烟丝干燥过程中高频振槽的参数优化

在卷烟制丝生产中，气流烘丝机CDT（Comas Drying Tower）的作用是利用高温气流快速除去烟丝中的水分，增加烟丝的卷曲度和弹性，以满足卷烟工艺生产要求。由于气流干燥过程时间较短，对来料烟丝的松散性和均匀性要求较高［1］。高频振槽作为气流烘丝机的前端设备，主要用于输送物料、松散烟丝和均衡物料层，对于稳定烟丝出口含水率具有重要影响［2-4］。但高频振槽在输送烟丝时容易存在衔接不畅、烟丝松散性和均匀性差等问题，导致CDT 出口烟丝含水率标准偏差（SD）过大。近年来对于高频振槽的动力学、物料运动状态等方面已有较多分析和研究［5-8］，韩晓娟等［9］通过计算振动系统的频率、振幅和输送速度等参数，对激振器转速和偏心块进行了调整；郭宝良等［10］分析了非谐和水平输送机上的物料运动状态；晁礼锋［11］设计了一种振动给料机，并对物料的抛掷运动状态进行了计算。但对于振槽自身参数以及物料传输参数的优化研究则鲜见报道。抛掷指数理论是将物料颗粒垂直于槽底方向的重力分力，与因槽体振动所产生的物料颗粒惯性力分力进行对比［12］，主要用于表征振槽抛射物料的能力。为此，通过调整高频振槽倾角，基于抛掷指数理论对高频振槽激振器频率和偏心块重合度进行优化，以期稳定出口烟丝含水率，提高来料烟丝的均匀性。

1 问题分析

高频振槽主要由槽体、机架、弹簧板、激振器、弹性装置等部分组成，见图1a。槽体在激振器的驱动下通过弹簧板产生低幅高频振动，烟丝在槽体内沿输送方向实现连续微小的抛掷或滑移。激振器由变频器控制，通过对激振器频率和偏心块重合度进行调整，可以调节振槽频率和振幅。由图1b 可见，烟丝经上游电子皮带秤落料口落下时，在第一台高频振槽进料端容易发生堆积，造成烟丝输送时断时续（第二台高频振槽也存在相同问题），由此导致CDT 出口烟丝含水率不稳定，甚至超出工艺要求范围。

2 改进方法

2.1 振槽进料端加装增板

振槽倾角对烟丝输送速度有较大影响，为解决烟丝堆积问题，引入了振槽倾角修正系数γα［12］，槽体安装倾角α与倾角修正系数γα对应关系见表1。经现场测量，第一台高频振槽的槽体与水平面夹角α为-8°41′，向上输送烟丝。分析发现，通过增大槽体与水平面夹角，可以防止积料，提高烟丝输送能力。

图1 高频振槽结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of structure of high frequency vibrating trough

表1 槽体安装倾角α与振槽倾角修正系数γα对应关系①
Tab.1 Correspondence between inclination angle α and its coefficient of correction γα of vibrating trough

注：①“-”表示向上输送；“+”表示向下输送。

改进后在振槽进料端加装增板，增板以A 点为旋转圆心且角度可调，见图2。其中，LT为烟丝由电子秤下落至槽体沿输送方向的长度范围，H0为现有槽体侧板高度，H1 为增板最高点至A 点的垂直高度，HA为A 点距离电子秤输送带底面的高度，HT为烟丝由电子秤下落至槽体的高度，L0为A点到槽体尾部的距离，L1 为A 点到增板尾部的距离。经测量，HT=0.7 m，LT=0.3 m，L0=0.5 m，HA＞H1，LT＜L1≤L0。为防止烟丝下落时因气流而落入槽体外，应尽量延长增板长度，即L1=L0=0.5 m。

2.1.1 增板安装倾角α0

图2 增板安装示意图
Fig.2 Schematic diagram of spacer plate installation

为防止积料，下落至振槽进料端的烟丝应在后续烟丝落入槽体前完全输送出落料范围。由图2b 可见，增板沿A 点逆时针旋转角度越大，烟丝输送速度越快［12］。根据物料输送速度公式［12］：

可得增板安装倾角α0计算公式：

式中：HT—烟丝由电子秤下落至槽体的高度，m；g—重力加速度，9.8 m/s2；t—烟丝由电子秤下落至槽体时间，s；LT—烟丝由电子秤下落至槽体的距离，m；v—烟丝在槽体上的输送速度，m/s；λ—振槽振幅，mm；ω—槽体振动圆频率，s-1；n—激振器轴转速，r/min；f—激振器频率，Hz；p—电机级数；γα—倾角修正系数；Ch—料层厚度影响系数；Cm—物料性质影响系数；Cw—滑行运动影响系数；f（D）—无因次系数；δ—振动方向角，（°）。

