響應曲面法優(yōu)化濾棒成形工藝研究

徐吉銘

摘 要：以濾棒壓降變異系數(shù)指標為參考，在單因素試驗基礎上，運用四因素三水平響應曲面分析法，研究濾棒生產(chǎn)過程中濾棒成形工藝參數(shù)對吸阻變異系數(shù)的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力對吸阻變異系數(shù)影響顯著，并建立了二次回歸方程模型，模型顯著且有效；濾棒成形過程最佳工藝參數(shù)為穩(wěn)定輥壓力0.063 MPa，空氣噴嘴壓力0.16 MPa，輥速比1.26，螺紋輥壓力0.196 MPa。該條件下，濾棒壓降變異系數(shù)最低。

關鍵詞：濾棒壓降；變異系數(shù)；響應曲面法

中圖分類號 TQ320.66 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）08-124-04

研究表明，濾棒的壓降波動是影響卷煙焦油量的主要因素[1]，在成形設備和加工原料一定的情況下，研究和確定成形工藝條件是保證濾棒質(zhì)量的關鍵[2]。目前行業(yè)在濾棒成形工藝參數(shù)優(yōu)化方面采用正交試驗[3]較多，不能找出影響濾棒壓降變異系數(shù)最佳工藝參數(shù)[4]。本試驗利用響應曲面分析法研究濾棒成形生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)對濾棒壓降變異系數(shù)的影響及參數(shù)最佳配置，為濾棒成形生產(chǎn)過程工藝參數(shù)設置提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備 3.0Y/35 000醋纖絲束（美國Celeanese公司）；KDF-2型濾棒成型機組（沈陽飛機制造公司）；DT綜合測試臺（美國BORGWALDT KC公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法 為排除不同機組、不同絲束包對結(jié)果的影響，所有工藝參數(shù)調(diào)整在同一機組、同一絲束包完成，各項參數(shù)穩(wěn)定且濾棒壓降在標準范圍后在卸盤機處取樣。

1.2.2 樣品的制備 （1）生產(chǎn)正常時，每進行一項工藝參數(shù)試驗，待過程穩(wěn)定后取樣。每項參數(shù)取樣3次，每次100支，混合作為1個樣品。（2）將現(xiàn)場取得的試驗樣品，放置30min后，在環(huán)境溫度22℃±5℃，相對濕度60%±2%的實驗室內(nèi)，用綜合測試臺測定濾棒的壓降。每個樣品測定30支。

1.2.3 樣品的評價標準 以濾棒壓降變異系數(shù)（Y）作為評價指標。

1.2.4 工藝參數(shù)選擇 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，通過改變穩(wěn)定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力4個工藝變量，以濾棒壓降變異系數(shù)指標為依據(jù)，確定最佳工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濾棒壓降變異系數(shù)的單因素試驗

2.1.1 穩(wěn)定輥壓力對濾棒壓降變異系數(shù)的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置穩(wěn)定輥壓力0.03，0.04，0.05，0.06，0.07MPa，其它參數(shù)（空氣噴嘴壓力0.12MPa、輥速比1.2、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察穩(wěn)定輥壓力對濾棒壓降變異系數(shù)的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知，穩(wěn)定輥壓力0.05MPa，濾棒壓降變異系數(shù)最小，因此選擇穩(wěn)定輥壓力0.05MPa。

2.1.2 空氣噴嘴壓力對濾棒壓降變異系數(shù)的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置空氣噴嘴壓力0.1，0.12，0.14，0.16，0.18MPa，其它參數(shù)（穩(wěn)定輥壓力0.05MPa、輥速比1.2、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察穩(wěn)定輥壓力對濾棒壓降變異系數(shù)的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，濾棒壓降變異系數(shù)隨著空氣噴嘴壓力的增加而增加。這與余振華等的研究結(jié)果[5]一致。當空氣噴嘴壓力超過0.16MPa以后，濾棒壓降變異系數(shù)的變化趨于穩(wěn)定?？紤]到生產(chǎn)實際情況，故選擇空氣噴嘴壓力0.12MPa為宜。

2.1.3 輥速比對濾棒壓降變異系數(shù)的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度 120mm前提下，分別設置輥速比1.15，1.2，1.25，1.3，1.35，其它參數(shù)（穩(wěn)定輥壓力0.05MPa、空氣噴嘴壓力0.12MPa、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察輥速比對濾棒壓降變異系數(shù)的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，濾棒壓降變異系數(shù)在輥速比1.2時最小，當輥速比在1.2～1.3時，濾棒壓降變異系數(shù)變化不大。這與余振華等的研究結(jié)果[6]一致。因此選擇輥速比1.2。

