基于統計分析方法的卷接機回絲量研究

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

關鍵詞：短期標準偏差；回絲量；散點圖；回歸分析

中圖分類號：TS 43" " " " 文獻標志碼：A

在卷煙生產過程中，為了使每支煙的質量保持穩定，供料系統會提供超出煙支目標質量一定比例的煙絲。這些多余的煙絲會經過平整器進行修整，以確保其符合標準的煙支質量要求，修整下來的煙絲則會通過卷接機回絲機構返回供料系統中。研究表明，回絲量過低或過高都會造成煙絲供量不穩定，導致質量標偏上升[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量標偏模型[2]。通過相關試驗，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量短期標準偏差的關聯性，對回絲量進行一致性調整，提高煙支的質量穩定性、生產效率和質量控制精度。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

材料為西昌卷煙廠生產的品牌煙絲及其輔材。設備為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

在卷接生產過程中，本文在其他設備參數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）設定值分別進行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置為200mV、400mV、600mV、800mV和1000mV，品牌B的針輥回絲量的試驗水平設置為400mV、600mV、800mV、1000mV和1200mV。通過觀察針輥回絲量設定值調整后的實際回絲量的變化，確定兩者的相互關系、回絲量調整對卷接機質量短期標準偏差的影響以及卷接機的最佳回絲量，提升卷煙產品的質量水平。

考慮針輥回絲量調整后卷接機運行狀態轉換過程的不穩定性，在試驗中，每次參數調整后，機臺均需要正常運行10min，設備狀態趨于穩定后，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據差異，間隔5min后重復上述取樣作業，累計進行3次回絲取樣，并記錄3次實測回絲量的均值。然后利用卷接設備的過程數采系統，以30s/次的采樣頻次收集卷接機在線質量控制系統顯示的質量短期標準偏差，每組試驗采集30min數據，共計60個樣本，并通過數據清洗和聚合得出每組試驗的質量短期標準偏差均值。上述試驗數據收集和整理見表1。

2 數據分析

2.1 回絲量與質量短期標準偏差的關系

ZJ17卷接機在線質量檢測系統利用微波掃描高速運行中煙條密度，并計算100支煙的單支質量相對于這100支煙平均質量的離散的平均值，得出煙支質量短期標準偏差。這個指標可以評估卷接機對煙支質量調節的短期性能。如果短期標準偏差越小，煙條質量的分散性越小，生產的煙支質量就越好。由于質量控制系統具有便捷性、準確性和實時性，其數據采樣頻次高，數據點多，數據的可靠性強，能夠更準確地反應出卷接生產過程中機臺的加工性能，從而做出快速響應，調整機臺對應的設備參數和工藝參數，以保證卷包生產過程中煙支質量具有穩定性。

回絲量與短期標準偏差的相關性如圖1所示，短期標準偏差與回絲量間存在一定的負線性相關性，短期標準偏差會隨回絲量的不斷增大而逐漸降低。對短期標準偏差與回絲量進行回歸擬合，發現兩者間的擬合R2僅為23.53%，無法獲得滿意的擬合效果。從圖1的數據分布形態上看，2個品牌間的質量短期標準偏差出現了明顯的分層現象。在相同的設備參數和工藝參數條件下，牌號2的質量短期標準偏差整體高于牌號1，表明卷接過程中煙支的質量波動會受多方面影響。比較這2種煙支品牌的設計規格，發現兩者的來料煙絲質量要求、煙支外觀尺寸標準間存在明顯差異，這就造成了煙支質量短期標偏的不同。因此，為了更準確地研究卷接機回絲量對質量短期標準偏差的影響，需要規避品牌間客觀影響因素的不同，減少數據分析過程中的噪聲因素對響應變量的影響。

為了更準確地研究卷接過程中回絲量與質量短期標準偏差間的關聯性，通過對質量短期標準偏差數據進行無量綱化處理來消除數據間的量綱影響，使不同品牌的質量短期標準偏差指標之間具有可比性。在數據處理過程中，常用的無量綱化處理方法主要有極值化、標準化、均值化和標準差化等。對于不同品牌的質量短期標準偏差數據，按照品牌進行分類，再將同品牌煙支在不同回絲量下的質量短期標偏進行均值化處理，并與平均值進行比較，得到轉換后的響應變量。經均值化處理后的數據以1為中心值分布在兩側，避免了不同牌號間數據量綱不同對相關性分析的影響。其轉換過程如公式（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準偏差（均值化）進行多項式回歸分析，得到相應的回歸方程，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準偏差。

