基于煙絲特性和卷制原理的卷煙機最佳回絲量計算模型

向 虎 何孝強 王 龍 鄒玉勝 劉戈弋 楊 濤 李紹臣

XIANG Hu HE Xiao-qiang WANG Long ZOU Yu-sheng LIU Ge-yi YANG Tao LI Shao-chen

(紅云紅河煙草﹝集團﹞有限責任公司曲靖卷煙廠，云南 曲靖 655001)

(Qujing Cigarette Factory, HongyunHonghe Tobacco ﹝Group﹞ Co., Ltd., Qujing, Yunnan 655001, China)

為提高卷煙機供絲的均勻性和穩(wěn)定性，保證煙支重量符合設(shè)計要求，在吸絲成型過程中，要求經(jīng)過針輥的供絲量大于煙支需要的煙絲量，多余的煙絲經(jīng)過平準盤修整后形成回絲，通過回絲裝置返回供絲系統(tǒng)，一般要求回絲量為供絲量的25%～40%?；亟z量不足則會導致煙支空頭率增加、煙支重量不穩(wěn)定等問題，回絲量過大會造成過多的煙絲造碎，增加煙支含末率[1]，而煙支含末率的增加，又會使煙支空頭率和端部落絲量增加[2-3]，并影響卷煙吸阻[4]，同時有可能造成煙絲堵塞[5]，影響生產(chǎn)效率，因此合適的回絲量對卷煙物理、感官質(zhì)量、煙絲消耗和生產(chǎn)效率都至關(guān)重要。目前，確定卷煙機最佳回絲量的方法主要有：利用一元線性回歸和三次趨勢預(yù)測模型，對卷煙機不同供絲量下的煙支空頭率、煙支重量標偏和煙機堵塞停機次數(shù)進行分析，確定最佳回絲量[5]；通過設(shè)定不同回絲量進行大量試驗，根據(jù)空頭煙支數(shù)量和煙支重量標偏來確定不同來料煙絲對應(yīng)的回絲量[6]；運用均勻設(shè)計和回歸分析的方法研究使煙支重量標偏最小的卷煙機回絲量[7]；利用控制圖研究不同回絲量對卷煙單支質(zhì)量的影響，確定最佳回絲量[8]。以上方法均是以煙支質(zhì)量或煙絲堵塞次數(shù)為目標變量，通過調(diào)整不同回絲量進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果采用不同分析方法確定最佳回絲量，該方法受隨機因素干擾較大，當機型和煙絲特性發(fā)生變化時，需要重新進行試驗確定，適用范圍存在一定局限性。本研究從煙支卷制的工藝原理出發(fā)，結(jié)合煙絲特性、卷煙規(guī)格和設(shè)備特征，建立一種具有一般適用性的確定卷煙機最佳回絲量的方法，為卷煙機設(shè)定合理回絲量提供參考。

1 模型建立

在吸絲成型過程中，煙絲在負壓作用下吸附在吸絲帶上，在吸絲軌道的作用下形成煙絲束，經(jīng)平準盤削減后進入煙槍，卷煙紙包裹后形成煙條，其中平準盤一般設(shè)計有凹槽，在削減煙絲束時使煙支兩端的煙絲量略多于中部煙絲量，形成緊頭，這樣的設(shè)計能避免煙支產(chǎn)生空頭的同時減少煙絲用量[9]。

吸絲帶下方形成的煙絲束厚度由煙支設(shè)計重量和供絲量決定，供絲量不足會造成煙絲束較薄，平準盤在削減絲束時凹槽內(nèi)就可能無法填滿煙絲，從而造成煙支緊頭位置煙絲量的波動，進一步導致煙支重量的波動；如果供絲量過大，又會造成過多的煙絲被削減形成回絲，導致更多的煙絲造碎，增加煙絲消耗，使煙支含末率增加，影響卷煙品質(zhì)。因此最佳的回絲量應(yīng)該是在滿足卷煙重量設(shè)計要求的同時，當平準盤削減絲束時深槽填滿煙絲的最小供絲量對應(yīng)的回絲量。

根據(jù)以上最佳回絲量需要滿足的條件可以構(gòu)建最佳回絲量的計算模型。假設(shè)削減盤削減的煙絲束密度是均勻的，從煙條形成的過程可以發(fā)現(xiàn)，平準盤削減后吸附在吸絲帶上的煙絲量就等于成品煙絲的煙絲量加上煙條在切割和輸送過程中兩端掉落的煙絲量，而且煙條緊頭和中段的煙絲含量與煙絲束對應(yīng)位置的煙絲含量相同，因此有以下關(guān)系式：

