烟叶加料过程的混合均匀性研究

赵浩然++黄亚宇

摘要：加料过程是烟叶制丝加工过程的重要环节，是决定卷烟质量的关键步骤，而混合的均匀性则是混料的重点。为了研究混合均匀性，以烟叶为研究对象，以某混料滚筒为模型，运用EDEM对烟叶的运动过程进行模拟，将混料的不可视过程可视化，提取出烟叶的运动速度，抛洒和堆积上升位置，确定滚筒的旋转速度和倾斜角度，为分析烟叶在空间中分散状态提供可靠依据。利用Matlab软件将所有烟叶的分布情况可视化处理并提取出包络面和包络体积，分析烟叶在滚筒中空间分散状态，为料液的喷射状态提供可靠的数据支撑。

Abstract： The feeding process is an important step in the process of tobacco leaf processing， which is the key step in determining the quality of the cigarette， and the mixing uniformity is the focus of the mixing. In order to study the mixing uniformity， with tobacco as the research object， a mixing drum as a model， the movement process of tobacco leaves was simulated by EDEM. The invisible mixing process is made visible. The moving speed of tobacco leaves， throwing and accumulating up position are extracted， and the rotating speed and tilt angle of the cylinder are determined， to provide a reliable basis for the dispersion analysis of tobacco in space. Matlab software is used for visible treatment of the distribution of all tobacco leaves， and the envelope surface and the envelope volume are extracted. The space dispersed state of tobacco leaves in the cylinder is analyzed， to provide reliable data support for the ejection state of liquid material.

關键词：混合均匀性；EDEM；MATLAB；可视化

Key words： mixing uniformity；EDEM；MATLAB；visualization

中图分类号：TS45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0110-03

0 引言

叶片加料是卷烟制丝加工过程中的重要工序，其主要任务是将配置好的料液按照产品加料比例均匀施加到叶片上，起到增香保润、提升烟叶品质的作用[1]。

很多学者在此方面做出了大量的研究。如王军[2]等学者引入近红外光谱分析技术来实时监测分析烟叶和料液的混合情况，提出以料液施加比例相对偏差的百分比作为评价烟叶加料混合效果的评价因素。并通过该评价因素判断加料过程中是否存在异常，可判断加料工序是否异常。但是目前可以量化评价烟叶与料液混合均匀性的相关文献相对较少。所以本文针对上述问题进行进一步研究。郑飞[3]等学者将纯白色纸片投入到稳定混料的滚筒中，利用图像处理的方法以料液在纸片上的单片覆盖率和所有的单张纸片上料液的分布均匀性作为评价指标评价烟叶叶片和料液的混合均匀性。

1 加料滚筒混料过程

1.1 混料滚筒结构建模

经过从某烟厂实际考察后发现，在实际生产中对于滚筒内部的烟叶运动状态存在无法观察实际混料过程这一问题，为了模拟出烟叶在滚筒内部的运动状态，使用离散元法进行模拟分析，可以直接获得离散物质大量复杂的行为信息以及不易测量的颗粒尺度行为信息[4]。

1.2 烟叶叶片建模

为了达到仿真的真实性，测量了实际生产线的真实烟叶叶片，在不计算烟梗的情况下叶片厚度为0.15～0.2mm，形状大致为长条形、椭圆形和三角形，图2中分别展示了各类烟叶的数字化模型。

1.3 混料滚筒仿真过程

通过EDEM软件对烟叶叶片在混料滚筒中的运动状态进行动态仿真，滚筒内烟叶叶片的空间状态如图3所示。利用EDEM软件将实际生产线中不可视的混料过程可视化处理，从而为今后研究滚筒内部情况提供了一种新方法[5]。现规定滚筒内耙钉为短钉，滚筒的转速为25r/min，滚筒的倾斜角度分别设计为3°、4°、5°。将滚筒内部所有烟叶的位置信息导出，以便在Matlab中做进一步量化处理。

2 混料的数据量化

2.1 烟叶运动位置的数据提取

利用MATLAB软件执行预先写好的程序[6]，将在EDEM中导出的数据进行提取，绘制出包络面如图4所示。图中不同颜色代表了不同包络区域，抛洒区为蓝色，堆积上升区为红色，进料区为粉色，绿色的点代表了烟叶在所有时刻的位置信息，这种方法可以更直观地看出烟叶在滚筒内部的分布状态。

2.2 包络体量化分析

为了更具体地分析在不同角度下包络体的变化情况，现利用程序求得各个状态下包络体的体积变化情况和每一部分包络区域占滚筒提及的变化情况如表1所示。

再利用Matlab绘制出变化趋势图这样可以更直观地分析烟叶叶片的分散状态。由于混料过程中烟叶叶片进料位置不在料液的喷射范围内，所以对该区域不做分析，变化趋势如图5所示。

通过对趋势图的分析可知，滚筒在4°时抛洒区域体积最大，堆积上升区域体积适中。实际生产中混料过程均匀度最好的位置就是在烟叶在空中抛洒的状态，所以在这钟工况下的效果相对最佳，为生产实际提供了可靠的依据。

3 结语

通过对以上的分析可以得出下述结论。

①在混料装置内部不可视的状态下，利用EDEM对滚筒内部情况进行可视化处理，并作出符合烟叶特征形状的模型，为今后更趋近于实际的仿真提供了一种方法。

②为了更加量化的分析烟叶叶片在滚筒内部的分散状态，应用MATLAB软件对不同状态下的滚筒进行分析，确定了滚筒在倾斜角度为4°的时候空间的分散程度最佳，为实际生产的混料加工提供了理论依据。

参考文献：

[1]陈良元.烟草生产工艺技术[M].郑州：河南科技大学出版社，2002.

[2]王军，王聚奎，王雷.加料均匀性评价方法的应用研究[J].生物技术世界，2012（6）：5-6.

[3]郑飞，李媛，刘德强等.基于图像处理的烟片加料均匀性评价方法[J].烟草科技，2015，48（11）：65-68.

[4]王国强，郝万军，王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

[5]周重凯.基于EDEM和ANSYS Workbench加料机混料过程的研究[J].新工艺新技术，2015（7）：74-76.

[6]温正.精通MATLAB科学计算[M].北京：清华大学出版社，2015.endprint