李 榮,王 甫,李城云
紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司昆明卷煙廠,昆明市紅錦路366號(hào) 650000
柔性喂絲機(jī)是風(fēng)力送絲系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,其功能是將成品煙絲通過吸風(fēng)送至卷煙機(jī)用于卷包生產(chǎn)[1]。當(dāng)卷煙機(jī)需要煙絲發(fā)出要料信號(hào)時(shí),料倉底帶開始運(yùn)行,定量向計(jì)量槽輸送煙絲;煙絲經(jīng)輸送帶落入均分盤后,利用均分盤的離心力將煙絲進(jìn)行松散并均勻拋灑在積絲盤上;均勻分散的煙絲隨積絲盤一起旋轉(zhuǎn),在負(fù)壓風(fēng)力作用下被吸入管道送至卷煙機(jī)中[2]。生產(chǎn)中由于柔性喂絲機(jī)的均分盤分散煙絲不夠均勻,導(dǎo)致均分盤與積絲盤間容易出現(xiàn)煙絲堵塞,造成均分盤無法正常轉(zhuǎn)動(dòng),甚至引起柔性喂絲機(jī)故障停機(jī),影響生產(chǎn)運(yùn)行效率[3]。針對(duì)此問題,韓銳等[4]采用浮動(dòng)式吸絲口替代固定式吸絲口對(duì)轉(zhuǎn)盤振動(dòng)喂絲機(jī)進(jìn)行改進(jìn),解決了煙絲分層問題,提高了風(fēng)送煙絲的均勻性。王志強(qiáng)等[5]設(shè)計(jì)了一種新型對(duì)稱式喂絲機(jī),主要由雙向聯(lián)動(dòng)翻板、雙定量管、均料裝置、送料腔體等組成,提高了制絲生產(chǎn)柔性加工水平。但上述研究改進(jìn)仍未能解決吸絲口煙絲堵塞等問題。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)是將計(jì)算機(jī)快速計(jì)算能力與流體力學(xué)相結(jié)合的一種用于產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段[6-7],Solidworks Flow Simulation則是一套嵌入在Solidworks軟件中的CFD仿真工具,具有直觀清晰、操作簡單等特點(diǎn)[8-9]。為了更好地模擬煙絲在流場內(nèi)的流動(dòng)情況,基于Solidworks Flow Simulation對(duì)均分盤分散煙絲效果進(jìn)行CFD分析,并對(duì)均分盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以期解決柔性喂絲機(jī)煙絲堵塞問題,提高設(shè)備運(yùn)行效率。
柔性喂絲機(jī)主要由機(jī)架、均分盤、積絲盤、吸絲口、除雜裝置和吸絲管等部分組成。在制絲線中安裝于煙絲配送工序段,根據(jù)生產(chǎn)需求將煙絲配送至單臺(tái)或多臺(tái)卷煙機(jī);煙絲經(jīng)均分盤松散后,均勻地拋灑在積絲盤上,由負(fù)壓吸風(fēng)將煙絲經(jīng)吸絲管輸送至對(duì)應(yīng)卷煙機(jī)。現(xiàn)使用的柔性喂絲機(jī)分為直吸式和側(cè)吸式,兩種設(shè)備的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)基本相同,主要是風(fēng)送煙絲的路徑不同[10]。直吸式通過吸絲管的上下擺動(dòng)吸取煙絲;側(cè)吸式無吸絲管,煙絲直接從側(cè)面吸入,其結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 側(cè)吸式柔性喂絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of lateral-suction flexible tobacco feeder
均分盤是側(cè)吸式柔性喂絲機(jī)的關(guān)鍵部件,主要由盤體、均分條和錐頂組成,見圖2。生產(chǎn)中采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)均分盤轉(zhuǎn)動(dòng),煙絲在均分盤反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用下分散下落在積絲盤上,便于均勻吸取煙絲。均分條的作用是將均分盤上的煙絲均勻分散到積絲盤上,其結(jié)構(gòu)呈條狀且4條對(duì)稱分布在均分盤上,長度280 mm,超出均分盤半徑30 mm。
圖2 均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of equalizing plate
觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)吸風(fēng)風(fēng)速≥10 m/s時(shí),吸絲口處不會(huì)出現(xiàn)堵絲現(xiàn)象;當(dāng)吸風(fēng)風(fēng)速較低(<10 m/s)或出現(xiàn)結(jié)團(tuán)煙絲時(shí),均分盤上的均分條無法將煙絲均勻分配到積絲盤上,煙絲在均分盤與積絲盤間產(chǎn)生聚積,導(dǎo)致均分盤不能正常轉(zhuǎn)動(dòng),吸風(fēng)無法及時(shí)將煙絲吸走,進(jìn)而造成煙絲堵塞吸絲口,柔性喂絲機(jī)故障停機(jī)[11],見圖3。而排除煙絲堵塞故障,操作時(shí)間長且勞動(dòng)強(qiáng)度大。
圖3 煙絲堵塞位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of cut tobacco jam
針對(duì)柔性喂絲機(jī)風(fēng)送過程中存在的問題,基于Solidworks Flow Simulation對(duì)均分盤分散煙絲效果進(jìn)行CFD分析。由于風(fēng)送過程中由負(fù)壓吸風(fēng)將煙絲送至卷煙機(jī),喂絲機(jī)內(nèi)的煙絲與吸風(fēng)間存在耦合現(xiàn)象,且吸風(fēng)流動(dòng)與煙絲流動(dòng)軌跡基本一致,因此可對(duì)柔性喂絲機(jī)進(jìn)行簡化,簡化后模型見圖4。
