基于統(tǒng)計分析方法的卷接機回絲量研究

摘 要：為了提高ZJ17卷接機生產(chǎn)過程中的煙支質(zhì)量控制水平，本文利用煙支在線質(zhì)量檢測結(jié)果來表征煙支質(zhì)量，并對卷接機的回絲量進(jìn)行研究，建立了卷接機針輥回絲量、煙支目標(biāo)質(zhì)量和實際回絲量預(yù)測模型。研究結(jié)果表明，不同品牌的煙支在回絲量不變的情況下，其質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差存在一定差異，但整體變化趨勢基本相同；當(dāng)實際回絲量為42%左右時，質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差較好；卷接機針輥回絲量、目標(biāo)質(zhì)量與實際回絲量間具有統(tǒng)計學(xué)意義。因此，在生產(chǎn)不同目標(biāo)質(zhì)量的煙支品牌時，需要調(diào)整針輥回絲量，以滿足卷煙生產(chǎn)過程中的煙支質(zhì)量控制。

關(guān)鍵詞：短期標(biāo)準(zhǔn)偏差；回絲量；散點圖；回歸分析

中圖分類號：TS 43" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在卷煙生產(chǎn)過程中，為了使每支煙的質(zhì)量保持穩(wěn)定，供料系統(tǒng)會提供超出煙支目標(biāo)質(zhì)量一定比例的煙絲。這些多余的煙絲會經(jīng)過平整器進(jìn)行修整，以確保其符合標(biāo)準(zhǔn)的煙支質(zhì)量要求，修整下來的煙絲則會通過卷接機回絲機構(gòu)返回供料系統(tǒng)中。研究表明，回絲量過低或過高都會造成煙絲供量不穩(wěn)定，導(dǎo)致質(zhì)量標(biāo)偏上升[1]。通過確定卷煙機最佳回絲量，可以建立不同供絲量下的煙支質(zhì)量標(biāo)偏模型[2]。通過相關(guān)試驗，可以驗證不同牌號回絲量的差異性，建立卷煙機最佳回絲量計算模型，推算出的卷煙機最佳回絲量[3-5]。本文將分析回絲量與質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)聯(lián)性，對回絲量進(jìn)行一致性調(diào)整，提高煙支的質(zhì)量穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制精度。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料為西昌卷煙廠生產(chǎn)的品牌煙絲及其輔材。設(shè)備為ZJ17卷接機（中國常德）。綜合測試臺采用煙支綜合測試臺（成都瑞拓科技）。

1.2 試驗方法

在卷接生產(chǎn)過程中，本文在其他設(shè)備參數(shù)盡量保持不變的情況下，對品牌A和品牌B的針輥回絲量（mV）設(shè)定值分別進(jìn)行5個梯度的單因子試驗。其中品牌A的針輥回絲量的試驗水平設(shè)置為200mV、400mV、600mV、800mV和1000mV，品牌B的針輥回絲量的試驗水平設(shè)置為400mV、600mV、800mV、1000mV和1200mV。通過觀察針輥回絲量設(shè)定值調(diào)整后的實際回絲量的變化，確定兩者的相互關(guān)系、回絲量調(diào)整對卷接機質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響以及卷接機的最佳回絲量，提升卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

考慮針輥回絲量調(diào)整后卷接機運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的不穩(wěn)定性，在試驗中，每次參數(shù)調(diào)整后，機臺均需要正常運行10min，設(shè)備狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，通過人工取樣的方式，在卷接機的回絲振槽出口取出機臺正常運行狀態(tài)下的1min回絲量，并計算實際回絲量。為了避免人工取樣誤差帶來的數(shù)據(jù)差異，間隔5min后重復(fù)上述取樣作業(yè)，累計進(jìn)行3次回絲取樣，并記錄3次實測回絲量的均值。然后利用卷接設(shè)備的過程數(shù)采系統(tǒng)，以30s/次的采樣頻次收集卷接機在線質(zhì)量控制系統(tǒng)顯示的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差，每組試驗采集30min數(shù)據(jù)，共計60個樣本，并通過數(shù)據(jù)清洗和聚合得出每組試驗的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差均值。上述試驗數(shù)據(jù)收集和整理見表1。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 回絲量與質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系

