SP32 煙絲膨脹系統浸漬罐中的力學模型

路蘭卿， 陳 強

（北京航天試驗技術研究所， 北京 100074）

0 引言

SP32 煙絲膨脹系統是北京航天試驗技術研究所開發的新型環保煙絲膨脹生產線。 項目來源于國家煙草專賣局2006 年科學研究與技術開發項目暨科技項目專項合同。項目名稱：環保型煙絲膨脹介質開發及應用技術研究。該項目通過了國家煙草專賣局的鑒定，鑒定意見和建議為：“項目總體達到國內領先水平，研發的零ODP 值新型環保膨脹介質（KC-2A）獲得了國家發明專利授權，填補了國內空白，一致同意通過鑒定。 ”2014 年，SP32 煙絲膨脹生產線通過國家煙草專賣局的定價審核， 正式進入國家煙草機械產品目錄。

1 SP32 工藝介紹

煙葉從收割到加工成煙絲時， 其煙葉的細胞結構發生了變化，由此造成了皺縮。而為了盡可能恢復到綠葉時相同的體積和形狀， 通過煙絲的膨脹處理能夠使皺縮的煙絲得到一定程度的恢復。SP32 煙絲膨脹系統是借助環保介質KC-2A 來完成煙絲的膨脹過程。 首先環保介質KC-2A 在一定壓力下浸漬煙絲，然后將浸漬好的煙絲送入微波膨脹器，在微波作用下，水分子急劇摩擦、碰撞產生的熱量促使煙絲中的膨脹劑蒸發， 推動煙絲細胞壁向外擴張，從而實現煙絲膨脹目的。

經該工藝處理后的煙絲優勢有以下幾點：

（1）經該工藝處理的煙絲填充值可高達6.92cm3/g，具有填充值高、回彈好、造碎率低（≤1%）的特點，部分牌號使用比例達到了22%， 卷煙原料消耗降低0.2kg/萬支，提高了卷煙企業的經濟運行水平。

（2）經該工藝處理的煙絲能夠有效地降低煙絲中焦油及尼古丁的含量， 減焦降害方面具有難以比擬的技術優越性，有利于吸煙者的身心健康。 可在減輕吸煙對健康危害的同時完美展現高檔卷煙的品質。

（3）經該工藝處理的煙絲，理化指標優于傳統煙絲膨脹設備的產品，感官評吸好，可用于攙兌在中高檔卷煙品牌，有效提高卷煙吸食品質，即提高煙支感官又能完美展現高檔卷煙的品質和檔次。

該工藝采用的新型環保介質KC-2A 具有優良的煙絲膨脹能力，在一定的溫度和壓力條件下可以使煙絲得到完全膨脹，且膨脹后的煙絲體態飽滿、色澤鮮亮，在成倍提高煙絲填充值的同時又能提高煙絲的外觀質量。 另外，介質低毒、阻燃，具有很高的安全性，并且介質難溶于水、沸點低，可在常溫下迅速揮發，因此膨脹后煙絲介質殘留低。

該工藝系統組成相對簡單， 主要設備組成為煙絲浸漬系統、介質加注系統與回收系統和微波膨脹系統（系統的設備立面圖見圖1）。 其中比較關鍵的設備為煙絲浸漬罐和微波膨脹器， 下文主要針對浸漬罐在設計中應用到的力學模型進行探討。

圖1 SP32 設備立面圖Fig.1 The facility layout of SP32 system

2 浸漬罐的技術條件

內容器： 介質：KC-2A、煙絲，工作壓力：0.6～1.0MPa，設 計 壓 力：1.2MPa， 工 作 溫度：＜100℃，設計溫度：145℃，容積：～3m3，內徑：DN1200，日蒸發率：≤0.58%。

夾套：介質：水蒸汽，工作壓力：0.2～0.4MPa，設計壓力：0.45MPa，工作溫度：120～140℃，設計溫度：155℃，容積：60L，內徑：DN1250，最大高度：～3200mm。

