細支卷煙煙絲分布表征方法及調(diào)控技術(shù)

鄒 泉，陳 冉，趙云川，舒云波，馬 麗，吳 峰，倪和朋，喬曉輝，趙 劍，李 新，孔 臻，李韶陽，周愛民

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南省玉溪市紅塔大道118 號 653100

2. 紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南省玉溪市紅塔大道118 號 653100

3. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

煙絲分布狀態(tài)描述的是煙支內(nèi)煙絲分散排布情況。目前有關(guān)煙絲分布的研究主要有兩個切入點：一是研究制絲過程煙絲尺寸結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及關(guān)聯(lián)性。江雪彬等[1]研究了切絲后、烘絲后、卷煙機料斗處、煙槍處等環(huán)節(jié)煙絲尺寸分布的變化情況；申曉鋒等[2-3]提出過一種煙絲結(jié)構(gòu)表征方法，該方法通過將不同結(jié)構(gòu)煙絲尺寸區(qū)間分布轉(zhuǎn)化為累積分布，建立了煙絲尺寸分布特性方程，進而分析得到了描述煙絲尺寸分布規(guī)律的特征量。二是研究卷制過程煙支內(nèi)部煙絲結(jié)構(gòu)分布。劉澤春等[4]、李金學(xué)等[5]通過對卷煙機組使用不同規(guī)格平準(zhǔn)器卷制的煙支進行試驗對比分析，研究了相同條件下煙支內(nèi)煙絲分布對卷煙物理指標(biāo)、煙氣指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)以及感官質(zhì)量的影響。

國內(nèi)一些卷煙企業(yè)為了降低消耗、提高煙支單支質(zhì)量穩(wěn)定性、降低卷煙端部落絲量、提高煙支切口質(zhì)量等，在平準(zhǔn)器的槽數(shù)、槽深等對過程消耗和卷制質(zhì)量的影響方面進行了研究[6-9]。菅威等[10]對PROTOS70 卷煙機4 個因子與煙支質(zhì)量控制穩(wěn)定性的影響規(guī)律進行了研究。逯江等[11]基于煙支空頭率對PROTOS70 卷煙機進行了設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化。熊安言等[12]對比分析了ZJl7 卷接機組7種不同規(guī)格平準(zhǔn)器對煙支質(zhì)量的影響，從而為產(chǎn)品研發(fā)時平準(zhǔn)器的選擇提供參考。秦鵬等[13-14]通過正交試驗的方法確定了PROTOS2C 卷煙機兩深兩淺型平準(zhǔn)器最優(yōu)參數(shù)組合，從而降低了設(shè)備的空頭剔除率。然而當(dāng)前基于煙絲分布狀態(tài)具體表征方式的卷煙機設(shè)備參數(shù)優(yōu)化尚未見報道，因此，根據(jù)卷煙密度分布特征規(guī)律，提出了一種可以表征煙支內(nèi)煙絲分布狀態(tài)的特征值及其計算方程，結(jié)合特征值和設(shè)備空頭剔除率對PROTOS70 同深淺型6 槽平準(zhǔn)器進行參數(shù)優(yōu)化，得出一種細支卷煙煙絲分布表征方法及調(diào)控技術(shù)，旨在優(yōu)化平準(zhǔn)器參數(shù)，提升細支卷煙質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

A 牌號細支卷煙煙絲（玉溪卷煙廠）；濾棒（120 mm/16.9 mm，普通成型紙3 500 Pa，玉溪卷煙廠）；木漿卷煙紙（32 g/m2×18.5 mm×4 500 m，50 CU，紅塔藍鷹紙業(yè)有限公司）；接裝紙（38.5 g/m2×70 mm×2 500 m，不通風(fēng)，玉溪水松紙廠）。

PROTOS 70 卷煙機（德國HAUNI 公司）；IP54電子游標(biāo)卡尺（德國MEINAITE 公司）；AV5170 煙支重量分選儀、SBL-AV6519 煙支水分與密度分布測量儀（中國電子科技集團公司第四十一研究所）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

