稠浆法新型烟草薄片脱片装置研究与动态稳定性分析

刘义宏， 杨先威

（中国船舶集团有限公司 第七一〇研究所，湖北宜昌443000）

0 引言

随着新型烟草业的发展，再造烟叶制作工艺及其设备升级需要随着新型烟草工艺配方要求及时更新换代。其中稠浆法制造工艺主要被应用于加热不燃烧新型烟草制品中，相对于传统烟草制品能有效减害90%以上，是新型烟草中增长最快的品种。稠浆法制作工艺主要包括以下4部分：低温超微粉粹段、稠浆制备段、流延成片段、成品收卷段。其中薄片制作工艺中最关键的就是脱片工艺、脱片的质量、烟草薄片完整性、均匀性，直接影响了后续烟丝制作质量。传统稠浆法薄片制作工艺中，脱片技术始终存在技术缺陷，往往出现脱片难、碎片、断片等问题，最终导致烟丝制作达不到工艺标准。因此，薄片脱片工艺的改进还存在一定发展空间。

当前国内针对稠浆法烟草薄片制作工艺研究还比较缺乏，彭琛等[1]综合分析了辊压法、稠浆法及造纸法薄片技术各自的优缺点及应用情况, 探讨了未来烟草薄片的发展方向；缪应菊等[2]研究了近年来国内外不同制备工艺对烟草薄片理化性质的影响, 同时分析了各种生产工艺的优缺点, 并指出了今后国内烟草薄片的研究方向和发展趋势；许日鹏等[3]以造纸法为重点,对比辊压法、稠浆法,从应用效果、影响因素等方面对造纸法烟草薄片的特点进行了研究；张彩云[4]研究了在辊压法烟草薄片中加入木浆纤维的方法来提高烟草薄片的抗张强度、柔软度、耐折度和耐机械加工性能；徐维华[5]研究出山德维克稠浆法双层薄片制造工艺，提高了薄片的吸味、耐加工性能和贮存时间；刘刚毅[6]分析了国内三大薄片技术的发展现状与趋势；张园园等[7]介绍了近年来国内外加热不燃烧卷烟市场情况和不同加热不燃烧烟草薄片生产工艺, 同时对3种生产工艺技术的优缺点进行了对比分析,并给出我国未来加热不燃烧烟草薄片的发展趋势和研究方向。

本文为了解决稠浆法脱片问题，设计了一种稠浆薄片气压式切割脱片结构，从脱片刀的物理特性角度，分析了气囊压强大小对刀片变形量的影响，选取了最佳脱片压强，保证了脱片质量；并对脱片结构进行三维建模和动力学仿真分析，重点研究不同刀片角度对脱片工况的动态影响规律，寻找最佳脱片角度，为新型烟草稠浆法制片工艺提供理论基础。

1 脱片机结构设计及其力学分析

1.1 脱片结构设计

稠浆法再造烟叶制作工艺中，脱片是影响再造烟叶制作质量最关键的一道工序，但国内稠浆法再造烟叶生产工艺还不够成熟，主要依靠国外进口。为保证新型脱片装置解决再造烟叶完整性差、断片、不均匀等问题，满足工艺要求，本文基于国外稠浆法设备及制片工艺，进行了脱片装置结构及脱片工艺的改进。传统机械式脱片装置由于刚性强，铲刀与钢带贴合精度低，造成脱片质量达不到新型烟草工艺标准，本文设计了一套气压驱动式脱片结构，并且采用双铲刀形式，确保持续在线作业，提高脱片效率。脱片装置包括可调式主支座、刀片支座和吹片盖板，整个脱片装置依靠底部可调式主支座固定支撑，刀片支座顶部有刀片夹具，脱片刀安装在夹具中，因为脱刀装置与钢带之间会产生较大接触压力且刀片必须均匀受力，故脱刀片与刀片夹具通过特殊卡槽固定连接，脱片夹具依靠主支座内部气囊的膨胀与收缩来驱动紧贴钢带。为防止刀片铲下的薄片与设备或脱片装置接触而破坏，刀片支座外侧安装了吹片盖板，吹气孔直径为2 mm且三排均匀分布，目的是保证吹片压力足够且受力均匀。

