基于烟丝风速比控制的丘堆状风力喂丝工艺

廖和滨，李晓刚，张 伟，江家森，林 郁

1. 龙岩烟草工业有限责任公司，福建省龙岩市乘风路1299 号 364021

2. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298 号 361012

3. 福建中烟工业有限责任公司，福建省厦门市思明区莲岳路118 号 361002

风力喂丝是利用风机产生具有一定负压的气流，通过管道将烟丝从贮丝房输送至卷接机组的技术，具有输送距离远、灵活性高、环境污染少等优点［1-2］，但如何实现风力喂丝系统的过程参数控制，是研究风力喂丝工艺的重点之一。张楚安等［3］在原风力配丝装置的基础上，采用喂入式配丝方式，开发了新型风力配丝装置，较好地解决了烟丝分层问题。谢海等［4］采用集束管替代通用树状型分支式、风量自动补偿的风力送丝装置，能较好地控制烟丝的输送风速，达到降低烟丝造碎率、节约能源的目的。李理等［5］、王浩等［6］、李计刚等［7］对卷接机组的负压检测相关装置进行了优化设计。以上研究都是通过设备配置升级以达到系统优化的目的，但对于基础理论的应用研究较少。为此，从风力喂丝技术的理论分析入手，通过对过程参数烟丝风速比的控制，以实现高负载、非悬浮的丘堆状风力送丝，从而有效降低风速，避免烟丝在风力输送过程中的分层并减少烟丝造碎，进而提升卷包柔性风力喂丝的过程控制水平。

1 问题分析

1.1 生产流程

如图1 所示，卷包车间风力喂丝系统的生产流程为：成品烟丝经翻箱喂丝后送至定量喂料装置，实现烟丝的恒流量控制；烟丝在喂丝斗内与空气充分混合后，经风送管道送至指定的卷接机组；在卷接机组的料仓内，烟丝被截留，含有粉尘的空气则被集中送至布袋除尘器进行降尘处理，降尘后的干净空气经消音后排空；在料仓内的烟丝则进入卷接机组进行卷制。

1.2 存在问题

原卷包车间风力喂丝系统仅靠系统尾端的调频风机进行风速调节，没有其他相关的检测装置，无法对烟丝速度、风速等关键参数进行监控。而生产过程中卷接机组料仓要料信号随时切换，导致风机频率不断变化，风速达到稳定的调节时间远高于一次送料时间，因此，现有的风力喂丝系统无法实现风速和烟丝速度的有效控制，难以满足烟丝风送风速工艺指标的规定要求。

2 改进方法

2.1 最佳烟丝输送速度

风力喂丝的烟丝输送涉及“气-固”两相运动，相关参数多，过程复杂。为确定物料输送速度，首先需要确定悬浮速度Vf［8］。以物料在垂直管道中输送为例进行分析，在管道中，物料由下向上输送，这时自下而上的空气流作用在物料上的力应等于物料本身的重力，使物料呈悬浮状态，此时空气流速成为悬浮速度Vf。

式中：α—烟丝的展开角度（rad）；φ—tan-12σ；σ— 烟丝与气流间摩擦拽引力系数；；K=Sx/S0—烟丝展开系数，K≤1，烟丝全展开时K=1；δ—烟丝的平均厚度（m）；ρ—烟丝密度（kg/m3）；ρg—空气密度（kg/m3）。

对于烟丝的气力输送，由于其姿态角的变化是随机的，因此烟丝输送的悬浮速度可视为α在0→π之间的积分周期平均值，故可得：

式（2）就是烟丝风送时的悬浮速度，计算可得悬浮速度为3.3 ～3.8 m/s，便可确定烟丝的输送速度V。

式中φ为大于1 的极限数，其值大小依输送物料种类、状况而定，对卷烟物料（烟丝）而言，φ=2.2～2.8［8］，计算可得出烟丝风送速度的极限值。跟踪实际生产运行中的烟丝风送速度与烟丝状态的关系，过大的风速导致烟丝分层、造碎增加，过小的风速导致堵料，风速值控制范围见表1，由此可确定最佳的烟丝风送速度为7～11 m/s。