選定8 個不同參數(shù)規(guī)格的平準(zhǔn)器（表1），采用A 牌號細支卷煙煙絲在改造后的PROTOS70 卷煙機（三深三淺型平準(zhǔn)器）上使用8 個不同規(guī)格的平準(zhǔn)器進行卷制，除平準(zhǔn)器外其余卷制參數(shù)保持不變，得到樣品1#～8#。將樣品置于溫度為22 ℃、相對濕度60%的恒溫恒濕箱中平衡48 h 后按照（555±5）mg/支分選備用。

表1 樣品編號及卷制所用平準(zhǔn)器信息Tab.1 Number and ecreteur disc specifications of samples （mm）

1.2.2 分析方法

煙支空頭率測定：用各規(guī)格平準(zhǔn)器進行上機試驗，待設(shè)備正常運行15 min 后，從設(shè)備上記錄每個樣品的空頭剔除率。

平準(zhǔn)器優(yōu)化：以平準(zhǔn)器“深槽的寬度、深度和淺槽的寬度、深度”4 個因子作為輸入變量，以表征煙支卷制成本的“空頭剔除率”和表征煙支質(zhì)量的“煙絲分布狀態(tài)特征值”作為輸出變量，進行均勻試驗，采用stepwise 函數(shù)進行二次多項式逐步回歸分析、建模并求解得出模型最優(yōu)解。

煙支密度測量：對分選好單支質(zhì)量的煙支進行取樣，8 個規(guī)格平準(zhǔn)器卷制的煙支各取1 組、對照樣取1 組（30 支/組）測定煙支密度并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。

煙支緊頭段長度確定：對分選好單支質(zhì)量的煙支進行取樣，各取3 組（20 支/組），組織10 名人員對各組分選出的樣品進行順暢性抽吸測試，抽吸規(guī)則是緊頭段結(jié)束、抽吸開始順暢時掐滅煙頭，測量緊頭段長度，采用方差分析進行緊頭段長度差異性驗證，根據(jù)每個樣品的測量均值對煙支密度進行分段。測量煙支動態(tài)吸阻與燃燒煙支剩余長度，分析二者關(guān)系，以進行緊頭段長度的驗證。

煙支密度分段：接裝紙與卷煙紙搭口處常有與卷煙牌號相關(guān)的金屬環(huán)和金屬文字，該段長為5 mm。對于100 mm 細支卷煙，除去30 mm 濾棒外、剔除受金屬環(huán)干擾的5 mm 干擾段，剩下的65 mm 為煙支的有效密度段。煙支有效密度段可具體細分為煙支緊頭段和其余段。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙絲分布特征值表征方法

2.1.1 煙絲密度分段

圖1 中1#～8#曲線為8 個規(guī)格平準(zhǔn)器卷制得到的煙支密度曲線，9#曲線為對照煙支樣品的密度曲線。

圖1 煙支分段與密度曲線對應(yīng)圖Fig.1 Tobacco rod sections and their corresponding density curve

表2 緊頭段長度統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Length of dense end section （mm）

8 個規(guī)格參數(shù)平準(zhǔn)器卷制的煙支各取10 組，通過評吸，統(tǒng)計出煙支自點火開始至抽吸順暢時所剩余的煙支長度La+Lb，計算出不同平準(zhǔn)器下的煙支緊頭段長度Lc均值，見表2。進一步進行方差分析，得到的結(jié)果見表3。由表3 可知，P ＞0.05，可見La+Lb段長度無差異，又因為煙支總長度為La+Lb+ Lc，在煙支總長度不變的情況下，Lc段長度無差異，即樣品緊頭段長度無顯著差別。煙支緊頭段長度Lc取近似值16 mm，若點火端為0 mm 處，則煙支中煙絲有效密度段可分為緊頭段c 和剩余段d，即Lc為0～16 mm 段、Ld為17～100 mm 段。

表3 La+Lb值的方差分析結(jié)果Tab.3 Variance analysis results of La+Lb

2.1.2 緊頭段長度的驗證

為保證所得出緊頭段長度的科學(xué)性，用動態(tài)吸阻進行驗證，抽取5 組煙支，每組各100 支，在燃燒錐分離性能測試儀上進行動態(tài)吸阻測試，得出的數(shù)據(jù)見表4 和圖2。

