CN101898182B - 一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法和装置，属于机械和控制技术领域。所述装置包括外壳、至少两根有效喷涂量调节杆、调节杆驱动装置、多个与供油系统连通的雾化单元、用于支撑纤维丝束的支撑板等。所述方法为，调节有效喷涂量调节杆上雾化单元的喷涂工作角度和经过喷涂窗口的增塑剂有效喷涂量，将雾化后的增塑剂均匀喷涂在以不同的速度通过的纤维丝束上。本发明通过优化喷嘴的布局，改变有效喷涂量调节控制方式使喷涂在纤维丝束上的增塑剂雾化液滴更小，喷涂更加均匀，施胶工艺更为合理，质量明显提高。

Description

一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械和控制技术领域，具体为一种通过多个雾化单元将雾化后的液体增塑剂均匀地喷涂在高速通过的纤维丝束带上的方法和装置。

背景技术

目前的卷烟过滤棒成型机组使用的纤维丝束增塑剂施胶装置主要有离心抛撒和喷嘴喷涂两类，前者存在抛撒不均匀，用量难以控制的缺陷，目前使用较少。喷涂类代表性的装置是德国HAUNAI公司的专利技术。该专利技术喷嘴排列方式过于密集，导致相邻喷嘴形成的雾化场重叠区域大，增塑剂液滴相互碰撞的机率增加。小液滴相互碰撞会形成较大的液滴，并在与重叠区对应的纤维束区域内形成高于其他区域的增塑剂喷涂量，明显影响施胶的均匀性和增塑质量的可控性。此外，上述HAUNAI公司专利保护的重点之一是不改变喷涂角度，仅通过调节挡板的开口大小实现对施胶量的控制，不能解决大的雾锥重叠区域导致的施胶不均匀问题，更不能有效地实现在尽可能均匀施胶前提下对喷涂增塑剂量的控制。

发明内容

针对现有纤维丝束增塑剂施胶装置喷涂时施胶不均匀，且不能对喷涂增塑剂量进行精确控制的缺陷，本发明旨在提供一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法和装置，通过对雾化单元的布局、结构的优化设计和喷涂角度的控制，可以在纤维丝束以不同的速度运动时，显著提高增塑剂在纤维丝束上分布的均匀度，降低纤维丝束上增塑剂液滴碰撞结成较大液滴的几率，从而产生更好的增塑效果。

为实现上述目的，本发明所述装置所采用的技术方案是：所述在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的装置，有外壳，其结构特点是，外壳内底部装有至少两根相互平行的有效喷涂量调节杆，有效喷涂量调节杆端部设置有可驱动该有效喷涂量调节杆绕轴线转动的调节杆驱动装置，每一有效喷涂量调节杆上设有多个与供油系统连通的雾化单元，所述有效喷涂量调节杆上方为以一定速度通过的纤维丝束。

所述有效喷涂量调节杆两侧均设有弧形的挡油板，且挡油板的弧形内侧朝向有效喷涂量调节杆，该弧形的挡油板面向纤维丝束的方向开有由直线段或曲线段形成两侧边界且面积恒定的喷涂窗口，弧形的挡油板上方设有用于支撑纤维丝束的支撑板。

所述外壳内侧壁上和挡油板下端均设有回油槽。供油系统为增塑剂雾化器或雾化喷嘴提供恒定的工作油压。

所述有效喷涂量调节杆驱动装置设有一根据纤维丝束的运动速度信号调节有效喷涂量调节杆上雾化单元喷涂工作角度和有效喷涂量的控制单元。

所述相邻两根有效喷涂量调节杆上的雾化单元数目相差一个，所述有效喷涂量调节杆驱动装置优选为调节杆驱动电机。

进一步地，本发明提供一种利用如上所述装置在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法，调节有效喷涂量调节杆上雾化单元的喷涂工作角度和有效喷涂量，将雾后的增塑剂均匀喷涂在通过的纤维丝束上，所述雾化单元的有效喷涂量与纤维丝束的运动速度为增函数关系，即纤维丝束的运动速度越快，雾化单元的有效喷涂量就越大，纤维丝束的运动速度越慢，雾化单元的有效喷涂量就越小。

