裝箱密度對異地配送煙絲質量的影響

何文婕，李春光，紀曉楠，趙振偉，宋偉民，許玉江，姚光明，張玉海，魏甲欣，裴 勇，俎萌萌，劉志輝，孫 覓*

1. 河南中煙工業有限責任公司，鄭州市經濟技術開發區第三大街8 號 450016 2. 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

近年來，品牌合作生產已成為行業骨干品牌規模快速增長的重要舉措［1-2］，但由于多點生產企業制絲工藝技術裝備存在著差異，為進一步提升合作生產卷煙產品的質量一致性，一些企業開始探索實施異地供絲生產新模式［3-4］。國內的煙絲異地配送最初多用于膨脹煙絲的異地供絲生產［5］，由于抗碎性較差，多采用自然堆積裝箱方式。對于成品煙絲的異地配送，目前多沿襲膨脹煙絲的自然堆積裝箱方式，但由于煙絲顆粒體之間存在著較大的空隙體積，受路途震動外力作用易發生篩分和沉積效應，配送后煙絲下陷嚴重，在人工轉運翻轉過程中很容易產生造碎，不利于異地配送煙絲質量和運輸成本的控制。為此，一些企業和科研工作者開展了異地供絲方面的相關研究。彭桂新等［6］開發了一種異地配送煙絲的加工工藝，對異地配送的工藝流程、裝箱方式及質量控制要求進行了明確。王志明等［7］設計開發了一種下壓煙絲設備，可有效提高煙絲箱的空間利用率和煙絲裝箱壓實作業的自動化程度，降低運輸成本。吳文強等［8］比較了人工一次抽空法與多次壓實法裝箱方式對煙絲質量的影響，對比表明，抽空法裝箱方式更有利于煙絲質量的保持。張天奇等［9］設計了一種激振式煙絲松散裝置，解決異地供絲模式下煙絲結塊帶來的卷煙機停機率高、煙絲分層和密度不均勻等問題。顧亮等［10］研究了環境溫濕度對配送煙絲及卷煙質量指標的影響，發現在溫度15～30 ℃密封包裝條件下配送，煙絲和卷煙的質量一致性較好。基于配方煙絲及其組分在不同壓力條件下的密度特性分析，通過對比不同裝箱密度條件下煙絲質量和卷制質量的變化，研究確定適合的裝箱密度，旨在為異地配送煙絲質量控制和降低運行成本提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

配方煙絲A（葉絲76%、梗絲10%、膨脹煙絲5%、再造煙葉絲9%）及其組分；配方煙絲B（葉絲59%、梗絲20%、膨脹煙絲10%、再造煙葉絲11%）及其組分。

YDZ430 煙絲填充值測定儀（鄭州煙草研究院）；HY-3A振動儀（江蘇盛威實驗儀器廠）；YQ-2煙絲結構振動分選篩（鄭州煙草研究院）；QTM煙支綜合測試臺（英國FILTRONA 公司）；SM450 吸煙機（英國CERULEAN 公司）；JMZ-V 煙支含末檢測儀、YDX-Ⅱ卷煙端部落絲測定儀（中國科學院安徽光學精密機械研究所）；KBF240 恒溫恒濕箱（德國BINDER公司）；500 mL量筒；PL203電子天平（感量：

0.001 g，梅特勒-托利多儀器有限公司）；定制煙絲箱（尺寸規格1：長1 000 mm寬1 000 mm高1 010 mm；尺寸規格2：長1 000 mm 寬1 000 mm 高660 mm；箱蓋和箱體內壁材質：304 拋光不銹鋼）；紙箱（尺寸規格：長562 mm 寬382 mm 高632 mm，內襯塑料袋尺寸規格：長1 300 mm寬1 100 mm）。

1.2 方法

1.2.1 堆積密度的測定

平衡后（恒溫恒濕箱設定溫度25 ℃、相對濕度63%，存放12 h以上）的配方煙絲及其組分均勻堆放入量筒至刻度線，稱重后計算其自然堆積密度［11］。

分別稱取上述平衡后的配方煙絲及其各組分（10.00±0.02）g，填充儀壓力分別設定9.8 N（梗絲填充值壓力）、29.4 N（煙絲填充值壓力），按文獻［12-13］的方法測得各壓力條件下的填充值，通過式（1）計算配方煙絲及各組分的預壓堆積密度。

