煙支濾棒成型設備中多孔管道輔助正壓增程裝置的設計

摘 要：【目的】針對濾棒在傳遞過程中因安裝、制造公差等原因導致工作行程增大、傳遞過程中斷的問題，設計了多孔管道正壓輔助傳動裝置進行傳輸。【方法】正壓管道內的氣流，在流經正壓孔時會對濾棒施加沿徑向方向運動的力，由于鼓輪本身自帶轉速，其產生的離心力會對濾棒施加沿鼓輪切向方向運動的力，這兩個方向的位移能夠在實現濾棒于空間位置連續傳遞的同時增加各鼓輪間的輸送間距。【結果】通過數學方法計算管道內壓強流失情況，并對正壓孔進行設計改進，該裝置能夠有效降低安裝、制造精度，節約成本的同時增加傳遞鼓輪的傳輸間距。【結論】在提高傳送類鼓輪的工作效率的同時，避免了零部件的重復加工或返修情況的發生，也使得傳送鼓輪在空間設計、排布的多樣性成為可能。

關鍵詞：多孔管道；正壓；傳輸間距；增程

中圖分類號：TS43" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）09-0030-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.006

Design of Porous Pipe Auxiliary Positive Pressure Range Extension

Device in Smoke Stick Filter Forming Equipment

HAN" Zongzheng

（Xuchang Tobacco Machinery Co.， Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract： [Purposes] In view of the situation that the working stroke of the filter rod increases due to installation， manufacturing tolerance and other reasons in the transmission process， which leads to the interruption of the transmission process， the method of positive pressure auxiliary transmission of porous pipeline is proposed. [Methods] When the air flow in the positive pressure pipe flows through the positive pressure hole， it will exert a radial movement on the filter rod. Because the drum wheel itself has its own speed， the centrifugal force generated will exert a tangential movement on the filter rod. The displacement in these two directions can realize the continuous transmission of the filter rod in the space position and increase the transmission distance between the drums. [Findings] Through the analysis and calculation of the pressure loss in the pipeline， the positive pressure hole was designed and improved. The device can effectively reduce the installation and manufacturing accuracy and increase the transmission distance of the transfer drum. [Conclusions] While improving the working efficiency of the conveyer drum， the repeated processing or repair of the parts is avoided， and the diversity of the spatial design and arrangement of the conveyer drum is possible.

Keywords： void channels; positive pressure; transmission interval; range extension

0 引言

在濾棒成型設備中，上游成型裝置中的濾棒如何連續、平穩地傳遞至下游裝置一直是研究的重點。該傳遞過程不僅影響著成型設備的運行效率，更直接影響著產出效能。在實際工作中，接收、傳遞濾棒的鼓輪在設計和排列組合時，常受到工藝、空間等因素限制［1］。多孔管道增程裝置是在傳遞鼓輪交接處開設正壓增程孔，當棒類傳遞到此處時，多孔管道輔助正壓裝置接通，各正壓孔開始以恒定且相等的力作用于傳遞中的濾棒，使濾棒平穩地“飛出”。此時，下游鼓輪接通負壓對濾棒進行吸附“拉回”，以此來避免因傳遞鼓輪間距過大而導致濾棒掉落的情況發生。此外可專門擴大鼓輪間的傳遞距離，增加傳送鼓輪在空間排布的多樣性。

近年來，煙草設備的發展日新月異，越來越多的新結構、新方法應用于煙草成型設備中。例如，楊成波等［2］因煙支在傳遞過程容易折斷和堆積，研究設計了加熱卷煙接裝機雙路供料系統；孫莉［3］為提高煙支棒料傳動平穩性，對接收煙支的鼓輪煙槽負壓孔進行優化設計；熊克林［4］利用負壓設計出V形吸風孔，解決了煙支因傳遞過程而導致外觀損傷的問題；潘松君［5］提出的煙支變節距柔和交接技術，解決了煙支在傳輸過程中接空率較高的問題；倪建彬［6］為提高煙支的吸阻穩定性對煙機設備的工藝參數和煙支棒重量進行了改進；劉謙等［7］利用負壓將ZJ17卷接機組產生的廢料收集，解決了因廢料堆積而導致的煙支生產缺陷等問題；徐亞軍［8］為制成品質更高、更好的煙絲條，設計了一種雙氣流通道裝置。

