T2 处理居中，CK、T3 处理最小，但差异不显著。3种处理均会增加片烟造碎，其中以T1 处理增加造碎最多，较CK 增加3.19 百分点；以T3 处理增加造碎最少，较CK 仅增加0.27 百分点。

表1 不同处理对片烟尺寸的影响①Tab.1 Effects of different treatments on size of tobacco strips （%）

对 于 片 烟 尺 寸10 mm×10 mm ～35 mm×35 mm，3 种处理均能显著提升适宜片型的比例，其中T3 处理提升效果最好，较T1、T2 处理分别提升15.98、3.32 百分点。平板振动筛分复打工艺（T2）提升效果稍差的原因可能是平板振筛在筛分过程中容易出现筛孔堵塞情况，进而影响筛分效果，而辊轴式片烟尺寸调控系统采用滚动筛分方式，可有效避免筛孔堵塞现象，提高筛分效率。

对于片烟尺寸＞35 mm×35 mm，3 种处理后大片比例较CK 均显著降低，其中T2、T3 处理效果最好，T3 又优于T2 处理。综合来看，片烟尺寸调控效果表现为辊轴式片烟尺寸调控系统＞平板振动筛分复打工艺＞优化框栏工艺＞常规打叶复烤工艺，辊轴式片烟尺寸调控系统效果最好，适宜片型占比最多，且造碎较少；平板振动筛分复打工艺次之；优化框栏工艺可提高适宜片型比例，但造碎增加较多。

2.2.2 叶中含梗率

叶中含梗率高会使后续制丝环节产生较多梗签，出现卷烟产品被刺破、掉头等质量问题。因此，打叶后叶中含梗率越低卷烟质量越好。由表2可知，3 种处理均可显著降低打叶后叶中含梗率，且差异不显著，但辊轴式调控系统处理后的叶中含梗率最低，较CK 降低0.5 百分点，较T1 和T2 处理分别降低0.19、0.12 百分点，这可能与辊轴式调控系统降低较多的大片烟比例有关。

2.2.3 均匀性系数

由表3 可知，3 种处理后均匀性系数差异不显著。其中，T3 处理后均匀性系数最高，并显著大于其他处理。可见，辊轴式调控系统可有效提升打叶后片烟尺寸的均匀性。

表2 不同处理对叶中含梗率的影响Tab.2 Effects of different treatments on stem content in lamina

表3 不同处理对均匀性系数的影响Tab.3 Effects of different treatments on uniformity coefficient

3 结论

设计了一种辊轴式片烟尺寸调控系统，利用振动输送机松散物料，采用辊轴筛分设备分离出大于设定尺寸的超大片，并使用超大片二次处理设备对超大片进行处理，通过风选设备除去烟梗及含梗片烟，有效解决了原工艺过程处理强度大、造碎明显等问题。以2018 年河南省平顶山产C3F 烤烟烟叶为对象，分别采用优化框栏工艺、平板振动筛分复打工艺、辊轴式片烟尺寸调控系统和常规打叶复烤工艺4 种方式对片烟尺寸调控效果进行对比测试，结果表明：在4 种处理工艺中，经辊轴式调控系统处理后的适宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）比例显著提 高，达69.20%；＜10 mm×10 mm 片烟比例未显著增加；＞35 mm×35 mm 片烟比例由47.87%降低至23.42%；叶中含梗率由1.49%降低至0.99%；均匀性系数由0.86%提升至1.04%，有效提高了打叶复烤的产品质量。