響應曲面法優化濾棒成形工藝研究

徐吉銘

摘 要：以濾棒壓降變異系數指標為參考，在單因素試驗基礎上，運用四因素三水平響應曲面分析法，研究濾棒生產過程中濾棒成形工藝參數對吸阻變異系數的影響。結果表明，穩定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力對吸阻變異系數影響顯著，并建立了二次回歸方程模型，模型顯著且有效；濾棒成形過程最佳工藝參數為穩定輥壓力0.063 MPa，空氣噴嘴壓力0.16 MPa，輥速比1.26，螺紋輥壓力0.196 MPa。該條件下，濾棒壓降變異系數最低。

關鍵詞：濾棒壓降；變異系數；響應曲面法

中圖分類號 TQ320.66 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）08-124-04

研究表明，濾棒的壓降波動是影響卷煙焦油量的主要因素[1]，在成形設備和加工原料一定的情況下，研究和確定成形工藝條件是保證濾棒質量的關鍵[2]。目前行業在濾棒成形工藝參數優化方面采用正交試驗[3]較多，不能找出影響濾棒壓降變異系數最佳工藝參數[4]。本試驗利用響應曲面分析法研究濾棒成形生產過程中工藝參數對濾棒壓降變異系數的影響及參數最佳配置，為濾棒成形生產過程工藝參數設置提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備 3.0Y/35 000醋纖絲束（美國Celeanese公司）；KDF-2型濾棒成型機組（沈陽飛機制造公司）；DT綜合測試臺（美國BORGWALDT KC公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法 為排除不同機組、不同絲束包對結果的影響，所有工藝參數調整在同一機組、同一絲束包完成，各項參數穩定且濾棒壓降在標準范圍后在卸盤機處取樣。

1.2.2 樣品的制備 （1）生產正常時，每進行一項工藝參數試驗，待過程穩定后取樣。每項參數取樣3次，每次100支，混合作為1個樣品。（2）將現場取得的試驗樣品，放置30min后，在環境溫度22℃±5℃，相對濕度60%±2%的實驗室內，用綜合測試臺測定濾棒的壓降。每個樣品測定30支。

1.2.3 樣品的評價標準 以濾棒壓降變異系數（Y）作為評價指標。

1.2.4 工藝參數選擇 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，通過改變穩定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力4個工藝變量，以濾棒壓降變異系數指標為依據，確定最佳工藝參數。

2 結果與分析

2.1 濾棒壓降變異系數的單因素試驗

2.1.1 穩定輥壓力對濾棒壓降變異系數的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置穩定輥壓力0.03，0.04，0.05，0.06，0.07MPa，其它參數（空氣噴嘴壓力0.12MPa、輥速比1.2、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察穩定輥壓力對濾棒壓降變異系數的影響，結果見圖1。由圖1可知，穩定輥壓力0.05MPa，濾棒壓降變異系數最小，因此選擇穩定輥壓力0.05MPa。

2.1.2 空氣噴嘴壓力對濾棒壓降變異系數的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置空氣噴嘴壓力0.1，0.12，0.14，0.16，0.18MPa，其它參數（穩定輥壓力0.05MPa、輥速比1.2、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察穩定輥壓力對濾棒壓降變異系數的影響，結果見圖2。由圖2可知，濾棒壓降變異系數隨著空氣噴嘴壓力的增加而增加。這與余振華等的研究結果[5]一致。當空氣噴嘴壓力超過0.16MPa以后，濾棒壓降變異系數的變化趨于穩定。考慮到生產實際情況，故選擇空氣噴嘴壓力0.12MPa為宜。

2.1.3 輥速比對濾棒壓降變異系數的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度 120mm前提下，分別設置輥速比1.15，1.2，1.25，1.3，1.35，其它參數（穩定輥壓力0.05MPa、空氣噴嘴壓力0.12MPa、螺紋輥壓力0.2MPa）不變條件下，考察輥速比對濾棒壓降變異系數的影響，結果見圖3。由圖3可知，濾棒壓降變異系數在輥速比1.2時最小，當輥速比在1.2～1.3時，濾棒壓降變異系數變化不大。這與余振華等的研究結果[6]一致。因此選擇輥速比1.2。

2.1.4 螺紋輥壓力對濾棒壓降變異系數的影響 在增塑劑噴加量36mg/支，成型車速4 100支/min，濾棒圓周24.05mm，濾棒長度120mm前提下，分別設置螺紋輥壓力0.18，0.19，0.2，0.21，0.22MPa，其它參數（穩定輥壓力0.05MPa、空氣噴嘴壓力0.12MPa、輥速比1.2）不變條件下，考察輥速比對濾棒壓降變異系數的影響，結果見圖4。由圖4可知，隨著螺紋輥壓力增加，濾棒壓降變異系數先下降后增加，在0.2時最低。因此選擇螺紋輥壓力為0.2MPa。

