打葉框欄與打輥轉速對打葉質量的影響

閆鐵軍，周崇健，王 躍，張 文，齊菲莉，張玉海，付賀云，龍 飛，付 龍，陳劍暉

1. 湖北中煙工業有限責任公司，武漢市東西湖區金山大道1355 號 430000

2. 湖北煙草金葉復烤有限責任公司，湖北省恩施市金桂大道149 號 445000

3. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

4. 北京長征高科技公司，北京市豐臺區科興路7 號210 室 100076

隨著卷煙工業的不斷發展，為了改善卷煙特別是細支卷煙的煙絲結構［1-2］，制絲環節對片煙原料提出了新的需求。新版《卷煙工藝規范》［3］中提出打后大片率＜45%，大中片率≥80%，葉中含梗率＜1.5%的要求，傳統的打葉模式按照YC/T146—2010 標準［4］運行多年，難以完成這一目標。孔祥等［5］研究了不同形狀打葉框欄對片煙結構的影響，但對框欄形狀、框欄尺寸、打輥轉速如何科學配置、如何完成《卷煙工藝規范》提出的要求并無更進一步研究。王發勇等［6］研究了不同開口尺寸菱形框欄、復合開口框欄對片煙結構的影響，但降大片、提中片的效果并不能滿足新版《卷煙工藝規范》的要求。蔡聯合等［7］研究認為，縮小一打框欄尺寸后，大片率有所降低，但整體降低幅度不大。因此，對這一方面開展試驗，并通過科學的方法來指導打葉工藝參數配置，以期達到《卷煙工藝規范》“降大片、提中片、降葉中含梗率”的目標。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

湖北地區烤煙中部上等煙葉配打模塊（湖北中煙工業有限責任公司）。

9 000 kg/h 四打十一分打葉復烤生產線及3 000 kg/h 二打三分打葉試驗線（湖北煙草金葉復烤有限責任公司襄陽復烤廠）；CA24 型質量控制振動篩、CA14 型葉中含梗測定儀（北京長征高科技公司）；RX29 型多層振動篩分器（美國ROTAP公司）；LA34001S 型電子天平（感量 0.1 g）、CPA223S 型 電 子 天 平（ 感 量 0.001 g）（ 德 國SARTORIUS 公司）。

菱形、六邊形、圓形、蝶形等4 種典型框欄（湖北煙草金葉復烤有限責任公司襄陽復烤廠自制），在統一尺寸下進行統一化設計，見圖1。

圖1 4 種典型框欄統一化設計圖Fig.1 Normalization design of four typical frame basket openings

約定描述框欄尺寸大小的特征值為A（以下簡稱框欄尺寸），大、小兩種規格的框欄參數配置見表1。

1.2 方法

在二打三分打葉試驗線，按照L8（4×24）進行混合正交試驗設計［8］，考察框欄形狀、框欄尺寸、打輥轉速對打葉效率、打后片煙結構、葉中含梗率等指標的影響。為保證試驗條件，預處理段設定流量3 000 kg/h，潤葉出口溫度設定為（55 ± 5）℃，出口含水率為（18 ± 1）%，二級打葉采用固定Φ50 mm框欄，參數不變。試驗方案見表2。

2 結果與分析

2.1 檢測結果

按文獻［4，9-10］中的方法進行打后片煙結構和葉中含梗率的取樣和檢測，按文獻［11］進行打葉效率的檢測，采集正交試驗3 次數據的平均值，結果見表3。

表1 4 種典型框欄尺寸設計表Tab.1 Sizes of four typical frame baskets （mm）

表2 L8（4×24）混合正交試驗方案Tab.2 L8（4×24）Mixed orthogonal test scheme

2.2 方差分析

通過方差分析結果（表4）可以看出：框欄形狀因子對打葉效率在0.05 水平上達到顯著影響，框欄尺寸因子對打葉效率的影響P=0.103＜0.2，仍然具有實際意義［12］，主效應圖（圖2a）顯示采用A=76.2 mm 蝶形框欄，將會達到最高打葉效率。框欄形狀因子對大片率具有一定影響，P=0.194＜0.2（表4），主效應圖（圖2b）顯示采用六邊形框欄，將會達到大片率最低的效果。框欄形狀因子對中片率具有一定影響，P=0.114＜0.2（表4），主效應圖（圖2c）顯示采用六邊形框欄，將會達到中片率最高的效果。框欄形狀因子對葉中含梗率具有一定影響，P=0.153＜0.2（表4），主效應圖（圖2h）顯示采用六邊形框欄，將會達到葉中含梗率最低的效果。

孔祥等［5］認為，采用六邊形框欄后，大片率與葉中含梗率實現有效下降，中片率得到有效提升，與本研究結論一致。陳家東等［13］認為框欄尺寸越大，通過的葉片尺寸就越大，煙葉被打碎的概率就越小，打葉效率降低，與本研究中框欄尺寸減小，打葉效率提升的結論一致。

