1. 引言
梗丝作为卷烟制造的重要原料组成部分，梗丝的品质直接影响卷烟加工的质量，为满足制丝环节成品长梗的质量，打叶复烤环节的成品长梗合格率指标的要求在不断提升[1] [2]，在郑红艳等人的研究努力下目前车间能够完全满足长梗合格率(90.00%) [1]，全年复合长梗率达93.60%，然而这种追求高合格率的设备导致成品长梗的误剔率增加产出减少，成品短梗里面含有长梗的比例增加，目前对最后一级振筛有效筛分面积封堵50%，如图1所示筛分后的短梗含有的长梗的占比依然在28.4%，该部分长梗直接作为废料进行处理，造成长梗的极大浪费。
Figure 1. Long stems recovered from short stem fraction
图1. 短梗中分离出的长梗
堵孔是造成精度下降的主要原因之一，张琪陆[3]、王献有[4]、刘波兰[5]等人研究表明五面筛能够有效地防止堵孔的出现，对于提升筛分精度有十分积极的作用，但他们的研究主要集中在长梗合格率上，对于高精度长短梗的分离研究尚有一些欠缺，就目前的异形筛来说主要问题是长短梗的高精度筛分能力不足，但他们研究提供的五面筛的尺寸对于本次研究具备很重要的参考依据。
陆俊平[6]等人对于短梗、细梗的筛分研究对于本研究具备很强的指导意义，尤其筛面孔的尺寸给与了本研究很强的参考性。
本文旨在基于闻春邦[7]院士的筛分理论基础上，在不改变目前设备主体结构的情况下，通过实验研究出一种满足高长梗合格率，同时又能精确筛分长短梗的筛面，从而保证烟梗筛分后纯净度及提高烟梗的有效利用率，实现打叶复烤工艺的经济效益。
2. 问题分析及方案设计
2.1. 问题分析
通过对现有筛分过程观察，发现其筛分过程为：如图2所示物料在振筛筛面的导流槽中程直线运行，在运动过程中物料一头在孔中，一头在孔外，当物料过短时发生重心偏向孔中，从而实现长短梗的分离，为了满足90%的长梗合格率，其开孔孔径过大加上料层过厚，导致物料在运动过程中与其他物料撞击后部分长梗的一端被压入孔中，在重力的作用下漏到筛面下部进入短梗通道，从而出现误剔，极少部分出现长梗在运动过程中出现竖立的状态，从而直接漏到下部短梗通道。
Figure 2. Vibrating screen operational conditions
图2. 振筛运行工况
2.2. 方案设计
2.2.1. 增加短梗复筛设备
2#3#短梗二次复筛运输带；4#短梗二次复筛设备；5#短梗运输带；6#短梗运输带
Figure 3. Additional screening unit
图3. 新增筛分设备
根据对现场的设备的布局，如图3所示新增筛分设备对短梗再次进行复筛，同时将前端的设备同步提高一定的高度留出足够的空间给新增的振筛有足够的空间将筛分出的物料导入至长、短梗运输带中进入下一级。优点：对目前的设备改动最小，在不影响目前设备的运行情况下，能够保证当前的筛分效果同时提升筛分精度；缺点：需要新增设备，对整体的布局改动较大，整体改造费用比较高。
2.2.2. 鼻孔筛设计
对目前的筛分结构进行观察，发现当物料出现跨导流槽的情况时，物料翻越导流板时出现物料倾斜过孔的状态，短梗在重力的作用下，更容易出现竖立趋势，长梗重心在后以抬头的姿势通过，从而避免落入孔中，实现了长短分离，根据此笔者设计了一种如图4所示的具备高低落差的“鼻孔筛”进行筛分。根据闻春邦[7]设计开孔原则，结合筛分尺寸20 mm，考虑重心的变化，孔设计为椭圆形：7 × 14。
(a) (b)
Figure 4. Nostril-shaped screen. (a) Schematic; (b) physical implementation
图4. 鼻孔筛。(a) 设计图；(b) 实物
2.2.3. 波浪排列孔板筛设计
根据巴西坚果效应及厚层筛分原理，设计一种如图5所示的筛网能够短时间阻滞物料的通过，使得物料在筛面运动时形成短暂的堆积段，堆积的物料在振动的作用下小颗粒(短梗)往往更容易沉降，从而使得短梗比长梗具备更大的概率与筛面接触，从而实现较大的短梗下落概率，减少长梗的漏下概率，提升筛分精度。根据此原理小组成员设计了一种波浪形排列孔板，孔径从进料端至出料端分别为5 × 9、6 × 14、7 × 18，排列孔板两端与支撑框架平齐，中间下陷10 mm，从而实现物料的堆积筛分。
Figure 5. Design schematic of wave-arranged perforated plate screen
图5. 波浪排列孔板筛设计图
2.2.4. 双层筛设计