式中：ρ壓為配方煙絲及組分的預壓堆積密度（kg/m3）；d壓為配方煙絲及組分的填充值（cm3/g）。

1.2.2 沉積密度的測定

滿量筒的煙絲稱重后在1.2.1 平衡條件下靜置存放24 h，測算其在量筒中所占的體積，計算靜止狀態下的自然沉積密度。

滿量筒的煙絲稱重后在振動儀上垂直振動60 min（振頻60 r/min，振幅20 mm），測算其在量筒中所占的體積，計算振實沉積密度［14］。

1.2.3 預壓過程煙絲密度的測定

稱取（5.00±0.02）g 平衡后的配方煙絲A，將其放入質構儀測量桶內，質構儀壓力設定為29.4 N，壓頭下壓40 s 后抬起，間隔120 s 后再次下壓，測得各時間和壓力條件下的煙絲初壓縮高度D0（壓頭與煙絲首次接觸，應力≥0.98 N）、應力高度D1（壓頭下壓，應力首次達到29.4 N）、始壓縮高度D2（壓頭下壓40 s時）和釋力后回彈高度D3（壓頭二次下壓與煙絲接觸，應力≥0.98 N），測量5次并計算各高度條件下的煙絲平均密度。

1.2.4 自然堆積裝箱的配送試驗

采用人工自然堆積裝箱方式，將配方煙絲A 分別裝入定制煙絲箱1、定制煙絲箱2 和紙箱中，裝至箱口處。將定制煙絲箱加蓋（箱蓋嵌入箱口20 mm）、紙箱扎口密封后配送至輸入方進行翻箱卷制。采用冷藏集裝箱（寬2 300 mm 高2 500 mm）進行配送，車廂溫度設定為（25±3）℃，配送距離為200 km、400 km。采用輥道自動化裝卸車、叉車（定制煙絲箱）和人工翻箱（紙箱）方式，裝翻箱和煙絲箱暫存環境溫度為（25±3）℃，相對濕度為63%±5%。測量配送后的煙絲高度、煙絲密度。裝箱前的煙絲樣品在配絲貯絲柜出料后取樣，配送后的煙絲樣品在翻箱松散后取樣，按照文獻［15］中的方法進行配送前后煙絲含水率、填充值、煙絲結構等質量指標檢測。

1.2.5 預壓堆積裝箱的配送試驗

依據方法1.2.1 和1.2.2 測定的堆積密度與沉積密度，對配方煙絲A 和配方煙絲B 進行不同裝箱質量（90、100、120、130、140、150、160 kg）異地供絲試驗。試驗煙絲由配絲貯絲柜出料，采用電子皮帶秤稱量后，經裝箱套筒（高1 500 mm）均勻平鋪入煙絲箱，預壓設備的壓板壓入煙絲箱內100 mm 后保持15 s，加蓋密封后配送至輸入方進行翻箱卷制。檢測項目、裝卸方式和配送環境條件同1.2.4。

1.2.6 卷煙質量和消耗測試試驗

依據1.2.5 的試驗方法及結果，將同批次（批次投料量10 000 kg）配方煙絲A 和配方煙絲B 等分成兩部分，分別進行不同裝箱密度的預壓堆積裝箱配送試驗和本地卷包試驗，按文獻［16-18］中的方法對比測試卷煙質量和煙絲消耗。

2 結果與討論

2.1 配方煙絲及其組分的密度特性

采用1.2.1 和1.2.2 小節中的方法測試了配方煙絲A、配方煙絲B及其組分的堆積密度和沉積密度，結果見表1。由表1可以看出，在自然堆積存放和振動狀態下，配方煙絲及其組分會產生沉積效應，其中振實沉積密度高于自然沉積密度，且遠低于煙絲和梗絲填充值測定時的預壓堆積密度，說明煙絲裝箱密度低于振實沉積密度時，對煙絲的填充值影響較小。

表1 配方煙絲及其組分的堆積密度和沉積密度Tab.1 Bulk density and deposition density of blended cut tobacco and its constituents （kg·m-3）

2.2 預壓過程煙絲密度的變化

采用1.2.3 小節方法測得質構儀施力29.4 N 條件下配方煙絲A 的初壓縮高度D0、應力高度D1、始壓縮高度D2和釋力后回彈高度D3見圖1，測算得到各高度條件下的煙絲平均密度見表2。由圖1 和表1、表2 可以看出，在施力29.4 N 和施壓時間40 s 條件下，回彈后的煙絲密度與煙絲A 的振實沉積密度接近，說明煙絲裝箱密度低于振實沉積密度時，對煙絲的彈性影響較小。

表2 施力29.4 N預壓過程各高度的煙絲密度Tab.2 Density of cut tobacco at each height in the process of exerting prepressing force of 29.4 N

圖1 施力29.4 N預壓過程的煙絲高度變化Fig.1 Variation of cut tobacco height in the process of exerting prepressing force of 29.4 N

2.3 裝箱密度對煙絲質量指標的影響

2.3.1 自然堆積裝箱

采用1.2.4 小節中的方法進行了同一批次煙絲不同尺寸煙絲箱的配送試驗，測量配送后煙絲的高度和密度，檢測配送裝箱前和配送翻箱后煙絲的物理質量指標，結果見表3。由表3 可以看出，在自然堆積裝箱條件下，配送后煙絲高度均有明顯下陷，定制煙絲箱配送煙絲含水率波動較大，紙箱配送煙絲碎絲率較高。分析原因應是定制煙絲箱內的煙絲下陷后，煙絲與箱內的空氣發生水分子吸附與擴散，導致了煙絲含水率的波動；而紙箱配送造碎較大則是由于在人工轉運和翻箱的過程中，箱內煙絲翻轉次數較多造成的。配送距離和煙絲箱高度的變化對煙絲物理質量指標影響較小。