3 浸漬罐的機構

在工程實踐中， 大多裝置的工作都是由許多不同的機構來完成的， 而各種機構都是用來傳遞運動和力或改變運動形式的機械裝置， 為實現裝置的自動操作起著很大的作用[1]。這些機構有楔塊機構、螺旋機構、摩擦輪傳動機構、凸輪機構、齒輪機構、棘輪機構、萬向鉸鏈機構、連桿機構等。在這些機構中連桿機構的應用比較普遍，而平面連桿機構連桿機構是由若干個剛性構件用平面低副連接而成，各構件均在相互平行的平面內運動的機構[2]。 在平面連桿機構中，四桿機構應用最為普遍。 這個在SP32煙絲膨脹系統中得到了充分體現， 是完成煙絲膨脹系統中的關鍵設備—浸漬罐自動化運行必不可少的機構。

浸漬罐的工作過程：浸漬罐工作時，在液壓缸、曲臂組成的四桿機構的帶動下，打開罐蓋，煙絲送入罐體。 接著， 在相同的四桿機構反向作用下關閉罐蓋， 又在由氣缸、鎖圈等組成的四桿機構的作用下鎖緊浸漬罐的上蓋，實現浸漬罐在一定密封壓力下完成罐體內抽空、 介質加注、煙絲浸漬、介質回收等一系列工藝過程，為后續的微波膨脹做準備。

由以上浸漬罐的工作過程可以了解到： 為了實現浸漬罐的自動化操作，需要兩個機構，從結構上說這兩個機構都是最簡單的平面四桿結構。 正是這兩個機構實現了浸漬罐開鎖-開蓋-關蓋-鎖緊的過程，這樣周而復始的動作即可實現浸漬罐自動運行的目的。

3.1 浸漬罐中的液壓開蓋機構

為了實現浸漬罐門蓋自動開關過程， 在該系統中使用了四桿機構：液壓缸、活塞（液壓桿）、曲臂和固定件組成了傳統意義上的四桿機構。 其中液壓推動活塞運動作為機構的原動件，做為負載的浸漬罐門蓋，在液壓推力的作用下，由水平位置旋轉90°到達豎直位置，此時活塞的行程為207mm，液壓缸的最大擺角為4.7°。為了使四桿機構能夠拉起門蓋，液壓系統必須提供一定的液壓。

當需要打開門蓋時，鎖圈松開門蓋，液壓缸活塞向下運動，在活塞桿拉力作用下，門蓋繞曲臂中心旋轉從水平位置旋轉至豎直位置，門蓋完全打開（運動機構簡圖見圖2）。 活塞在液壓缸內部滑動同時也做平面旋轉運動，液壓缸以O1為中心左右擺動，門蓋則繞曲臂中心O2旋轉。

圖2 浸漬罐開蓋四桿機構簡圖Fig.2 The diagram of the dip tank’s unclosing machine

開蓋機構的尺寸結構見圖3。 圖中實線部分是門蓋處于關閉位置鎖緊的狀態， 雙點化線所示位置是門蓋旋轉90°后處于打開的位置。如果門蓋以曲臂的旋轉中心勻速開啟，那么門蓋在旋轉過程中始終處于平衡狀態，則可以計算出在開啟過程中所需的液壓系統提供的液壓力，并根據已知的液壓壓力得到理論上的活塞直徑， 再考慮到設計計算中為了簡化計算過程忽略摩擦力的因素，實際門蓋有保溫材料和沖擊等， 取一個安全系數后即可選定液壓缸的大小。

