基于片煙結構的不同規格框欄對比分析及優化設計

王發勇，牛紹輝，李一輝，謝永軍，胡春華，解雯宇

1.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠，云南省彌勒市桃園路50 號 652399 2.云南省煙草公司紅河州公司，云南省彌勒市溫泉路延長線 652399

根據近年來煙草行業提出的打葉復烤以“降大片、提中片”為中心的片煙結構控制要求，片煙結構的控制理念已從傳統的追求大片率和大中片率向控制大片率、提升中片率轉變［1-2］。針對打葉復烤片煙結構以及打葉質量等問題已有較多研究報道，通過分析不同產區、不同品種、不同部位煙葉的物理特性與打葉質量的關系，合理匹配相應打葉工藝控制方案，可有效提高打葉質量［3-5］；應用煙葉分切模式打葉可提高大中片率［6］；通過試驗得到潤葉出口溫度、含水率與片煙結構及打葉質量的對應關系，進而篩選出適宜的潤葉控制工藝方案［7-11］；提高一打打輥轉速可得到較好的中片率，但煙葉造碎較大［12-13］；片煙結構各指標之間具有一定平衡關系，單純追求中片率或大中片率會影響打葉質量［14］。打葉機框欄作為片煙結構控制的關鍵部件，是設備優化改造的重點。孔祥等［15］在一級和二級打葉機中使用了六邊形框欄，降低了大片率，提高了中片率；高偉等［16］在一級打葉機中采用加密菱形框欄、矩形打刀和梯形打刀混用、打刀品字形排列的組合應用方式，提高了中片率；蔡聯合等［17］在一打中通過縮小框欄尺寸降低了大片率，但煙葉造碎有所增加。上述研究從不同角度對片煙結構及打葉質量進行了探索，但實際生產中仍存在片煙結構不合理、煙葉造碎過多、設備改造復雜等問題。為此，采用不同框欄開口尺寸以及設置不同框欄菱邊處理進行對比試驗，并選取最優參數組合對常規框欄進行優化改進，以期改善片煙結構，提高打葉質量。

1 材料、設備與方法

1.1 材料、設備與儀器

選擇2018 年云南紅河初烤K326 煙葉，等級C3F。每個配方模塊試驗1 批次，投入物料量為12 000 kg/批次。

設備與儀器：臥式打葉機組（額定流量12 000 kg/h，四打十一分，美國MacTavich 公司）；QCDS-31 葉片振動分選篩（美國MacTavich 公司）；框欄（昆明船舶設備集團有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

以相同物料、相同運行參數、相同環境為控制原則，設計工藝流量12 000 kg/h；環境溫度23.1℃，濕度38.2%；潤葉出口溫度、含水率分別穩定在（54±3）℃和（18.5±0.5）%；打輥轉速325 r/min；框欄設置在一級打葉機，將試驗框欄與對照框欄（常規框欄）按照一打一側的順序同時使用，其分布見圖1。

圖1 一打框欄安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of first stage thresher basket

1.2.2 一打試驗取樣方法

在一級打葉機兩側分別安裝試驗與常規框欄后同時取樣，各取9～12 kg 樣品進行人工分揀，挑出純片煙（含梗直徑小于1.5 mm 的片煙）并裝框。對分揀出的片煙進行結構篩分，分別計算大、中片率等指標，記錄試驗結果。每處理取3 組樣品，計算平均值。

1.2.3 片煙結構檢測

按照《GB/T 21137—2007 煙葉 片形大小的測定》［18］《YC/T 146—2010 煙葉 打葉復烤工藝規范》［2］《YC/T 147—2010 打葉煙葉 質量檢驗》［19］中的方法，將各層接料盒放在指定位置，對片煙樣品稱重后均勻置于輸送帶上，啟動葉片振動分選篩和輸送帶。當篩分完成后，用手輕輕取下掛在網格上的片煙，各層分別稱重，計算片煙結構。

1.2.4 一級打葉機撕葉率測定

一打后取9～12 kg 樣品進行人工分揀，將純片煙與煙梗、帶梗煙葉分開，全葉含梗率按30%計，再對純片煙進行篩分和稱重，計算一級打葉機撕葉率。每處理取3 組樣品，計算平均值。

1.2.5 整線片煙結構取樣方法

待打葉風分機組平穩運行30 min 后，在片煙匯集輸送帶的取樣點處連續3 次取（3 000±300）g樣品并進行檢測，取平均值。

1.2.6 設置不同框欄開口尺寸

打輥轉速按常規設置為325 r/min，框欄形狀為菱形，以框欄開口尺寸105 mm×75 mm 為對照處理，設置不同框欄開口尺寸，見表1。

表1 不同框欄開口尺寸及打輥轉速設置Tab.1 Opening sizes of basket and rotational speeds of threshing drum

1.2.7 設置不同框欄菱邊處理

打輥轉速按常規設置為325 r/min，框欄開口尺寸為105 mm×75 mm，以常規菱形為對照處理，設置不同菱邊處理，見表2。

2 結果與分析

2.1 不同框欄開口尺寸對片煙結構的影響

不同框欄開口尺寸對一級打葉機撕葉率的影響見表3。可見，隨框欄開口尺寸的增加，撕葉率呈下降趨勢，處理1 和2 的撕葉率相比處理3（CK）分別降低4.65 和0.61 百分點；隨框欄開口尺寸的減小，撕葉率呈上升趨勢，其中處理5 的撕葉率達到80.14%，比設計標準值（65%）提高15.14 百分點。說明框欄開口尺寸對一級打葉機撕葉率影響顯著，當開口尺寸增大時，撕葉率逐漸降低，兩者呈負相關關系。

表2 不同框欄菱邊處理及打輥轉速設置Tab.2 Opening edge treatments of basket and rotational speeds of threshing drum

