梗簽二次分離裝置離心分離部分的結構分析研究

蔡培良

摘要：對分離裝置的分析研究是卷煙機梗簽分離的重要內容，分離裝置的好壞直接影響著煙絲的純度，最終影響成品卷煙質量。為了減少煙絲的浪費，節約資源，提高企業的經濟效益，非常有必要將第一次分離出來的梗絲混合物進行進一步的分離。在現代工業中分離梗絲的方法很多，本文主要研究離心分離方法，對梗簽二次分離裝置的工作原理、主要結構參數等進行了研究，對梗、絲的運動及受力進行了分析。該離心分離裝置安裝在ZJ17卷煙機后，取得了較好的分離效果。

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.

關鍵詞：離心分離；結構；工作原理

Key words： centrifugal separation；structure；operating principle

中圖分類號：TL25+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0164-03

1 緒論

隨著卷煙工藝的不斷進步和完善，卷煙產品中含梗簽的問題成為各家卷煙工廠最為典型的難題。卷煙機在卷煙的過程中，經過第一次分離后，在煙絲中仍然會含有不少的煙梗，對這些煙梗如不能及時處理，將會對整個煙支的生產帶來浪費，所以很有必要將第一次分離出的煙絲進行進一步的分離。

離心分離方法[1]與其它分離法相比具有分離過程簡單、高效、成本低、分離物料下限粒度低、對環境友好等優點，由此本文采用了離心分離的方法對煙絲進行第二次梗簽分離。

2 離心分離部分的結構研究及工作原理

2.1 結構研究

我們知道當分離液體中的多種固體雜質時，由于離心機等設備可產生相當高的角速度，使其離心力遠大于重力，于是溶液中的懸浮物便易于沉淀析出，又由于比重不同的物質所受到的離心力不同，從而沉淀速度不同，能使比重不同的物質達到分離。根據分離原理[2]并結合卷煙工藝[3]要求，研發了一種梗絲分離裝置，旨在把梗簽進一步分離，提高經濟效率。其結構圖如圖1所示。

整個梗簽二次分離裝置的離心分離部分大致由四個圓弧臂及三個通道相互配合而組成，包括與梗簽第一次分離裝置的連接口、進風口、梗簽流動通道、梗絲分離通道、煙絲流出通道、煙梗流出通道。

2.2 工作原理的分析

首先，通過軟管把梗簽二次分離裝置的前一個結構裝置與此離心分離裝置的通道1連接起了，把梗簽進行第一次分離后，分離出來的梗絲混合物在通有一定大小的正氣壓（1.8～2.3bar）下被吹入到通道1中[4]。

然后，梗絲混合物受所給正氣壓的影響會繼續前進，在圖1中可以看出，梗絲混合物經通道1流向圓弧臂1時通道的橫截面積變小，并產生比先前較大的速度，此時具有較大速度的空氣和梗絲混合物會沿著圓弧臂1的內道作圓周運動。梗絲混合物的密度比空氣大，梗絲混合物產生的離心力比空氣大，因此梗絲混合物緊貼著圓弧臂1的外圓弧內壁向前運動。

最后，分離通道突然變成兩個，橫截面積變大，使得氣流在分離通道內的速度變慢，使得梗、絲所受的離心力都變小，由于煙絲與煙梗的密度不同，它們所受的力也不同。此時煙絲所受的離心力還大于自身的重力，那么煙絲被旋起繼續沿著圓弧臂2的外圓弧內壁流動；而相對于成品煙絲較重的煙梗不能被旋起，所受的離心力已小于自身的重力，在自身的重力下便遠離圓弧臂1的外圓弧內壁，經圓弧臂3流動。最終，成品煙絲經通道3流出，而煙梗經通道2流出，從而達到梗簽的二次分離。

3 離心分離部分結構分析

3.1 梗絲的運動分析

梗絲混合物在第一次分離后，需要軟管連接進入第二次分離的離心分離裝置中。我們知道煙絲與煙梗都是一塊一塊的，可把其看做一個個的顆粒，然后對這些顆粒進行力的分析。在大多數情況下除阻力以外的各種橫向力都不是很重要，所以分析顆粒在受力時只考慮縱向力，因此把顆粒的運動看成簡單的一維運動[5]-[6]，取一個煙絲顆粒進行分析，顆粒受力示意圖如圖2所示。