圖3 浸漬罐開蓋結構圖Fig.3 The schematic diagram of the dip tank’s unclosing machine

門蓋開啟時以曲臂中心旋轉時，此處的合力為0，合力矩為0，得到以下平衡式：

由計算知所需液壓缸的推力為19393N。 液壓缸選型為：最大工作壓力8MPa，活塞直徑90mm，活塞桿28mm，提供的推力41350N，可以滿足使用要求。

3.2 浸漬罐中的氣缸鎖緊機構

由于SP32 煙絲膨脹系統的工作罐是在完全自動的條件下工作的，而其工作過程又需要一定的壓力下進行。為了實現自動化運行，開蓋機構采用了液壓開蓋機構，而為了實現門蓋到位后的鎖緊， 在該系統中采用了氣缸鎖緊機構。 當門蓋關閉并到位后， 需要門蓋能夠承受0.6～1.0MPa 的工作壓力，這時在氣缸鎖緊機構的帶動下將門蓋壓緊在工作罐的筒體端面上。 該氣缸鎖緊機構從運動角度分析同樣是一個四桿機構，見圖4，由筒體、活塞、氣缸、鎖圈四個構件組成，實現門蓋鎖緊的目的。 其中氣缸與工作罐上的鎖圈通過銷軸連接， 活塞桿同樣通過銷軸與工作罐的筒體連接，活塞在氣缸中滑動，而鎖圈可以圍繞工作罐筒體旋轉。 鎖圈和門蓋上焊接有楔形塊，門蓋與筒體端面之間安裝O 形圈，當需要鎖緊時，氣缸充壓，在活塞桿的推動下鎖圈旋轉， 使得上下兩楔塊（鎖圈楔塊為上楔塊，門蓋楔塊為下楔塊） 重合并在氣缸推力作用下壓緊， 這樣門蓋被固定并保證了連接面的密封性。 為了調整筒體端面O 形圈的密封力，可以通過限制氣缸的行程來實現，具體結構見圖5。 其中座塊焊接在筒體上，限位塊安裝在鎖圈上，并通過調整限位塊上螺栓的伸出長度達到限制氣缸運動行程的目的。

圖4 浸漬罐鎖緊四桿機構簡圖Fig.4 The diagram of the dip tank’s closing machine

圖5 浸漬罐氣缸工作圖Fig.5 The schematic diagram of the dip tank’s cylinder

為了選定氣缸的型號， 可以對楔塊受力進行分析求解。 楔塊受力圖見圖6（以鎖圈楔塊為模型分析， 門蓋楔塊受力與之相反）。

在鎖緊過程中， 楔塊受到4 個力的作用，見圖6（a）：氣缸的水平推力P、 下楔塊的支反力N、 兩楔塊之間的摩擦力Ff 和筒體對于鎖圈的壓力F。 為了簡化受力計算過程，引入文獻3 中的摩擦角概念，從而得到圖6（b），此時構件受力簡化為3 個力， 應用力的三角形概念可以得到圖7。

圖6 浸漬罐楔塊受力圖Fig.6 The force diagram of the dip tank’s chock

圖7 浸漬罐楔塊受力三角形圖Fig.7 The triangle force diagram of the dip tank’s chock

由文獻3 知三力合力為0，得到

鎖圈轉動所需的水平力P 氣缸力由3 個氣缸提供，氣缸能夠提供的最大水平力Pmax為

所以門蓋與O 圈之間沒有相對運動。

式中：α—楔塊傾角 （α=3°）；ρ—鋼鋼之間摩擦角（鋼鋼之間的摩擦系數在0.1～0.15 之間， 對應的摩擦角在5.7～8.5°）；G—鎖圈的重力 （G=2000N）；Fa—O 形圈的密封力（N）；Ff—門蓋端面與O 形圈之間的摩擦力 （N）；μ—O 形圈與金屬之間的摩擦系數；f—壓力系數（f=0.185）；d—O形圈截面直徑 （d=11.8mm）；D—O 形圈內徑（D=1210mm）；E—O 形圈的彈性模量 （D=4.3MPa）；Dc-氣缸內徑（mm）；p—氣缸操作壓力（MPa）。

由以上的計算即可確定氣缸型號，并能夠了解到：當氣缸推動鎖圈轉動時，門蓋與O 形圈之間沒有相對運動；氣缸所能夠提供的氣缸力大于鎖圈運動所需的力，故能夠推動鎖圈轉動。

4 結束語

在SP32 煙絲膨脹系統中用到了不少種機構，這里只介紹了其中浸漬罐用到的最基本的四桿機構。 也正是由于這兩個機構的應用使得工作罐的工作過程實現了完全自動化操作，并確保了工作罐的密封性。