在線激光打孔因子與卷煙濾嘴通風(fēng)率關(guān)系研究

黃 剛，李世寧，唐海軍，王興梅，蔡傳淇，宋 林

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 青州卷煙廠，山東青州 262500）

0 引言

當(dāng)前，卷煙生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用在線激光打孔技術(shù)降低煙支焦油含量、提升卷煙主流煙氣。卷煙在線激光打孔是指卷煙在生產(chǎn)過(guò)程中，利用激光在卷煙濾嘴上進(jìn)行快速灼燒，將卷煙紙和濾棒成型紙一同穿透并在卷煙濾棒中形成一排或幾排連續(xù)的孔，從而在抽吸過(guò)程中，使更多空氣通過(guò)小孔進(jìn)入到煙氣中，降低煙氣的焦油量、提升舒適感[1]。通風(fēng)率是影響卷煙的關(guān)鍵物理指標(biāo)，對(duì)卷煙煙氣的指標(biāo)有重要影響，傳統(tǒng)的通風(fēng)稀釋是通過(guò)選用不同透氣度指標(biāo)的水松紙和卷煙紙來(lái)實(shí)現(xiàn)，馮文等人[2]對(duì)不同打孔方式對(duì)煙支物理指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，在線激光打孔具有穩(wěn)定性好、打孔精度高、快速高效等特點(diǎn)，可以通過(guò)設(shè)定不同的打孔參數(shù)實(shí)現(xiàn)卷煙產(chǎn)品多項(xiàng)指標(biāo)的在線調(diào)整。由于在線激光打孔的優(yōu)點(diǎn)眾多，因此在線激光打孔技術(shù)在卷煙設(shè)計(jì)中得到了普遍的應(yīng)用。

隨著卷煙降焦減害的發(fā)展，激光打孔技術(shù)在卷煙生產(chǎn)中得到應(yīng)用，在線激光打孔參數(shù)對(duì)煙支物理指標(biāo)的影響也得到了研究，莫遠(yuǎn)烈等人[3]、鄧來(lái)紅等人[4]分別通過(guò)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)在線激光打孔數(shù)量和激光沖時(shí)間對(duì)卷煙通風(fēng)率的影響進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果建立了卷煙通風(fēng)率與打孔數(shù)量和激光脈沖持續(xù)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。曹伏軍等人[5]通過(guò)單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了卷煙物理和化學(xué)指標(biāo)與激光打孔位置和打孔排數(shù)的關(guān)系。孫華強(qiáng)等人[6]采用全因子試驗(yàn)方法研究激光打孔參量與吸阻的關(guān)系，研究表明脈沖寬度較激光功率與布孔偏量對(duì)煙支吸阻的影響更為顯著。趙常彥等人[7]研究打孔時(shí)間和激光功率對(duì)細(xì)支卷煙濾嘴通風(fēng)率的影響，結(jié)果表明打孔時(shí)間和激光輸出功率對(duì)卷煙濾嘴通風(fēng)率有顯著性影響。前期的研究主要集中于激光打孔本身參數(shù)對(duì)煙支濾嘴通風(fēng)度的影響上。由于在線激光打孔裝置是一個(gè)復(fù)雜的功能系統(tǒng)，還包含透鏡等重要傳輸及執(zhí)行部件，關(guān)于這方面的研究鮮有報(bào)道。激光打孔機(jī)構(gòu)必須與卷煙機(jī)上的零部件相互配合才能有效地完成激光打孔作業(yè)，因此在調(diào)整打孔參數(shù)的同時(shí)，研究相關(guān)零部件位置與距離變化對(duì)煙支濾嘴的通風(fēng)度，可解決實(shí)際生產(chǎn)中存在激光打孔不均勻、打孔精度不一致、打孔后煙支濾嘴通風(fēng)率不合格等問(wèn)題，從而穩(wěn)定卷煙吸阻性、煙支濾嘴通風(fēng)率和主流煙氣。

