卷煙燃燒錐保持性測試儀的設(shè)計及應(yīng)用

葉靈+李超+焦俊+秦云華+張承明+畢玉波+吳佳+師艷萍+芮曉東+黃琬凌+郝靜烈

摘要：為測試卷煙的燃燒錐由于彈煙灰動作而導(dǎo)致掉落提出一種新的測試方法，并針對該方法設(shè)計一種測試卷煙燃燒錐掉落率的自動化裝置。采用負壓風(fēng)機、電磁閥構(gòu)成的氣路實現(xiàn)對卷煙的自動抽吸，用電磁鐵敲擊卷煙來模擬人的彈煙灰動作，自動化裝置通過自動抽吸和模擬彈煙灰二個過程來實現(xiàn)對卷煙的測試。以直徑7.7 mm、長度84 mm的樣品進行了大量測試，得出的結(jié)果與人工測試的結(jié)果相符合，證明該方法及裝置的可行性。

關(guān)鍵詞：卷煙；燃燒錐；自動抽吸；模擬彈煙灰

中圖分類號：TS452 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）23-6258-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.064

Abstract： In order to test whether the combustion cone of a cigarette can be caused by the projectile soot， a new method is proposed， and a new method is designed to test the drop rate of cigarette. Using the negative pressure air blower，the air path of the solenoid valve to realize the automatic suction of the cigarette， the cigarette to simulate the cigarette smoke cigarette to simulate the person's playing the cigarette smoke，automatic device through the automatic suction and simulation of the two process to achieve the cigarette test. A large number of tests have been carried out with the sample of 7.7 mm and length of 84 mm. The result of the test is in accordance with the results of the manual test， which proves the feasibility of the method and the device.

Key words： cigarette； combustion cone；automatic suction；simulatied bomb soot

當前，卷煙產(chǎn)品（特別是高檔、高端卷煙）燃燒過程中燃燒錐掉落（俗稱掉火頭）的現(xiàn)象逐漸引起關(guān)注，對產(chǎn)品的消費者滿意度、忠誠度及品牌形象造成了一定的負面影響。目前，國內(nèi)外尚無卷煙燃燒錐掉落的檢測方法和判定標準，也無設(shè)備可以通過模擬卷煙在燃燒過程中的環(huán)境、燃燒速率、抽吸煙支時彈落煙灰的作用力度、燃燒錐掉落時剩余煙支長度等的分析研究來構(gòu)建燃燒錐掉落的檢測方法和判定標準。

現(xiàn)行檢測卷煙燃燒錐的掉落只能靠人工品吸，人工統(tǒng)計。長時間的人工品吸對品吸者身體危害較大，人工統(tǒng)計又比較耗時且數(shù)據(jù)量較大。隨著工業(yè)自動化的程度越來越高，可以用機器設(shè)備代替人?；诖讼敕?，本研究設(shè)計了一臺檢測卷煙燃燒錐保持性的測試儀，通過測試儀檢測卷煙燃燒錐的掉落率，最終來構(gòu)建卷煙燃燒錐掉落的檢測方法和判定標準。

1 測試儀的設(shè)計

由于卷煙的抽吸是個持續(xù)的過程，既然目的是檢測卷煙的燃燒錐是否會由于彈煙灰而導(dǎo)致掉落，那么肯定需要對卷煙進行自動抽吸，但不同的抽吸條件會對煙支的燃燒有很大影響，進而對煙氣化學(xué)成分產(chǎn)生影響[1]。近年來，對吸煙條件（抽吸容量、抽吸持續(xù)時間、抽吸頻率）與煙氣成分關(guān)系[2]的研究成為國際煙草界研究的熱點之一，目前世界上許多國家都是采用ISO方法規(guī)定的標準抽吸條件[3]來測量卷煙煙氣釋放量。由于吸煙者吸煙情況千差萬別，要規(guī)范每個吸煙者的抽吸條件是不可能的，但若能夠確定抽吸參數(shù)與煙氣的定量關(guān)系[4，5]，建立預(yù)測模型[6-8]，預(yù)測各種吸煙條件下吸煙者每次煙氣的吸入量，對測試不同類型卷煙燃燒錐的掉落率就有重要意義?；诖?，設(shè)計出可以自由設(shè)置的抽吸參數(shù)，利用不同的抽吸參數(shù)來模擬不同條件下的卷煙抽吸者。