在上述方法中，由控制单元根据接收的纤维丝束运动速度信号控制调节杆驱动装置调整雾化单元的喷涂工作角度Φ，且雾化单元增塑剂的喷射角Φ与纤维丝束运动速度v之间的控制关系为：

$\frac{v}{V}=\frac{{\∫}_{-H*\sin (\mathrm{\β}/2-\mathrm{\Φ})}^{H*\sin (\mathrm{\β}/2)}{\∫}_{-{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}^{{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}(H^2-x^2-y^2)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-H*\sin (\mathrm{\β}/2)}^{H*\sin (\mathrm{\β}/2)}{\∫}_{-{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2{-x}^2)}^{1/2}}^{{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}(H^2-x^2-y^2)\mathrm{dxdy}}$

其中V为施胶箱最大工作流量状态时纤维束的移动速度；H为计算时所取的大于的任意实数；β为所选用喷嘴的喷雾角度。

所述有效喷涂量调节杆优选为圆柱形结构且上端开有凹槽，雾化单元布置在该凹槽内。所述雾化单元的喷涂工作角度由控制单元根据反馈的纤维丝束运动速度信号调节调节杆驱动电机来实现，控制单元根据纤维丝束运动速度的变化，实时地通过调节杆驱动电机、活塞等旋转或直线动力器驱动有效喷涂量调节杆转动。

所述控制单元根据纤维丝束的运动速度信号调节有效喷涂量调节杆上的雾化单元喷涂角度。当纤维丝束的运动速度改变时，通过调节杆驱动电机控制有效喷涂量调节杆的转速，调节雾化单元喷涂角度，通过与弧形的挡油板喷涂窗口的配合，控制增塑剂有效喷涂量的大小，使喷涂在纤维丝束单位面积上的增塑剂保持恒定。

以上所述雾化单元为增塑剂雾化器或增塑剂雾化喷嘴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置采用多列交错式喷嘴布局，通过设计装置的结构参数和工作参数的控制模式，能确保当纤维丝束以不同速度v运动时喷涂在单位长度纤维丝束上增塑剂的量保持恒定，纤维丝束上增塑剂液滴分布均匀度达到最优值，增塑剂液滴的平均尺寸有明显下降，增塑剂的喷涂更加均匀，施胶工艺更为合理，施胶质量明显提高；且结构尺寸与现有滤棒成型机组结构尺寸基本匹配，无须做大的改动。

本发明的雾化场为轴向实心圆锥形，喷雾角度为60°-80°，额定工作压力下的有效喷涂量为2USgal/h，在同一喷高平面内增塑剂液体颗粒分布均匀，颗粒平均直径在15-30μm之间。

附图说明

图1是本发明装置的外形示意图；

图2是本发明装置在实施中的装配示意图；

图3是本发明装置工作状态时的横截面示意图；

图4是本发明装置的左视图；

图5是本发明装置的俯视图；

图6是本发明装置的圆柱形有效喷涂量调节杆的剖视图；

图7是本发明装置实施例一根有效喷涂量调节杆示意图；

图8是本发明装置实施例另一根有效喷涂量调节杆示意图；

图9是本发明装置的喷涂窗口俯视图；

图10是本发明装置的控制单元示意图。

在图中

1-雾化单元；    2-有效喷涂量调节杆；    3-挡油板；

4-支撑板；      5-纤维丝束；            6-外壳；

7-回油槽；    8-调节杆驱动电机；    9-控制单元；

10-回油孔；   11-喷涂窗口。

L-两根有效喷涂量调节杆轴心线之间的距离；

W-有效喷涂量调节杆两端喷嘴之间的距离；

a-纤维丝束运动方向的垂直方向与喷嘴的喷射方向之间的夹角；

β-喷嘴喷雾锥角度；

v-纤维丝束的运动速度；

V-施胶箱最大工作流量工作状态时纤维束的移动速度；

h-喷嘴出口与纤维丝束的垂直距离；

Φ-增塑剂喷涂工作角度；

H-控制关系模型计算参数；

X_i-有效喷涂量调节杆上相邻两喷嘴中心间的距离(i＝1，2...4)。

具体实施方式

一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的装置，参照图1～5所示，有外壳6，外壳6内底部上装有两根相互平行有效喷涂量调节杆2，有效喷涂量调节杆2一端对应设置有可驱动该有效喷涂量调节杆2绕轴线转动的调节杆驱动电机8，其中一根有效喷涂量调节杆2上设有三个与供油系统连通的雾化单元1，另一根有效喷涂量调节杆2上设有四个与供油系统连通的雾化单元1，所述两根有效喷涂量调节杆2两侧上方设有固定在外壳6上且用于支撑纤维丝束5的支撑板4。