ZJ17卷接機在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)利用微波掃描高速運行中煙條密度，并計算100支煙的單支質(zhì)量相對于這100支煙平均質(zhì)量的離散的平均值，得出煙支質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。這個指標(biāo)可以評估卷接機對煙支質(zhì)量調(diào)節(jié)的短期性能。如果短期標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，煙條質(zhì)量的分散性越小，生產(chǎn)的煙支質(zhì)量就越好。由于質(zhì)量控制系統(tǒng)具有便捷性、準(zhǔn)確性和實時性，其數(shù)據(jù)采樣頻次高，數(shù)據(jù)點多，數(shù)據(jù)的可靠性強，能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)出卷接生產(chǎn)過程中機臺的加工性能，從而做出快速響應(yīng)，調(diào)整機臺對應(yīng)的設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)，以保證卷包生產(chǎn)過程中煙支質(zhì)量具有穩(wěn)定性。

回絲量與短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的相關(guān)性如圖1所示，短期標(biāo)準(zhǔn)偏差與回絲量間存在一定的負(fù)線性相關(guān)性，短期標(biāo)準(zhǔn)偏差會隨回絲量的不斷增大而逐漸降低。對短期標(biāo)準(zhǔn)偏差與回絲量進(jìn)行回歸擬合，發(fā)現(xiàn)兩者間的擬合R2僅為23.53%，無法獲得滿意的擬合效果。從圖1的數(shù)據(jù)分布形態(tài)上看，2個品牌間的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。在相同的設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)條件下，牌號2的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差整體高于牌號1，表明卷接過程中煙支的質(zhì)量波動會受多方面影響。比較這2種煙支品牌的設(shè)計規(guī)格，發(fā)現(xiàn)兩者的來料煙絲質(zhì)量要求、煙支外觀尺寸標(biāo)準(zhǔn)間存在明顯差異，這就造成了煙支質(zhì)量短期標(biāo)偏的不同。因此，為了更準(zhǔn)確地研究卷接機回絲量對質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響，需要規(guī)避品牌間客觀影響因素的不同，減少數(shù)據(jù)分析過程中的噪聲因素對響應(yīng)變量的影響。

為了更準(zhǔn)確地研究卷接過程中回絲量與質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差間的關(guān)聯(lián)性，通過對質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理來消除數(shù)據(jù)間的量綱影響，使不同品牌的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差指標(biāo)之間具有可比性。在數(shù)據(jù)處理過程中，常用的無量綱化處理方法主要有極值化、標(biāo)準(zhǔn)化、均值化和標(biāo)準(zhǔn)差化等。對于不同品牌的質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)，按照品牌進(jìn)行分類，再將同品牌煙支在不同回絲量下的質(zhì)量短期標(biāo)偏進(jìn)行均值化處理，并與平均值進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)換后的響應(yīng)變量。經(jīng)均值化處理后的數(shù)據(jù)以1為中心值分布在兩側(cè)，避免了不同牌號間數(shù)據(jù)量綱不同對相關(guān)性分析的影響。其轉(zhuǎn)換過程如公式（1）所示。