已知振槽振幅λ 为10 mm，激振器频率f 为32.6 Hz，将第一台高频振槽相关参数（表2）代入式（3），可得α0≈9°34'，取整α0=10°，即增板安装倾角大于等于10°时，下落烟丝可在后续烟丝落入槽体前完全输送出落料范围。

表2 第一台高频振槽相关参数
Tab.2 Parameters of first high frequency vibrating trough

2.1.2 不同倾角α0下烟丝输送速度

倾角α0分别取-8°41' 、4°、7°、10°、13°、16°，测量烟丝输送速度，重复5 组取平均值，记录烟丝积料及输送情况，见表3。可见，改进前后不同倾角α0 下烟丝输送计算速度与实测速度基本相同，验证了倾角α0 计算公式的准确性。加装增板后，即α0≥10°时，积料情况均有所改善，其中α0=10°时烟丝输送效果最好，不仅解决了积料问题，且与振槽倾斜段衔接顺畅。

2.2 抛掷指数D 与烟丝含水率SD 值的关系

研究表明，抛掷指数D 越大，振槽对物料的松散能力和均衡能力越强［12］。但抛掷指数D 过大，会降低振槽的使用寿命，为此对抛掷指数D 与烟丝含水率SD 值的关系进行分析。

表3 不同安装角度下烟丝输送情况
Tab.3 Cut tobacco conveying at different inclination angles

2.2.1 抛掷指数D

抛掷指数D 是指垂直于槽底方向的振动加速度分量与重力加速度分量之比［12］，计算公式为：

将第二台高频振槽相关参数（表4）带入式（5），可得抛掷指数D=0.426λf2≈4.53。可见，在振动方向角δ、槽体安装倾角α、电机级数p 确定的情况下，抛掷指数D 与振槽振幅λ和激振器频率f 有关，而振幅λ与激振器频率f、偏心块重合度相关［9］。

2.2.2 烟丝含水率SD 值

通过水分仪在线检测出口烟丝含水率SD 值，对不同激振器频率和偏心块重合度下的振槽振幅及SD/D 比值进行统计，结果见表5 和图3。研究表明，当D=1～3.3 时，振槽每振动一次，物料出现一次抛掷运动；当D＞3.3 时，振槽多次振动后物料才出现一次抛掷运动［12］。因此，取D=1～3.3 可提高生产效率。根据图3 确定抛掷指数D 取值范围为2.7～3.3，结合实际生产情况，当抛掷指数D 取3.1，λ=7 mm，f=32.0 Hz，偏心块重合度75%时，出口烟丝含水率SD 值为最小。

表4 第二台高频振槽相关参数
Tab.4 Parameters of secondary high frequency vibrating trough

表5 不同激振器频率和偏心块重合度下振槽振幅及SD/D 比值
Tab.5 Amplitude of vibrating trough and SD/D ratio at different frequencies of vibrator and coincidence degrees of eccentric block

图3 抛掷指数D 和出口烟丝含水率SD 值对应关系
Fig.3 Correspondence between throwing index D and SD of moisture content in output tobacco

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“七匹狼（豪情）”等7 个牌号卷烟烟丝（由厦门烟草工业有限责任公司提供）。

设备和仪器：高频振槽（昆明船舶设备集团有限公司）；气流烘丝机CDT（意大利COMAS 公司）；TM710 红外水分仪（美国NDC 红外技术公司）。

方法：将CDT 前端的两台高频振槽参数进行优化改进，在第一台高频振槽入口处加装长度0.5 m，倾角α0=10°的增板；将第二台高频振槽的激振器频率和偏心块重合度分别调整为32.0 Hz 和75%。以500 个生产批次为取样周期，对改进前后出口烟丝含水率SD 值和CPK 值进行统计。

3.2 数据分析

由表6 可见，两台高频振槽参数调整后，CDT出口烟丝含水率SD 值由0.343 降低至0.260，CPK值由0.599 提升至1.175，表明生产控制过程趋于稳定，提高了来料烟丝均匀性。

表6 改进前后各卷烟牌号出口烟丝含水率SD 值对比
Tab.6 Comparison of SD of moisture content in output tobacco for each cigarette brand before and after improvement

4 结论

通过在振槽进料端加装增板，增大了槽体与水平面夹角，防止产生积料现象，提高烟丝输送能力。对激振器频率和偏心块重合度进行优化调整，确定抛掷指数D 取值范围为2.7～3.3。结合实际生产情况，当抛掷指数D 取3.1，振槽振幅λ=7 mm，激振器频率f=32.0 Hz，偏心块重合度75%时，出口烟丝含水率SD 值达到最优。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼（豪情）”等7 个牌号卷烟烟丝为对象进行测试，结果表明：改进后出口烟丝含水率SD 值降低24%，CPK 值提高96%，生产控制过程稳定，有效提升了烟丝松散性和均匀性。