所述有效喷涂量调节杆2两侧均设有弧形的挡油板3，且挡油板3的弧形内侧朝向有效喷涂量调节杆2。所述外壳6为人字形结构，其内侧壁上和挡油板3下端均设有回油槽7。由于挡油板3为圆弧形结构，具有一定的倾斜角度，在重力作用下喷洒在挡油板3和外壳6上多余的增塑剂自动流向回油槽7，回收后输送到供油系统循环利用。支撑板4对纤维丝束起支撑引导作用，可以提高纤维丝束在传输过程中的稳定性。

所述有效喷涂量调节杆2上端开有凹槽，所有雾化单元1均布置在该凹槽内。

图6、图7分别为一根圆柱形有效喷涂量调节杆的剖视图和外形图，它的凹槽内有3个喷嘴1，两个回油孔10，图8为另一根圆柱形有效喷涂量调节杆的外形图，它的凹槽内有4个雾化单元1，三个回油孔10，可有效地防止油液在槽内积聚堵塞喷嘴1。

如图9所示，所述弧形的挡油板3面向纤维丝束5的方向开有由曲线段形成两侧边界且面积恒定的喷涂窗口11。

一种利用上述装置在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法，参照图10所示，有效喷涂量调节杆2上的雾化单元1将雾化后的增塑剂喷涂在通过的纤维丝束5上，由控制单元9根据接收的纤维丝束5运动速度信号控制调节杆驱动电机8调整雾化单元1的喷涂工作角度，所述雾化单元1的有效喷涂量与纤维丝束5的运动速度为增函数关系，即纤维丝束的运动速度越快，雾化单元的有效喷涂量就越大，纤维丝束的运动速度越慢，雾化单元的有效喷涂量就越小。

如图10所示，供油系统为喷嘴1提供恒定油压；纤维丝束5运动速度由两个辊轮的转速决定，控制单元采集辊轮的转速信号，实时计算纤维丝束5运动速度v、增塑剂有效喷涂量和增塑剂喷涂工作角度Φ，并向调节杆驱动电机发送运动指令，驱动有效喷涂量调节杆2转动，进而通过控制工作角度Φ动态调整增塑剂有效喷涂量。

在控制单元9的控制下，控制单元9根据纤维丝束5运动速度的变化，实时地通过调节杆驱动电机8驱动有效喷涂量调节杆2转动。

图5中的虚线为本发明装置的中轴线，两根有效喷涂量调节杆2上的雾化单元1均以中轴线为基准对称布置，两根有效喷涂量调节杆2轴心线之间的距离为L(即沿纤维丝束运动方向的两根有效喷涂量调节杆2轴心线之间的距离)，有效喷涂量调节杆两端喷嘴之间的距离为W，雾化单元1的喷雾锥角度为β，雾化单元1出口与纤维丝束5的垂直距离为h，有效喷涂量调节杆2上相邻两雾化单元1中心之间的距离为X_i(i＝1，2...2n-2)(即与纤维丝束运动方向垂直的方向上相邻两喷嘴中心之间的距离)，纤维丝束5的运动速度为v，雾化单元1的喷射方向(喷雾锥角度中线方向)与纤维丝束5运动方向的垂直方向之间的夹角为a。由于雾化单元1以装置中轴线为基准对称布置，所以X_j＝X_j+n-1(j＝1，2...n-1)。装置处于最大工作喷涂量状态时，图4中增塑剂喷涂工作角度Φ等于喷嘴的喷雾锥角度β，喷嘴的喷射方向与纤维丝束运动方向的垂直方向的角度a＝A。当纤维丝束5的运动速度v改变时，通过控制单元9控制圆柱形有效喷涂量调节杆2旋转，调节雾化单元1的喷射方向与纤维丝束5运动方向的垂直方向的角度a，增塑剂喷涂工作角度Φ将随之变化，进而控制增塑剂的有效喷涂量，使之与纤维丝束的运动速度v相匹配。