（1）

式中：為該品牌的樣本均值；為單一梯度下的樣本均值。

利用回絲量與短期標(biāo)準(zhǔn)偏差（均值化）進(jìn)行多項式回歸分析，得到相應(yīng)的回歸方程，如公式（2）所示。

Y=38.78-263.7×X+613.7×X2-476.2×X3" " （2）

式中：X為回絲量；Y為均值化處理的短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。

回絲量與短期標(biāo)準(zhǔn)偏差（均值化）的模型R2為86.79%，模型的擬合效果較好。由此可見，回絲量與短期標(biāo)準(zhǔn)偏差間具有統(tǒng)計學(xué)意義。在卷煙生產(chǎn)過程中，卷接機的回絲量對煙支質(zhì)量波動的影響具有明顯的規(guī)律性。兩者的擬合圖如圖2所示。當(dāng)回絲量逐漸增大時，短期標(biāo)準(zhǔn)偏差呈下降趨勢，回絲量從39%增至42%，下降趨勢明顯。從卷接機的運行機理來看，回絲量的大幅增加提高了煙絲成形過程中的供絲量，在煙絲運輸條件不變的情況下，吸絲帶上煙絲厚度增大，提升了煙絲束的緊實度，降低了煙絲束內(nèi)部的不均勻性。在卷制成形過程中，緊實的煙絲束的煙條密度更均勻，可以提高煙支質(zhì)量穩(wěn)定性。但是，當(dāng)回絲量增加到一定量時，煙絲束的緊實度達(dá)到最大值，繼續(xù)增加供絲量反而會對煙絲束內(nèi)煙絲的緊密程度造成不利影響，使煙絲分布不平衡，降低了煙絲束的均勻性。同時，吸絲帶上過多的煙絲也會增加煙絲束傳輸過程中的阻力，在煙絲束前進(jìn)過程中產(chǎn)生瞬時停滯。卷煙機的質(zhì)量控制系統(tǒng)采用后反饋模式調(diào)整煙支質(zhì)量，無法及時調(diào)整煙條的切割位置，會對煙支切割位置的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，無法滿足煙支質(zhì)量一致性要求，導(dǎo)致煙支質(zhì)量有較大波動。當(dāng)過量煙絲被平整器切削下來并進(jìn)入卷接機的回絲系統(tǒng)時，造碎的煙絲回到卷接機加料槽內(nèi)，與來料煙絲相比，煙絲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)變化，表現(xiàn)為長絲比例低、短絲比例高，大量回絲的摻入造成卷接機內(nèi)煙絲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體波動，影響煙條的密度均勻性和煙支質(zhì)量穩(wěn)定性。因此，在卷接過程中，將實際回絲量控制在一定范圍內(nèi)，對控制煙支質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重要意義。

2.2 回絲量與針輥回絲量的關(guān)系

在卷接機運行過程中，ZJ17卷接機針輥轉(zhuǎn)速決定了卷接機的供絲量。通常情況下，為了保證煙支的均勻性和飽滿性，卷接機的供絲量比煙支實際所需煙絲量高30%～50%。而ZJ17卷接機的針輥速度主要由變頻器進(jìn)行控制，它會隨卷接機車速的變化進(jìn)行同步調(diào)整。在實際生產(chǎn)中，通過卷接機的人機交互界面可以調(diào)整針輥回絲量（mV）的設(shè)定值，使針輥轉(zhuǎn)速（針輥變頻器的顯示值）變大或變小，從而改變卷接機運行過程中的供絲量。針輥回絲量（mV）的設(shè)定值越高，針輥轉(zhuǎn)速越快，實際供絲量也越大。此時，在卷接機供絲量不變的情況下，煙支的目標(biāo)質(zhì)量（即煙絲使用量）決定了卷接過程中的消耗煙絲量和實際回絲量。因此，根據(jù)上述卷接機的供絲機理，將煙支目標(biāo)質(zhì)量、針輥回絲量（mV）納入實際回絲量的預(yù)測模型中，可以得到回歸方程式，如公式（3）所示。

Y=0.753+0.000069×X1-0.000583×X2 （3）

式中：Y為回絲量；X1為針輥回絲量（mV）；X2為煙支目標(biāo)質(zhì)量。

回絲量的模型R2值為98.49%，模型的擬合效果較好。公式（3）表明，針輥回絲量設(shè)定值與實際回絲量呈正相關(guān)性，而煙支目標(biāo)質(zhì)量與實際回絲量呈負(fù)相關(guān)性。即針輥回絲量設(shè)定值不變時，煙支目標(biāo)質(zhì)量變大，其對應(yīng)的實際回絲量會變小，反之則變大。因此，切換煙支品牌后，當(dāng)煙支目標(biāo)質(zhì)量增大時，需要增加針輥回絲量的設(shè)定值，提高針輥轉(zhuǎn)速。而當(dāng)煙支目標(biāo)質(zhì)量減少時，則需要降低針輥回絲量設(shè)定值和針輥轉(zhuǎn)速，使實際回絲量維持在一定范圍內(nèi)，使卷接過程中的實際回絲量得到合理調(diào)整，使卷煙質(zhì)量得到穩(wěn)定控制。

