基于混料均勻設(shè)計(jì)的細(xì)支煙煙絲尺寸優(yōu)化

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(1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 山東 青島 266101; 2. 濟(jì)南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022)

卷煙的煙絲由長(zhǎng)絲、中長(zhǎng)絲、短絲、煙末、梗簽、梗塊等部分組成，各個(gè)部分煙絲的不同尺寸所構(gòu)成的分布即為煙絲結(jié)構(gòu)。煙絲結(jié)構(gòu)不僅是煙絲質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1]，因此煙絲結(jié)構(gòu)的測(cè)試對(duì)卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量控制有重要意義。煙支卷制是整個(gè)卷煙生產(chǎn)的重要組成部分，也是衡量卷煙工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，卷煙的物理指標(biāo)是否符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煙支的燃吸品質(zhì)有很大影響[2]。卷煙物理指標(biāo)包括熄火、端部落絲量、吸阻、圓周、硬度、質(zhì)量、長(zhǎng)度、總通風(fēng)率、含末率、含水率和外觀等11項(xiàng)[3]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響因素進(jìn)行了一些研究，認(rèn)為主要影響因素是來(lái)料煙絲狀態(tài)和卷制條件[4-6]。

煙絲結(jié)構(gòu)是影響卷煙質(zhì)量的重要因素之一，目前其測(cè)試主要是利用篩分法使不同尺寸的煙絲分離，結(jié)果以各層或某層篩網(wǎng)上累積質(zhì)量占總質(zhì)量的比例來(lái)表示[7]。雖然國(guó)內(nèi)外研究者在常規(guī)卷煙物理指標(biāo)方面開展了不少的研究工作，逐漸改善了卷煙的卷制質(zhì)量[8-10]，但在細(xì)支卷煙的不同煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙物理指標(biāo)的穩(wěn)定性影響方面還缺乏深入和系統(tǒng)的研究；因此，在煙絲結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙物理指標(biāo)穩(wěn)定性影響方面，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本文中在煙絲尺寸分布規(guī)律研究成果的基礎(chǔ)上，采用帶約束條件的混料均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)[11-12]，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析及回歸方程的優(yōu)化計(jì)算，得到以不同評(píng)價(jià)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)煙絲尺寸比例，為提高細(xì)支卷煙物理指標(biāo)的穩(wěn)定性，改善煙絲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化細(xì)支卷煙加工參數(shù)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料包括：“泰山”品牌某規(guī)格卷煙全配方煙葉，不含有梗絲、薄片、膨脹煙絲等摻兌物；香精香料，系某規(guī)格產(chǎn)品所用料液和香精。

主要儀器包括：YQ-2型葉絲振動(dòng)分選篩， 鄭州煙草研究院； Retsch AS400篩分儀， 德國(guó)Retsch公司； 電子天平(0.01 g)， 瑞士Mettler公司； 電子秤(10 g)， 瑞士Mettler公司； TWES煙支水分和密度檢測(cè)儀， 德國(guó)TEWS Elektronik公司；SODIMAT綜合測(cè)試臺(tái)， 法國(guó)SODIMAT公司； YDX-2型卷煙端部落絲測(cè)試儀，中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所； PROTOS1-8卷煙機(jī)， 德國(guó)Hauni公司； 濟(jì)南卷煙廠制絲生產(chǎn)線。

1.2 試驗(yàn)方法

按照“泰山”品牌某規(guī)格卷煙正常生產(chǎn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)(切絲寬度為0.85 mm)，在煙絲風(fēng)送至卷煙機(jī)預(yù)分配室處取樣，然后利用煙絲篩分儀，將風(fēng)送后的煙絲篩分為不同尺寸規(guī)格的煙絲，根據(jù)有限制的混料均勻設(shè)計(jì)方法，不同長(zhǎng)度的煙絲按照不同比例(X1+X2+X3+X4=1)進(jìn)行配比，即X1為長(zhǎng)度大于6.70 mm煙絲所占比例，X2為長(zhǎng)度為>4.32～6.70 mm煙絲所占比例，X3為長(zhǎng)度為2.50～4.32 mm煙絲所占比例，X4為長(zhǎng)度小于2.50 mm煙絲所占比例，然后進(jìn)行摻配卷制。煙支規(guī)格：濾嘴、光煙的長(zhǎng)度分別為30、 67 mm, 周長(zhǎng)為17 mm。

