打葉工藝參數的多目標建模與優化

周永長，黃亞宇

（650031 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

打葉復烤是煙草行業發展的基礎[1]，打葉過程是打葉復烤的最初環節，打葉質量將直接影響風選、除雜、切絲等工藝流程，間接影響卷煙的燃燒性能和感官質量。研究合理的打葉流程，對降低煙葉原料消耗和提高卷煙產品質量有一定的意義。目前，國內對于打葉流程研究主要集中于不同框欄形狀、打輥轉速、葉片含水率對打葉質量的影響[2-4]，對于整個試驗設計和試驗過程討論相對較少。正交試驗設計是已被證明的有效試驗方法，在整個煙葉加工過程中已得到廣泛運用。相關研究中，楊輝[5]在煙葉配方中運用正交試驗設計，節省了材料和大量時間；薛美盛[6]，景延秋[7]、宮長榮[8]等分別在煙葉烘絲過程和烤煙栽培技術上通過正交設計進行優化。在對打葉結果的分析中，多數是討論大片率、中片率、葉中含梗率、碎末率與打葉質量的關系[9-12]，缺乏完整的系統建模過程。因為打葉后煙葉形狀不規則，為準確測量大片、中片、小片煙葉帶來一定的難度，增加了分析的系統誤差。本文根據打葉后不同的片型分為純葉片、梗帶葉、光梗、碎片4 類，并根據不同片型對后續打葉復烤流程的貢獻率賦予加權系數，對正交試驗結果運用多指標綜合加權評分法分析，得到最優的因素水平組合，為打葉流程工藝參數設置提供合理的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和設備

試驗材料：大理彌渡（云87）C4FA1，C3FC4，曲靖馬龍（云87）C3LA1、C3FC4，普洱景谷（云87）C4FA1，普洱景東（云87）C4FA1，曲靖宣威（云87）C3FC4，玉溪通海（K326）C1FC4。

質量要求：煙梗水份為10%～12.5%；成品片煙水份為11%～12.5%；葉含梗率≤2.0%；碎片水份為11%～12.5%。

投打方式：混打。投打時間：2019 年3 月。

生產工藝質量按煙草行業標準YC/T 146—2010 執行。主要試驗設備為宣威復烤廠加工車間的打葉設備及多級振動篩分器。

1.2 試驗方法和條件

1.2.1 試驗條件

試驗開始前對一級打葉設備的比例分料器進行優化調整，保證一級打葉設備各進料比例保持一致[13]。煙葉的含梗率、多級振動篩篩口、打葉風分參數均應保持一致，減少收集不同規格煙葉時的誤差。對原煙進行增溫增濕，使潤后煙葉含水率和溫度均達到工藝質量要求。

1.2.2 試驗設計方法

設置框欄開口、打輥轉速、進料量3 個試驗因素，前兩個因素設置4 個水平，第3 個因素設置2 個水平，如表1 所示。采用L16（42×29）混合水平正交表設計試驗，實驗順序及參數設置如表2 所示，研究不同打葉參數對打葉質量的影響。

表1 試驗因素水平設置Tab.1 Test factor level setting

表2 試驗順序及參數設置Tab.2 Test sequence and parameter setting

1.3 分析方法

運用Minitab18.0 對試驗后的數據和結果進行分析。首先以打葉后含梗率作為優化指標進行單目標優化分析，然后以提高打葉總體質量為目的，建立多目標綜合評分法。運用Minitab18.0根據最佳的因素水平進行正交試驗模擬，驗證模型的有效性。

2 結果

2.1 打葉分類結果

根據要求，將打葉后的煙葉按照純葉片、梗帶葉、光梗、碎片分為4 類，具體分類情況如圖1 所示。

圖1 打葉后葉片類型分類圖Fig.1 Classification diagram of leaf types after threshing

為避免系統誤差和操作誤差影響，在取樣時，在同一因素水平下，進行3 次試驗，計算所含比例時，取3 次計算后的平均值，計算公式如下：

式中：i——打葉后按照打葉類型分類的編號（i=1，2，3，4）；j——取樣的次數（j=1，2，3）；A：每類片型的質量；W——取樣時樣本的總質量。

按照混合水平正交表設計的試驗序號和式（1），得出4 種類型所占的比率如表3 所示。

葉中含梗率是體現打葉質量的一個重要指標，表3 中梗帶葉比率可以直接反映出不同因素組合水平下葉中含梗率。若梗帶葉片型的比率越大，則說明純葉片片型和純梗比率之和較小（碎片比率過小，可忽略），葉梗分離效果不明顯。