目前最后一级振筛长梗运输带中长梗占比93.6%完全能够满足长梗合格率，证明最后一级振筛实现长短梗的分离效果已达最佳，只需要参考第一级振筛将最后一级振筛改为双层筛网，对筛下去的短梗进行二次复筛减少流向短梗中的长梗即可，可通过提升目前的筛网，在下面再增加一层筛网即可。优点：只要下层复筛产生一点效果即可产生效果。缺点：需要对二次复筛的孔径进行实验确定，保证长梗合格率，同时增加振筛的筛面重量，筛面的质心发生变化，需对振筛的平衡进行调试，以保证设备的正常生产。根据上层异形筛孔12 × 22的尺寸下层选择10 × 20的菱形网片，其网面如图6所示。
(a) (b)
Figure 6. Second-level screen surface schematic. (a) Schematic; (b) physical Implementation
图6. 二层筛面设计图。(a) 设计图；(b) 实物
2.3. 方案选择
根据现场设备的情况，由于方案一的改动成本过高因此暂时不考虑，决定对改动成本较低的鼻孔筛、波浪排列孔板筛、双层筛进行测试，选择出有一定改善情况的方案后再进行方案优化。
3. 方案测试
3.1. 试验材料、设备和仪器
3.1.1. 试验材料
试验材料为：2024产烤烟，品种玉溪6/K326、云系混、云烟116 (昭通)，上部及中部烟叶原料。
3.1.2. 试验设备
加湿设备：WZ191A型真空回潮机、WF3522B型滚筒式热风润叶机。流量控制设备：C6EK110 SM型电子皮带秤、YC8601型计量管。除尘设备：DF型系列除尘器。打叶风分设备：96PFD型分料器、BFS96型风分器、SR96 型打叶器，总工艺为四打十四分。梗复烤设备：KG336C型烟梗复烤机。筛分设备：ZBH振动输送机筛分碎梗、梗头；长短筛分：SGD振动筛分机。计量设备：LQ-T3高精度电子秤。
3.2. 试验方法
3.2.1. 试验条件
B线非叶基模式下生产后留用梗，来料流量：50 kg/min，振动频率：7.8 Hz。
3.2.2. 试验设备位置
梗筛分二级筛分机。
3.2.3. 设备改造方案
拆卸原筛面，分别用鼻孔筛、波浪排列筛面替换原筛面。双层筛提高原筛面75 mm，下层中部安装二层筛。
3.2.4. 试验设计
每次投料50 kg，1 min内投完，在来料情况与振动频率不变的情况下，分别投料3次，每次在投料20 s~40 s (这个时间布料最为均匀)间随机在长、短梗出料口分别取100 g，人工分拣出其中的长梗，长梗中的长梗量为长梗合格率，短梗中的长梗为短梗长梗率，每次投料取样3次，取平均值作为该方案的试验的长梗合格率及短梗长梗率。
4. 结果分析
4.1. 试验结果
本次测试对不同方案进行了试验数据对比，结果如表1所示。
Table 1. Comparison of long stem qualification rate and long stem content in short stems for different solutions
表1. 不同方案的长梗合格率及短梗长梗率
对比项目 Comparison Items |
短梗长梗量(g) Long Stem Content in Short Stems (g) |
长梗长梗量(g) Long Stem Content in Long Stem Output (g) |
鼻孔筛 Nostril-Shaped Screen |
31.73 |
73.61 |
28.44 |
69.36 |
28.69 |
74.22 |
均值 Mean Value |
29.62 |
72.39 |
波浪排列孔筛 Wave-Arranged Perforated Screen |
27.32 |
80.21 |
23.46 |
77.94 |
24.82 |
76.87 |
均值 Mean Value |
25.20 |
78.64 |
双层筛 Double-Layer Screen |
24.57 |
92.02 |
23.16 |
93.38 |
22.58 |
90.92 |
均值 Mean Value |
23.10 |
92.11 |
通过表1数据表明，鼻孔筛跟波浪排列孔筛几乎没有筛分效果与进入长短梗筛之前的长短梗占比几乎一致，对比原异形孔筛的筛分来看，仅有双层筛的筛分效果有所提升。
4.2. 方案分析讨论
4.2.1. 鼻孔筛原因分析
如图7所示，鼻孔筛在实际运行过程中，物料在翻越孔时能够实现长短梗的部分分离，但是由于振槽的运动趋势及梗物料的惯性，在斜坡位置的梗存在后滑从孔中滑落的情况存在，部分前进梗是在前面下滑的梗的推动下实现前进。后移滑落的梗不分长短梗均会掉落，因此没有筛分效果。通过调整滑槽的倾斜程度，调整激振电机的偏心度及电机的运行频率，依然不能摆脱这种情况，在实际运行过程中梗的实际流量比测试时候略大，因此鼻孔筛不适宜在目前的设备上进行使用。