(1)

式中：

t——煙條切割前的單倍長無嘴煙條(裸煙條)；

s——平準盤削減后單倍長煙絲束(煙絲束)；

mta——裸煙條緊頭位置的煙絲量，g；

msa——煙絲束緊頭位置的煙絲量，g；

mtb——裸煙條中段煙絲量，g；

msb——煙絲束中段煙絲量，g。

裸煙條緊頭位置和煙支中段位置煙絲含量可以通過測量成品煙支的密度得到；當平整盤削減煙絲束時凹槽內(nèi)填滿煙絲時，煙絲束緊頭位置的密度和中段密度相等，煙絲束緊頭位置的體積包括凹槽體積和等同于凹槽弧長的煙絲束中段體積，為便于計算，裸煙條和煙絲束的中段長度取平準盤深槽弧長的1/2，因此有：

(2)

式中：

l1——平準盤深槽弧長，mm；

r——煙支半徑，mm；

ρ1——煙條緊頭位置的密度，g/mm3；

ρ2——煙條中段密度，g/mm3；

vc——平準盤深槽體積，mm3；

w——吸絲帶下端吸絲道軌道寬度，mm；

h——平準盤削減后的煙絲束中段厚度，mm；

ρx——煙絲束密度，g/mm3。

將式(2)代入式(1)得到：

聯(lián)立式(3)、(4)可以推出煙絲束密度和厚度：

(5)

(6)

式(6)計算出的h表示為滿足卷煙設(shè)計重量煙絲束非緊頭位置所需的厚度，為使煙絲填滿平準盤凹槽，還需在此厚度基礎(chǔ)上加上凹槽深度，同時為確保平準盤能充分削減煙絲，還要考慮平準盤本身材質(zhì)的厚度，因此平準盤削減前煙絲束的最佳厚度為：h+d1+T，此煙絲束厚度對應(yīng)的單支卷煙供絲量為：

G=(h+d1+T)lwρx，

(7)

式中：

G——單支卷煙最佳供絲量，g；

d1——平準盤深槽深度，mm；

T——平準盤材質(zhì)厚度，mm;

l——無嘴煙支長度，mm；

w——吸絲帶下端吸絲道軌道寬度，mm；

ρx——煙絲束密度，g/mm。

此供絲量對應(yīng)的回絲量就是最佳回絲量：

(8)

式中：

H——最佳回絲量，%；

G——單支卷煙最佳供絲量，g；

m——單支卷煙煙絲量，其計算方法為平均單支卷煙重量減去平均單支卷煙煙用材料重量，g。

綜合以上推導過程得到式(9)為最佳回絲量的計算公式：

(9)

平準盤深槽體積vc根據(jù)凹槽截面形狀不同，采用積分方式進行計算：

(10)

式中：

d1——平準盤深槽深度，mm；

s(x)——平準盤凹槽關(guān)于槽深x的截面面積，mm2。

計算煙支緊頭、中段平均密度ρ1、ρ2時，首先在卷煙機出口隨機選取200支煙支，利用煙支密度測量儀器MW4430型對煙支密度進行測量，根據(jù)測量結(jié)果計算煙支緊頭和中段的平均密度，煙支密度測量結(jié)果如圖1所示。

圖1 煙支密度示意圖

從圖1可以看出，煙支緊頭位置密度整體大于中段密度，但是緊頭位置呈現(xiàn)從低到高再逐漸降低的趨勢。由于煙條切割位置位于平準盤凹槽中部，理論上煙支最大密度應(yīng)該是煙支端面處，但是由于煙條切割和輸送過程中端面會發(fā)生部分煙絲掉落，造成煙支端面密度降低，因此在切割前煙條緊頭的平均密度宜采用成品煙支緊頭段的最大密度值來代替；煙支中段密度為除去緊頭位置的煙支中段各位置密度的平均值。

煙支緊頭的平均密度：

(11)

式中：

ρf——緊頭端平均密度，g/mm3；

l1——平準盤點燃端凹槽弧長，mm；

ρij——第i支煙距離點燃端j處的實測煙支密度，g/mm3。

煙支中段平均密度：

(12)

