基于CFD的YJ17卷煙機風室流場分析與優化設計

張金，常亞寧，高衛軍，衛劍*，梁志軍，楊光露

基于CFD的YJ17卷煙機風室流場分析與優化設計

張金1，常亞寧1，高衛軍1，衛劍1*，梁志軍1，楊光露2

（1.河南中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠，河南 安陽 455000； 2.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠，河南 南陽 473000）

針對ZJ17卷接機YJ17供絲系統中煙絲堵塞、竹節煙和煙支標偏大的現象進行改進。采用流體仿真分析軟件Solidworks Simulation模擬分析、正交實驗及試驗驗證的方法，設計優化YJ17供絲系統的風室裝置，通過模擬仿真不同正壓風入口形狀、數量、位置對設備運行效率、產品質量的影響，找到三者最優的參數組合。模擬分析發現，在正壓風入口形狀為圓形，正壓風入口數量為3個，正壓風入口距離氣室邊緣的距離為15 mm時，風室氣流分布更均勻，同時煙絲在離開拋絲輥后受到的下吹風力最大，可使煙絲快速到達吸絲帶。氣室經改進后煙絲堵塞次數降低了39.3%，SD值（20支煙支質量標偏）降低了25%，有效提升了設備的運行效率和卷煙產品的質量?；诜抡婕罢粚嶒灲Y果，優化了風速出風口位置和直徑，氣室的流場分析結果可為煙絲吸絲成型及風室結構優化提供一定技術支持。

供絲系統；流體仿真；正交實驗；風室；結構優化

YJ17型供料成條機是ZJ17卷接機的組成部分之一，主要由煙絲輸入、煙絲分配、煙絲計量、梗絲分離、煙條成型、質量控制、回絲等部分組成。煙條成型系統主要利用負壓吸絲成型的原理，將煙絲卷制成長條煙支[1-2]。在生產過程中，經常因吸絲成型部分負壓不平衡，造成煙絲在吸絲帶上分布不均勻，容易出現竹節煙、煙絲空虛頭等質量問題[3]。對此，徐國慶等[4]針對ZJ17型卷煙機吸絲成型局部堵塞問題，對氣室進行了優化，將原氣室左端1個進風口改為左右2個進風口，使氣室腔內部氣流更加均勻。燕振振等[5]通過ZJ118卷接機組VE工藝參數對煙支質量穩定性進行了研究，研究表明，當針輥供絲量系數為0.5、吸絲負壓為8.2 kPa時，一次風分壓力符合工藝要求，二次風分的閥開度在工藝要求范圍內越小越好，且煙支質量較平穩。高迪等[6]針對YJ17卷煙機在煙絲松散輸送過程中容易出現的造碎率高、煙支煙絲填充不平穩等問題，將供絲系統中的拋絲輥螺釘更換為葉片，依托葉片回轉產生正壓風撥送煙絲，采用柔性撥料取代打擊式供料，降低彈絲轆轉速，減少彈絲轆對煙絲結構的影響，避免煙絲在輸送過程中造碎。王安寬等[7]通過對供料成條機的小風機電機主動輪進行改進，有效增大了正壓風機風量，保證煙絲在向上運動過程中受力均勻，使煙絲能快速充足地吸附于吸絲帶上。栗勇偉[8]針對供料成條機中的針輥結構進行了改進，將針輥鋼針的角度進行了優化，將向上的針輥鋼針改為徑向，降低了針輥撥出煙絲的力，從而降低了煙絲造碎，提高了煙絲成型質量。上述改進在一定程度上減少了煙支在成型過程中出現的煙絲不均勻性和煙絲造碎等質量問題，但仍不夠完善。尤其是針對煙絲成型通道的改進較少，忽略了風壓對吸絲成型的影響。同時，在煙草行業，僅靠實驗研究來解決實際工程問題，存在成本高和效率低等不足。計算流體動力學CFD（Computational Fluid Dynamics）是用計算機模擬流體力學的重要技術手段，具有適用范圍廣、效率高、穩定性好、精度高等特點[9-10]。Flow Simulation是SolidWorks軟件中自有的CFD仿真工具，具有方便快捷和簡單易學等特點[11]。綜上所述，通過對吸絲成型的工藝流程進行詳細分析發現，風室流場存在不均勻問題，利用CFD軟件對氣室的流場進行模擬，根據仿真結果優化風室結構，以解決因氣流不均勻導致的竹節煙、堵絲等質量問題。