由于煙支內(nèi)煙絲呈“緊-松-緊”方式分布，因此煙支動態(tài)吸阻會呈先降低后升高的變化趨勢，當(dāng)?shù)? 次抽吸后煙支吸阻下降，順暢感增強，因此緊頭段長度結(jié)束在第2 次抽吸和第3 次抽吸之間，即在剩余煙支長度80～88 mm 之間，即緊頭段長度為12～20 mm，這與表2 中評吸試驗的統(tǒng)計結(jié)果一致。

2.1.3 煙絲分布狀態(tài)表征法

測量1#～8#卷煙樣品的煙支密度，求出c、d兩 段密 度中 位數(shù)Mc、Md和b 段 密 度 總 均 值，以x=（Mc-Md），即分段密度差值與煙絲總密度均值間的比值表征煙支的煙絲分布狀態(tài)特征值。對煙絲分布狀態(tài)表征公式進行進一步解析：當(dāng)煙支抽吸順暢性好，卷接空頭率低時，煙支內(nèi)的煙絲分布狀態(tài)最優(yōu)，若最優(yōu)煙絲分布狀態(tài)特征值為x'，當(dāng)實測特征值＞x'時，空頭剔除率呈降低趨勢，抽吸順暢性降低；當(dāng)實測特征值＜x'時，空頭剔除率呈上升趨勢，抽吸順暢性隨之提高。

表4 動態(tài)吸阻與燃燒煙支剩余長度統(tǒng)計Tab.4 Dynamic draw resistance and residual length of lit cigarette

圖2 煙支剩余長度與動態(tài)吸阻間關(guān)系Fig.2 Relationship between dynamic draw resistance and residual length of lit cigarette

統(tǒng)計出的各規(guī)格平準(zhǔn)器對應(yīng)煙支內(nèi)煙絲分布狀態(tài)特征值如表5 所示。

表5 不同規(guī)格平準(zhǔn)器卷制的煙支密度分段分析Tab.5 Density of tobacco rod sections manufactured by different ecreteur discs

2.2 卷煙機平準(zhǔn)器參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 模型建立及分析

以x1、x2、x3、x4分別表示自變量深槽寬度、深槽深度、淺槽寬度和淺槽深度，以y1、y2分別表示抽吸順暢性分值和煙絲分布狀態(tài)特征值；為消除指標(biāo)之間的量綱和取值范圍差異帶來的影響，對自變量進行線性變換，將數(shù)值按公式0.8+0.1 映射到[0.1，0.9]區(qū)間，得到均勻?qū)嶒炗成浔?。

表6 模型映射表Tab.6 Model mapping table

逐步回歸后得到兩個回歸模型：

兩個模型的P 值分別為0.001 6 和0.007 6，說明模型極其顯著。

對公式（1）進行分析可以看出：①對x1求偏導(dǎo)可知煙絲分布狀態(tài)特征值隨著深槽寬度的增加而下降，其下降幅度隨著深槽寬度的增加而增大。 ②對x2求偏導(dǎo)，0.199-1.184x2+ 0.148x3- 0.042 2x4，可知隨著深槽深度的增加，煙絲分布狀態(tài)特征值先上升后下降。深槽寬度、淺槽寬度和淺槽深度等因素取較低水平有利于提高煙絲分布狀態(tài)特征值。③對x3求偏導(dǎo)0.148x2+ 0.067x4，可知煙絲分布狀態(tài)特征值隨著淺槽寬度的增加而上升，其上升幅度隨著深槽深度和淺槽深度的增加而增大。④對x4求偏導(dǎo)-0.042 2x2+ 0.067x3，可知淺槽深度對順暢性分值的影響取決于淺槽寬度與淺槽深度的比值，當(dāng)x3/x4＞0.927 且x2/x3＞1.588 時，淺槽深度對煙絲分布狀態(tài)特征值的影響為負值；當(dāng)x2/x3＜1.588 且x3/x4＜0.927 時，淺槽深度對順暢性分值的影響為正值；當(dāng)x3/x4=0.927 時，淺槽深度對順暢性分值的影響不顯著。