表3 不同框欄開口尺寸對撕葉率的影響①Tab.3 Effects of different opening sizes of baskets on lamina yield

不同框欄開口尺寸對整線片煙結構的影響見表4。可見，隨框欄開口尺寸的增加，大片率、大中片率呈上升趨勢，中片率、小片率、碎片率和含末率呈下降趨勢。其中，處理1、2、3（CK）的小片率較低且差別不大，分別為9.17%、9.72%和9.90%；處理4 和5 的小片率較高，分別為11.12%、11.91%，大中片率分別比處理3（CK）降低1.80、3.06 百分點。此外，處理4 和5 的含末率較高（高于打葉復烤≤0.8%的要求）。說明不同框欄開口尺寸對片煙結構分布影響顯著，開口尺寸越大，大片率、大中片率升高，中片率降低；開口尺寸越小，中片率、小片率、碎片率和含末率均增加。因此，在“降大片、提中片”的要求下，并非框欄開口尺寸越小越好，應綜合考慮大中片率與含末率的分布情況，使各片煙結構指標保持平衡。

2.2 不同框欄菱邊處理對片煙結構的影響

不同框欄菱邊處理對一級打葉機撕葉率的影響見表5。可見，處理2 和3 的撕葉率分別高于處理1（CK）9.32 和7.19 百分點，且處理2＞處理3＞處理1（CK）。說明框欄菱邊開齒與噴涂硬質合金處理均能夠提高一級打葉機的撕葉率。

表4 不同框欄開口尺寸對整線片煙結構的影響Tab.4 Effects of different opening sizes of baskets on structure of strips （%）

表5 不同框欄菱邊處理對撕葉率的影響Tab.5 Effects of different opening edge treatments of baskets on lamina yield

不同框欄菱邊處理對整線片煙結構的影響見表6。可見，處理2 和3 均能夠提高中片率，但同時小片率、碎片率和含末率增加，大片率、大中片率降低。其中，處理2 中片率提高4.00 百分點，效果明顯，但處理2 和3 的大中片率分別降低2.62、1.48百分點，含末率分別增加0.40、0.56 百分點。說明框欄菱邊處理能夠提高中片率、降低大片率，但含末率超出≤0.8%的要求。

表6 不同框欄菱邊處理對整線片煙結構的影響Tab.6 Effects of different opening edge treatments of basket on structure of strips （%）

2.3 優化設計

2.3.1 改進方法

通過對不同框欄開口尺寸及菱邊處理進行對比試驗可知，框欄開口尺寸與一級打葉機撕葉率、碎片率及含末率呈負相關關系，與大片率、大中片率呈正相關關系，降低開口尺寸以及進行菱邊處理均能提高撕葉率，達到“降大片、提中片”的效果，但含末率會超出≤0.8%的控制要求。此外，大中片率大幅下降會對打葉復烤經濟指標產生較大影響。

由于菱邊處理會造成較大造碎，所以不作為優化條件，改進框欄規格則是調控片煙結構的主要因素。生產中框欄底部為泄流區，根據打輥作圓周運動的特點，片煙運動到框欄底部時在離心力作用下沿切線方向脫離框欄。為此，將框欄的第1、2、6、7 排開口尺寸改為110 mm×65 mm，作為撕葉區，以提高打葉效率；將第3、4、5 排開口尺寸改為105 mm×80 mm，作為泄流區，避免過度造碎，見圖2。改進后使煙葉在小開口尺寸區域完成撕葉，在大開口尺寸區域實現快速泄流，縮短已完成葉梗分離的片煙在一級打葉機中的停留時間，減少煙葉造碎。同時利用復合開口框欄的調節作用重新分配整線的單機工藝任務，適當提高中片率，實現高效低造碎打葉，達到調控片煙結構的目的。

圖2 復合開口框欄設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of basket with mixed opening sizes

2.3.2 數據分析

采用常規框欄（開口尺寸105 mm×75 mm）和改進后復合開口框欄，按照“材料、設備與方法”中的各項要求進行對比測試，結果見表7。可見，與常規框欄相比，復合開口框欄一級打葉機撕葉率提高5.54 百分點，大片率降低5.74 百分點，中片率提高5.56 百分點，大中片率降低0.18 百分點，含末率≤0.8%。說明復合開口框欄兼顧了小開口尺寸框欄撕葉率和中片率高、大開口尺寸框欄造碎低的特點，滿足了片煙結構控制要求。

表7 不同框欄開口尺寸對撕葉率及整線片煙結構的影響Tab.7 Effects of different opening sizes of basket on lamina yield and strip structure （%）

3 結論

打葉復烤生產中當打輥轉速一定時，框欄規格是影響片煙結構的主要因素。通過對現有不同規格框欄進行對比試驗，結果表明：①框欄開口尺寸與一級打葉機撕葉率、中片率、小片率、碎片率和含末率成負相關關系，與大片率、大中片率呈正相關關系，框欄開口尺寸為110 mm×70 mm、110×65 mm 的撕葉率比常規框欄（開口尺寸105 mm×75 mm）分別提高8.34、15.01 百分點，中片率分別提高0.59、1.94 百分點，但含末率超過≤0.8%的要求；②減少框欄開口尺寸以及對菱邊進行開齒、噴涂硬質合金處理均能顯著提高撕葉率，但會產生較大造碎。基于分析結果對常規框欄進行了復合開口改進和測試，結果顯示：與常規框欄相比，改進后復合開口框欄的撕葉率、中片率分別提高5.54、5.56 百分點，大片率降低5.74 百分點，含末率控制在≤0.8%以內。新型復合開口框欄能夠滿足當前片煙結構的控制要求，可有效提高打葉效率，降低煙葉造碎。