表1 烟丝风送速度与烟丝状态描述Tab.1 Description of pneumatic feeding velocity and status of cut tobacco

2.2 低风速丘堆状风力喂丝系统

2.2.1 风速快速响应的补风装置

改造后的喂丝系统如图2 所示，烟丝由翻箱喂丝机1 倒料，经风力送丝管2，送入卷接机组3，完成烟丝输送，而带有粉尘的尾气则经回风管4 送至除尘器7 降尘，除尘风机8 以固定频率运行，干净的空气经过消音器10 后排空。为实现卷接机组喂丝风速快速响应且可控，新增了补风装置6，当多台卷烟机同时要烟丝时，补风装置完全关闭，当某台“要丝满”信号触发停止要烟丝时，补风装置会立即打开30%的阀门开度进行相应的补风［9-10］，该模式大大改善了原变频响应滞后的问题，为稳定风速控制提供了技术保证。

2.2.2 烟丝风速比△VAT控制模式

2.2.2.1 烟丝风速比△VAT的定义

在实际生产过程中，单次送料的烟丝高度曲线变化情况见图3。由图3 可以看出，在料头和料尾处有明显物料波峰，其中料头波峰是由于上一次送丝过程中留在管道底部的尾料和本次送丝累加导致，而料尾波峰是因为卷接机组风门逐渐关闭，管道风速骤降而产生物料堆积。因此风力送丝管道内的烟丝量时刻都在变化，即任意截面内的烟丝高度不同。如采用恒风速控制模式，则烟丝速度时刻在变化，导致烟丝输送为非稳态，当烟丝较多时，负压过大，会加剧对管道下部烟丝的拉扯，当烟丝较少时，负压不足，容易使烟丝送不走。因此，烟丝速度的稳定控制比风速控制更利于系统平衡。

为实现风速和烟丝速度可控，在送丝管中增加△VAT控制单元并在回风管中增加回风控制单元，见图4。△VAT控制单元2 安装于卷接机组料斗前端的水平送丝管3 上，靠近卷接机组料斗1处，此单元安装高速光电阵列管，用于检测烟丝速度、送丝管压力等参数，并实时传递给回风控制单元4。回风控制单元4 安装于卷接机组之后的回风管5 上，用于测量空气气流的速率、回风管压力等参数值［11］，并通过调节控制气流的回风阀，实现对回风管风量的及时调整。人机交互单元（HMI）7 安装于卷接机组上，可以对烟丝传送过程中的各个参数进行采集和分析控制、参数管理、实时状态监控等。

式中：△VAT为烟丝风速比；Vtoba为烟丝速度（m/s）；Vair为空气速度（m/s）。

在生产过程中，系统通过安装于△VAT控制单元内的高速光电阵列管检测烟丝速度，其原理是将激光发射在运行中的烟丝上，烟丝会将光束反射回传感器内的光敏接收器，而光敏接收器为多像素阵列式，通过测量反射光角度和接收器上光斑的位移变化，借助内置的微处理器和相应的软件算法，即可精准获得烟丝的即时速度Vtoba。与此同时，在回风控制单元安装有压差式风速传感器，利用皮托管和压力传感器测量出动压，由此可计算得到风速Vair，进而得到烟丝风速比△VAT。