1 工作原理

ZJ17卷煙機分為YJ17型供絲機、卷制成型機和YJ27型濾嘴接裝機等部分。YJ17型供絲機中的吸絲成型系統主要由風室體、吸絲帶、拋絲輥、前導板、后導板、氣室、煙絲輸送帶、風選裝置和弧形板等部件組成（圖1），其工作原理：煙絲輸送帶傾斜10°運轉，將煙絲向斜上方向拋出，在前方設置帶有風孔的風選裝置，風孔在風選裝置均勻分布，風孔的總寬度和煙絲輸送帶相等；在工作時，正壓氣流從風孔向斜下方向吹出，同時將煙絲吹向拋絲輥。在拋絲輥的撥動下，煙絲被拋向吸絲道，吸絲道由前導板和后導板組成，吸絲道內的煙絲在氣室壓縮空氣和風室體負壓吸風的共同作用下繼續向上運動，直至被吸附于吸絲帶下，吸絲帶向前運動，形成煙絲束，配合卷煙紙形成長條煙，至此煙絲吸絲成形工序完成。

圖1 吸絲成型系統結構

2 問題分析

拋絲輥與弧形板具有相同的軸心，裝配關系為平行。在拋絲輥的轉動下，煙絲被旋轉至吸絲道，因此煙絲具有與拋絲輥相同的線速度。吸絲道為細長矩形，其長邊長度與氣室長度相等，位于氣室上方。在吸絲道內，具有初速度的煙絲在氣室壓縮空氣和風室體負壓的共同作用下吸附于吸絲帶，上方的負壓吸風由卷煙機大風機提供，下方的正壓吹風由卷煙機小風機提供。對吸絲道中的煙絲進行了受力分析，根據動量沖量定律，見式（1）、（2）。

式中：1為煙絲受到的向上的吸附力；2為煙絲受到的向上的正壓力；為力的作用時間；為煙絲質量；1為拋絲輥拋出煙絲的速度；2為吸絲帶煙絲縱向速度；為拋絲輥到吸絲帶的垂直高度。

由此可知，在煙絲受到的向上吹力不同時，其煙絲完成吸絲成型的時間也不相同。由于氣室的正壓管接口在左端（見圖2），因此吸絲道內豎直向上的氣流速度由左向右依次減弱。假設煙絲為鏈式球狀，氣室左邊的煙絲受到的正壓力明顯大于風室右邊煙絲受到的正壓力。

由式（3）可以得出，氣室左邊煙絲的上升時間（）小于氣室右邊煙絲的上升時間。在同等煙絲供應下，吸絲帶右邊煙絲明顯小于左邊煙絲，進而造成煙絲成型的不均，從而影響產品的質量和設備的運行效率。

3 改進方法

通過分析可知，吸絲通道堵煙絲的主要原因是氣室的吹風不勻造成的，為此對氣室進行優化設計。風速直接影響物體所受的力。由于力與風速的平方成正比關系，即2∝2，因此當風速增大時物體受到的力也會相應增大。根據伯努利定律[12]，風速增大會導致氣壓降低，從而造成物體所受的力增大。這里通過改變風室正壓風入口的形狀、正壓風入口的數量、正壓風入口位置等，找到最大的風速和合適的風速分布。

3.1 設計正交實驗

正交試驗是最常用的一種實驗設計方法，經常運用于結構優化和功能設計等方面[13-14]。通過正交試驗，分析在風室正壓風入口形狀、正壓風入口數量及正壓風入口與風室邊緣的距離等因素的作用下，影響風室壓縮空氣在拋絲輥出口處風速的主次因素，并得到、、參數的最優組合，以優化風室結構[15]。

3.1.1 試驗指標

試驗指標是用來評價正交試驗結果好壞的特征量，根據不同的試驗目的進行選取，每個試驗至少有1個試驗指標[16]。文中以氣室壓縮空氣在拋絲輥出口處的豎直風速（）平均值和豎直風速（）云圖作為試驗驗證指標，豎直風速（）平均值越大且豎直風速（）云圖沿氣室水平方向分布越均勻，其效果越好。