表3 自然堆積裝箱方式的配送煙絲質量指標變化Tab.3 Variations of quality indexes of delivered cut tobacco packed by natural bulk method

圖3 裝箱預壓后和配送后的煙絲密度Fig.3 Density of cut tobacco after prepressing and delivery

圖4 不同裝箱質量的煙絲含水率變化Fig.4 Variation of moisture content in cut tobacco at different packing weights

2.3.2 預壓堆積裝箱

采用1.2.5小節中的方法對配方煙絲A和配方煙絲B 進行不同裝箱質量及密度（見表4）的密封保溫配送試驗，測量和計算煙絲裝箱時預壓前后的煙絲高度及配送后的煙絲高度和煙絲密度，檢測裝箱前和翻箱后煙絲的物理質量指標，結果見圖2～圖7。由圖2～圖7可以看出，與裝箱前相比，在試驗范圍內，隨著裝箱質量的增加，煙絲密度增加，配送后煙絲高度增加，下陷高度減小，煙絲與箱內空氣中水分子交換也減少，煙絲的含水率變化值整體呈減小趨勢，煙絲填充值變化值整體呈增大趨勢，整絲率和碎絲率變化值呈先減小后增大趨勢。煙絲質量指標變化值較大的拐點多在振實沉積密度處，其中在煙絲裝箱密度較低時，煙絲在配送過程發生振動而導致煙絲造碎，在煙絲密度超過振實沉積密度后，應是施加的預壓力已超出煙絲回彈應力而產生了造碎和形變。

表4 預壓堆積方式的煙絲裝箱質量與密度Tab.4 Weight and density of cut tobacco packed in cases by prepressing bulk method

圖2 裝箱預壓前和配送后的煙絲高度Fig.2 Height of cut tobacco before prepressing and after delivery

圖5 不同裝箱質量的煙絲填充值變化Fig.5 Variation of filling value of cut tobacco at different packing weights

圖6 不同裝箱質量翻箱后的煙絲整絲率變化Fig.6 Integral strand proportion in cut tobacco after tipping at different packing weights

圖7 不同裝箱質量翻箱后的煙絲碎絲率變化Fig.7 Short strand proportion in cut tobacco after tipping at different packing weights

2.4 裝箱密度對卷煙質量及消耗的影響

依據裝箱密度對煙絲質量的影響趨勢，分別選取了配方煙絲A裝箱密度110、150、160 kg/m3和配方煙絲B 裝箱密度100、140、150 kg/m3，按照1.2.6 小節中的方法進行配送試驗，并與同批次輸出方本地卷包的卷煙質量和煙絲消耗進行對比，結果見表5。從表5可以得出，在試驗范圍內，隨著裝箱密度的增加，配方煙絲A 的單支質量標準偏差、端部落絲量呈先降低后增加趨勢，含末率呈增加趨勢；配方煙絲B的單支質量標準偏差呈降低趨勢，端部落絲量、含末率呈先降低后增加趨勢。其中，在裝箱密度超出振實沉積密度（煙絲A 152 kg/m3、煙絲B 140 kg/m3）后，煙支的端部落絲量、含末率質量指標增加趨勢較為明顯。卷煙感官質量一致性則隨裝箱密度的增加整體有所提升，單箱煙絲消耗整體呈增加趨勢，其他卷煙指標基本一致。

表5 不同裝箱密度的卷煙質量和煙絲消耗Tab.5 Cigarette quality and cut tobacco consumption at different packing densities

3 結論

①在自然堆積存放和振動狀態下，煙絲會產生沉積效應，其振實沉積密度大于自然沉積密度，遠小于填充值測定時的預壓堆積密度，在煙絲裝箱密度小于振實沉積密度時，對異地供絲的配方煙絲填充值和彈性影響較小。②采用預壓方式裝箱，在試驗范圍內，隨著裝箱密度的增加，配送前后煙絲的含水率變化值整體呈減小趨勢，填充值變化值整體呈增大趨勢，整絲率和碎絲率變化值呈先減小后增大趨勢；卷煙的煙支端部落絲量和含末率呈先降低后增加趨勢，煙絲消耗呈增加趨勢，感官質量一致性則有所提升，其質量指標和消耗變化較大的拐點多在振實沉積密度處。③采用自然堆積方式裝箱，配送后的煙絲下陷嚴重，煙絲的造碎也較大，為統籌兼顧異地供絲的質量和成本，可采用預壓方式進行裝箱，但其煙絲裝箱密度不宜超過振實沉積密度。