完善了自動抽吸的條件后，再考慮模擬彈煙灰的問題。反復(fù)思考后認為卷煙燃燒錐掉落產(chǎn)生的原因：①卷煙紙?zhí)匦缘淖兓咕頍熂埖娜紵c煙絲燃燒產(chǎn)生差異，卷煙的包會性能發(fā)生了改變[9]，在彈落煙灰時，燃燒錐易從卷煙的主體部分脫落；②配方中膨脹煙絲和梗絲的添加使煙絲填充性發(fā)生改變，燃燒時易產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致燃燒中卷煙燃燒錐掉落現(xiàn)象的發(fā)生。張朝平等[10]模擬消費者彈煙灰習(xí)慣，通過間隔敲擊來判斷燃燒中的卷煙燃燒錐是否掉落。該方法中機械外力作用大小、作用次數(shù)、間隔時間和在外力作用下煙支是否變形等眾多因素都會影響結(jié)果。借鑒此方法設(shè)計采用電磁鐵間隔敲擊燃燒的卷煙來測試卷煙燃燒錐是否掉落，同時用PLC精確控制電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)和敲擊的間隔時間，以期達到測試的目的。由于卷煙煙支軸向密度不同，煙支燃燒至不同位置可能對燃燒錐掉落情況造成影響[11，12]。根據(jù)李斌等[13]的卷煙落頭傾向檢測裝置分析，當卷煙燃燒線在25 mm以前時，燃燒錐頭尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)，燃燒錐掉落傾向為11.25%，當燃燒線在30～50 mm時，由于已形成相對穩(wěn)定的燃燒錐頭[11]，燃燒錐掉落值為17%～20%。綜合考察影響因素，本研究設(shè)計當燃燒線在30～50 mm時，增加電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)來測試卷煙燃燒錐的掉落概率。

1.1 卷煙的自動抽吸

為了實現(xiàn)對卷煙的自動抽吸，首先需要一個煙嘴來做卷煙的夾持器，考慮到有不同直徑的卷煙，為此設(shè)計煙嘴為螺紋式安裝，當卷煙直徑不同時，只需要擰下原煙嘴換上與卷煙相適應(yīng)的煙嘴即可。接著為了在煙嘴上產(chǎn)生吸力來實現(xiàn)對卷煙的抽吸動作，利用1個小型負壓風(fēng)機產(chǎn)生負壓，將負壓接到煙嘴上就完成了對卷煙抽吸的動作。抽吸動作有了后，為了形象地模擬人抽煙時的抽吸、停頓、再抽吸、再停頓，這個重復(fù)的過程，故在負壓出來后經(jīng)過了1個電磁閥，然后用單片機控制器控制電磁閥的接通和關(guān)閉。這樣就有了對卷煙的抽吸、停頓二個動作的產(chǎn)生。接下來考慮便于控制每次抽吸的時間以及停頓的時間，加上一個觸摸屏，使電磁閥接通和關(guān)閉的時間能在觸摸屏上修改，最終做到控制每次對卷煙的自動抽吸。自動抽吸完成后，為了滿足對每次抽吸量的調(diào)節(jié)，在電磁閥出來的氣路上再加上1個調(diào)壓閥，可以對負壓進行調(diào)整。整個自動抽吸的原理圖如圖1所示。

1.2 模擬彈煙灰

在對卷煙抽完一次到下一次抽吸卷煙的這個時間段內(nèi)模擬彈煙灰動作的發(fā)生，人在抽吸完一次卷煙后有一個短暫的停頓時間，在這個時間內(nèi)決定是否進行彈煙灰，彈幾次煙灰。實現(xiàn)模擬彈煙灰的電磁鐵垂直安裝在卷煙的正上方，用單片機控制器控制電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)和每敲擊的時間間隔，將這2個參數(shù)放置到觸摸屏上便于修改。電磁鐵的安裝方式如圖2所示。

