烟片加料过程数字化评价体系及加料效果预测研究

发布时间：2020-09-26 17:12

　　加料工艺是卷烟生产过程中最重要的工艺环节之一,它可对烟片起到加香调味、润叶保湿、防霉助燃等作用,是决定香烟成品感官风格、品质质量的关键加工工序。目前卷烟企业对烟片的加工正从粗放式加工转向精细化、个性化加工发展,在关注加工工艺成本的同时,更加注重成品烟片的品质及特性凸显。由于加料工艺过程涉及气、固、液等多物理场及化学场耦合作用,是极其复杂的交叉耦合过程。而传统加料工艺的基于经验性、统计性规律而总结应用的加工工艺参数、评价指标已无法满足精细化、特性化的生产需求。因此将在密闭滚筒内进行的加料工艺的“黑箱”过程“白箱化”,通过对加料过程本质原理的深入研究与分析、对物料运动混合特征状态的提取与归纳,是加料工艺质量提升、加料设备技术改进、企业开展精细化卷烟加工生产的关键。本文以一级加料工艺过程为研究对象,对加料质量效果的综合评价体系进行了研究及构建,并基于该评价体系建立了加料效果预测模型,分析了主要工艺参数对加料效果的影响关系。研究工作首先对加料工艺主要影响参数进行了筛选分析,对加料过程混合原理、耦合过程进行了剖析;其次,建立了加料过程烟片与料液的流固耦合仿真模型,对物料在滚筒内的混合运动进行了仿真计算,将密闭滚筒内加料过程“可视化”、数字化;再次,通过对仿真计算结果的特征数据后处理分析,提出了基于固相、液相、固液混合作用特征的5项关键评价指标,经过主客观组合赋权法对指标进行了赋权,并最终建立了加料效果综合评价体系;最后,基于本文提出的综合评价体系及人工神经网络建立了加料综合效果预测模型,并对各工艺参数对加料效果影响关系进行了分析与总结。通过GA算法对工艺参数进行了优化,并通过加料工艺生产试验线对加料效果预测模型及优化参数进行了验证并判定模型有效,优化后工艺参数组的加料效果优于现行工艺方案。本文研究成果揭示了加料过程物料运动状态、混合作用的特征及规律,数字化表征了加料综合效果,量化分析了主要工艺技术参数对加料效果的影响。为推动卷烟企业精细化、个性化的特色生产工艺的发展具有十分重要的理论及实际应用意义。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS452
【部分图文】：

工艺设备

第二章加料工艺仿真、评价及效果预测方法7第二章加料工艺仿真、评价及效果预测方法整个制丝工艺过程包括烟片的运输、烟叶的切片切丝、松散回潮、风选除杂、多级加料工艺、烟片装箱贮存、配叶柜贮等过程[12]。本文以切片后的烟叶的加料工艺过程为研究对象，提出以建立流固耦合模型进行数值仿真模拟来研究加料过程中物料的运动、分布特征规律，并提出加料效果综合评价体系及预测模型。本章节主要阐述本论文研究工作中说涉及涵盖的主要理论及方法。2.1烟片加料过程混合原理及主要影响因素分析2.1.1加料过程物料混合原理加料工艺过程主要目的是实现烟片的加香加料，给烟片所加的料是根据不同规格、品牌香烟的要求按照一定成分配比而制成的液体香料。在加料时，烟片随着振动槽振动，受传送带墨仓带动，以匀速运动形式从加料滚筒入料口进入筒内。滚筒内壁按照一定排列布满耙钉，烟片随着耙钉的摩擦及带动，实现松散的同时随筒壁一起作上升圆周运动。由于重力及惯性影响，烟片在升至某一高度时势能达到最大，之后做斜抛运动。料液与工艺水混合从加料滚筒上部经由喷头喷射入筒内，在压力作用下，扩散至滚筒中后部，形成雾化颗粒，与该空间内的烟片烟片进行接触混合，以达到加料目的。在加料滚筒中有循环热风经流，从入料端进入带动烟片，风速较慢，主要目的是保持筒壁温度、保湿润叶，并辅助带动烟片输送至出料端。如图2.1为加料工艺设备图。图2.1加料工艺设备图Fig.2.1Thephotooftobaccochargingequipment

模型图,模型,滚筒,颗粒

第二章加料工艺仿真、评价及效果预测方法11式（2-2）中，Vi为流体体积，fi表示t瞬时的单位质量的流体质点所受力，pij为流体质点在空间点上的应力张量。能量守恒方程为：()iijijiiiuuTVpSkpqtxxx+=++····························(2-3)式（2-3）中，pijSij是流体质点所在空间点上的应力张量pij和应变率张量Sij的乘积，k表示流动流体的传热系数，T为温度，q为热流率。借助上述方程可对流固耦合仿真计算进行求解。在分析并摸清了烟片与料液在加料滚筒内混合状态，并确定了需要采用流固耦合模型来对料液与烟片作用过程进行求解后，现对烟片运动在加料滚筒内所选用模型进行分析讨论。图2.2Hertz接触模型Fig.2.2Hertzcontactmodel烟片在加料滚筒中的运动是典型的非连续介质问题，对该问题求解需要建立离散元基础模型。通过EDEM软件可以对烟片离散模型进行构建。在使用EDEM软件进行离散元建模时，需选择接触模型，即软球模型和硬球模型[15,16]。为了探究滚筒内烟片的运动规律、烟片与烟片间接触情况，因烟片与滚筒壁、烟片与耙钉间的接触碰撞均会产生形变，且烟片在滚筒内的运动相对较慢，故选用软球接触模型。软球接触模型是用于通过采用牛顿第二定律、振动方程求解两个及多个颗粒间碰撞过程，并根据颗粒球体间交叠量计算出接触力。颗粒与颗粒间、不同颗粒与接触边界的Hertz接触模型如图2.2所示。如图2.3（a）、2.3（b）分别为颗粒振动的法相、切向模型。如图2.3（c）所示为颗粒和颗粒、颗粒和边界的滑动模型。

模型图,模型表示,颗粒,模型

昆明理工大学硕士学位论文12图2.3由振动模型表示的颗粒接触模型Fig.2.3Theparticlecontactmodelexpressedbyvibrationmodel下列方程所示为颗粒接触的法向振动模型：221,2//nnnnnnmdudt+cdudt+Ku=F······························(2-4)式（2-4）中m为质量，t为时间，un为法向速度，cn表示法向阻尼，Kn为法向刚度，Fn为接触力法向分量。颗粒接触振动的切向滑动、滚动模型方程为：221,2221,2///(/)ssssssssssmdudtcdudtKuFIddtcdudtKusM++=++=·····························(2-5)式（2-5）中us表示切向速度，cs表示切向阻尼，Ks表示切向刚度，Fs为接触力切向分量。I为转动惯量，θ为角速度，M为力矩。根据牛顿第二定律，任何颗粒i的运动方程可表示为：iiiimuFIM==···················································(2-6)式（2-6）中uò表示线加速度，慃表示角加速度。由此，实现颗粒在每个时刻运动的求解。再分别建立了料液运动的流体动力学模型以及烟片的离散元模型，在二者运动仿真的基础上，为更真实的还原加料滚筒内多物理场耦合作用的过程，需要对二者混合作用进行耦合仿真计算分析。耦合计算模拟的方法有多种，其中直接耦合法最为直观，改法采用欧拉-拉格朗日方程，可对烟片料液的流固耦合计算过程进行求解。

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