KDF4成型機組濾棒吸阻影響因素及控制方法研究

曹 毅 金紹平 王 斌 蔣潤華 帥英俊

（上海煙草集團有限責任公司，上海 200082）

濾棒生產由絲束經過KDF4 成型機開松、增塑、成型、切割等工序完成，經固化達到一定的硬度后，輸送至卷接機完成卷煙生產，在生產過程中，濾棒吸阻可能受到絲束來料、過程參數調整、固化時間等因素影響。張濤、楊利平等人[1]針對不同廠家絲束的特性與及供應處協商決定，減少質量不穩定的絲束供應商，針對不同絲束廠家，摸索使用特性，最終形成一系列的經驗參數，在不同廠家提供的絲束情況下，設置不同的設備運行參數，同時提高檢測儀器的準確性和一致性，減少了卷煙濾棒吸阻的波動；吳樹清等人[2]為解決絲束帶從絲束包拉出過程中內部張力變化導致的濾棒吸阻、圓周等指標波動問題，采用閉環伺服控制原理，設計了絲束恒張力控制系統。張力檢測裝置檢測運行中絲束帶張力變化情況，與來自成型機的速度同步信號進行比較，控制絲束控制裝置轉速，使絲束帶內張力保持恒定。

綜上所述，目前行業內對濾棒吸阻的影響因素有一定的研究，但對于生產過程中如何控制濾棒吸阻的相關報道較少。該文主要結合實際生產，基于濾棒吸阻影響因素及變化規律研究結果，建立濾棒吸阻的控制方法。

1 材料與方法

1.1 設備與儀器

1.1.1 KDF4成型機

KDF4 成型機由德國HAUNI 公司設計，將煙用絲束卷制成濾棒，設計生產速度最高可達600 m/min，由開松、增塑、成型、切割、裝盤組成[4]，在生產過程中，濾棒的物理指標（如吸阻、質量、圓周等），與開松、增塑、成型工序密切相關[8]。

1.1.2 QTM（cerulean）綜合測試臺

QTM 綜合測試臺由英國斯茹林公司為煙草行業設計[7]，用于卷煙及濾棒的物理指標的檢測，可測量濾棒的質量、圓周、吸阻、硬度等，與企業SPCD 及MES 等系統對接，實現對生產過程的質量監控。

1.2 方法

1.2.1 單個絲束包生產過程中濾棒吸阻變化規律研究

選用南通絲束供應商在同一生產線生產的絲束包，在同一機臺生產，對機臺（KDF4 成型機）進行一次維保，確保設備處于正常的狀態，在設備參數不做改變的情況下，進行現場跟蹤，根據綜合測試臺的在線檢測數據，運用Minitab軟件分析單個絲束包生產過程中濾棒吸阻的變化規律。

1.2.2 固化時間對濾棒吸阻的影響

1.2.2.1 取樣方法

在同一參數設定值下，選取3 個機臺，每個機臺取樣3組，每組30 支，每組間隔5 min，其中一臺機（為方便描述，下文代號為1 號機），對每支濾棒進行編號（1-90），另外2臺機僅取樣不作編號。

1.2.2.2 檢測方法

使用同一檢測儀器（綜合測試臺），第一步進行即刻檢測，第二步分別放置在同一環境（恒溫恒濕）中，分別間隔4 h、8 h、12 h 后做固化后檢測（包含質量、吸阻、硬度、圓周），記錄即刻檢測及固化后的檢測時間及檢測值（其中即刻檢測不檢測硬度，固化后檢測硬度）。運用Minitab 軟件分析固化前后濾棒吸阻的變化規律。

1.2.3 KDF4成型機過程參數與對濾棒吸阻的影響

通過濾棒實際生產可知，濾棒吸阻均值主要受到KDF4成型機參數V1/VKDF 影響[5]，該參數表示絲束的供給系數，但在生產中，操作人員通常根據經驗調整，出現調整不到位及過度調整的情況，本次研究設計單因子試驗，量化該參數與濾棒吸阻的關系，V1/VKDF 設定7 個水平，如表1，在同一班次、同一機臺，同一車速及其他參數不變的情況下，參數設定后運行穩定（2 min），再運行10 min（以在線取樣產生30 個樣本為準，檢測物理指標（質量、吸阻、圓周）。

