李 荣，王 甫，李城云

红云红河烟草(集团)有限责任公司昆明卷烟厂，昆明市红锦路366号 650000

柔性喂丝机是风力送丝系统的关键设备，其功能是将成品烟丝通过吸风送至卷烟机用于卷包生产［1］。当卷烟机需要烟丝发出要料信号时，料仓底带开始运行，定量向计量槽输送烟丝；烟丝经输送带落入均分盘后，利用均分盘的离心力将烟丝进行松散并均匀抛洒在积丝盘上；均匀分散的烟丝随积丝盘一起旋转，在负压风力作用下被吸入管道送至卷烟机中［2］。生产中由于柔性喂丝机的均分盘分散烟丝不够均匀，导致均分盘与积丝盘间容易出现烟丝堵塞，造成均分盘无法正常转动，甚至引起柔性喂丝机故障停机，影响生产运行效率［3］。针对此问题，韩锐等［4］采用浮动式吸丝口替代固定式吸丝口对转盘振动喂丝机进行改进，解决了烟丝分层问题，提高了风送烟丝的均匀性。王志强等［5］设计了一种新型对称式喂丝机，主要由双向联动翻板、双定量管、均料装置、送料腔体等组成，提高了制丝生产柔性加工水平。但上述研究改进仍未能解决吸丝口烟丝堵塞等问题。计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是将计算机快速计算能力与流体力学相结合的一种用于产品开发的重要技术手段［6-7］，Solidworks Flow Simulation则是一套嵌入在Solidworks软件中的CFD仿真工具，具有直观清晰、操作简单等特点［8-9］。为了更好地模拟烟丝在流场内的流动情况，基于Solidworks Flow Simulation对均分盘分散烟丝效果进行CFD分析，并对均分盘结构进行优化设计，以期解决柔性喂丝机烟丝堵塞问题，提高设备运行效率。

1 问题分析

柔性喂丝机主要由机架、均分盘、积丝盘、吸丝口、除杂装置和吸丝管等部分组成。在制丝线中安装于烟丝配送工序段，根据生产需求将烟丝配送至单台或多台卷烟机；烟丝经均分盘松散后，均匀地抛洒在积丝盘上，由负压吸风将烟丝经吸丝管输送至对应卷烟机。现使用的柔性喂丝机分为直吸式和侧吸式，两种设备的运行原理和结构基本相同，主要是风送烟丝的路径不同［10］。直吸式通过吸丝管的上下摆动吸取烟丝；侧吸式无吸丝管，烟丝直接从侧面吸入，其结构见图1。

图1 侧吸式柔性喂丝机结构示意图Fig.1 Structure of lateral-suction flexible tobacco feeder

均分盘是侧吸式柔性喂丝机的关键部件，主要由盘体、均分条和锥顶组成，见图2。生产中采用电机减速机驱动均分盘转动，烟丝在均分盘反向旋转运动作用下分散下落在积丝盘上，便于均匀吸取烟丝。均分条的作用是将均分盘上的烟丝均匀分散到积丝盘上，其结构呈条状且4条对称分布在均分盘上，长度280 mm，超出均分盘半径30 mm。

图2 均分盘结构示意图Fig.2 Structure of equalizing plate

观察发现，当吸风风速≥10 m/s时，吸丝口处不会出现堵丝现象；当吸风风速较低（＜10 m/s）或出现结团烟丝时，均分盘上的均分条无法将烟丝均匀分配到积丝盘上，烟丝在均分盘与积丝盘间产生聚积，导致均分盘不能正常转动，吸风无法及时将烟丝吸走，进而造成烟丝堵塞吸丝口，柔性喂丝机故障停机［11］，见图3。而排除烟丝堵塞故障，操作时间长且劳动强度大。

图3 烟丝堵塞位置示意图Fig.3 Schematic diagram of cut tobacco jam

2 柔性喂丝机均分盘CFD分析

2.1 喂丝机简化模型

针对柔性喂丝机风送过程中存在的问题，基于Solidworks Flow Simulation对均分盘分散烟丝效果进行CFD分析。由于风送过程中由负压吸风将烟丝送至卷烟机，喂丝机内的烟丝与吸风间存在耦合现象，且吸风流动与烟丝流动轨迹基本一致，因此可对柔性喂丝机进行简化，简化后模型见图4。