1 激光打孔的參量

在激光打孔的參數(shù)界面上，煙支打孔時(shí)間是指一個(gè)激光脈沖的持續(xù)時(shí)間，脈沖時(shí)間越長(zhǎng)，孔長(zhǎng)也越長(zhǎng)，透氣度越大，透鏡是激光光路傳導(dǎo)的聚焦裝置，激光打孔的孔寬因與通氣度與射束分配頭內(nèi)的透鏡位置有關(guān)，最佳透鏡位置必須通過(guò)試驗(yàn)確定。在透鏡內(nèi)部有清潔系統(tǒng)，由清潔系統(tǒng)引導(dǎo)的壓縮空氣，對(duì)在灼燒過(guò)程中的煙霧進(jìn)行清理，并阻止灰塵進(jìn)入，但隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，鏡頭的潔凈度也會(huì)逐漸降低，從而影響激光打孔裝置的效能，造成濾嘴通風(fēng)度等物理指標(biāo)的變化。

煙支在激光打孔的過(guò)程中要發(fā)生360°滾轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中煙支鼓輪與傳動(dòng)齒輪發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，撥煙輥（2）和打孔鼓輪（1）滾動(dòng)面之間的距離（Z）約為煙支直徑減0.6 mm，最合適的距離才能保證煙支濾嘴端360°打孔的均勻性。

撥煙輪與打孔鼓間隙的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 撥煙輪與打孔鼓間隙的示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，卷煙機(jī)以一定的速度運(yùn)行，不同的運(yùn)行速度，造成煙支的滾轉(zhuǎn)速度不同，也會(huì)對(duì)激光打孔的均勻性產(chǎn)生重要影響。因此，為研究以上多個(gè)因素對(duì)于煙支濾嘴通風(fēng)度的影響，將可控變量和不可控變量進(jìn)行結(jié)合分析，在保證試驗(yàn)精準(zhǔn)可靠條件下，采用降低試驗(yàn)成本、節(jié)約研究時(shí)間的田口方法進(jìn)行分析，從而找到最佳組合，為煙支激光打孔相關(guān)零部件的調(diào)整提供一定的借鑒與參考。

2 試驗(yàn)的方法與試驗(yàn)過(guò)程

2.1 材料和儀器

泰山（HP）煙絲，青州卷煙廠提供；綜合測(cè)量臺(tái)（CERULEANQTM系列）；SM450 型吸煙機(jī)，英國(guó)斯茹林公司產(chǎn)品；7890A 型氣相色譜儀，美國(guó)Agilent 公司產(chǎn)品；醋酸纖維濾棒（144 mm×24.2 mm×4 020 Pa）、橫紋卷煙紙（60 CU×26.5 mm×27 g×5 500 m）、接裝紙（64 mm×37 g×2 500 m）；Laser300s 型激光打孔裝置，泰山（HP）的濾嘴通風(fēng)度設(shè)計(jì)要求（18±3）%；盒標(biāo)焦油量（10 mg/支）、盒標(biāo)煙氣煙堿量（1.0 mg/支）、盒標(biāo)CO 量（11 mg/支）。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 田口分析法

田口方法是由20 世紀(jì)70 年代日本質(zhì)量大師田口玄一博士提出的質(zhì)量改進(jìn)方法，其主要內(nèi)容包括損失函數(shù)和信噪比（S/N），將各因子分為可控因子、信號(hào)因子和噪聲因子[8]?？煽匾蜃樱╖）是指在試驗(yàn)組中能夠進(jìn)行人為控制的因子，一般根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)確定，每個(gè)控制因素可能采取幾個(gè)值中的一個(gè)值被稱為水平。信號(hào)因子（M）是指在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的一些基本條件因子，不易改變。這個(gè)因子是不由設(shè)計(jì)工程師設(shè)定的，可以由用戶或操作員根據(jù)預(yù)期結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。噪聲因子（e）是指在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)影響響應(yīng)的不穩(wěn)定的因子，噪音因子包括內(nèi)部噪音（如產(chǎn)品的變化生產(chǎn)參數(shù)和隨著時(shí)間推移劣化的表現(xiàn)因子）和外部噪聲（如環(huán)境條件的影響）。田口方法就是找到最佳的控制因子水平，使其表現(xiàn)特征對(duì)噪聲因子不敏感。因此，可確定各試驗(yàn)因子并確定各因子的所屬類型。