3.1.2 試驗因素

試驗因素指可能對試驗指標產生影響的因素。這里選擇氣室正壓風入口的形狀、正壓風入口的數量，以及正壓風入口與氣室邊緣的距離等因素為試驗因素。

3.1.3 因素水平

通過對風室的整體尺寸、安裝位置和實現難易程度等多個因素進行綜合分析，擬定本次正交試驗取2個水平，即取圓形、正方形；取1個、3個；取15、20 mm。此次試驗是一個2水平3因素的正交試驗，需要做8組試驗，試驗方案如表1～2所示。

表1 正交試驗L8(23)因素水平

表2 正交試驗L8(23)

Tab.2 Orthogonal test L8(23)

3.2 仿真實驗

采用Flow Simulation對不同形狀正壓風入口、不同數量的正壓風入口，以及正壓風入口與氣室邊緣的不同距離進行分別建模，分析氣室內壓縮空氣的流動情況和壓縮空氣在拋絲輥出口截面處的豎直風速（）及其速度（）分布云圖。文中所有的仿真實驗，因對風室內部流場進行分析，故分析類型選擇內部（排除不具備流動條件的腔），默認流體選擇空氣，壁面條件選擇默認，初始條件采用默認的大氣壓和室溫，邊界條件選擇進口體積流量為0.034 m3/s，出口壓力為靜壓。目標的設定根據需要選擇靜壓、總壓、速度等，網格的劃分采用級別較高的5級。

小風機產生的壓縮空氣進入氣室后的仿真結果如圖3所示。其中，圖3a為壓縮空氣在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速及其速度分布云圖，圖3b為氣室內壓縮空氣流動情況，以速度流動跡線表示。實驗1～8表示8組不同試驗，圖3a1表示第1組試驗壓縮空氣在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速及其速度分布云圖，圖3b1表示第1組試驗氣室內壓縮空氣流動情況，以此類推。從速度云圖可以看出，正風入口形狀的不同、數量的不同及正壓風入口距離氣室邊緣距離的不同，均會影響壓縮空氣在氣室的流動情況，進而影響壓縮空氣在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速及其沿水平方向的分布。特別是單個正壓風入口的氣室入口設計（實驗1、2、5、6），這類氣室的氣流從左到右流動，流動跡線從左到右逐漸變稀，且氣流在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速從左到右依次減小，速度差異大；3個正壓風入口的氣室入口設計（實驗3、4、7、8），這類氣室的速度流動跡線分布較好，且氣流在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速從左到右分布均勻，速度差異小。從仿真結果中提取出氣流在拋絲輥出口水平截面處的豎直風速“速度平均值”作為正交試驗的指標值，正交試驗結果見表3。

為了確定氣室正壓風入口的形狀、正壓風入口的數量，以及正壓風入口與氣室邊緣的距離等3個因素影響氣流在拋絲輥出口水平截面處“風速平均值”的主次，并得到這幾個參數的最優組合，以此優化氣室結構，采用Minitab 進行DOE正交實驗，實驗結果見表4。

根據方差分析相關知識可知，在給定的顯著性水平=0.05的情況下，由表4和圖4可以看出，正壓風入口數量的=0.035，小于0.05，表明因素對拋絲輥出口水平截面處“風速平均值”的影響顯著，除正壓風入口數量外，其他主效應正壓風入口的形狀、正壓風入口與氣室邊緣的距離兩者的大于0.05，可知兩者均不顯著，交互作用形狀與數量，形狀與距離，數量與距離等的小于0.05，可知三者均不顯著。同時，關于主效應，影響“風速平均值”的主次因素依次是正壓風入口的數量、正壓風入口與氣室邊緣的距離、正壓風入口的形狀。由圖5可知，主效應數量顯著，其他2個主效應正壓風入口的形狀及正壓風入口與氣室邊緣的距離均不顯著。從圖6可知，數量和距離雖有一定交叉，但由表4已知其交互作用不顯著。從圖7可知，最優方案是121，即氣室結構的最優組合為：為圓形，=3，=15 mm。雖然方案211的“風速平均值”為5.672 25 m/s，與最優方案121“風速平均值”（5.676 75 m/s）相差甚微，但考慮到實際安裝情況，圓形接口比方形接口易緊固、安裝，因此選擇圓形氣室入口。

表3 正交試驗L8（23）結果

Tab.3 Results of orthogonal test L8(23)