表1 單因子試驗因子水平表

2 結果與分析

2.1 單個絲束包對濾棒吸阻影響的分析結果

將單個絲束包整個生產過程平均分成5 段，通過Minitab單值控制圖分析，結果如圖1 所示。

圖1 單個絲束包生產過程中濾棒吸阻變化趨勢圖

結果表明：吸阻均值（X）在生產過程中，整體有逐步下降趨勢，料頭與料尾之間的差異約為70Pa；這是整包絲束包隨著濾棒成型時間的遞增，絲束包高度逐漸下降，提取距離逐漸增加，懸掛段的絲束帶自重增加，濾棒質量逐漸減輕，導致濾棒吸阻逐漸下降。

在生產過程中，濾棒吸阻除受到絲束包高度影響外，其物理指標指標之間存在相關性，根據相關性分析原理，使用Minitab 軟件，分析吸阻均值、質量均值、圓周均值的相關性，結果如下。相關系數見表2。

表2 濾棒物理指標相關性分析表

結果表明：濾棒吸阻均值與濾棒質量均值、濾棒圓周均值的相關性分析P值均小于0.05，說明物理指標之間具有相關性[6]；其中濾棒吸阻均值與濾棒質量均值的相關系數為0.378（相關系數＜0.3，為弱相關，相關系數為0.3～0.7，為中等相關，相關系數＞0.7，為強相關），表明成正相關（中等相關），濾棒吸阻均值與圓周均值的相關系數為-0.647，表明成負相關（中等相關）。

2.2 固化時間對濾棒吸阻的影響分析結果

2.2.1 濾棒配對檢測分析

1 號機固化前后濾棒對比分析采用同一濾棒重復檢測進行配對分析，使用Minitab 配對等價檢驗，分析固化12h 后濾棒吸阻均值、吸阻標偏的變化，分析結果分別如下。

2.2.1.1 固化12 h 后濾棒吸阻均值的變化

采用具有配對數據的等價檢驗，檢驗均值： K5-成型-吸阻的均值，參考均值 = K5-轉序12-吸阻的均值，描述性統計量：樣本量為60，K5-成型-吸阻的均值為4383.7，K5-轉序12-吸阻的均值為4394.2，均值（K5-成型-吸阻） - 均值（K5-轉序12-吸阻）的差值為-10.5，95%的置信區間為（-8.8419，0），上限小于 0?？梢哉J為均值（K5-成型-吸阻） ＜ 均值（K5-轉序12-吸阻），在α 水平為0.5條件下，P值為0.000，P值 ≤ 0.05?？梢哉J為均值（K5-成型-吸阻） ＜ 均值（K5-轉序12-吸阻）。

2.2.1.2 固化12h 后濾棒標偏的變化

采用具有配對數據的等價檢驗，檢驗均值：成型吸阻標偏的均值，參考均值：轉序12h 吸阻標偏的均值的均值，描述性統計量：樣本量為8，成型吸阻標偏的均值為75.77，轉序12 小時吸阻標偏的均值為76.26，均值（成型吸阻標偏） - 均值（轉序12h 吸阻標偏）的差值為0.51，95%的置信區間為（-0.696321， 1.71651），當等價區間設定為（-2，2）時，置信區間在等價區間內。可以認為是等價。在α水平為0.5條件下，差值 ≤ -2 的P值為0.003，差值 ≥ 2 的P值為0.025，兩個P值中更大的值為 0.026?？梢哉J為是等價。