2.1.4 螺紋輥壓力對濾棒壓降變異系數(shù)的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置螺紋輥壓力0.18，0.19，0.2，0.21，0.22MPa，其它參數(shù)（穩(wěn)定輥壓力0.05MPa、空氣噴嘴壓力0.12MPa、輥速比1.2）不變條件下，考察輥速比對濾棒壓降變異系數(shù)的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著螺紋輥壓力增加，濾棒壓降變異系數(shù)先下降后增加，在0.2時最低。因此選擇螺紋輥壓力為0.2MPa。

2.2 響應曲面法優(yōu)化梗預處理工藝參數(shù) 在上述單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken試驗設計，利用Box-Behnken中心設計原理，對影響濾棒壓降變異系數(shù)的穩(wěn)定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力四因素，采用Minitab-16軟件設計一個四因素三水平中心組合設計，中心點重復試驗3次，試驗因素水平設計及結(jié)果分別見表1、表2。

2.2.1 試驗各因素對回透率的影響分析 為分析各因素對回透率的影響，以濾棒壓降變異系數(shù)為指標（Y），利用Minitab-16數(shù)據(jù)分析軟件對表2的試驗結(jié)果進行分析，得到4個因素與回透率之間的回歸方程：

對試驗回歸模型進行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，回歸模型回歸項P<0.05，表明本模型總體有效。從擬合的總效果看，試驗誤差小，說明可以用本回歸方程替代真實試驗進行分析?？梢钥闯觯琗1、X2、X3和X4及它們的平方項均高度顯著，說明穩(wěn)定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力對濾棒壓降變異系數(shù)均有顯著影響。根據(jù)F值的大小，對影響濾棒壓降變異系數(shù)的大小因素排序為輥速比>穩(wěn)定輥壓力>空氣噴嘴壓力>螺紋輥壓力。

2.2.2 各因素及交互作用對回透率的影響 各因素及交互作用對回透率的影響見圖5～10。

響應曲面圖反應了各個因素對響應值的影響，從各因素與響應值所構(gòu)成的三維空間圖可以看出：圖5表明穩(wěn)定輥壓力對壓降CV的影響比空氣噴嘴壓力顯著，曲面較陡；圖6表明輥速比比穩(wěn)定輥壓力影響顯著；圖7表明穩(wěn)定輥壓力比螺紋輥壓力影響更顯著；圖8表明輥速比比空氣噴嘴壓力影響更顯著；圖9表明空氣噴嘴壓力比螺紋輥壓力影響更顯著；圖10表明輥速比比螺紋輥壓力影響更顯著；輥速比和螺紋輥壓力之間的交互作用對壓降CV影響最大。

2.2.3 最佳工藝條件優(yōu)化及試驗模型驗證 為確定各因素的最佳工藝設置，利用Minitab-16軟件找出回歸模型Y的最大估計值，最大點（X1，X2，X3，X4）的代碼值為（0.63，1，0.62，-0.19），與之對應的實際值為穩(wěn)定輥壓力0.063MPa、空氣噴嘴壓力0.16MPa，輥速比1.26，螺紋輥壓力0.196MPa，理論上壓降CV為1.991%，在最佳工藝條件下根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行了3次驗證性實驗，壓降CV平均為2.011%，與理論值基本一致，說明該試驗的回歸方程可靠。

3 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，對于梗預處理段的穩(wěn)定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力4個關鍵工藝參數(shù)，均對煙梗回透率有影響顯著。其中貯梗時間對回透率影響程度最大，其次是浸梗時間，再者是蒸梗溫度，最后是浸梗水溫。結(jié)合生產(chǎn)實際，最佳工藝條件設置為浸梗時間70s、浸梗水溫60℃，貯梗時間3.5h，蒸梗溫度60℃，該條件下煙梗回透率99.50%，煙梗回透效果好。本試驗為梗預處理段最佳工藝參數(shù)的設置和試驗方法提供了一定的理論參考。

參考文獻

[1]朱令宇，李永杰. 濾棒重量、壓降穩(wěn)定性對卷煙重量、吸阻穩(wěn)定性的影響[J]. 福建分析測試，2009，18（2）：83-85.

[2]汪旭，吉德祥. 優(yōu)化成型工藝參數(shù)與檢測方法提高濾棒質(zhì)量控制水平[J]. 上海煙業(yè)，2005（4）：40-43.

[3]魏步建，李清華，常紀恒，等. 濾棒成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 煙草科技，2007（10）：14-17.

[4]常紀恒，趙榮，余振華，等. 濾棒成型工藝參數(shù)與質(zhì)量穩(wěn)定性的關系[J]. 煙草科技，2007（1）：5-9.

[5]余振華，詹建波，李庚，等. 空氣噴嘴壓力與濾棒質(zhì)量穩(wěn)定性研究[J]. 云南煙草，2007（3）：25-30.

[6]余振華，徐若飛，張承明. 輥速比與濾棒質(zhì)量的關系研究[J]. 煙草科學研究，2005（2）：44-50.

（責編：張宏民）