表4 方差分析

Tab.4 Analysis of variance

圖4 Pareto圖

圖5 主效應

4 效果驗證

4.1 實驗設計

材料：“黃金葉（小目標）”牌卷煙煙絲，河南中煙工業有限責任公司安陽卷煙廠提供；水松紙，增和包裝股份有限公司印刷接裝紙；盤紙，華豐紙業木漿橫紋卷煙紙。每班更換安裝新的吸絲帶（同一批次）。

圖6 交互作用

圖7 立方圖

設備與工藝參數：ZJ17 卷煙機，常德煙草機械有限責任公司；大風機負壓為?10 kPa，吸絲帶張力0.25 MPa。

測試方法：改進前后 YJ17 卷煙機的車速均為7 000支/min，采用卷煙綜合測試臺（鄭州海意科技有限公司）；在改進前后，分別記錄設備運行1周內（按照工作日5 d計算，每天2個班次，每班次8.5 h）煙絲堵塞次數；在改進前后，分別記錄1周內20支煙質量標偏的平均值（每班次測量5次）。

4.2 結果分析

由表 5可見，ZJ17卷煙機氣室經改進后煙絲堵塞次數由原來的1周發生28次降至17次左右，煙絲堵塞次數降低了39.3%；SD值（20支煙支質量標偏）由改進前的1周平均值為19.6降至14.7，SD值降低了25%。

表5 改進前后設備1周內煙絲堵塞次數和煙支質量標偏

Tab.5 Number of blockages and cigarette weight deviation within one week before and after improvement

5 結語

針對ZJ17卷煙機YJ17供絲系統的氣室部分進行了改進，在不改變小風機轉速的前提下（保證氣體總流量和總壓力不變），將氣室進風口由原來的1個變為3個，沿氣室方向對稱分布，保持兩側進風口距離氣室邊緣距離不變，進風口直徑由原來的45 mm改為26 mm，進口形狀保持圓形不變。經過仿真和實驗驗證，改進后氣室內的氣流更加均勻，且在拋絲輥出口處的豎直風速更大，沿氣室方向分布更均勻，煙絲在離開拋絲輥后受到的下吹風力最大、最均勻；保證了煙絲快速到達吸絲帶，防止煙絲在豎直通道內擁堵，減少了煙絲堵塞次數，提升了煙支質量標偏。以安陽卷煙廠生產的“黃金葉（小目標）”牌卷煙為對象進行了測試，結果表明，氣室經改進后煙絲堵塞次數降低了39.3%，SD值（20支煙支質量標偏）降低了25%，有效提升了設備運行效率和卷煙產品質量。

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Analysis and Optimization Design of YJ17 Cigarette Machine Air Chamber Flow Field Based on CFD

ZHANG Jin1,CHANG Yaning1,GAO Weijun1,WEI Jian1*,LIANG Zhijun1,YANG Guanglu2

(1. Anyang Cigarette Factory, Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Henan Anyang 455000, China; 2. Nanyang Cigarette Factory, Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Henan Nanyang 473000, China)

The work aims to address the phenomenon of cigarette blockage, slub cigarette, and excessively large cigarette label in the YJ17 wire supply system of the ZJ17 cigarette machine. The method of the fluid simulation analysis software Solidworks Simulation, orthogonal experiments, and experimental verification was used to design and optimize the air chamber device of the YJ17 cigarette supply system. Through simulation of effect of different shapes, quantities, and positions of positive pressure air inlets on the operation efficiency and product quality of equipment, three optimal combinations were found. When the positive pressure air inlet shape was circular, with 3 positive pressure air inlets and a distance of 15 mm between the positive pressure air inlet and the edge of the air chamber, the air flow in the chamber was more uniform. When the cigarette left the throwing roller and was subject to the maximum and most uniform downward blowing force, the cigarette quickly reached the suction strip. After the improvement of the air chamber, the number of cigarette blockages decreased by 39.3%, and the SD value (weight deviation of 20 cigarettes) decreased by 25%, effectively improving the equipment operation efficiency and cigarette product quality. Based on simulation and orthogonal experimental results, optimizing the position and diameter of the air outlet and the flow field analysis results of the air chamber can provide certain technical support for the cigarette suction molding and the optimization of the air chamber structure.

cigarette supply system; fluid simulation; orthogonal experiment; air chamber; structural optimization

O359；TB486

A

1001-3563(2024)05-0164-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.020

2023-08-22

河南中煙工業有限責任公司科技項目（ZW201834）