輥軸式片煙尺寸調控系統的設計與應用

趙森森，王寶林，楊永鋒，劉向真，馬一瓊，劉茂林

河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街9 號 450000

打葉復烤是卷煙制絲生產的基礎［1］，經加工后的片煙尺寸、片煙均勻性與卷煙煙絲結構、煙絲質量密切相關［2-4］，而煙絲結構和質量則是影響卷煙質量和卷制效率的重要因素［5-8］。因此，在打葉復烤生產中獲得具有合理尺寸的片煙成為當前的研究熱點。羅登山等［9］研究認為，打葉后片煙尺寸的最佳范圍為10 mm×10 mm～35 mm×35 mm，記為適宜片型。新版《卷煙工藝規范》［10］中提出，應將打葉后的大片率控制在＜45%范圍內。可見，打葉復烤的片煙尺寸指標已從追求大中片率轉變為“降大片、提中片”，片煙尺寸調控則成為打葉復烤工藝的難點和重點。當前對于打葉復烤片煙尺寸調控的途徑主要有兩種，一種是優化調整打葉框欄［11-12］，另一種是增加篩分裝置［13］。這兩種方法都是基于篩網篩分原理，在處理過程中要經過二次打葉工序，雖然降低了大片率，提高了中片率，但由于工藝過程處理強度較大，造碎明顯增加。為此，基于差速柔打原理，設計了一種輥軸式片煙尺寸調控系統，并對其調控效果進行驗證，以期提高適宜片型比例，降低片煙葉中含梗率，滿足卷煙產品對片煙尺寸的需求。

1 系統設計

1.1 結構組成

輥軸式片煙尺寸調控系統主要由振動輸送機、輥軸篩分設備、大片二次處理設備和風選設備4 大部分組成，見圖1。其中，振動輸送機由振槽實現對松散物料攤薄、截面加寬工作，提升篩分效率；輥軸篩分設備的作用是分離出不小于設定尺寸的片煙；大片二次處理設備主要對篩分出的超大片進行剪切，以減小片煙面積；風選設備的作用是從剪切后的片煙中分離出含梗片煙。

1.2 振動輸送機

振動輸送機是一種無牽引構件的連續輸送設備，通過共振原理實現對松散物料的橫截面加寬和輸送。振動輸送機包括進料裝置、槽體、主振彈簧、驅動裝置、卸料裝置等部分，見圖2。物料通過進料裝置進入槽體；驅動裝置轉化動能并傳送至主振彈簧；主振彈簧可以使振動輸送機具有合適的近共振工作點，進行動能與勢能相互轉化，以有效利用振動能量對物料進行加寬和攤薄并自左向右輸送；物料通過卸料裝置進入后續工序。

1.3 輥軸篩分設備

輥軸篩分設備包括主體支架、主體支架上的機架槽體以及位于機架槽體底部的物料輸送裝置等部分，見圖3。機架槽體前端設置有來料落料口，末端上部設置有大尺寸片煙出料口，末端下部對應的物料輸送裝置上設置有篩除大尺寸片煙的出料口；物料輸送裝置的上方設置有若干同向轉動的撥動輥。

基于差速慣性和截面篩分原理設計的輥軸篩分設備，由若干平行排列并同步轉動的軸組成，軸上按一定間隔串聯著齒輪狀轉盤，轉盤與轉盤之間、轉盤與輥軸之間的間隙構成篩孔。當來料片煙進入輥軸篩時，撥動輥對片煙施予加速度，使片煙運動速度加快，與輥軸間的速度差產生慣性，進而使物料層逐漸變薄并形成平鋪面。在輥軸推動片煙向前移動過程中，撥動輥上的片煙以波動形式向前運動。較小片煙通過轉盤與輥軸間的篩孔直接下落，中小片煙借助撥動輥的擾動，以豎斜或垂直方式下落，超大片煙在撥動輥上繼續向前移動，由此實現大小片煙的分離。