對公式（2）進行分析可以看出：①對x1求偏導(dǎo)-3.600 + 3.297x4，空頭率隨著深槽寬度的增加而下降。其下降幅度隨淺槽深度的增大而減小。②對x2求偏導(dǎo)-7.414 + 8.328x2，可知深槽深度對空頭率的影響取決于深槽深度的具體數(shù)值。當(dāng)x2＞0.890 時，深槽深度對空頭率的影響為正值；當(dāng)x2＜0.890 時，深槽深度對空頭率的影響為負值；當(dāng)x2=0.890 時，深槽深度對空頭率的影響不顯著。③對x3求偏導(dǎo)0.551x4，可知空頭率隨著淺槽寬度的增加而增加，其增加幅度隨淺槽深度的增大而增加。④對x4求偏導(dǎo)，-0.976 + 3.297x1+ 0.551x3，可知淺槽深度對空頭率的影響取決于深槽寬度和淺槽寬度的取值。

2.2.2 模型驗證及優(yōu)化

取x1∶22（實 際）[0.5（映射 轉(zhuǎn) 換值）]、x2∶2.2（0.5）、x3∶22（0.5）、x4∶2.2（0.5）進行驗證實驗，結(jié)果見表7。由表7 可以看出，驗證值與實測值的相對偏差較小，說明模型是可靠的。

根據(jù)表6 中響應(yīng)變量的取值趨勢，控制煙絲分布狀態(tài)特征值在0.13～0.14、空頭率＜3%范圍內(nèi)，利用所建模型進行計算，得到的優(yōu)化結(jié)果如表8 所示。

由此得到基于煙絲分布狀態(tài)特征值和煙支空頭率的較佳平準(zhǔn)器規(guī)格為深槽寬度24 mm、深槽深度2.4 mm、淺槽寬度20 mm、淺槽深度1.8 mm，且最優(yōu)參數(shù)下卷制煙支的煙絲分布狀態(tài)特征值為0.136，空頭率2.27%。且最優(yōu)平準(zhǔn)器卷制得到的煙支密度曲線如圖3，由圖3 可知，經(jīng)平準(zhǔn)器優(yōu)化后，煙支密度波動整體降低，煙絲分布均勻性整體呈現(xiàn)增強趨勢，其中煙支內(nèi)0～16 mm 段的密度中位數(shù)有所降低。

表7 模型驗證表Fig.7 Model validation table

表8 模型優(yōu)化表Fig.8 Model optimization table

圖3 平準(zhǔn)器優(yōu)化前后卷制煙支密度對比圖Fig.3 Comparison of cigarette density before and after optimization of ecreteur disc

3 結(jié)論

（1）由煙支密度分布曲線和設(shè)備卷制原理分析可知，卷制煙支靠點火側(cè)存在緊頭段，通過抽吸試驗可得出，不同規(guī)格平準(zhǔn)器卷制得到的煙支緊頭段長度無顯著差異，因此取近似值16 mm 作為不同平準(zhǔn)器下的煙支緊頭段長度，為煙絲分布狀態(tài)的表征提供依據(jù)。

（2）除去濾嘴30 mm 和金屬環(huán)5 mm，PROTOS 70 卷煙機卷制的細支卷煙（煙支長度100 mm）有效密度段為0～65 mm 段，結(jié)合緊頭段長度16 mm，可用緊頭段（0～16 mm）與剩余段（17～65 mm）的密度中位數(shù)差值為Mc-Md，將其與有效密度段總均值作除得到分布狀態(tài)特征值x，從而表征煙支內(nèi)煙絲分布狀態(tài)。

（3）依據(jù)卷煙卷制成本和煙支品質(zhì)，采用設(shè)備空頭煙支剔除率和煙支順暢性分值作為評價指標(biāo)，對PROTOS 70 卷煙機三深三淺型平準(zhǔn)器（同深淺槽）進行建模，得到平準(zhǔn)器最優(yōu)規(guī)格參數(shù)為：深槽寬度24 mm、深槽深度2.4 mm、淺槽寬度20 mm、淺槽深度1.8 mm。同時該規(guī)格平準(zhǔn)器卷制煙支煙絲分布狀態(tài)特征值為0.136，設(shè)備空頭煙支剔除率為2.27%。以最優(yōu)平準(zhǔn)器參數(shù)卷制得到的煙支內(nèi)煙絲分布狀態(tài)特征值x=0.136。當(dāng)特征值x＞0.136 時，空頭剔除率呈降低趨勢，抽吸順暢性降低；當(dāng)特征值x＜0.136 時，空頭剔除率呈上升趨勢，抽吸順暢性提高。