图1 稠浆法脱片段整体图

通过研究与实验，本文设计的新型气压式脱片结构在结构和功能上均取得创新性突破，其主要优势和特点如下：1）解决了国内在烟草加工行业中稠浆法再造烟叶技术的突破，采用气囊驱动原理，使得刮片过程中脱片刀受力均匀，刮片效果良好，保证了烟草薄片完整性。2）与传统装置相比，此装置采用双脱片刀一用一备的工作模式，保证生产线持续不间断工作，当刀片更换和故障时，也能持续生产脱片，大幅提高了脱片效率。

1.2 脱片刀材质分析与研究

在对脱片装置脱片过程中受到作用力影响程度进行研究之前，首先要确定铲刀刀片的材质特性是否符合实际工况。因此，本文针对刀片材质的选取重点分析了不锈钢材质和65锰钢，并对各自材料特性进行分析比较，刀片厚度为0.3 mm，宽度为30 mm，保证脱片精度达到工艺要求。

因为再造烟叶经过钢带烘箱烘干后与钢带黏附性较强，难脱落，所以在刀片选取上，要综合考虑刀片强度、韧性等因素。为了保护钢带表面，避免其刮伤钢带影响薄片质量，刀片材质刚性不能太强，需要一定的柔韧性，虽然不锈钢在表面粗糙度、硬度等指标上满足脱片工艺要求，但与65锰钢相比，其韧性较差，受压变形和弹性较差，无法消除刀片与钢带摩擦碰撞应力，不能保证刀片贴紧钢带，实现脱片功能。65锰钢材质在硬度、强度、塑性和韧性等综合性能方面优于不锈钢，且耐磨性强，保证在一定受压变形量后紧贴钢带，顺利脱片，且65锰钢弹性较好，受压变形恢复能力强，适合稠浆薄片脱片实际工况，其脱片效果经过实验验证符合脱片工艺标准。

图2 脱片铲刀装置示意图

针对脱片工况和材料特性，本文考虑0.3 mm厚的65锰钢片脱片刀受到不同压力下的应力分析，保证刀片受压变形量达到最佳脱片状态，为后期脱片过程的动态仿真提供理论依据。分析可知，气囊压强太小，脱片刀压紧力不够，影响脱片效果；气囊压强太大，将导致脱片刀变形量过大，极可能导致脱片刀永久变形而损坏，甚至损坏钢带，对再造烟叶表面光滑度造成严重影响。针对脱片铲刀气囊驱动压力大小，本文通过分析材质特性和实际工况，分析了压强大小从0.2～1.0 MPa之间变化，其刀片变形情况，确定最佳压强大小为0.4 MPa及刀片压力大小为40 N左右。当压强为0.4 MPa时，刀片变形量符合最佳脱片状态，且刀片紧贴钢带表面，脱片效果最好，烟草薄片的均匀性和连续性符合工艺标准。

2 脱片刀受力扰动与动力学仿真

2.1 脱片装置受力稳定性分析与研究

对新型脱片装置结构特点进行分析，可知脱片装置进行脱片作业时，由于薄片经过烘箱烘干后与钢带黏附力较强，这就要求脱片铲刀贴紧钢带的压力较大，且受力均匀，才能保证再造烟叶顺利脱落且不损坏。采用的气囊驱动铲刀结构进行脱片，就可以保证刀片均匀压在钢带表面，且气囊气压可通过减压阀调节压力大小，保证脱片稳定。脱片铲刀与钢带接触进行铲刮薄片时，无法避免地会与钢带之间产生接触力，由于接触力的影响，铲刀脱片稳定性会下降，从而影响脱片质量。铲刀受力主要是钢带切线方向的摩擦力和垂直切向方向的反作用力。影响脱片装置的外界因素很多，本文重点研究气囊驱动压力大小和铲刀与钢带切线方向夹角两方面，对脱片装置受力均匀性及脱片稳定性的影响因素，分别探讨2个影响因素对脱片稳定性的扰动规律，采用控制变量法进行分析研究。针对脱片角度，本文分别对20°、25°、30°和45°四组不同角度下，脱片装置铲刮过程进行受力分析。

如图3所示，铲刀与钢带接触角度不同，其受力大小和方向也会不同，其钢带垂直方向的反作用力F1和切线方向的摩擦力F2对铲刀脱片作业稳定性均有一定影响，其影响大小和规律还需要进一步研究证实。