2.2 仿真参数设置

将流动介质设为空气场以模拟烟丝流场，以分析均分盘在不同转动位置时吸风速度变化情况。设定分析类型为内部，排除不具备流动条件的腔，忽略空穴的作用；Solidworks Flow Simulation能够分析多种流动类型，本文中根据柔性喂丝机实际工况，选择层流和湍流两种状态；设定边界条件、入口体积流量和静压，壁面条件为真实壁面；确定计算流体域，进行网格划分和后处理。模型计算流体域范围见图5。

图4 柔性喂丝机简化模型示意图Fig.4 Schematic diagram of simplified model for flexible tobacco feeder

图5 计算流体域范围示意图Fig.5 Schematic diagram of computational fluid domain range

2.3 分析结果

基于SolidWorks Flow Simulation分析求解收敛后，采用速度云图评估空气场内吸风速度变化情况，见图6。仿真结果显示：均分盘转动过程中，当均分条与吸丝口平行时，吸丝口吸风风速为4～7 m/s，低于喂丝机正常吸风风速10 m/s，由此造成烟丝在吸丝口处聚积，导致吸丝口堵塞。

图6 原均分盘吸风速度云图Fig.6 Nephogram of suction air velocity in original equalizing plate

3 优化设计

根据上述分析结果，设计了两种不同结构的均分条对均分盘进行改进，见图7。A型均分盘采用4条条状均分条对称分布在均分盘上，均分条长度250 mm，与均分盘半径相等；B型均分盘采用2条“S”形均分条对称分布在均分盘上，均分条长度250 mm，与均分盘半径相等。利用Solidworks Flow Simulation对两种均分盘的吸风风速进行CFD仿真分析，结果见图8。可见，A型、B型均分盘在转动过程中，吸丝口风速均大于10 m/s，整个流场内风速梯度变化明显，说明吸丝效果良好。

图7 改进后两种均分盘结构示意图Fig.7 Schematic diagram of structure of two modified equalizing plates

图8 改进后两种均分盘吸风速度云图Fig.8 Nephograms of suction air velocity in two modified equalizing plates

将A型、B型以及原装置均分盘分别安装在柔性喂丝机上进行CFD分析。由表1可见：①原均分盘吸丝口风速在4～12 m/s之间，当均分盘转动位置为0°时，吸丝口风速明显低于喂丝机正常吸风风速10 m/s，且流场内部风速显著低于A型和B型均分盘；②A型和B型均分盘吸丝口风速均在14～16 m/s之间，大于正常吸风风速10 m/s，但两种均分盘在不同转动位置时流场内部风速存在明显差异，A型均分盘流场内部风速显著低于B型均分盘。

将A型、B型以及原装置均分盘分别安装在柔性喂丝机上进行现场对比测试。由表2可见，原均分盘烟丝堵塞次数为8次/月，A型均分盘堵塞次数为3次/月，B型均分盘为0。可见，B型均分盘的结构性能更加稳定可靠，显著优于A型和原均分盘。

表1 原装置与两种均分盘CFD仿真分析结果对比Tab.1 CFD simulation results of original and two modified equalizing plates （m·s-1）

表2 原装置与两种均分盘现场测试结果对比Tab.2 Frequencies of tobacco jam of original and two modified equalizing plates （次·月-1）

4 结论

采用Solidworks Flow Simulation对柔性喂丝机均分盘内烟丝流场进行CFD仿真分析，结合模拟数据对均分盘进行优化设计，并对两种均分盘以及原均分盘的结构性能进行仿真分析和现场对比测试，结果表明：A型和B型均分盘的吸丝口风速均大于喂丝机正常吸风风速10 m/s，当均分条与吸丝口在不同转动位置时，A型均分盘流场内部风速显著低于B型均分盘，且在6个月现场测试中B型均分盘烟丝堵塞为0。因此，改进后喂丝机采用B型均分盘更加稳定可靠，流场内风速梯度变化明显，送丝效果良好并可有效避免烟丝堵塞现象。