2.2 響應曲面法優化梗預處理工藝參數 在上述單因素試驗基礎上，采用Box-Behnken試驗設計，利用Box-Behnken中心設計原理，對影響濾棒壓降變異系數的穩定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力四因素，采用Minitab-16軟件設計一個四因素三水平中心組合設計，中心點重復試驗3次，試驗因素水平設計及結果分別見表1、表2。

2.2.1 試驗各因素對回透率的影響分析 為分析各因素對回透率的影響，以濾棒壓降變異系數為指標（Y），利用Minitab-16數據分析軟件對表2的試驗結果進行分析，得到4個因素與回透率之間的回歸方程：

對試驗回歸模型進行方差分析，結果見表3。由表3可知，回歸模型回歸項P<0.05，表明本模型總體有效。從擬合的總效果看，試驗誤差小，說明可以用本回歸方程替代真實試驗進行分析。可以看出，X1、X2、X3和X4及它們的平方項均高度顯著，說明穩定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力對濾棒壓降變異系數均有顯著影響。根據F值的大小，對影響濾棒壓降變異系數的大小因素排序為輥速比>穩定輥壓力>空氣噴嘴壓力>螺紋輥壓力。

2.2.2 各因素及交互作用對回透率的影響 各因素及交互作用對回透率的影響見圖5～10。

響應曲面圖反應了各個因素對響應值的影響，從各因素與響應值所構成的三維空間圖可以看出：圖5表明穩定輥壓力對壓降CV的影響比空氣噴嘴壓力顯著，曲面較陡；圖6表明輥速比比穩定輥壓力影響顯著；圖7表明穩定輥壓力比螺紋輥壓力影響更顯著；圖8表明輥速比比空氣噴嘴壓力影響更顯著；圖9表明空氣噴嘴壓力比螺紋輥壓力影響更顯著；圖10表明輥速比比螺紋輥壓力影響更顯著；輥速比和螺紋輥壓力之間的交互作用對壓降CV影響最大。

2.2.3 最佳工藝條件優化及試驗模型驗證 為確定各因素的最佳工藝設置，利用Minitab-16軟件找出回歸模型Y的最大估計值，最大點（X1，X2，X3，X4）的代碼值為（0.63，1，0.62，-0.19），與之對應的實際值為穩定輥壓力0.063MPa、空氣噴嘴壓力0.16MPa，輥速比1.26，螺紋輥壓力0.196MPa，理論上壓降CV為1.991%，在最佳工藝條件下根據生產實際情況進行了3次驗證性實驗，壓降CV平均為2.011%，與理論值基本一致，說明該試驗的回歸方程可靠。

3 結論

本試驗結果表明，對于梗預處理段的穩定輥壓力、空氣噴嘴壓力、輥速比、螺紋輥壓力4個關鍵工藝參數，均對煙梗回透率有影響顯著。其中貯梗時間對回透率影響程度最大，其次是浸梗時間，再者是蒸梗溫度，最后是浸梗水溫。結合生產實際，最佳工藝條件設置為浸梗時間70s、浸梗水溫60℃，貯梗時間3.5h，蒸梗溫度60℃，該條件下煙梗回透率99.50%，煙梗回透效果好。本試驗為梗預處理段最佳工藝參數的設置和試驗方法提供了一定的理論參考。

參考文獻

[1]朱令宇，李永杰. 濾棒重量、壓降穩定性對卷煙重量、吸阻穩定性的影響[J]. 福建分析測試，2009，18（2）：83-85.

[2]汪旭，吉德祥. 優化成型工藝參數與檢測方法提高濾棒質量控制水平[J]. 上海煙業，2005（4）：40-43.

[3]魏步建，李清華，常紀恒，等. 濾棒成型工藝參數優化研究[J]. 煙草科技，2007（10）：14-17.

[4]常紀恒，趙榮，余振華，等. 濾棒成型工藝參數與質量穩定性的關系[J]. 煙草科技，2007（1）：5-9.

[5]余振華，詹建波，李庚，等. 空氣噴嘴壓力與濾棒質量穩定性研究[J]. 云南煙草，2007（3）：25-30.

[6]余振華，徐若飛，張承明. 輥速比與濾棒質量的關系研究[J]. 煙草科學研究，2005（2）：44-50.

（責編：張宏民）