式中：

ρm——煙支中段平均密度，g/mm3；

l——無嘴煙支長度，mm；

l1——平準盤點燃端凹槽弧長，mm；

l2——平準盤接嘴端凹槽弧長，mm。

此外，用于測量密度的煙支需滿足以下2個條件：

(1) 卷煙重量滿足設(shè)計標準值。

(2) 選取的煙支是在平準盤削減煙絲束時凹槽內(nèi)可以填滿煙絲的情況下生產(chǎn)的。如果平準盤凹槽內(nèi)未填滿煙絲，則平準盤削減時煙絲束緊頭位置的密度與中段密度不相等，導致最終計算結(jié)果不準確。根據(jù)以下方法判斷平準盤削減煙絲束時凹槽是否填滿煙絲：

① 記錄當前卷煙機正常生產(chǎn)時的回絲量，在卷煙機出口隨機抽取200支成品煙支，保持卷煙重量及卷煙機其他參數(shù)不變，適當增加回絲量(5%～10%)，在相同位置隨機抽取200支成品煙支，測量2次抽取的煙支密度；

② 按式(11)、(12)分別計算不同回絲量下煙支點燃端緊頭平均密度和中段平均密度，記當前回絲量下煙支密度為ρfa和ρma，增加回絲量后的煙支密度為ρfb和ρmb；

③ 根據(jù)密度值判斷平準盤凹槽是否填滿煙絲：如果ρfb>ρfa且ρmb<ρma，則判斷當前回絲量下平準盤削減煙絲時因煙絲高度不夠未能填滿平準盤點燃端凹槽；如果ρfa、ρma和ρfb、ρmb分別相差不大，則判斷平準盤凹槽填滿煙絲。

2 實例分析

以下通過實例對模型進行驗證。

以云產(chǎn)卷煙A牌號為例，對應(yīng)的卷煙機為ZJ17型，卷煙規(guī)格和設(shè)備部分相關(guān)參數(shù)如表1、2所示。

首先判斷平準盤削減煙絲束時凹槽是否填滿煙絲。通過測量，當前卷煙機回絲量為40%，調(diào)整回絲量為45%，分別選取2次回絲量下對應(yīng)的煙支進行密度測量，根據(jù)式(11)、(12)分別計算煙支緊頭和中段密度，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)煙支密度檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，回絲量增大后煙支緊頭和中段密度變化不大，因此判斷當前回絲量已經(jīng)可以確保平準盤削減煙絲束時凹槽填滿煙絲，在計算回絲量時可以直接利用當前測量的回絲量。

然后計算平準盤凹槽體積。該平準盤凹槽平面近似梯形，根據(jù)積分計算出平準盤凹槽體積約為150 mm3。

根據(jù)式(9)計算卷煙機最佳回絲量為36%，以此回絲量為基準，設(shè)置不同回絲量對比對應(yīng)煙支空頭率、含末率和煙支重量波動情況，如表4所示。

表1 卷煙指標

表2 設(shè)備部件規(guī)格

表3 煙支密度檢測結(jié)果

表4 不同回絲量下煙支相關(guān)指標檢測結(jié)果

通過表4可知，以36%回絲量為基準，當回絲量增加時，煙支空頭率和重量標偏變化不大，但是煙支含末率呈逐漸增加趨勢；當回絲量減小時，煙支含末率有所降低，但是煙支空頭率和重量標偏明顯增加，因此可以認為卷煙機最佳回絲量為36%左右，根據(jù)模型計算出的回絲量是合適的，在保證了煙支質(zhì)量的同時，減少了回絲過程的煙絲造碎，降低了煙支含末率。

3 結(jié)論

根據(jù)煙支吸絲成型原理，結(jié)合煙支需要煙絲量、煙支規(guī)格、煙支密度和平準盤凹槽規(guī)格、卷煙機吸絲道導軌寬度等因素建立了卷煙機最佳回絲量計算模型，可以推算出適宜的卷煙機回絲量。根據(jù)該模型推算出的卷煙機回絲量是在確保煙支質(zhì)量情況下卷煙機所需的最小回絲量，不僅保證了煙支質(zhì)量，而且減少了因回絲量過大造成的煙絲造碎，進而降低煙支含末率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。一般情況下吸絲帶負壓吸風相對穩(wěn)定，因此本研究建立的回絲量計算模型暫將負壓作為固定因子，但是當負壓調(diào)整時，吸絲帶下方煙絲密度會發(fā)生改變，進而對卷煙機回絲量產(chǎn)生一定影響，下一步將對吸絲帶負壓與卷煙機回絲量的影響關(guān)系進行研究，進一步完善卷煙機回絲量計算模型。