2.2.2.2 烟丝风速比△VAT的控制方法

不同烟丝风速比下，风力喂丝系统的管道内烟丝高度（管道内烟丝高度的计算方法：烟丝高度与管道直径的比值，无量纲）和送丝管与回风管的压力差曲线见图5。随着△VAT值的提高，管道内烟丝高度总体呈增加趋势，当△VAT值＜0.70 时，烟丝高度基本保持不变，维持在23.58%左右；当△VAT值大于0.70 时，烟丝高度呈线性提高，最大值达到36.54%，表明烟丝风速比的提高能满足大流量丘堆状烟丝输送的生产需求。送丝管与回风管的压力差值随△VAT值升高呈线性递增分布，可以看到△VAT在0.65 到0.90 之间，压力差值由589.13 Pa 逐步升高至1 798.49 Pa，之后出现拐点并下降到1 650.44 Pa，这是由于在回风管压力基本不变的情况下，烟丝风速比值在0.95 时（烟丝速度10.07 m/s、风速10.61 m/s），压力差值达到1 798.49 Pa，此时送丝管的压力值达到最低点且仅有-2 464.87 Pa，加之卷接机组料仓漏风状况时有发生，管道的送风负压不足进而导致烟丝无法及时被送走，因此风力喂丝管道积料的可能性大增。

因此，为使系统达到较好的运行状态，烟丝在管道内的堆积高度在25%至30%，送丝管与回风管的压力差值在600 Pa 至1 200 Pa 之间为宜，由此△VAT值在0.70 至0.85 之间较为合理。

因在一个完整的单次送料过程中，风力喂丝系统可分为3 个阶段（表2）：①头料阶段，接收到卷接机组要料信号后，将回风阀开至最大，同时前端喂料系统延时0.5 s 后开始喂料，最大风门持续2 s，将料头阶段堆积的物料及时送走，确保不堵料；②比例控制阶段，对△VAT数值进行柔性控制，以实现低风速的丘堆状烟丝风力喂丝，把尽可能多的烟丝保护起来，不与管道接触，减少造碎；③尾料阶段，保持△VAT数值的比例控制，接收到卷接机组料满仓信号后，喂料系统立即停止进料，而回风阀延时0.5 s 后关闭，完成本次喂丝。

表2 单次风力喂丝逻辑控制Tab.2 Logical control for single pneumatic cut tobacco feeding

2.3 稳态大流量的烟丝输送系统

2.3.1 翻箱喂丝的大流量供丝

原翻箱喂丝出料系统为折弯限量管设计，见图6。生产状态下，烟丝经贮柜3 出料后，经出料皮带4 送至限量管5 稳流后，再经恒流皮带6 至喂丝斗7，最终风送至卷接机组；而贮柜内的烟丝尾料则通过尾料口2 反向送至纸箱1 进行收集，生产结束。原系统约32 s 将烟丝从喂丝斗送至卷接机组料斗，使其满仓（约9 kg 烟丝），因此出料系统设计流量为1 012 kg/h。低风速丘堆状风力喂丝技术的核心理念是在短时间即15 s 内完成送丝，由此翻箱喂丝系统的出料频率需大幅提升，满足2 160 kg/h 的喂丝量，在此过程中容易在烟丝输送系统的拐角处发生堵料，影响正常生产，尤其在喂丝斗的位置（喂丝斗因安装高度有限，其折边斜度不足，容易发生因烟丝架空而堵料）堵料频次较多。

为解决原系统折弯处堵料问题，将原出料系统进行反向直供设计，即烟丝经贮柜翻箱送料，再经出料皮带向左出料，直接将烟丝送入喂丝斗1并风送至卷接机组料斗。同时系统为解决贮柜出料流量波动大的问题，在出料皮带4 上方增设了拨料辊2，当出料皮带上的物料较多时，拨料辊将超高的烟丝向后拨，从而有效提高了出料系统的流量均匀性，见图7。该出料方式能有效避开原系统多次折弯产生的堵料堆积，且由于富余的安装高度，可通过优化烟丝下料结构，提高喂丝斗的折边斜度，有效杜绝了烟丝堵料现象。

