加料工藝是卷煙生產(chǎn)過程中最重要的工藝環(huán)節(jié)之一,它可對煙片起到加香調(diào)味、潤葉保濕、防霉助燃等作用,是決定香煙成品感官風(fēng)格、品質(zhì)質(zhì)量的關(guān)鍵加工工序。目前卷煙企業(yè)對煙片的加工正從粗放式加工轉(zhuǎn)向精細(xì)化、個性化加工發(fā)展,在關(guān)注加工工藝成本的同時,更加注重成品煙片的品質(zhì)及特性凸顯。由于加料工藝過程涉及氣、固、液等多物理場及化學(xué)場耦合作用,是極其復(fù)雜的交叉耦合過程。而傳統(tǒng)加料工藝的基于經(jīng)驗(yàn)性、統(tǒng)計(jì)性規(guī)律而總結(jié)應(yīng)用的加工工藝參數(shù)、評價指標(biāo)已無法滿足精細(xì)化、特性化的生產(chǎn)需求。因此將在密閉滾筒內(nèi)進(jìn)行的加料工藝的“黑箱”過程“白箱化”,通過對加料過程本質(zhì)原理的深入研究與分析、對物料運(yùn)動混合特征狀態(tài)的提取與歸納,是加料工藝質(zhì)量提升、加料設(shè)備技術(shù)改進(jìn)、企業(yè)開展精細(xì)化卷煙加工生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文以一級加料工藝過程為研究對象,對加料質(zhì)量效果的綜合評價體系進(jìn)行了研究及構(gòu)建,并基于該評價體系建立了加料效果預(yù)測模型,分析了主要工藝參數(shù)對加料效果的影響關(guān)系。研究工作首先對加料工藝主要影響參數(shù)進(jìn)行了篩選分析,對加料過程混合原理、耦合過程進(jìn)行了剖析;其次,建立了加料過程煙片與料液的流固耦合仿真模型,對物料在滾筒內(nèi)的混合運(yùn)動進(jìn)行了仿真計(jì)算,將密閉滾筒內(nèi)加料過程“可視化”、數(shù)字化;再次,通過對仿真計(jì)算結(jié)果的特征數(shù)據(jù)后處理分析,提出了基于固相、液相、固液混合作用特征的5項(xiàng)關(guān)鍵評價指標(biāo),經(jīng)過主客觀組合賦權(quán)法對指標(biāo)進(jìn)行了賦權(quán),并最終建立了加料效果綜合評價體系;最后,基于本文提出的綜合評價體系及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了加料綜合效果預(yù)測模型,并對各工藝參數(shù)對加料效果影響關(guān)系進(jìn)行了分析與總結(jié)。通過GA算法對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并通過加料工藝生產(chǎn)試驗(yàn)線對加料效果預(yù)測模型及優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證并判定模型有效,優(yōu)化后工藝參數(shù)組的加料效果優(yōu)于現(xiàn)行工藝方案。本文研究成果揭示了加料過程物料運(yùn)動狀態(tài)、混合作用的特征及規(guī)律,數(shù)字化表征了加料綜合效果,量化分析了主要工藝技術(shù)參數(shù)對加料效果的影響。為推動卷煙企業(yè)精細(xì)化、個性化的特色生產(chǎn)工藝的發(fā)展具有十分重要的理論及實(shí)際應(yīng)用意義。
【學(xué)位單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TS452
【部分圖文】：

第二章加料工藝仿真、評價及效果預(yù)測方法7第二章加料工藝仿真、評價及效果預(yù)測方法整個制絲工藝過程包括煙片的運(yùn)輸、煙葉的切片切絲、松散回潮、風(fēng)選除雜、多級加料工藝、煙片裝箱貯存、配葉柜貯等過程[12]。本文以切片后的煙葉的加料工藝過程為研究對象，提出以建立流固耦合模型進(jìn)行數(shù)值仿真模擬來研究加料過程中物料的運(yùn)動、分布特征規(guī)律，并提出加料效果綜合評價體系及預(yù)測模型。本章節(jié)主要闡述本論文研究工作中說涉及涵蓋的主要理論及方法。2.1煙片加料過程混合原理及主要影響因素分析2.1.1加料過程物料混合原理加料工藝過程主要目的是實(shí)現(xiàn)煙片的加香加料，給煙片所加的料是根據(jù)不同規(guī)格、品牌香煙的要求按照一定成分配比而制成的液體香料。在加料時，煙片隨著振動槽振動，受傳送帶墨倉帶動，以勻速運(yùn)動形式從加料滾筒入料口進(jìn)入筒內(nèi)。滾筒內(nèi)壁按照一定排列布滿耙釘，煙片隨著耙釘?shù)哪Σ良皫�，�?shí)現(xiàn)松散的同時隨筒壁一起作上升圓周運(yùn)動。由于重力及慣性影響，煙片在升至某一高度時勢能達(dá)到最大，之后做斜拋運(yùn)動。料液與工藝水混合從加料滾筒上部經(jīng)由噴頭噴射入筒內(nèi)，在壓力作用下，擴(kuò)散至滾筒中后部，形成霧化顆粒，與該空間內(nèi)的煙片煙片進(jìn)行接觸混合，以達(dá)到加料目的。在加料滾筒中有循環(huán)熱風(fēng)經(jīng)流，從入料端進(jìn)入帶動煙片，風(fēng)速較慢，主要目的是保持筒壁溫度、保濕潤葉，并輔助帶動煙片輸送至出料端。如圖2.1為加料工藝設(shè)備圖。圖2.1加料工藝設(shè)備圖Fig.2.1Thephotooftobaccochargingequipment