根據(jù)正常卷煙生產(chǎn)風(fēng)送后的煙絲篩分后的尺寸分布，參考影響卷煙單支質(zhì)量、煙支密度、吸阻、硬度及其穩(wěn)定性影響的最大尺寸區(qū)間的分布規(guī)律[13]，確定3層篩網(wǎng)孔徑分別為6.70、 4.32、 2.50 mm， 并確定各煙絲長(zhǎng)度的比例范圍為0≤X1≤0.14， 0.20≤X2≤0.35， 0.30≤X3≤0.50， 0.20≤X4≤0.35。根據(jù)該約束條件， 采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有限制的混料均勻設(shè)計(jì)方法得到優(yōu)化試驗(yàn)方案(見表1)。

表1 混料均勻設(shè)計(jì)方法優(yōu)化的試驗(yàn)方案

卷煙物理指標(biāo)按照文獻(xiàn)[14]中描述的方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混料組合卷煙物理指標(biāo)

煙絲及卷煙樣品物理指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)表中的物理指標(biāo)，結(jié)合消費(fèi)者對(duì)物理指標(biāo)對(duì)感知需求，優(yōu)先以吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 數(shù)學(xué)模型分析

將試驗(yàn)混料數(shù)據(jù)X1、X2、X3、X4輸入DPS系統(tǒng)中，運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，建立4個(gè)因素與卷煙物理指標(biāo)Y之間的回歸函數(shù)模型，并對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。通過求得函數(shù)模型的最小值，尋求最優(yōu)煙絲比例混料方案。

表2 煙絲及卷煙樣品物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

通過上述回歸分析可以看出：除硬度、總通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)偏差和端部落絲量外，其他物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)，長(zhǎng)度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質(zhì)量、 硬度標(biāo)準(zhǔn)偏差外， 其他物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)， 長(zhǎng)度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當(dāng)主要物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)， 長(zhǎng)度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8， 其中長(zhǎng)度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

各物理指標(biāo)的偏相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)值見表3，除端部落絲量和填充值外，其余物理指標(biāo)的偏相關(guān)系數(shù)均大于0.9，方程顯著性較高。

表3 物理指標(biāo)的偏相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)

2.3 最優(yōu)混料的確定

通過對(duì)以上指標(biāo)的最優(yōu)解進(jìn)行比較，并不能尋找到統(tǒng)一的混料比例。為了確定最優(yōu)混料比例，本文中結(jié)合細(xì)支卷煙物理指標(biāo)穩(wěn)定性的要求，主要以消費(fèi)者直接感受到的吸阻穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以得出，X=(0.016 7，0.217 2，0.303 8，0.271 4)的混料比例組合較為適宜。

2.4 優(yōu)化后混料的檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的混料比例進(jìn)行煙絲混料，制備試樣并測(cè)試其物理指標(biāo)，結(jié)果見表4。測(cè)試結(jié)果表明， 該卷煙試樣的主要指標(biāo)優(yōu)于在產(chǎn)卷煙的物理指標(biāo)， 同時(shí)單箱耗絲量減少了1.6%， 此混料均勻設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

1)總結(jié)各物理指標(biāo)的最優(yōu)解可知， 當(dāng)吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差最小時(shí)， 煙絲長(zhǎng)度大約6.70 mm的比例以0.016 7最優(yōu)， 長(zhǎng)度為>4.32～6.70 mm的煙絲比例以0.217 2最優(yōu)， 長(zhǎng)度為2.50～4.32 mm的煙絲比例以0.303 8最優(yōu)， 小于2.50 mm的煙絲比例以0.271 4最優(yōu)。

2)除硬度、 總通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)偏差和端部落絲量外， 其他物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)， 長(zhǎng)度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質(zhì)量、 硬度標(biāo)準(zhǔn)偏差外，其他主要物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)，長(zhǎng)度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當(dāng)主要物理指標(biāo)達(dá)到最小值時(shí)，長(zhǎng)度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8，其中長(zhǎng)度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

表4 混料優(yōu)化前、后各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3)利用混料均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以獲得煙絲尺寸最優(yōu)混料比例， 即X=(0.016 7， 0.217 2， 0.303 8， 0.271 4)。優(yōu)化后的混料比例可以滿足卷煙吸阻標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到最小，同時(shí)提高了其他物理指標(biāo)的穩(wěn)定性，降低了煙絲消耗成本。

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