2.3.2 自动防堵料技术

通过前端翻箱喂丝的改造，实现了来料的大流量供丝，但风力喂丝管道至卷接机组料仓等处仍存在堵料风险，即容易因管道内堆积烟丝过多，致使送丝管道的负压不足而发生堵料。为提高风力送丝的稳定性，增设了自动防堵料功能。该功能模块工作原理如下：正常生产情况下，回风阀开度维持在65%左右，送丝负压约-2 000 Pa，当系统检测到送丝负压在200 ms 内急剧变化约1 200 Pa且超过系统设置的压力差启动值800 Pa 时，启动防堵料功能，如图8 所示。此时系统立即全开回风阀，使送丝管内保持高负压，即可将此刻管道内堆积的烟丝送走，消除堵料隐患，维持1 s 后阀门恢复至65%开度。通过以上自反馈系统，能够有效降低烟丝在管道内的堵料风险。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“红七匹狼”牌号成品烟丝（由龙岩烟草工业有限责任公司提供）。

仪器与设备：Tipper and Mini Silo 翻箱喂丝系统（意大利Garbuio 公司）；Protos M5 卷接机组（德国Hauni 公司）；ME203 电子天平（感量：0.1 g，瑞士Metter Toledo 公司）；YQ-2 烟丝结构测定仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；AS400 筛分仪（德国Retsch 公司）。

方法：风送前的烟丝在贮柜出料皮带上取样，风送后的烟丝在卷接机组料仓内取样，分别对改进前后的烟丝整丝率、碎丝率和烟丝混合均匀度进行评价。其中烟丝的整丝率、碎丝率测定方法参考《烟丝整丝率、碎丝率的测定方法》［12］。烟丝混合均匀度测试方法参照《烟草混合均匀度的测定》［13］。

3.2 数据分析

图9 为实时过程参数控制图，分别有风速、烟丝速度、烟丝风速比、阀门开度和烟丝高度等参数值。由图9 和表3 可知，实施柔性风力喂丝系统改造后，风速由原不可控降低至11.32 m/s（红线a），烟丝速度降低至9.5 m/s（绿线b），并且实现了烟丝风速比（紫线c）在0.70 到0.85 之间的精准控制，卷接机组料仓单次满仓填充时间由32 s 缩短至19.36 s，满足了低风速丘堆状风力喂丝的工艺需求。

通过对风力喂丝过程风速、烟丝风送速度和烟丝风速比的过程指标精准控制，其结果见表4。可以看出，丘堆状烟丝风力喂丝技术，将每千克空气输送的烟丝量由0.58 kg 提升至1.71 kg，有效解决了烟丝风送速度过快带来的烟丝分层问题，提升了生产过程的工艺质量。烟丝的混合均匀度由5.41%降低至5.16%，烟丝整丝率下降绝对值由1.27%降低至0.74%，烟丝消耗由32.17 kg·（50 000支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1，减少了烟丝消耗，实现了过程控制的精细化生产需求。

表3 改造前后风力喂丝过程指标控制效果Tab.3 Process index control for pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

表4 改造前后风力喂丝效果验证Tab.4 Effect verification of pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

4 结论

①随着烟丝风送速度的增加，烟丝分层加剧并产生大量造碎，烟丝风送速度控制在7～11 m/s时，能实现低风速的丘堆状风力喂丝，烟丝不会与送丝管道产生过多摩擦，从而有效保护烟丝。②建立了无量纲烟丝风速比△VAT的参数控制，将△VAT值比例控制在0.70 至0.85 之间，可以达到最好的烟丝输送状态。③通过对翻箱喂丝系统的改进，使喂丝能力大幅提升，卷烟机料斗单次喂丝时间由32 s 缩短至15 s。④风力喂丝系统改进后实现了低风速的丘堆状风力喂丝，风速由不可控降低至11.32 m/s，烟丝速度降低至9.5 m/s，有效解决了原系统烟丝风送速度过快带来的烟丝分层问题。烟丝的混合均匀度由5.41%降低至5.16%；烟丝整丝率下降绝对值由1.27%降低至0.74%，烟丝消耗由32.17 kg·（50 000 支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1。