图3 不同夹角工况下铲刀受力示意图

2.2 脱片过程动力学仿真分析

本文针对稠浆法新型烟草制片工艺特点，对制片末端脱片结构及装置进行了优化升级，设计了一种新型气压式脱片装置，并根据具体脱片工况，采用SolidWorks三维软件对脱片结构和驱动辊、钢带进行了建模和动力学仿真分析，根据对脱片实际工况的分析，脱片刀在进行脱片作业时，由前面对气囊压强的分析，当刀片所受压强为0.4 MPa下，刀片变形量达到最佳状态。但刀片角度会直接影响脱片装置动态运行稳定性，这是直接影响脱片质量的重要因素，为了更精准分析不同脱片刀角度对脱片过程的动态影响规律，本文选取了刀片与钢带切线方向夹角分别为20°、25°、30°和45°进行仿真分析。

由图4可知，对刀片在20°夹角下进行脱片作业时，其刀片受扰抖动较明显，通过其刀片末端角加速度和线性加速度可知，当气囊充气驱动刀片靠近钢带的瞬间，其角加速度、角速度和线性加速度瞬时波动较大，但刀片贴紧钢带后，其波动值相对而言趋于平缓，这是因为脱片装置在停机状态下与钢带之间间隙较大，故存在启动波动幅值大，但由于气囊压力和钢带反作用力的限制，保证了刀片贴紧钢带，波动幅值降低，且保持在一定区间内波动，符合实际工况特点。

根据图5、图6对刀片在25°和30°夹角下脱片作业工况的动态分析图显示，随着夹角增大，刀片受气囊压力不变，但刀片受扰抖动的幅值越来越小，变化情况从刀片角加速度和线性加速度反映较明显。结合前面对20°夹角动态分析，更加验证了此结论。另一方面，从图4～图6中刀片加速度和线性加速度的动态曲线图反映，其抖动的幅值随角度增加而减小，但抖动零位随角度增加而增大，这就反映了刀片随着夹角增大的同时，其受力情况在变化，其受压变形量随着角度增加而增大，从而导致了波动零位在随之变化。根据脱片装置的刀片实际变形情况，其变形量过大将导致刀片损坏，并直接影响脱片质量。

根据前面对刀片与钢带切线方向夹角增大对刀片变形的分析，图7将夹角增大到45°时，刀片变量严重，仿真结果显示，刀片因刀片变形过大而出现了抖动异常，幅值过大，这将严重影响脱片质量，故夹角选取不易过大。综合以上仿真结果，当刀片受到压强在0.4 MPa下，改变刀片与钢带切线方向夹角，其脱片装置在脱片过程中受扰抖动规律较明显，随着夹角从20°、25°、30°到45°逐渐增大，其刀片末端受力抖动幅值先减小、后增大。当夹角为20°和25°时，其因刀片受垂直于钢带切线方向的分力较小，导致刀片在进行脱片时抖动幅值较大，影响脱片质量；且在夹角45°情况时，因刀片受力变形量过大，导致脱片无法正常进行。本文综合考虑脱片质量和刀片变形量等因素，通过仿真数据显示，当脱片刀与钢带切线方向夹角为30°时，其脱片效果和刀片变形量达到最佳状态，从而保证脱片质量最好，刀片使用寿命长。

图5 25°夹角下刀片受力脱片动态分析

图6 30°夹角下刀片受力脱片动态分析

图7 45°夹角下刀片受力脱片动态分析

3 结语

本文针对新型烟草稠浆法制片工艺特点，设计了一种稠浆薄片气压式双刀切割脱片装置，并对刀片材质选取进行了对比分析，重点是针对脱片实际工况进行稳定性分析，研究了脱片刀与钢带切线方向夹角对脱片稳定性的影响规律，具体结论如下：

1）新型稠浆薄片气压式脱片装置解决了国内在烟草加工行业中稠浆法再造烟叶技术上的突破，采用气囊驱动原理，使得切片过程脱片刀受力均匀，切片效果良好，保证了烟草薄片完整性，提高了脱片质量。

2）针对稠浆法再造烟叶制作工艺的特点，选取了特殊材质的65锰钢片，厚度为0.3 mm，其经过回火处理后的65锰钢片硬度、强度、韧性和塑性等综合性能达到最优，保证了刀片在脱片过程受力均匀、变形较小、紧贴钢带，提高脱片质量。

3）通过动态仿真，精准分析了不同脱片刀角度对脱片过程的动态影响规律，其夹角由20°～45°逐渐增大时，刀片末端受力抖动情况呈现先减小、后增大的趋势，且综合考虑刀片变形量和振幅大小规律，确定了夹角为30°的情况下，其脱片稳定性达到最佳状态，为新型脱片装置的实际工程意义提供理论依据。