3 實例的應(yīng)用驗證

為了進(jìn)一步驗證上述分析結(jié)論和回歸模型的準(zhǔn)確性，本文以牌號3為驗證品牌，在卷包生產(chǎn)過程中，以機臺針輥回絲量900mV為中心值，進(jìn)行±200mv、±400mv的設(shè)定值調(diào)整，每次調(diào)整后機臺穩(wěn)定運行30min。在驗證過程中運用模型預(yù)測卷接機的回絲量，并進(jìn)行人工取樣測量機臺實際回絲量，并比較計算值與實測值，檢驗預(yù)測模型的可靠性。同時，在卷接過程中記錄質(zhì)量控制系統(tǒng)顯示的短期標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)一步確定回絲量變化對質(zhì)量穩(wěn)定性的影響。驗證結(jié)果見表2。

從表2的驗證數(shù)據(jù)可知，在卷接機的生產(chǎn)過程中，回絲量變大使卷接機的煙絲供應(yīng)量增加，短期標(biāo)準(zhǔn)偏差隨之逐漸降低，從而降低了煙支質(zhì)量的波動幅度。但是，隨著回絲量逐漸增加，短期標(biāo)偏的降幅有所減緩。當(dāng)回絲量達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加回絲量對煙支質(zhì)量的影響程度會逐漸弱化，卷接機的堵絲停機風(fēng)險上升，反而會影響正常的生產(chǎn)。根據(jù)不同品牌質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)據(jù)驗證可知，調(diào)整機臺回絲量設(shè)定值時，機臺顯示的短期標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化趨勢基本相似。這也表明，在生產(chǎn)過程中，卷接機沒有出現(xiàn)煙絲堵塞時，卷接機的實際回絲量控制在42%左右，可有效降低煙支的質(zhì)量波動，提高煙支的質(zhì)量穩(wěn)定性。

同時，由于牌號3的煙支目標(biāo)質(zhì)量較大，因此在生產(chǎn)過程中消耗了更多煙絲，在卷接機的針輥回絲量設(shè)定值不變的情況下，對應(yīng)的實際回絲量出現(xiàn)了明顯下降。這也進(jìn)一步驗證了切換不同目標(biāo)質(zhì)量的煙支品牌后，為了保證煙絲供應(yīng)量，需要在機臺設(shè)備參數(shù)不變的情況下調(diào)整卷接機的針輥回絲量設(shè)定值。

利用回歸預(yù)測模型計算出卷接機在不同針輥回絲量設(shè)定值下的實際回絲量。結(jié)果顯示，模型預(yù)測回絲量與實際測量回絲量間的差異最大為0.86%，最小僅為0.34%，預(yù)測的平均相對誤差＜10%，表明該模型的預(yù)測準(zhǔn)確度較高，預(yù)測結(jié)果比較理想。因此，在實際生產(chǎn)中，切換生產(chǎn)牌號后，可以利用預(yù)測模型計算出卷接機臺的實際回絲量，同時對應(yīng)調(diào)整卷接機的運行參數(shù)，消除人工測量回絲量對卷接過程的影響，提高卷接生產(chǎn)效率，保證卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

4 結(jié)論

綜上所述，本文得出以下3個結(jié)論。1）在卷煙機運行穩(wěn)定的情況下，質(zhì)量短期標(biāo)準(zhǔn)偏差與實際回絲量具有統(tǒng)計學(xué)意義，。受煙支規(guī)格設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的影響，不同品牌煙支的質(zhì)量短期標(biāo)偏存在一定差異。2）回歸分析結(jié)果顯示，在卷接機正常運行的情況下，實際回絲量控制在42%左右有利于降低煙支質(zhì)量的短期標(biāo)準(zhǔn)偏差。3）煙支目標(biāo)質(zhì)量和針輥回絲量對實際回絲量有顯著影響。當(dāng)煙支目標(biāo)質(zhì)量發(fā)生變化時，需要對針輥回絲量進(jìn)行調(diào)整，以滿足卷接機的實際供絲需求，從而使煙支質(zhì)量得到穩(wěn)定控制。

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通信作者：殷曉露（1987-），女，四川成都人，本科，助理工程師，研究方向為卷煙工藝質(zhì)量。

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