細支卷煙煙絲分布表征方法及調控技術

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. 云南中煙工業有限責任公司技術中心，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，鄭州高新技術開發區楓楊街2 號 450001

煙絲分布狀態描述的是煙支內煙絲分散排布情況。目前有關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構的變化規律及關聯性。江雪彬等[1]研究了切絲后、烘絲后、卷煙機料斗處、煙槍處等環節煙絲尺寸分布的變化情況；申曉鋒等[2-3]提出過一種煙絲結構表征方法，該方法通過將不同結構煙絲尺寸區間分布轉化為累積分布，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律的特征量。二是研究卷制過程煙支內部煙絲結構分布。劉澤春等[4]、李金學等[5]通過對卷煙機組使用不同規格平準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煙絲分布對卷煙物理指標、煙氣指標、化學指標以及感官質量的影響。

國內一些卷煙企業為了降低消耗、提高煙支單支質量穩定性、降低卷煙端部落絲量、提高煙支切口質量等，在平準器的槽數、槽深等對過程消耗和卷制質量的影響方面進行了研究[6-9]。菅威等[10]對PROTOS70 卷煙機4 個因子與煙支質量控制穩定性的影響規律進行了研究。逯江等[11]基于煙支空頭率對PROTOS70 卷煙機進行了設備工藝參數的優化。熊安言等[12]對比分析了ZJl7 卷接機組7種不同規格平準器對煙支質量的影響，從而為產品研發時平準器的選擇提供參考。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器最優參數組合，從而降低了設備的空頭剔除率。然而當前基于煙絲分布狀態具體表征方式的卷煙機設備參數優化尚未見報道，因此，根據卷煙密度分布特征規律，提出了一種可以表征煙支內煙絲分布狀態的特征值及其計算方程，結合特征值和設備空頭剔除率對PROTOS70 同深淺型6 槽平準器進行參數優化，得出一種細支卷煙煙絲分布表征方法及調控技術，旨在優化平準器參數，提升細支卷煙質量。

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，紅塔藍鷹紙業有限公司）；接裝紙（38.5 g/m2×70 mm×2 500 m，不通風，玉溪水松紙廠）。

PROTOS 70 卷煙機（德國HAUNI 公司）；IP54電子游標卡尺（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 個不同參數規格的平準器（表1），采用A 牌號細支卷煙煙絲在改造后的PROTOS70 卷煙機（三深三淺型平準器）上使用8 個不同規格的平準器進行卷制，除平準器外其余卷制參數保持不變，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：用各規格平準器進行上機試驗，待設備正常運行15 min 后，從設備上記錄每個樣品的空頭剔除率。

平準器優化：以平準器“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”和表征煙支質量的“煙絲分布狀態特征值”作為輸出變量，進行均勻試驗，采用stepwise 函數進行二次多項式逐步回歸分析、建模并求解得出模型最優解。

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

煙支緊頭段長度確定：對分選好單支質量的煙支進行取樣，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，抽吸規則是緊頭段結束、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，根據每個樣品的測量均值對煙支密度進行分段。測量煙支動態吸阻與燃燒煙支剩余長度，分析二者關系，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的金屬環和金屬文字，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 個規格平準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圖Fig.1 Tobacco rod sections and their corresponding density curve

表2 緊頭段長度統計結果Tab.2 Length of dense end section （mm）

8 個規格參數平準器卷制的煙支各取10 組，通過評吸，統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性，用動態吸阻進行驗證，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吸阻測試，得出的數據見表4 和圖2。

由于煙支內煙絲呈“緊-松-緊”方式分布，因此煙支動態吸阻會呈先降低后升高的變化趨勢，當第2 次抽吸后煙支吸阻下降，順暢感增強，因此緊頭段長度結束在第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 中評吸試驗的統計結果一致。

2.1.3 煙絲分布狀態表征法

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特征值。對煙絲分布狀態表征公式進行進一步解析：當煙支抽吸順暢性好，卷接空頭率低時，煙支內的煙絲分布狀態最優，若最優煙絲分布狀態特征值為x'，當實測特征值＞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 動態吸阻與燃燒煙支剩余長度統計Tab.4 Dynamic draw resistance and residual length of lit cigarette

圖2 煙支剩余長度與動態吸阻間關系Fig.2 Relationship between dynamic draw resistance and residual length of lit cigarette

統計出的各規格平準器對應煙支內煙絲分布狀態特征值如表5 所示。

表5 不同規格平準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 卷煙機平準器參數優化

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特征值；為消除指標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，將數值按公式0.8+0.1 映射到[0.1，0.9]區間，得到均勻實驗映射表6。

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求偏導可知煙絲分布狀態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，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特征值。③對x3求偏導0.148x2+ 0.067x4，可知煙絲分布狀態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-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x3/x4＞0.927 且x2/x3＞1.588 時，淺槽深度對煙絲分布狀態特征值的影響為負值；當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-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-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值。當x2＞0.890 時，深槽深度對空頭率的影響為正值；當x2＜0.890 時，深槽深度對空頭率的影響為負值；當x2=0.890 時，深槽深度對空頭率的影響不顯著。③對x3求偏導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，-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 模型驗證及優化

取x1∶22（實 際）[0.5（映射 轉 換值）]、x2∶2.2（0.5）、x3∶22（0.5）、x4∶2.2（0.5）進行驗證實驗，結果見表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。

根據表6 中響應變量的取值趨勢，控制煙絲分布狀態特征值在0.13～0.14、空頭率＜3%范圍內，利用所建模型進行計算，得到的優化結果如表8 所示。

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

表7 模型驗證表Fig.7 Model validation table

表8 模型優化表Fig.8 Model optimization table

圖3 平準器優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 結論

（1）由煙支密度分布曲線和設備卷制原理分析可知，卷制煙支靠點火側存在緊頭段，通過抽吸試驗可得出，不同規格平準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 作為不同平準器下的煙支緊頭段長度，為煙絲分布狀態的表征提供依據。

（2）除去濾嘴30 mm 和金屬環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）的密度中位數差值為Mc-Md，將其與有效密度段總均值作除得到分布狀態特征值x，從而表征煙支內煙絲分布狀態。

（3）依據卷煙卷制成本和煙支品質，采用設備空頭煙支剔除率和煙支順暢性分值作為評價指標，對PROTOS 70 卷煙機三深三淺型平準器（同深淺槽）進行建模，得到平準器最優規格參數為：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。同時該規格平準器卷制煙支煙絲分布狀態特征值為0.136，設備空頭煙支剔除率為2.27%。以最優平準器參數卷制得到的煙支內煙絲分布狀態特征值x=0.136。當特征值x＞0.136 時，空頭剔除率呈降低趨勢，抽吸順暢性降低；當特征值x＜0.136 時，空頭剔除率呈上升趨勢，抽吸順暢性提高。