1、第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301003打叶复烤二次静电除杂工艺参数仿真与验证秦建1，张腾健2，彭小冬1，卢敏瑞2，潘峰2，秦华2(1 福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350118;2 福建武夷烟叶有限公司，福建 邵武 354000)摘要:建立了杂物在静电场中的运动轨迹模型，运用多物理场耦合模型对静电辊表面的电场分布、杂物在电场中的运动轨迹进行仿真分析;采用单因素实验法研究各种摩
2、擦式静电除杂样机除杂率的影响。结果表明:试验效果与仿真结果的趋势基本一致，在环境湿度为 60%H、静电辊转速为 25 r/min时，杂物的挑出率为 9877%，相较于最初的工艺参数平均挑出率提高了 2051%。研究为提高摩擦式静电除杂机的除杂率提供参考。关键词:烟叶碎片除杂;运动轨迹;多物理场耦合;电辊转速;环境湿度中图分类号:TS443文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01001406Simulation and verification of process parameters forsecondary impurity removal in tobacco leaf
3、threshing and rebakingQIN Jian1，ZHANG Tengjian2，PENG Xiaodong1，LU Minrui2，PAN Feng2，QIN Hua2(1 School of Mechanical and Automotive Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China;2 Fujian Wuyi Leaf Tobacco Co，Ltd，Shaowu 354000，China)Abstract:The trajectory model of impurities in elec
4、trostatic field was established，and the electric field distri-bution on the surface of electrostatic roller and the trajectory of impurities in the electric field were simulatedand analyzed by means of multi-physical field coupling model The single factor experiment was used to studythe effect of va
5、rious friction electrostatic impurity removal prototypes esults show that the trend of test resultsis basically consistent with that of simulation results When the ambient humidity is 60%H and the speed ofelectrostatic roller is 25r/min，the pick-out rate of impurities is 9877%，which is 2051%higher t
6、han the av-erage pick-out rate of initial process parameters This study can provide reference for improving the impurityremoval rate of friction electrostatic impurity removerKeywords:impurity removal of crumbled tobacco;trajectory;multi-physical field coupling;electric roller ro-tation speed;ambien
7、t humidity收稿日期:20221212第一作者简介:秦建(1994)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向:烟叶静电除杂。通信作者:潘峰(1968)，男，福建邵武人，高级农艺师，研究方向:烟叶分级。打叶复烤生产线上配备的除杂设备主要为风选除杂机、金属探测仪、光电除杂机、除麻丝机以及人工挑杂等。由于杂物本身细小且颜色与烟叶碎片相近，利用现有设备剔除机和人工挑拣相结合的方法除杂效果有限。近年来，关于静电分选除杂技术已有大量研究，根据静电产生的不同，可分为摩擦式和高压静电式分选除杂。国外现有研究多为高压静电式分选12，并且主要集中在颗粒物分选领域;而国内主要以残膜为研究对象，利用自制的高压静
8、电式分离装置及计算机仿真软件研究残膜的最佳分离率36。本文利用多物理场耦合仿真结合单因素实验法探究了不同因素对烟叶碎片除杂效果的影响，并针对一次风选除杂后挑出的含杂碎片进行第 1 期秦建，等:打叶复烤二次静电除杂工艺参数仿真与验证二次摩擦静电吸附除杂实验，以优化摩擦式静电除杂机的工艺参数。1杂物去除机理分析应用静电除杂时，极板上的高压静电产生静电场，杂物在电场中会产生与极板电荷相反的感应电荷，如图 1 所示，此时电场作用力充当了吸住杂物的吸附力7 图 1杂物在静电场中的受力分析Fig1Force analysis of impurities in electrostatic fieldFe=U