由圖4 可見，撥動輥上帶有輥齒，輥軸橫截面上共有4 根輥齒，呈90°等間距分布，并垂直于輥軸軸線；通過調節同一軸線上輥齒與輥軸的間距，可調整篩孔面積，進而實現不同尺寸片煙的分離。在篩分過程中，形成篩孔的輥齒與輥軸均呈持續運動狀態，避免了篩網式篩分裝置中較大尺寸片煙容易堵塞篩孔的問題。通過輥軸篩分設備，可有效增加小尺寸片煙與篩孔的接觸面積，提高篩分能力。

1.4 大片二次處理設備

大片二次處理設備包括主體機架、主體機架上的柔打室等部分，見圖5。柔打室上方設置有來料落料口，下方設置有片煙出料口；柔打室內部安裝有兩根相向轉動的工作輥，每個工作輥的輥體在軸向上等間距分布有若干個輥齒帶，每個輥齒帶上等間距分布有若干根輥齒，兩個工作輥的輥齒錯位設置。調整工作輥間距、輥齒軸向與徑向間距可控制剪切后的片煙大小。

大片二次處理設備主要基于差速柔打原理實現輥軸篩分后超大片煙的二次剪切，在剪切過程中保持片煙尺寸均勻一致并減少造碎。當來料片煙進入大片二次處理設備后，利用輥齒間差速運動產生的撕扯力及剪切力，實現超大片煙剪切并在輥齒相對旋轉運動中將剪切后的片煙輸出。輥齒間的間距可以保持片煙尺寸均勻一致，在剪切過程中無撕裂處理，避免產生片煙造碎。

1.5 風選設備

風選是利用煙梗與片煙之間懸浮速度的差異，借助風力剔除煙梗的方法。研究表明，超大片含梗率對片煙含梗率的貢獻達30%［14］。因此，在大片二次處理設備后增設風選設備，主要作用是剔除煙梗及部分重質雜物，降低成品片煙的葉中含梗率。風選設備由片煙出口、上箱體、二次拋料風分、擋板等部分組成，見圖6。來料通過氣力輸送進入風分室內，通過一次拋料輥均勻地將混合物拋向風分室，風分室提供自下而上的空氣流，對葉梗混合物進行分離，通過控制風速得到理想的片煙。分離出的含梗片煙經過二次拋料輥，通過二次均勻混合后進入風分室進行二次風分，篩分出的片煙自片煙出口流入下一道工序，含梗片煙通過網帶向前移動，經氣鎖調節的出料口排出，回摻至二級打葉處進行再處理。

2 應用效果

2.1 試驗設計

2.1.1 材料與設備

材料：2018 年河南省平頂山產C3F 烤煙煙葉。

設備：片煙結構綜合檢測系統（河南中煙工業有限責任公司，南京焦耳科技有限責任公司聯合研制）；RS-29-10 型旋轉振動篩分機（美國W S Tyler 公司）；河南寶豐復烤廠“黃金葉”專線（生產流量10 000 kg/h）。

2.1.2 方法

分別采用優化框欄工藝（T1）、平板振動篩分復打工藝（T2）和輥軸式片煙尺寸調控系統（T3）3種方式對打葉后片煙尺寸進行調控，并對片煙尺寸、葉中含梗率、均勻性系數進行對比分析，對照為常規打葉復烤工藝（CK）。

①按照YC/T 449—2012［15］的方法在復烤線儲柜出口處取樣，取樣間隔10 min，每組取樣5 個，每個處理工藝取1 組。將片煙尺寸按照＜10 mm ×10 mm、適宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）和＞35 mm×35 mm 劃分為3 個區間。在圖像法檢測中，面積＜100 mm2的片煙等效為＜10 mm×10 mm 區間，面積大于1 225 mm2的等效為＞35 mm×35 mm 區間，其余等效為10 mm×10 mm～35 mm×35 mm 區間。②按照GB/T 21136—2007［16］的方法進行檢測，計算葉中含梗率。

