基于SOLIDWORKS Flow Simulation 的卷烟设备改进

朱永明

（河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂，河南安阳 455000）

0 引言

ZJ17 卷接机组作为PROTOS 70 国产化机组，是目前烟草行业卷接机主力生产设备，以其较高的机电一体化程度、完善的检测系统，得到卷烟厂的青睐。但在实际生产过程中，卷烟机风室烟道风量不均匀，且吸丝带轮轴承处常因烟末堆积造成轴承运转不顺甚至卡死，使卷烟产品质量下降。通过SOLIDWORKS Flow Simulation 软件，对吸丝带轮进行仿真分析及改进，利用旋转的吸丝带轮形成涡旋气流，使烟末无法在轴承处堆积，减少轴承卡死现象，提高轴承寿命。

1 问题分析

ZJ17 卷接机组的风室是吸丝成型系统的重要组成部分（图1）。工作时风室体内形成一个负压为8000 Pa 的腔室。吸丝带在该负压和吸丝道气流的共同作用下吸住烟丝，形成具有一定宽度的烟丝束，并送往下步工序进行卷制。由于吸丝带为带有细孔的网状尼龙材料，当吸附烟丝时会有少量烟末穿过吸丝带被吸入到风室内。吸丝带在主动轮的带动下，通过5 个吸丝带轮（包括1 个通过气缸连接的张紧轮和4 个从动轮）。吸丝带轮处于风室内充满烟末的高尘环境中，其轴承处由于没有挡灰机构，长时间运行会堆积较多的烟末等灰尘，烟末进入轴承内部极易使轴承损坏和卡死，降低轴承零件的使用寿命，需经常更换轴承，否则将会造成吸丝带打滑，引发竹节烟和空头烟等质量问题，影响产品质量和设备效能。

2 吸丝带轮流体仿真及优化设计

吸丝带轮呈圆柱形，直径为60 mm，厚度为20 mm，内有2个6001 型轴承，烟条最大线速度为490 m/s，吸丝带轮转速为44.6 r/s，拟利用吸丝带轮的自转形成涡流使灰尘无法粘附在轴承上。需在吸丝带轮上设计扇叶，由于扇叶的设计手工计算难度较大，凭经验计算结果不准确，设计周期较长，成本较高。故使用SOLIDWORKS Flow Simulation 软件设计扇叶。

图1 卷烟机风室结构

首先，使用SOLIDWORKS 建立吸丝带轮主要结构模型（图2）。使用SOLIDWORKS Flow Simulation 建立流场仿真模型（图3）。通过正常状态下的流场分布图和流迹轨线可以看出：在吸丝带轮旋转时负压风在通过吸丝带轮，其轴承及轴处流迹轨线变化剧烈，容易集聚灰尘，需要在吸丝带轮上设计扇叶。扇叶的设计可在SOLIDWORKS中初步设计。图4 所示为初步设计的卷烟机风室吸丝带轮扇叶。

根据初步设计带有导流板的卷烟机风室模型，建立卷烟机风室流场仿真。

（1）加载SOLIDWORKS Flow Simulation，使用向导创建一个新的flow simulation 项目。选择合适的单位系统，分析类型选择内部，默认流体选择空气，使用默认壁面条件，初始条件的热动力参数设置为压力101 325 Pa，温度293.2 K，如图5 所示。

图2 卷烟机风室吸丝带轮结构模型

图3 卷烟机风室吸丝带轮流场仿真模型

图4 改进后初步设计带有扇叶的吸丝带轮结构模型

图5 各初始条件的设定

（2）定义旋转区域及边界条件。①插入旋转区域，将风室带轮设置为旋转区域，转速设置为44.6 r/s。②定义出口压力，根据卷烟机负压风机为风室提供8000 Pa 的负压可知，风室出口压力应为101 325-8000=93 325 Pa。③定义出口压力，根据卷烟机正压风机为风室提供1200 Pa 的正压可知，风室入口压力应为101 325+1200=102 525 Pa。④定义边界条件，将所有与气流接触的面设置为真实壁面并设置为定子。⑤定义工程目标，工程主要仿真的结果是流场的分布及压力，在此定义静压为计算目标。

（3）运行计算并查看结果，如图6 所示。通过流畅迹线可以看出，增加导流板后流场流速较增加前有明显的改善，轴承处流量变小。但是增加初步设计的扇叶仍需进行进一步的设计改进。在SOLIDWORKS 中重新更改导流板草图，通过改变扇叶的形状与位置，经多次仿真模拟计算，得到优化后的扇叶，重新计算并得到最终流场如图7 所示。

3 效果

在对风室带轮进行分析后，将设计好的风室带轮转化为二维图纸，经加工后应用于安阳卷烟厂卷包部ZJ17 卷接机组9#机设备，对改进效果进行验证，经3 个月数据收集及验证，整理结果见表1。

图6 改进后初步设计卷烟机风室吸丝带轮流场仿真模型

图7 改进并优化后卷烟机风室吸丝带轮结构及流场仿真模型

表1 平均每周更换轴承数量及设备停机时间

通过SOLIDWORKS Flow Simulation 软件对风室内吸丝带轮复杂流场进行仿真，可以直观地看到风室内部的吸丝带轮周围气体的流速分布、流速及压力，为其扇叶的设计提供了较为直观的方法。通过3 个月的试验验证，达到了预期目的，有效延长了轴承零件的使用寿命，防止了竹节烟和空头烟等质量问题的发生，提高了产品质量和设备效能。