9、dq(1)式中，U 为极板电压，V;d 为极板间距，mm;q 为杂物携带的电荷量，C。通过式(1)得到以下结论:吸附电极与杂物表面间的距离不变，增加吸附电极上的电压可以提高电场力，但是极板上的电压增加到一定程度时会导致空气击穿产生电火花，影响设备及人员的安全;极板上的电压不变，杂物表面与吸附电极间的距离是提高吸附力的主要因素，减小距离可以提高吸附力。杂物在电场中运动时不仅受到重力及电场力的影响，还会受到空气阻力的影响，因为杂物的迎风面积很小且实际生产中杂物相对于空气的速度极小，其受到的空气阻力对其运动产生的影响可以忽略，所以杂物在电场中 y 方向上运动的动力方程:md2ydt2=FecosG(
10、2)式中，m 为杂物质量，kg;y 为杂物运动的距离，m;t 为杂物运动的时间，s。由于静电辊和振动输送台之间为非均匀电场，故电场力 Fe与杂物在电场中的位置有关，即Fe与杂物在电场中运动的时间有关，此处假设电场力 Fe仅仅是时间 t 的函数，Sy表示位移，对式(2)二重积分:Sy=12Ucosmdqt2gt2()(3)则杂物在 x 方向的运动位移 Sx:Sx=v0t+Gsin2mt2(4)式中，v0为杂物在 x 方向上的水平初速度，m/s。即杂物在静电辊电场中的运动轨迹:Sy=12Ucosmdqt2gt2()Sx=v0t+Gsin2mt2(5)由于实际生产中烟叶碎片的质量较大，所以在 U 取
11、合适的值时，可以保证烟叶碎片所受到的重力比它在静电场中受到的静电力大，即烟叶碎片在静电辊电场中 y 方向的运动远小于杂物在静电辊电场中的运动，因此可将烟叶碎片中的杂物通过静电辊与振动输送台之间的静电场吸附分离去除。2杂物与烟叶碎片静电吸附分离仿真与实验21杂物与烟叶碎片静电吸附分离仿真211仿真模型建立及仿真参数设置运用 COMSOL Multiphysics 仿真软件建立简化的仿真模型，采用软件中的 AC/DC 模块与流体流动颗粒跟踪模块多物理场耦合进行粒子在静电场中运动的轨迹仿真。将模型简化为二维平面模型，如图 2 所示。其中橡胶静电辊简化为圆，其直径为 140 mm，与橡胶静电辊摩擦的羊
12、毛毡并未给出，而是直接在仿真软件中给定静电辊电压参数;振动输送台充当接地电极;长方形表示仿真的边界，边长分别为 500、350 mm;质点表示简化后的塑料丝、塑料片，根据实验所用的设备物料入口到静电辊的距离测量得知:质点与静电辊圆心的水平距离为 130 mm。利用仿真软件对摩擦式静电除杂结构的电场分布及杂物在电场中的粒子轨迹进行仿真模拟。仿真默认烟叶碎片的质量都比杂物的质量大;一次只考虑一种烟叶碎片中的杂物，并且杂物都分布在烟叶碎片的表面;不考虑杂物的形状对静电吸附去除效果的影响，杂物在电场51福建工程学院学报第 21 卷中只考虑重力与电场力。图 2简化后仿真模型Fig2Simplified
13、simulation model应用静电模块，在静电辊表面施加大小一定的电势，并且将振动输送台以及空气域的边界接地;在流体流动颗粒跟踪模块中的粒子属性界面设置粒子携带的电荷数:烟叶碎片中塑料丝与塑料片的材质都是聚丙烯，通过查阅文献8 可知，聚丙烯粒子在电场中的饱和荷电电荷数为 10108，对静电吸附除杂结构的电场分布和杂物在电场中的运动轨迹进行仿真。212仿真结果与分析由图 3 可知，在静电辊与振动输送台距离不变时，随着静电辊表面电压的增加，静电场的分布情况基本一样，但是从图 3 中表示电场的箭头可以看出，静电场的场强随着静电电压的增大而增大，并且随着静电辊表面电压的增加，静电场中出现电场强度
14、较大的区域也在增加，当静电辊表面电压为 12 kV 时，电场强度最大，电场强度较大的区域面积也最大。图 4 和图 5 为仿真结果。图 3静电辊在不同电压时的静电场Fig3Electrostatic field of the electrostatic roller under different voltages图 4不同质量杂物的仿真结果Fig4Simulation results of impurities of different masses通过图 4 和图 5 仿真的结果可以得出:(1)图 4 中仿真参数静电辊与振动输送台的距离 5 cm，静电辊表面的电压 11 kV。随着杂物质量的
15、增加，杂物在静电场中运动速度骤降为零61第 1 期秦建，等:打叶复烤二次静电除杂工艺参数仿真与验证图 5不同静电电压的仿真结果Fig5Simulation results of different static voltages所需的时间会逐渐增加，但最终都被静电辊吸附:其中 10 mg 的杂物从释放到被吸附所需时间为13 s，而 30 mg 的杂物从释放到被吸附所需的时间为 165 s。(2)随着静电辊与振动输送台距离增加，静电辊对杂物的吸附效果变得越来越差，杂物运动速度最终降为零时所需要的静电辊表面电压越来越高;当静电辊与振动输送台的距离为 6 cm 时，静电辊表面的电压只有达到 11 k
16、V 时，杂物才有可能被静电辊吸附去除。71福建工程学院学报第 21 卷(3)随着静电辊表面电压的增加，杂物在静电场中的运动速度逐渐增加直至被静电辊吸附即杂物运动速度骤降至零，并且在杂物质量一定时，电压越高，杂物被吸附所需的时间越短，在静电辊到振动输送台的距离为 4 cm，静电辊表面电压为12 kV 时，杂物在释放后 16 s 时速度降为零，即被静电辊吸附。22摩擦式静电除杂实验221实验装置和方法摩擦式静电除杂样机，如图 6 所示。FMX003 型静电场测试仪(感量 001 kV);TH101B 型温湿度计;CPA223S 型电子天平(感量 0001 g);FLUKE931 接触式数字转速计。烟叶样品为浙江中烟 HN2119BCF 批次中风力除杂设备风选后的烟叶碎片和杂物。图 6静电除杂样机结构简图Fig6Structure sketch of electrostatic impurity removalprototype将静电辊转速设定为 20 r/min，利用静电场测试仪测试摩擦式静电除杂机在不同环境湿度时，静电辊表面摩擦产生的静电电压的大小;在不同湿度环境下，调节静电辊的转速为