回絲量與短期標準偏差（均值化）的模型R2為86.79%，模型的擬合效果較好。由此可見，回絲量與短期標準偏差間具有統計學意義。在卷煙生產過程中，卷接機的回絲量對煙支質量波動的影響具有明顯的規律性。兩者的擬合圖如圖2所示。當回絲量逐漸增大時，短期標準偏差呈下降趨勢，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，可以提高煙支質量穩定性。但是，當回絲量增加到一定量時，煙絲束的緊實度達到最大值，繼續增加供絲量反而會對煙絲束內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，在煙絲束前進過程中產生瞬時停滯。卷煙機的質量控制系統采用后反饋模式調整煙支質量，無法及時調整煙條的切割位置，會對煙支切割位置的準確性產生影響，無法滿足煙支質量一致性要求，導致煙支質量有較大波動。當過量煙絲被平整器切削下來并進入卷接機的回絲系統時，造碎的煙絲回到卷接機加料槽內，與來料煙絲相比，煙絲結構產生了明顯的結構變化，表現為長絲比例低、短絲比例高，大量回絲的摻入造成卷接機內煙絲結構出現整體波動，影響煙條的密度均勻性和煙支質量穩定性。因此，在卷接過程中，將實際回絲量控制在一定范圍內，對控制煙支質量的穩定性具有重要意義。

2.2 回絲量與針輥回絲量的關系

在卷接機運行過程中，ZJ17卷接機針輥轉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行控制，它會隨卷接機車速的變化進行同步調整。在實際生產中，通過卷接機的人機交互界面可以調整針輥回絲量（mV）的設定值，使針輥轉速（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）的設定值越高，針輥轉速越快，實際供絲量也越大。此時，在卷接機供絲量不變的情況下，煙支的目標質量（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，根據上述卷接機的供絲機理，將煙支目標質量、針輥回絲量（mV）納入實際回絲量的預測模型中，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為煙支目標質量。

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，針輥回絲量設定值與實際回絲量呈正相關性，而煙支目標質量與實際回絲量呈負相關性。即針輥回絲量設定值不變時，煙支目標質量變大，其對應的實際回絲量會變小，反之則變大。因此，切換煙支品牌后，當煙支目標質量增大時，需要增加針輥回絲量的設定值，提高針輥轉速。而當煙支目標質量減少時，則需要降低針輥回絲量設定值和針輥轉速，使實際回絲量維持在一定范圍內，使卷接過程中的實際回絲量得到合理調整，使卷煙質量得到穩定控制。

3 實例的應用驗證

為了進一步驗證上述分析結論和回歸模型的準確性，本文以牌號3為驗證品牌，在卷包生產過程中，以機臺針輥回絲量900mV為中心值，進行±200mv、±400mv的設定值調整，每次調整后機臺穩定運行30min。在驗證過程中運用模型預測卷接機的回絲量，并進行人工取樣測量機臺實際回絲量，并比較計算值與實測值，檢驗預測模型的可靠性。同時，在卷接過程中記錄質量控制系統顯示的短期標準偏差，進一步確定回絲量變化對質量穩定性的影響。驗證結果見表2。

從表2的驗證數據可知，在卷接機的生產過程中，回絲量變大使卷接機的煙絲供應量增加，短期標準偏差隨之逐漸降低，從而降低了煙支質量的波動幅度。但是，隨著回絲量逐漸增加，短期標偏的降幅有所減緩。當回絲量達到一定程度后，繼續增加回絲量對煙支質量的影響程度會逐漸弱化，卷接機的堵絲停機風險上升，反而會影響正常的生產。根據不同品牌質量短期標準偏差的數據驗證可知，調整機臺回絲量設定值時，機臺顯示的短期標準偏差的變化趨勢基本相似。這也表明，在生產過程中，卷接機沒有出現煙絲堵塞時，卷接機的實際回絲量控制在42%左右，可有效降低煙支的質量波動，提高煙支的質量穩定性。

同時，由于牌號3的煙支目標質量較大，因此在生產過程中消耗了更多煙絲，在卷接機的針輥回絲量設定值不變的情況下，對應的實際回絲量出現了明顯下降。這也進一步驗證了切換不同目標質量的煙支品牌后，為了保證煙絲供應量，需要在機臺設備參數不變的情況下調整卷接機的針輥回絲量設定值。

利用回歸預測模型計算出卷接機在不同針輥回絲量設定值下的實際回絲量。結果顯示，模型預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%，預測的平均相對誤差＜10%，表明該模型的預測準確度較高，預測結果比較理想。因此，在實際生產中，切換生產牌號后，可以利用預測模型計算出卷接機臺的實際回絲量，同時對應調整卷接機的運行參數，消除人工測量回絲量對卷接過程的影響，提高卷接生產效率，保證卷煙產品質量穩定。

4 結論

綜上所述，本文得出以下3個結論。1）在卷煙機運行穩定的情況下，質量短期標準偏差與實際回絲量具有統計學意義，。受煙支規格設計標準的影響，不同品牌煙支的質量短期標偏存在一定差異。2）回歸分析結果顯示，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量的短期標準偏差。3）煙支目標質量和針輥回絲量對實際回絲量有顯著影響。當煙支目標質量發生變化時，需要對針輥回絲量進行調整，以滿足卷接機的實際供絲需求，從而使煙支質量得到穩定控制。

參考文獻

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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量。

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