Figure 7. Nostril-shaped screen in operation
图7. 鼻孔筛运行
4.2.2. 波浪排列孔板筛
如图8所示，波浪排列孔筛在运行过程中，大量梗堆积在筛面中心，前进速度过慢，后续的物料堆积挤压后推动前面的物料前进，部分物料是攀爬至前面堆积物料之上而通过的，堆积的物料在晃动过程中有少量的筛分效果，短梗有更多的机会与孔面接触筛选，但是由于不适宜目前的流量，因此筛分效果有限。
Figure 8. Wave-arranged perforated screen in operation
图8. 波浪排列孔筛运行
4.2.3. 双层筛
双层筛的筛分具备一定的效果，原因已在方案设计中论述过，其实双层筛的二层筛就是概率筛的一种，只要有一定的筛分效果就能提升精度，但是双层筛的效果还取决于第二层筛面的面积，孔的形状，孔径的大小振筛运行频率等影响。
5. 方案优化
5.1. 孔形状筛选
对于概率筛分来说孔的形状也是至关重要的一个参数，根据目前研究情况来说，比较集中实用的孔为方孔、菱形孔、腰型孔、异形孔。
如图9所示，通过与前文一致的测试方式，发现以概率筛分为基础在烟梗长短筛分中菱形孔的效果最好，采用如图10所示的筛面测试方形孔由于长宽一致，误筛长梗较多，二次复筛的效果比较差。腰型孔要么掉落过多，要么存在卡梗情况，在二层筛分中若堵孔情况过多，甚至影响总体筛分效果，异形孔由于形状与上层筛一致，若孔过大则筛分效果不佳，若孔设计小则容易出现卡梗、长短筛分效果不佳。
Figure 9. Double-layer screen in operation
图9. 双层筛运行
Figure 10. 12 × 12 square-hole screen surface
图10. 12 × 12方孔筛面
5.2. 孔尺寸及遮挡面积的确定
通过前面一系列的测试确定了主体方案为双层筛，二层采用菱形孔作为筛分网面，主流的菱形孔主要尺寸有：8 × 16、10 × 18、10 × 20，将筛面设计为总长度600 mm，分别将网面遮挡：0、1/3、2/3，按照前文所述的方法进行测试，测试结果如表2所示，部分测试效果如图11所示。
Table 2. Long stem qualification rate and long stem content in short stems under different aperture sizes and shading areas
表2. 不同孔径及遮挡面积的长梗合格率及短梗长梗率
对比项目 |
平均长梗量 |
短梗长梗量(g) |
长梗长梗量(g) |
8 × 16 |
遮挡比例 |
0 |
17.54 |
84.32 |
1/3 |
19.27 |
82.76 |
|
|
2/3 |
20.03 |
80.22 |
10 × 18 |
遮挡比例 |
0 |
20.32 |
92.45 |
1/3 |
19.46 |
91.23 |
2/3 |
19.82 |
90.11 |
10 × 20 |
遮挡比例 |
0 |
23.57 |
93.02 |
1/3 |
22.16 |
92.38 |
2/3 |
21.58 |
90.92 |
Figure 11. Material after test screening
图11. 试验筛后物料
表2数据表明，既能满足长梗合格率，又能降低短梗中含长梗的比例的组合是二层筛面采用菱形10 × 18，使用宽度为400 (振槽宽1400)。如图12所示，明显有部分梗从二层筛面筛出，表明双层筛观察与数据情况一致。
Figure 12. Test diagram of double-layer long-and-short stem screen
图12. 双层长短梗筛测试图
5.3. 激振筛的平衡调整
通过前面一系列的测试确定了筛面的最佳尺寸，由于调整后，筛面整体提高其质心发生变化，因此需要对振筛进行平衡调整，最终将偏心调整角度为18度，平衡体加重35 kg，频率的设置为8.5 Hz，同时将筛面主框架支撑方管由4.0壁厚改为1.5壁厚，降低质心偏移量。
5.4. 效果验证
如图13所示，设备优化后通过18小时的持续性跟踪，发现筛分效果长梗平均合格率90.28%，短梗中长梗占比降低至20.75%。
Figure 13. Optimized overall performance
图13. 优化完成整体效果
6. 结论
研究表明，在总体结构不改变的情况下，通过使用菱形孔10 × 18的概率筛面可以有效提升筛分精度，保证长梗合格率的同时降低误筛情况。为解决烟梗长短筛分精度不高问题，提供了有效的技术路径。