針對煙支傳遞過程中出現的現象，本研究設計了一種多孔管道輔助正壓增程裝置，在提供合適且恒定的正壓下，通過數學方法分析計算，確定各正壓孔半徑關系和間距位置，為傳遞鼓輪的空間排布增加了可能性，節省傳遞空間的同時壓縮了制造成本。

1 鼓輪間的傳遞方式

鼓輪濾棒傳遞示意如圖1所示。濾棒自上游傳遞鼓輪后逆時針旋轉，經正壓增程輪負壓區吸附濾棒后，在傳遞至右側的接收鼓輪時會經過輔助正壓增程裝置中的正壓風口，此時正壓風口將提供恒定的力，并產生徑向初速度V1；另一方面，由于濾棒傳遞過程中鼓輪自身旋轉，會產生一個沿徑向方向的切向速度V2，此時產生的合速度V3的方向就是濾棒的實際運動方向。

由圖1可知，上游傳遞鼓輪與正壓增程輪圓心距a與接收鼓輪與正壓增程輪圓心距b之間的關系為a≤b（本研究中所有鼓輪直徑相等）。

當a=b時，即增程輪正壓風口關閉，只起傳遞作用；

當a＜b時，增程輪正壓風口打開，增加傳遞行程。

需要注意的是，濾棒在傳遞過程中依靠鼓輪上的負壓孔進行吸附，若濾棒無法堵住鼓輪上的負壓孔，則會出現棒支掉落的情況。與負壓風口不同的是，輔助正壓裝置中的每個風口提供的力必須是恒定且相等的，正壓孔風力示意如圖2所示。因此，則有F1=F2=……=F6，這樣棒支在經過正壓風口時才不會因受力不均勻出現傾斜、扭轉等導致棒支傳遞不及時或掉落的情況發生。

2 正壓輔助裝置計算

多孔管道輔助正壓增程裝置采用控制變量法分別對管徑D，管長L，開孔半徑r等進行設計并計算。由帕斯卡定律可知[F=P·S]。因此，若要為濾棒提供恒等且相等的力F，就應該控制正壓口處的壓強P及開口面積S，使得任一正壓口的開口面積S與壓強P無論怎么變化，其乘積值F均相等。

2.1 等徑管道壓力損失計算

在橫截面積處處相等的正壓管道（等徑管道）中，達西-韋斯巴赫方程見式（1）至式（3）。

[△P=λ·L·v22Dg] （1）

[λ=75Re]" （2）

[Re=ρvDμ] （3）

式中：△P為壓力損失；λ為空氣在正壓管道內的摩擦阻力系數；L為管道長度，m；v為壓縮空氣在管道內的流速，m/s；D為管徑直徑，m；g為重力加速度，m/s2；Re為流體在容器內的流動情況，即雷諾系數；ρ為空氣密度，常溫下的空氣密度一般為1.293 kg/m3；μ為流體的動力黏度系數，常溫狀態下一般為1.81×10-5 Pa·s。

本研究中取流速v=10 m/s；管道直徑D=10" mm；入口壓強為10 kPa； ρ、 μ均取常溫下數值。

由式（2）和式（3）可以計算出Re=71.436，λ=1.050。

根據泊肅葉定律見式（4）。

[Q=qv=△P·r48Lλ]" （4）

式中：Q為流量；q為單位時間內通過管道截面的流量；r為管道半徑，m。

結合式（1）至式（4）可得[△P]見式（5）。

[△P=λρLv22D] （5）

取不同孔間距與主通風管道直徑關系，并將其代入式（4）和式（5）中，計算結果見表1。

由表1可知，在本研究預設工況條件下，經計算可知，在主管道直徑相同情況下，孔間距越大，壓強損失越多，若要保證正壓孔處風力處處相等，開孔半徑由入口端至出口端應緩慢增大；另一方面，在保證孔間距相等的條件下，隨著主管道直徑增大，壓強損失越來越少。

2.2 變徑管道壓力損失計算

為了實現在正壓孔徑r不變的情況下使得正壓風口提供徑向恒定的力，可以通過調節主管道的橫截面積及管道開孔間距，使得每個正壓風口處的壓強相等，即管道內的橫截面積處處發生變化（即變徑）。變徑管道示意如圖3所示。