各因子的類型見(jiàn)表1。

表1 各因子的類型

田口方法通過(guò)損失函數(shù)建立了產(chǎn)品質(zhì)量損失與經(jīng)濟(jì)成本的關(guān)系，其是衡量產(chǎn)品品質(zhì)特性大小的指標(biāo)，具體表達(dá)式為：

式（1）中：L（y）——品質(zhì)損失函數(shù)；

y——產(chǎn)品的響應(yīng)數(shù)值；

m——產(chǎn)品的響應(yīng)目標(biāo)值。

這是一個(gè)二次曲線函數(shù)模型，當(dāng)產(chǎn)品的響應(yīng)數(shù)值y 比產(chǎn)品的響應(yīng)目標(biāo)值大或小時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)損失，只有當(dāng)產(chǎn)品的響應(yīng)數(shù)值和產(chǎn)品的響應(yīng)目標(biāo)值相等，才會(huì)沒(méi)有質(zhì)量損失。信噪比（S/N）是田口方法中經(jīng)常用到的分析指標(biāo)，信噪比（S/N）是田口博士借鑒通訊行業(yè)中的信噪比定義應(yīng)用到田口試驗(yàn)分析中，希望獲得最大的信噪比，其所對(duì)應(yīng)的參數(shù)水平即為最優(yōu)參數(shù)因子水平，信噪比（S/N）比率定義公式如下所示：

式（2）中：有用的信息是指因子的信號(hào)，無(wú)用的信息是指因子的雜音。

據(jù)信噪比的原始定義與響應(yīng)的質(zhì)量特性不同，所產(chǎn)生的信噪比（S/N）計(jì)算公式也不同，可分為望目信噪比（S/N）、望小信噪比（S/N）及望大信噪比（S/N）。該研究主要按照設(shè)計(jì)值進(jìn)行分析，屬于望目信噪比（S/N）。望目特性的信噪比就是響應(yīng)特性是設(shè)計(jì)值時(shí)的信噪比，設(shè)望目特性隨機(jī)變量為y，其期望值為u，方差為σ2，目標(biāo)值為m，對(duì)于望目特性y來(lái)說(shuō)，希望u=m；σ2越小越好。一般計(jì)算望目特性的信噪比時(shí)，依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式（3）、（4）、（5）中：

u——試驗(yàn)組響應(yīng)的均值；

σ——試驗(yàn)組響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

具體計(jì)算公式如下：

由于田口方法可針對(duì)多因子進(jìn)行分析，所需要的數(shù)據(jù)樣本較少，并考慮質(zhì)量損失，能夠顯著降低試驗(yàn)成本。因此，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)流程，得出可靠性高的改進(jìn)方案，通過(guò)討論分析各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇采用田口方法進(jìn)行分析。試圖通過(guò)對(duì)激光打孔脈沖時(shí)間、卷煙機(jī)運(yùn)行速度、透鏡潔凈度、煙支與激光打孔透鏡之間的距離及卷煙機(jī)的撥煙輪與打孔輥之間距離5 個(gè)因子的分析，找到最佳組合，提高打孔的均勻性，提升煙支濾嘴通風(fēng)度的穩(wěn)定性。

2.2.2 試驗(yàn)水平設(shè)定

對(duì)激光打孔時(shí)間、透鏡距離、撥煙輪與打孔鼓間隙及卷煙機(jī)的運(yùn)行速度4 項(xiàng)因子在借鑒其他在線激光打孔產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況分別選取3 個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)分析完成后，收集合格煙支進(jìn)行濾嘴通風(fēng)率和主流煙氣的分析。

因子的水平確認(rèn)見(jiàn)表2。

表2 因子的水平確認(rèn)

2.2.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22838.15—2009[9]的方法來(lái)測(cè)定煙支的濾嘴通風(fēng)率。