將流動(dòng)介質(zhì)設(shè)為空氣場以模擬煙絲流場,以分析均分盤在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)吸風(fēng)速度變化情況。設(shè)定分析類型為內(nèi)部,排除不具備流動(dòng)條件的腔,忽略空穴的作用;Solidworks Flow Simulation能夠分析多種流動(dòng)類型,本文中根據(jù)柔性喂絲機(jī)實(shí)際工況,選擇層流和湍流兩種狀態(tài);設(shè)定邊界條件、入口體積流量和靜壓,壁面條件為真實(shí)壁面;確定計(jì)算流體域,進(jìn)行網(wǎng)格劃分和后處理。模型計(jì)算流體域范圍見圖5。
圖4 柔性喂絲機(jī)簡化模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of simplified model for flexible tobacco feeder
圖5 計(jì)算流體域范圍示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational fluid domain range
基于SolidWorks Flow Simulation分析求解收斂后,采用速度云圖評(píng)估空氣場內(nèi)吸風(fēng)速度變化情況,見圖6。仿真結(jié)果顯示:均分盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,當(dāng)均分條與吸絲口平行時(shí),吸絲口吸風(fēng)風(fēng)速為4~7 m/s,低于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s,由此造成煙絲在吸絲口處聚積,導(dǎo)致吸絲口堵塞。
圖6 原均分盤吸風(fēng)速度云圖Fig.6 Nephogram of suction air velocity in original equalizing plate
根據(jù)上述分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的均分條對(duì)均分盤進(jìn)行改進(jìn),見圖7。A型均分盤采用4條條狀均分條對(duì)稱分布在均分盤上,均分條長度250 mm,與均分盤半徑相等;B型均分盤采用2條“S”形均分條對(duì)稱分布在均分盤上,均分條長度250 mm,與均分盤半徑相等。利用Solidworks Flow Simulation對(duì)兩種均分盤的吸風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行CFD仿真分析,結(jié)果見圖8??梢?,A型、B型均分盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,吸絲口風(fēng)速均大于10 m/s,整個(gè)流場內(nèi)風(fēng)速梯度變化明顯,說明吸絲效果良好。
圖7 改進(jìn)后兩種均分盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of structure of two modified equalizing plates
圖8 改進(jìn)后兩種均分盤吸風(fēng)速度云圖Fig.8 Nephograms of suction air velocity in two modified equalizing plates
將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機(jī)上進(jìn)行CFD分析。由表1可見:①原均分盤吸絲口風(fēng)速在4~12 m/s之間,當(dāng)均分盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置為0°時(shí),吸絲口風(fēng)速明顯低于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s,且流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于A型和B型均分盤;②A型和B型均分盤吸絲口風(fēng)速均在14~16 m/s之間,大于正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s,但兩種均分盤在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)流場內(nèi)部風(fēng)速存在明顯差異,A型均分盤流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于B型均分盤。
將A型、B型以及原裝置均分盤分別安裝在柔性喂絲機(jī)上進(jìn)行現(xiàn)場對(duì)比測(cè)試。由表2可見,原均分盤煙絲堵塞次數(shù)為8次/月,A型均分盤堵塞次數(shù)為3次/月,B型均分盤為0??梢?,B型均分盤的結(jié)構(gòu)性能更加穩(wěn)定可靠,顯著優(yōu)于A型和原均分盤。
表1 原裝置與兩種均分盤CFD仿真分析結(jié)果對(duì)比Tab.1 CFD simulation results of original and two modified equalizing plates (m·s-1)
表2 原裝置與兩種均分盤現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.2 Frequencies of tobacco jam of original and two modified equalizing plates (次·月-1)
采用Solidworks Flow Simulation對(duì)柔性喂絲機(jī)均分盤內(nèi)煙絲流場進(jìn)行CFD仿真分析,結(jié)合模擬數(shù)據(jù)對(duì)均分盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)兩種均分盤以及原均分盤的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析和現(xiàn)場對(duì)比測(cè)試,結(jié)果表明:A型和B型均分盤的吸絲口風(fēng)速均大于喂絲機(jī)正常吸風(fēng)風(fēng)速10 m/s,當(dāng)均分條與吸絲口在不同轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí),A型均分盤流場內(nèi)部風(fēng)速顯著低于B型均分盤,且在6個(gè)月現(xiàn)場測(cè)試中B型均分盤煙絲堵塞為0。因此,改進(jìn)后喂絲機(jī)采用B型均分盤更加穩(wěn)定可靠,流場內(nèi)風(fēng)速梯度變化明顯,送絲效果良好并可有效避免煙絲堵塞現(xiàn)象。