由于不同人，甚至相同人在不同時間彈煙灰的力度、位置都可能不相同，為此電磁鐵安裝支架位置及電磁鐵在支架上的位置都可以調(diào)整。上、下方向調(diào)整電磁鐵在支架上的位置可以改變電磁鐵彈煙灰過程的力度，前、后方向移動支架的位置可以調(diào)整彈煙灰過程中擊打卷煙的位置。最后，考慮到人手指頭的柔韌性，電磁鐵下端銅錘的堅硬性，故在電磁鐵下端銅錘上加了一個乳膠套，模擬人手指的皮膚，起到緩沖保護的作用。

1.3 檢測功能

上面2個過程的完成，模擬出了人的抽煙行為，最終也能測試出卷煙在燃燒過程中是否會由于彈煙灰而導(dǎo)致燃燒錐的掉落，達到最終的目的。人抽完煙后會自然丟棄，以上過程沒有對卷煙是否抽完有一個判斷，以及對卷煙抽完后的處理。為了解決這個問題在卷煙的左邊加了一個激光傳感器，當卷煙放置在夾持器上時，激光傳感器的光束照射在卷煙上，觸發(fā)傳感器的信號，將此信號送入到控制器種，控制器只有接收到這個信號的時候才允許對卷煙進行測試。當控制器沒接收到這個信號的時候給觸摸屏一個信號，指示沒有煙支或者煙支已燃燒完畢，需要處理。這樣判斷煙支燃燒完和處理過程結(jié)束，下一步對卷煙燃燒錐掉落率進行測試。

2 測試儀的應(yīng)用

2.1 測試數(shù)據(jù)比較

設(shè)計出測試儀后，為了測試設(shè)計出來的設(shè)備是否能完成任務(wù)，將測試儀應(yīng)用到不同類型卷煙產(chǎn)品的測試中。經(jīng)過對大量樣品進行測試顯示，得出的測試結(jié)果跟調(diào)查的數(shù)據(jù)相符合。自然人的調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。抽吸總支數(shù)為1 000支，掉落頭支數(shù)20支，掉落比例2%。

根據(jù)普通消費者的調(diào)查數(shù)據(jù)，首先通過反復(fù)的試驗給測試儀找到了合理的控制參數(shù)，然后利用找到的控制參數(shù)進行了大量的試驗，得出測試儀測試數(shù)據(jù)，如表2所示。測試儀抽吸卷煙掉落比例為2.6%。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過以上自然人的測試數(shù)據(jù)和測試儀得出的測試數(shù)據(jù)進行雙比率分析，研究兩者是否存在差異，分析數(shù)據(jù)如表3所示。通過雙比率檢驗分析可知，P值為0.702，大于0.05，表明自然人的測試數(shù)據(jù)和測試儀得出的測試數(shù)據(jù)沒有顯著差異，測試儀與人工感官評吸的測試數(shù)據(jù)較為接近，因此卷煙燃燒錐檢測儀能模擬人工感官評吸方式進行燃燒錐掉落率的檢測，達到人工感官評吸的檢測能力。

3 小結(jié)

①提出了一種對卷煙燃燒錐掉落率進行測試的方法，并針對該方法設(shè)計了一種實現(xiàn)測試的自動化裝置。②以直徑7.7 mm、長度84 mm的樣品進行了大量測試，得出的結(jié)果與人工測試的結(jié)果相符合，證明該方法及裝置的可行性。③通過對彈落煙灰習(xí)慣及燃燒錐掉落現(xiàn)象的統(tǒng)計分析，開發(fā)燃燒錐保持性的評價方法，形成卷煙燃燒錐保持力的檢測、評價及控制方法，減少卷煙燃燒錐掉落現(xiàn)象，提高卷煙產(chǎn)品品質(zhì)及形象。

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