2.1.3 數據分析

采用SPSS 26.0 軟件，利用方差分析對數據進行統計和分析。

2.2 結果與分析

2.2.1 片煙尺寸分布

由表1 可知，3 種調控工藝及CK 處理后的片煙尺寸分布差異呈極顯著水平（P＜0.01）。對于片煙尺寸＜10 mm×10 mm，表現為T1 處理最大，T2 處理居中，CK、T3 處理最小，但差異不顯著。3種處理均會增加片煙造碎，其中以T1 處理增加造碎最多，較CK 增加3.19 百分點；以T3 處理增加造碎最少，較CK 僅增加0.27 百分點。

表1 不同處理對片煙尺寸的影響①Tab.1 Effects of different treatments on size of tobacco strips （%）

對 于 片 煙 尺 寸10 mm×10 mm ～35 mm×35 mm，3 種處理均能顯著提升適宜片型的比例，其中T3 處理提升效果最好，較T1、T2 處理分別提升15.98、3.32 百分點。平板振動篩分復打工藝（T2）提升效果稍差的原因可能是平板振篩在篩分過程中容易出現篩孔堵塞情況，進而影響篩分效果，而輥軸式片煙尺寸調控系統采用滾動篩分方式，可有效避免篩孔堵塞現象，提高篩分效率。

對于片煙尺寸＞35 mm×35 mm，3 種處理后大片比例較CK 均顯著降低，其中T2、T3 處理效果最好，T3 又優于T2 處理。綜合來看，片煙尺寸調控效果表現為輥軸式片煙尺寸調控系統＞平板振動篩分復打工藝＞優化框欄工藝＞常規打葉復烤工藝，輥軸式片煙尺寸調控系統效果最好，適宜片型占比最多，且造碎較少；平板振動篩分復打工藝次之；優化框欄工藝可提高適宜片型比例，但造碎增加較多。

2.2.2 葉中含梗率

葉中含梗率高會使后續制絲環節產生較多梗簽，出現卷煙產品被刺破、掉頭等質量問題。因此，打葉后葉中含梗率越低卷煙質量越好。由表2可知，3 種處理均可顯著降低打葉后葉中含梗率，且差異不顯著，但輥軸式調控系統處理后的葉中含梗率最低，較CK 降低0.5 百分點，較T1 和T2 處理分別降低0.19、0.12 百分點，這可能與輥軸式調控系統降低較多的大片煙比例有關。

2.2.3 均勻性系數

由表3 可知，3 種處理后均勻性系數差異不顯著。其中，T3 處理后均勻性系數最高，并顯著大于其他處理。可見，輥軸式調控系統可有效提升打葉后片煙尺寸的均勻性。

表2 不同處理對葉中含梗率的影響Tab.2 Effects of different treatments on stem content in lamina

表3 不同處理對均勻性系數的影響Tab.3 Effects of different treatments on uniformity coefficient

3 結論

設計了一種輥軸式片煙尺寸調控系統，利用振動輸送機松散物料，采用輥軸篩分設備分離出大于設定尺寸的超大片，并使用超大片二次處理設備對超大片進行處理，通過風選設備除去煙梗及含梗片煙，有效解決了原工藝過程處理強度大、造碎明顯等問題。以2018 年河南省平頂山產C3F 烤煙煙葉為對象，分別采用優化框欄工藝、平板振動篩分復打工藝、輥軸式片煙尺寸調控系統和常規打葉復烤工藝4 種方式對片煙尺寸調控效果進行對比測試，結果表明：在4 種處理工藝中，經輥軸式調控系統處理后的適宜片型（10 mm×10 mm～35 mm×35 mm）比例顯著提 高，達69.20%；＜10 mm×10 mm 片煙比例未顯著增加；＞35 mm×35 mm 片煙比例由47.87%降低至23.42%；葉中含梗率由1.49%降低至0.99%；均勻性系數由0.86%提升至1.04%，有效提高了打葉復烤的產品質量。