結果表明：1）吸阻均值。采用配對等價檢驗，過程吸阻-轉序12 小時吸阻，p＜0.05， 可以認為均值（K5-成型-吸阻）＜均值（K5-轉序12-吸阻）。且差值的95%的置信區間為（-12.48，-8.51），說明在固化12h 后，濾棒吸阻增加8Pa～12Pa。2）吸阻標偏。采用配對等價檢驗，p＜0.05，如果（過程吸阻標偏-轉序12h 吸阻標偏）的等價區間設為（-2，2），可以認為成形吸阻和轉序吸阻在統計意義上是等價的，且差值的95%的置信區間為（-0.69，1.71）。

2.2.2 濾棒吸阻伴隨固化時間分析

將3 個機臺濾棒吸阻均值及吸阻標偏作匯總分析，如表3 所示，使用Minitab 軟件區間圖工具，分析結果如圖2 所示。

圖2 固化時間對濾棒吸阻的影響圖

表3 濾棒吸阻伴隨固化時間的變化表

結果表明，隨著固化時間的增加：a）濾棒吸阻均值逐漸上升，在固化12 h 后，吸阻均值增加12Pa 左右。b）濾棒吸阻標偏變化無明顯規律，且吸阻標偏差異較小，在1Pa以內。

2.3 KDF4成型機過程參數與對濾棒吸阻的影響

V1/VKDF 單因子試驗結果如表4，運用Minitab 軟件，對V1/VKDF 與濾棒吸阻進行回歸分析建立模型，結果如圖3 所示。

圖3 V1/VKDF 與吸阻均值的回歸分析擬合線圖

表4 V1/VKDF 單因子試驗數據表

建立模型如下：

回歸方程為

均值=- 4495+7745 V1VKDF

模型匯總表見表5。

表5 模型匯總表

S：回歸模型誤差的標準方差，R-sq是由模型解釋的響應中的變異百分比，R-sq（調整）：R-sq的調整值，比較具有不同數量的預測變量的情況下，使用調整的R-sq。

方差分析表見表6。

表6 方差分析表

結果表明：濾棒吸阻與V1/VKDF 有正向相關性，回歸方程：吸阻均值=-4495+7745V1/VKDF，且擬合度達到94.7%。其含義：當V1/VKDF 每變化0.001，吸阻均值伴隨變化7.7Pa。

3 建立KDF4成型機濾棒吸阻控制方法

基于上述研究，濾棒在生產過程中，吸阻均值受到絲束包高度及圓周、固化時間、過程參數（V1/VKDF）的影響[9]，在實際生產中，每臺KDF4 成型機配備在線綜合測試臺，每1.5min 測量5 支濾棒，計算吸阻均值并形成控制圖，結合實際生產，根據SPC 控制圖原理，制定濾棒吸阻的控制方法如下。1）根據固化時間對濾棒吸阻的影響（固化12 小時后，濾棒吸阻均值上升12 Pa），生產時濾棒吸阻均值：濾棒設計中心值-12 Pa。2）濾棒吸阻均值與圓周均值成負相關，當操作人員在控制圖中觀察到吸阻上升或者下降時，首先觀察圓周是否有明顯反向偏離，如果有偏離，優先查看圓周（圓周呈現趨勢性變化，一般由于布帶磨損、紙粉、冷卻條積膠），須人工干預，采取更換布帶、清潔等措施。3）當圓周未出現與吸阻反向偏離時，觀察在線綜合測試臺對應的SPC 系統5 支一組數據控制圖，結合SPC 的2 項判異準則（一個子點落在3σ 之外、連續9 點落在中心線同一側），通過調整V1/VKDF（調整規則見V1/VKDF 與吸阻均值的回歸模型）精確控制吸阻均值。

4 結論

通過設計試驗及制定數據收集計劃，運用統計學知識，從絲束來料、濾棒固化時間、KDF4 濾棒成型機過程參數等方面，系統研究了濾棒吸阻的影響因素，量化濾棒吸阻的變化規律，結合實際生產及人員操作，建立了濾棒吸阻的控制方法并運用到生產，提升了濾棒吸阻的質量水平，從源頭上提升了卷煙吸阻的穩定性。