2.3 回歸分析

因菱形框欄x0的取舍與另外3 種框欄存在共線性關系，故不單設為自變量，分別以x1、x2、x3代表六邊形框欄、圓形框欄、蝶形框欄的取舍（取值0 代表未選擇，1 代表選擇），x4、x5分別代表打輥轉速和框欄大小（取值數代表正交試驗對應的水平），βi為xi的系數。定義片煙結構的各項指標預測值為y，應用以上數據進行回歸，得到以下回歸方程。

對于片煙結構的各項指標，回歸系數表見表5，從表中計算出的決定系數R2可以看出，大片率、大中片率、大中小片率、碎片率、葉中含梗率回歸方程的 R2分別達到 0.886、0.863、0.807、0.826 和0.897，回歸效果較好。

表4 正交試驗方差分析結果Tab.4 Variance analysis results of orthogonal test

圖2 正交試驗主效應圖Fig.2 Main effect diagram of orthogonal test

2.4 二次規劃求解與驗證試驗

正交試驗法只能在進行試驗的水平中選取最優水平組合，屬于離散型優選方法。為了得到打葉質量多個目標的一組優化參數，單純依靠正交試驗或多元回歸分析，不易得到組合的最佳優化參數。為此，采用多元非線性回歸結合多目標非線性規劃法求解規劃約束最優化問題（序列二次規劃SQP 算法），根據試驗結果求出目標性能與影響因素之間的近似函數關系，進而優化得到最優的因素值，屬于連續型最優化方法，其結果優于正交試驗法［14］。

表5 片煙結構預測模型的回歸系數Tab.5 Regression coefficient of prediction model for strip structure

根據表 5，分別以 y1、y2、y3、y4、y5、y6代表大片率、大中片率、大中小片率、碎片率、碎末率、葉中含梗率的預測值代表質量期望值，yjU代表期望值上限代表期望值下限，采用二次規劃SQP 法求解，構建如下優化模型：

wj為大片率、大中片率、大中小片率、碎片率、碎末率、葉中含梗率達到期望值的權重系數，重要目標權重可取較大值，次要目標權重可取較小值，可忽略的目標權重取0，這里wj取值為1，模型（2）簡化為：

以新版《卷煙工藝規范》打葉質量要求為驗證目標，打葉后大片率要求＜45%，大中片率要求≥80%，葉中含梗率要求設置見表6。

表6 二次規劃模型期望值的參數設置Tab.6 Expectation parameter setting for quadratic programming model

式（3）解得優化結果：x0= 0.654，x1= 0.346，0.935，由x4=1，取轉速639 r/min，x5=1.773，根據表2折算A 值95.7 mm。在襄陽復烤廠利用中部上等煙葉進行主線驗證試驗，預處理段設定流量為9 000 kg/h，二次潤葉出口溫度設定為（55 ±5）℃，出口含水率為（18±1）%。因復烤廠一級四聯打輥為8 片框欄，每兩片框欄組合一個打輥，故取整、取偶數后，一級打葉配置為6 片2.75 英寸菱形框欄（A 實際取值93.1 mm 折算H0=69.9 mm）、2片3.5 英寸六邊形框欄（A 實際取值88.9 mm），驗證試驗結果見表7。由表7 可以看出，采用SQP 優化結果與試驗結果吻合較好，而且優化后烤后的大片率、大中片率、碎末率、葉中含梗率等指標均能滿足《卷煙工藝規范》的需求，如果試驗次數增加，結果的可靠性會越來越高，也將會得到更好的結果。

2.5 應用驗證

為了解研究結論對其他等級煙葉的應用效果，對湖北地區中部中等煙、上部上等煙、上部中等煙配打模塊進行批次驗證，一級打葉配置為6片 2.75 英寸（H0=69.9 mm）菱形框欄、2 片 3.5 英寸（A=88.9 mm）六邊形框欄，批次驗證統計數據如表8 所示。根據批次均值統計結果，打葉質量指標基本能滿足《卷煙工藝規范》的需求。

表7 二次規劃求解驗證試驗結果Tab.7 Validation test results from sequential quadratic programming

表8 湖北地區不同等級煙葉加工批次均值統計結果Tab.8 Mean values of processing parameters of different grade tobacco leaves from Hubei

3 結論

（1）對4 種典型框欄而言，框欄形狀對打葉效率、大片率、大中片率以及葉中含梗率均有一定影響，采用六邊形框欄，將會有效降低大片率、提升中片率、降低葉中含梗率。

（2）通過混合正交試驗，建立片煙結構預測的回歸模型，利用序列二次規劃進行求解，結果顯示，9 000 kg/h 打葉復烤生產線中，一打打輥采用2.75 英寸（H0=69.9 mm）菱形欄為主（如配置3 套或6 片），輔以3.5 英寸（A=88.9 mm）六邊形框欄（如配置1 套或2 片），打輥轉速控制在560～660 r/min，可以滿足《卷煙工藝規范》對片煙結構的要求。

通過調整框欄和打輥轉速來滿足打葉質量需求，只是調控手段的一部分，在實際應用過程中，還需要根據工藝流程、設備性能、原料物理特性［15］等，選擇合適的流量、二潤溫度、含水率［16］等加工技術參數，來更好地滿足質量需求。