在截面不斷變化的管道中存在的關系見式（6）。

[q1v1=q2v2]" " " " "（6）

伯努里方程見式（7）。

[P1+12ρv21=P2+12ρv22+△P]" "（7）

式中：P1為輸入管道時的靜壓強；[12ρv21]為管道內的動壓強；P2為輸出管道時的靜壓強；[12ρv22]為輸出管道時的動壓強；△P為管道內的壓力損失。

由于正壓輔助推力裝置中靜壓為0，則公式簡化后見式（8）。

[△P=ρ2（v21?v22）]" " "（8）

開口處截面面積見式（9）。

[S=π（D2?10tanθ）2]" " （9）

式中：θ為變孔徑錐度。

由式（6）至式（9）可知，在流量Q一定的情況下，管徑截面q與流速v成反比。本研究取不同變孔徑錐度θ與正壓孔處橫向截面面積數值，經計算所得數據見表2。

由表1和表2可知，在本研究預設的等開口間距工況條件下，在等徑管道中單位長度內的壓強損失相等，等間距正壓孔的半徑隨著開孔間距增大而遞增，成正比關系；變徑管道中隨著傾斜角度θ增大，各截面間的流速差也越來越大，壓強損失也越來越多。

通過上述計算公式可知，在實際工作生產中，應盡可能地增大主風管道的直徑來獲取流量，減短管道長度來縮減壓強損失，此外可以根據以上兩種孔徑壓強損失特性和流速變化進行選擇，以此應對現實中的不同工況條件。

3 受力運動軌跡預測

濾棒受徑向推力和向心力影響，在脫離正壓增程輪后將產生類似拋物線運動，若對該曲線進行預測分析，將會在一定程度上避免由傳遞速度過快導致濾棒因受力過大產生反彈變形或負壓區無法吸附濾棒致使濾棒脫離鼓輪的情況發生。

在實際工況中，濾棒運動軌跡受多種因素影響，因此考慮將其進行拆解計算。

濾棒在傳遞過程中受到正壓孔作用沿徑向方向移動。

徑向推力見式（10）。

[F=ma] （10）

徑向位移見式（11）。

[L徑=12at2] （11）

式中：a為徑向產生的加速度，m/s2；t為沿徑向運動的時間，s。

濾棒在傳遞過程中受傳遞鼓輪作用沿切向方向移動。

向心力見式（12）。

[F=mv2r=mw2r] （12）

切向位移見式（13）。

[L切=vt] （13）

式中：v為向心力F作用產生的速度，m/s；t為沿切向運動的時間，s。

根據不同工況及棒料種類，結合式（10）至式（13），可以預測出濾棒經正壓增程輪作用后的大致線路。

4 結論

本研究以傳統鼓輪傳遞方式為研究切入點對正壓增程裝置的各個參數進行分析計算，利用壓強差彌補濾棒在傳遞過程中因裝配、制造生產等原因使傳遞鼓輪間距過大導致濾棒掉落的情況發生，在提高傳送類鼓輪的工作效率的同時，也避免了零部件的重復加工或返修情況的發生。此外可利用該增程裝置的管道壓強損失特性和流速變化來解決因空間位置不足致使鼓輪排布、設計思維受限等問題。

參考文獻：

［1］湯澤東，阮三星，劉威.卷煙機鼓輪煙支傳遞的負壓控制設計［J］.湖南文理學院學報（自然科學版），2019，31（2）：41-44.

［2］楊成波，張凌，王俊，等.YJ27型加熱卷煙接裝機雙路供料系統的設計［J］.煙草科技，2023，56（12）：84-90.

［3］孫莉.優化煙支濾嘴質量的流體力學鼓輪氣孔流場模型構建［J］.機械設計與制造工程，2023，52（10）：30-33.

［4］熊克林.鼓輪堆棧式煙支輸出裝置的設計［J］.機械制造與自動化，2016，45（4）：216-218.

［5］潘松君. 高速煙支的變節距柔和交接裝置設計與分析［D］.長沙：湖南大學，2013.

［6］倪建彬. 卷煙吸阻穩定性的研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2008.

［7］劉謙，李超，王瀟，等.ZJ17卷接機組廢接裝紙收集裝置的設計［J］.煙草科技，2023，56（3）：101-105.

［8］徐亞軍.基于ZJ17型卷煙機新型雙通道均勻氣流氣室裝置的設計［J］.湖南文理學院學報（自然科學版），2018，30（3）：86-88.