表3 打葉后不同片型所占比率Tab.3 Percentage of different slices after threshing

2.2 極差和方差分析

由圖2 極差分析結果可知，進料量的變化對梗帶葉比率影響極小，主要影響因素為打輥轉速和框欄開口。通過表4 中P 值也可看出，框欄開口和打輥轉速的P 值<0.05，說明影響顯著。根據煙廠要求，控制梗葉比率的大小是打葉工藝的要求之一，對于梗帶葉比率的目標是望小，按照極差分析對影響因素進行排序為B（打輥轉速）>A（框欄開口）>C（進料量），最好的試驗方案為B1A2C1，此方案的試驗序號為5，梗帶葉比率為0.34，是試驗中比率最小的。

圖2 梗葉比率隨因素水平變化極差圖Fig.2 The ratio of stems and leaves varies with factor levels

表4 梗葉比率方差分析表Tab.4 Stem-leaf ratio analysis of variance

2.3 建立綜合加權評分法

極差與方差僅僅只是針對一個優化目標，綜合加權評分法是把多指標的情況化為一個指標，每次試驗的得分來代表這次試驗的結果[14]，之后進行統計分析，各項指標的評分值按其重要程度，相應地乘以適當的系數作為分數。

試驗指標的權重為βi，i 代表i 種片型不同的權重。卷煙生產過程質量評價實施細則中提到碎末率計件型合格率為15%，梗帶葉計件型合格率為20%，則純葉片型計件合格率為65%。碎末型占整體比重較小，所以微調權重，純葉片、梗帶葉、碎末、純梗4種類型對后續得貢獻率分別為0.7，0.2，0.1，0。

每個試驗所得分數用S（a，i）表示，其中a代表試驗序號1～16。試驗指標的最大值記為100分，最小值記為60 分。則每個因素對應水平下的得分如式（2）所示：

式中：Sj——對應試驗指標的比率數值。

式（2）所得數值分別乘以相應權重可得加權評分值。每個試驗序號對應的4 種試驗指標相加，得到綜合加權評分值。分值越高代表此因素水平組合下打葉效果越好。計算公式如式（3）：

由式（2）、式（3）計算并進行統計學分析，得到表5、表6 所示結果。

表5 各試驗綜合加權評分表Tab.5 Comprehensive weighted score for each trial

表6 各因素對綜合加權評分的影響。Tab.6 The influence of factor level on comprehensive weighted score

由表6 的計算結果可知，框欄開口的變化對整體打葉質量的影響最大，打輥轉速次之，進料量對于整體打葉質量影響較小。最佳的因素水平組合為A2B1C2，即框欄開口3.0 cm，打輥轉速520 r/min，進料量開口25%～40%生產流量。根據Minitab18.0 進行模擬水平分析，得到試驗的最終評分為90 分，驗證了該方案是打葉質量最好的工藝參數設計方案。

3 結論

提高打葉質量是打葉復烤的關鍵之一。打輥轉速、物料流量、框欄開口等工藝參數的設置一直是研究的重點。由于打輥轉速不僅影響葉中含梗率，還對煙片面積分布等工藝要求具有顯著影響[15]。打輥轉速提高，有利于提高打葉風分后煙片的中片率和長梗率[3]，但打輥轉速過大，則煙葉與輥子的接觸不充分，葉梗分離效果不明顯。我國大部分煙廠中打葉開口為菱形開口，開口尺寸與大片率、中片率呈正相關關系[2]，與小片率、碎末率呈負相關關系。根據實際情況適當提高框欄開口有利于提高打葉質量。物料流量是控制打葉質量的又一重要因素[13]，物料流量越大，在相同時間內進入打葉機內的煙葉則越多，勢必會影響打葉質量，而流量過小又會造成碎末過多，不滿足生產效率，為切絲過程增加困難。因此如何選擇合適的工藝參數，優化打葉流程，對提高卷煙質量至關重要。

通過建立多目標綜合加權評分模型，選取合適的優化指標，實現了對框欄開口、打輥轉速、進料量3 個打葉關鍵參數的優化。滿足煙廠生產工藝要求的同時提高了打葉質量，為設置工藝參數提供合理的參考。對于不同原料，不同打葉方式的情況，權重還需要進一步進行調整和研究。

在研究打葉質量的過程中，打葉工藝參數的設置至關重要。（1）本文對打葉3 個關鍵因素進行正交試驗設計，選取純葉片、梗帶葉、純梗、碎末作為優化指標，減少了對打葉結果測量和分類時的誤差。（2）試驗結果表明，框欄開口、打輥轉速兩個因素對煙葉打葉的去梗率影響顯著，進料量的改變對去梗率影響較小，提高去梗率的最佳因素組合水平為打輥轉速531 r/min，框欄開口3.0 cm，進料量為正常生產流量。（3）建立了多目標綜合加權評分模型，計算流程簡單且準確性高，彌補了單一指標評價的不足。（4）整體打葉效果最好的方案為：框欄開口3.0 cm,打輥轉速520 r/min，進料量開口25%～40%生產流量。為煙廠打葉參數設置提供合理參考。