綜上所述，要想物體做離心運動需要使F離>Gcosθ（0<θ<90）。

3.2 結構參數確定

由于此離心分離裝置，需要在通道1處通過軟管與前一裝置連接，通道1的內徑取32mm，通道1只是為了與軟管進行裝配，一般取30mm，壁厚取3mm。

由于梗絲混合物進入通道1后需要使煙梗煙絲受到一定大小的離心力，并且也要使梗絲混合物的速度達到均勻，如果直接在通道1處設計圓弧分離通道可會使弧度變小、達不到離心分離的效果，還有可能給另一端的安裝帶來困難、影響整體結構的美觀。故在通道1高90mm處設計離心分離通道，借助于solid works三維軟件，以通道1頂部處為基準面放樣到圓弧分離通道處。

由公式（1）～（3）計算出梗簽懸浮速度為5.0～5.5m/s，煙絲的懸浮速度為2.0～2.3m/s，要想使梗、絲都能向上流動需要使流體速度大于煙梗的懸浮速度，故取流體速度為6m/s，根據前一裝置的要求取通向通道1的氣壓為（1.8～2.3bar）[7]。

根據有關數據統計[8]，煙絲密度為1001kg/m3，煙梗密度為2570 kg/m3，一根84mm規格普通直徑香煙煙絲的重量大約在1.05～1.18克之間，一個煙絲顆粒的直徑大約為1mm，一個煙梗顆粒的直徑大約為5mm，根據球體的計算公式可求得一個煙絲、煙梗顆粒的質量。

物料進入通道1時，在上面選定流體的速度為6m/s，由于煙絲及煙梗的質量很小常忽略它們的阻力，取它們的運動速度為6m/s，當物料繼續前進進入到圓弧臂1的尾部時，通道的橫截面積增大，根據流體的質量守恒定律，物料的流速會變小，那么橫截面積變為多少合適呢，這與圓弧臂1的內外圓弧半徑有關，至于圓弧臂2的內圓弧半徑以及圓弧臂3的外圓弧半徑為多少有合適呢，下面進行分別討論。

首先，圓弧臂1的內圓弧半徑的大小變化對整個裝置沒有太大的影響，根據工藝要求[9]取其半徑為70mm，然后確定其外圓弧半徑的大小，外圓弧半徑的大小直接影響著橫截面積的大小，而橫截面積的大小又影響梗絲的速度，而速度又與離心力有關，故可在不同速度下考慮內圓弧半徑的大小。

在進行工作原理分析時可知梗、絲在通道1處，在通入氣流的作用下速度最大，由于煙絲及煙梗顆粒都非常小，其速度可以等于通入氣流的速度，梗絲繼續流動后通道的橫截面積變大，速度變小，使得梗、絲所受的離心力變小，從而達到分離，那么多大的速度才能使梗絲分離？多的弧度半徑合適呢？根據公式（4）及重力公式計算出不同速度下的圓弧半徑，如表1所示。

由表1可知，速度越大其圓弧半徑取得就越大，由于此結構尺寸不能過大，故可取速度V=1.2時，半徑r=0.146m，即圓弧臂1的外圓弧半徑為146mm，由速度及通道橫截面積的變化比，圓弧臂3的外圓弧半徑取65mm，而圓弧臂2的內徑可取100mm。

4 結論

把此離心分離裝置安裝到ZJ17卷煙機上進行工作，進行20個工作日梗中含絲率的調查，得到如表2所示的結果。

從表2可以看出，某軟珍品香煙平均含絲率為1.98%，某品牌香煙為1.62%，ZJ17卷煙機剔除梗簽中梗中含絲率平均值為1.80%。把安裝前的剔除率與安裝后的進行對比，測試結果表明，安裝此離心分離結構后剔除率由先前的20.33%降到1.80%，能夠使煙梗、煙絲進一步分離，有效提高了梗-絲二次分離效果，梗中含絲量大大降低，有效提升了卷煙生產質量。

參考文獻：

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[3]國家煙草專賣局.卷煙工藝規范[M].北京：中央文獻出版社，2003：105-109.

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