第二章加料工藝仿真、評價及效果預(yù)測方法11式（2-2）中，Vi為流體體積，fi表示t瞬時的單位質(zhì)量的流體質(zhì)點(diǎn)所受力，pij為流體質(zhì)點(diǎn)在空間點(diǎn)上的應(yīng)力張量。能量守恒方程為：()iijijiiiuuTVpSkpqtxxx+=++····························(2-3)式（2-3）中，pijSij是流體質(zhì)點(diǎn)所在空間點(diǎn)上的應(yīng)力張量pij和應(yīng)變率張量Sij的乘積，k表示流動流體的傳熱系數(shù)，T為溫度，q為熱流率。借助上述方程可對流固耦合仿真計(jì)算進(jìn)行求解。在分析并摸清了煙片與料液在加料滾筒內(nèi)混合狀態(tài)，并確定了需要采用流固耦合模型來對料液與煙片作用過程進(jìn)行求解后，現(xiàn)對煙片運(yùn)動在加料滾筒內(nèi)所選用模型進(jìn)行分析討論。圖2.2Hertz接觸模型Fig.2.2Hertzcontactmodel煙片在加料滾筒中的運(yùn)動是典型的非連續(xù)介質(zhì)問題，對該問題求解需要建立離散元基礎(chǔ)模型。通過EDEM軟件可以對煙片離散模型進(jìn)行構(gòu)建。在使用EDEM軟件進(jìn)行離散元建模時，需選擇接觸模型，即軟球模型和硬球模型[15,16]。為了探究滾筒內(nèi)煙片的運(yùn)動規(guī)律、煙片與煙片間接觸情況，因煙片與滾筒壁、煙片與耙釘間的接觸碰撞均會產(chǎn)生形變，且煙片在滾筒內(nèi)的運(yùn)動相對較慢，故選用軟球接觸模型。軟球接觸模型是用于通過采用牛頓第二定律、振動方程求解兩個及多個顆粒間碰撞過程，并根據(jù)顆粒球體間交疊量計(jì)算出接觸力。顆粒與顆粒間、不同顆粒與接觸邊界的Hertz接觸模型如圖2.2所示。如圖2.3（a）、2.3（b）分別為顆粒振動的法相、切向模型。如圖2.3（c）所示為顆粒和顆粒、顆粒和邊界的滑動模型。

昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文12圖2.3由振動模型表示的顆粒接觸模型Fig.2.3Theparticlecontactmodelexpressedbyvibrationmodel下列方程所示為顆粒接觸的法向振動模型：221,2//nnnnnnmdudt+cdudt+Ku=F······························(2-4)式（2-4）中m為質(zhì)量，t為時間，un為法向速度，cn表示法向阻尼，Kn為法向剛度，F(xiàn)n為接觸力法向分量。顆粒接觸振動的切向滑動、滾動模型方程為：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表示切向剛度，F(xiàn)s為接觸力切向分量。I為轉(zhuǎn)動慣量，θ為角速度，M為力矩。根據(jù)牛頓第二定律，任何顆粒i的運(yùn)動方程可表示為：iiiimuFIM==···················································(2-6)式（2-6）中uò表示線加速度，慃表示角加速度。由此，實(shí)現(xiàn)顆粒在每個時刻運(yùn)動的求解。再分別建立了料液運(yùn)動的流體動力學(xué)模型以及煙片的離散元模型，在二者運(yùn)動仿真的基礎(chǔ)上，為更真實(shí)的還原加料滾筒內(nèi)多物理場耦合作用的過程，需要對二者混合作用進(jìn)行耦合仿真計(jì)算分析。耦合計(jì)算模擬的方法有多種，其中直接耦合法最為直觀，改法采用歐拉-拉格朗日方程，可對煙片料液的流固耦合計(jì)算過程進(jìn)行求解。

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