两根圆柱形有效喷涂量调节杆2的凹槽内分别安装n-1和n个雾化单元1，在本实施例中所述的两根圆柱形有效喷涂量调节杆2的雾化单元1数目分别优选为三个和四个，即n＝4，喷嘴1的喷雾角度为β，喷嘴1的喷口位于有效喷涂量调节杆2的旋转中心轴线附近，供油系统为喷嘴1提供恒定的工作油压。有效喷涂量调节杆2转动时喷嘴1随之转动，由喷嘴1形成的增塑剂雾化圆锥也将随喷嘴1以同样的速度转动。由于喷嘴1的出口在转动中心轴附近，这就避免了喷嘴1与纤维丝束5的垂直距离在调节杆2转动时出现大的波动。当纤维丝束5运动速度为零时，调节杆2所处的位置可使喷嘴1形成的增塑剂雾化圆锥完全被挡油板3挡住，喷涂在纤维丝束5上的增塑剂量为零；当纤维丝束5运动速度由零逐渐加快或速度变化时，两根调节杆2以大小相等、方向相反的角速度相向转动，增塑剂雾化圆锥被挡油板3挡住的区域将随之减少或发生变化，增塑剂喷涂工作角度Φ增大，工作有效喷涂量增加；当纤维丝束5运动速度达到额定工作速度V时，两根调节杆2均转到最大工作角度位置，此时喷嘴1的喷射方向与纤维丝束5运动方向的垂直方向的角度a＝A，增塑剂雾化圆锥刚好未被挡油板3挡住，增塑剂喷涂工作角Φ＝β，增塑剂的工作有效喷涂量达到最大值。以相同的原理，当纤维丝束5运动速度由额定工作速度V逐渐减少时，两根调节杆2以大小相等、方向相反的角速度相背转动，控制增塑剂工作有效喷涂量相应减少，同样达到动态调节工作有效喷涂量的作用。

依据增塑剂喷涂质量必须遵守的两项重要工艺指标，确定控制模式，两项工艺指标为：

1、喷涂在纤维丝束上增塑剂液滴颗粒平均直径在不超过30μm之间；

2、喷涂在纤维丝束上增塑剂液滴分布应当尽可能均匀。

实际喷雾过程中液滴的碰撞不可避免，微小液滴相互碰撞会形成较大些的液滴，碰撞几率越大，雾场中较大液滴数目就越多。本发明装置采用多列交错式喷嘴布局，在满足装置结构尺寸的前提下能最大限度地拉开喷嘴间的间距，既在总体上减小了相邻喷嘴形成的雾化场的重叠区域，同时又使采用转动喷嘴控制模式成为可能。对本发明装置的各列可转动喷嘴实施独立控制，实现工作角度Φ的动态调整，有效地控制喷嘴雾化重叠区大小和有效喷涂量，从而使增塑剂的喷涂更加均匀，施胶工艺更为合理，施胶质量明显提高。

确定控制模式的关键在于，已知喷嘴喷雾角度β＝80°，实时采集获取的纤维丝束运动速度为v，施胶箱处于最大工作流量工作状态时纤维束的移动速度为V，为确保当纤维束以不同速度v移动时喷涂在单位长度纤维束上的增塑剂的量保持恒定，建立如下增塑剂喷涂工作角度Φ与纤维丝束运动速度v之间的控制关系数学模型。

$\frac{v}{V}=\frac{{\∫}_{-H*\sin (\mathrm{\β}/2-\mathrm{\Φ})}^{H*\sin (\mathrm{\β}/2)}{\∫}_{-{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}^{{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}(H^2-x^2-y^2)\mathrm{dxdy}}{{\∫}_{-H*\sin (\mathrm{\β}/2)}^{H*\sin (\mathrm{\β}/2)}{\∫}_{-{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2{-x}^2)}^{1/2}}^{{(H^2*\sin {(\mathrm{\β}/2)}^2-x^2)}^{1/2}}(H^2-x^2-y^2)\mathrm{dxdy}}$