依據(jù)GB/T 19609—2004[10]的方法分析主流煙氣中總粒相物（Total Particulate Matter）和焦油；依據(jù)GB/T 23355—2009[11]的方法分析主流煙氣中的煙堿；依據(jù)GB/T 23203.1—2013[12]的方法分析總粒相物中的水分；依據(jù)GB/T 23356—2009[13]的方法分析主流煙氣中CO 的釋放量。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)中運(yùn)用的方法是六西格瑪試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法；使用的工具是MINITAB 17，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14-15]。

2.2.5 試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)上述因子都是三因子水平參數(shù)，參考田口方法正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，制定9 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)2 次。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)得到的濾嘴通風(fēng)率數(shù)據(jù)看出，濾嘴通風(fēng)率的均值為17.49%，極差為6.3%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.468%，中位數(shù)為17.6%，無(wú)法看出各個(gè)因子對(duì)煙支濾嘴通風(fēng)度的影響，必須運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)分析

3.1 擬合因子試驗(yàn)

借助MINITAB 17 分析軟件就表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到信噪比響應(yīng)表和均值的響應(yīng)表。

信噪比響應(yīng)表（望目型）見(jiàn)表4，均值響應(yīng)表（望目型）見(jiàn)表5，信噪比的主效應(yīng)圖見(jiàn)圖2，均值的主效應(yīng)圖見(jiàn)圖3。

表4 信噪比響應(yīng)表（望目型）

表5 均值響應(yīng)表（望目型）

圖2 信噪比的主效應(yīng)圖

圖3 均值的主效應(yīng)圖

通過(guò)信噪比分析，確認(rèn)激光打孔時(shí)間選第2 水平，透鏡距離選第2 水平，撥煙輪與打孔鼓間隙選第1 水平，卷煙機(jī)運(yùn)行速度選擇第1 水平，確定為最佳搭配。

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析及最佳參數(shù)組合

通過(guò)MINITAB 17 軟件對(duì)不同水平下的參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如下。

不同水平下的預(yù)測(cè)值見(jiàn)表6。

表6 不同水平下的預(yù)測(cè)值

根據(jù)分析，激光打孔時(shí)間選第2 水平（73 μs），透鏡距離選第2 水平（2.0 mm），撥煙輪與打孔鼓之間間隙選第1 水平（7.1 mm），卷煙機(jī)運(yùn)行速度選擇第1 水平（6 200 支/ min）時(shí)，預(yù)測(cè)信噪比48.14 最大，均值18.1%符合通風(fēng)度（18±3）%的設(shè)計(jì)要求。

3.3 最佳參數(shù)組合的驗(yàn)證

根據(jù)田口方法分析得出激光打孔的最佳參數(shù)進(jìn)行設(shè)備調(diào)整，對(duì)調(diào)整后的機(jī)組進(jìn)行煙支濾嘴通風(fēng)度測(cè)量，收集30 組卷煙進(jìn)行通風(fēng)度測(cè)量，每組5 支進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明煙支濾嘴通風(fēng)度均值為18.28%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.81%，過(guò)程能力為1.23，煙支濾嘴通風(fēng)度的穩(wěn)定性較好，改進(jìn)后主流煙氣更加穩(wěn)定。

煙支濾嘴通風(fēng)度的正態(tài)分析見(jiàn)圖4，煙支濾嘴通風(fēng)度的過(guò)程能力分析見(jiàn)圖5，調(diào)整前后煙支主流煙氣的測(cè)定見(jiàn)表7。

表7 調(diào)整前后煙支主流煙氣的測(cè)定

圖4 煙支濾嘴通風(fēng)度的正態(tài)分析

圖5 煙支濾嘴通風(fēng)度的過(guò)程能力分析

4 結(jié)論

將田口方法引入到復(fù)雜的卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，大量減少設(shè)備調(diào)整和參數(shù)試驗(yàn)的試驗(yàn)量，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中獲得了令人滿意的結(jié)果。與傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)或者試錯(cuò)法相比較，田口設(shè)計(jì)不僅能夠快速找到最佳組合，還能夠使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更加可靠，設(shè)備的抗干擾能力更強(qiáng)，能夠節(jié)約大量的生產(chǎn)成本，對(duì)煙支降低焦油、控制主流煙氣和感官品質(zhì)具有重要的參考意義。