其中V为施胶箱最大工作流量状态时纤维束的移动速度；H为计算时所取的大于0的任意实数；β为所选用喷嘴的喷雾角度，为60°-80°，更优选为80°。

以H＝10，β＝80°为例，求得的喷射角Φ与纤维丝束运动速度v之间的控制关系为：

$\frac{v}{V}=1+0.48*{\mathrm{\Φ}}^3-{\mathrm{\Φ}}^2-0.26*\mathrm{\Φ}$

确定装置最优结构尺寸的关键在于，以纤维丝束上增塑剂液滴的分布均匀度为目标函数，最大工作喷涂量状态时喷嘴的喷射方向与纤维丝束运动方向的垂直方向的角度A和相邻两喷嘴的横向间距X_i(i＝1，2...2n-2)为设计变量，雾化锥重叠域动态变化关系对两项工艺指标的影响系数k为修正系数，装置的实际结构尺寸作为约束条件，建立装置的结构优化数学模型，采用多目标优化方法等，计算当目标函数取最优值时设计变量A和X_i(i＝1，2...2n-2)的取值。

如本发明装置以接近最大工作流量状态工作，现根据现有滤嘴成形机组结构尺寸，计算影响雾化重叠域的角度A和喷嘴间距X_i(i＝1，2...2n-2)最佳值。主要计算过程可以为：

1.编写程序分别计算A，X_i(i＝1，2...2n-2)取不同值时增塑剂颗粒在纤维丝束横向方向的分布情况；

2.运用克里斯琴森均匀系数公式分别计算A，X_i(i＝1，2...2n-2)取不同值时增塑剂颗粒在纤维丝束横向方向的分布均匀度；

3.依据均匀度值和装置的结构尺寸特征优化得到最佳A，X_i(i＝1，2...2n-2)值。

实施本发明技术时推荐采用丹麦DANFOSS公司生产的OD系030F8132型喷嘴作为增塑剂雾化器，其主要技术指标为：雾化场为轴向实心圆锥形，喷雾角度优选为β＝80°，额定工作压力下的有效喷涂量为2US gal/h，在同一喷高平面内增塑剂液体颗粒分布均匀，颗粒平均直径在15-30μm之间。

Claims (6)

1.一种在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的装置，有外壳(6)，其特征在于，外壳(6)内底部装有至少两根相互平行的有效喷涂量调节杆(2)，有效喷涂量调节杆(2)端部设置有可驱动该有效喷涂量调节杆(2)绕轴线转动的调节杆驱动装置(8)，每一有效喷涂量调节杆(2)上设有多个与供油系统连通的雾化单元(1)，所述有效喷涂量调节杆(2)上方为以一定速度通过的纤维丝束(5)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有效喷涂量调节杆(2)两侧均设有弧形的挡油板(3)，且挡油板(3)的弧形内侧朝向有效喷涂量调节杆(2)，该弧形的挡油板(3)面向纤维丝束(5)的方向开有由直线段或曲线段形成两侧边界且面积恒定的喷涂窗口(11)，弧形的挡油板(3)上方设有用于支撑纤维丝束(5)的支撑板(4)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有效喷涂量调节杆(2)上端开有凹槽，雾化单元(1)布置在该凹槽内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有效喷涂量调节杆(2)驱动装置设有一根据纤维丝束(5)的运动速度信号调节有效喷涂量调节杆(2)上雾化单元(1)喷涂工作角度和有效喷涂量的控制单元(9)。

5.根据权利要求1～4所述的装置，其特征在于，所述雾化单元(1)为增塑剂雾化器。

6.一种利用权利要求1～5之一所述装置在开松后的纤维丝束带上添加增塑剂的方法，其特征在于，调节有效喷涂量调节杆(2)上雾化单元(1)的喷涂工作角度Φ和有效喷涂量，将雾化后的增塑剂经过喷涂窗口(11)均匀喷涂在通过的纤维丝束(5)上，所述雾化单元(1)的有效喷涂量与纤维丝束(5)的运动速度为增函数关系。

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