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(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 430000

2. 湖北煙草金葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，湖北省恩施市金桂大道149 號(hào) 445000

3. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

4. 北京長征高科技公司，北京市豐臺(tái)區(qū)科興路7 號(hào)210 室 100076

隨著卷煙工業(yè)的不斷發(fā)展，為了改善卷煙特別是細(xì)支卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)［1-2］，制絲環(huán)節(jié)對片煙原料提出了新的需求。新版《卷煙工藝規(guī)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(tǒng)的打葉模式按照YC/T146—2010 標(biāo)準(zhǔn)［4］運(yùn)行多年，難以完成這一目標(biāo)?？紫榈龋?］研究了不同形狀打葉框欄對片煙結(jié)構(gòu)的影響，但對框欄形狀、框欄尺寸、打輥轉(zhuǎn)速如何科學(xué)配置、如何完成《卷煙工藝規(guī)范》提出的要求并無更進(jìn)一步研究。王發(fā)勇等［6］研究了不同開口尺寸菱形框欄、復(fù)合開口框欄對片煙結(jié)構(gòu)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(guī)范》的要求。蔡聯(lián)合等［7］研究認(rèn)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(yàn)，并通過科學(xué)的方法來指導(dǎo)打葉工藝參數(shù)配置，以期達(dá)到《卷煙工藝規(guī)范》“降大片、提中片、降葉中含梗率”的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

湖北地區(qū)烤煙中部上等煙葉配打模塊（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）。

9 000 kg/h 四打十一分打葉復(fù)烤生產(chǎn)線及3 000 kg/h 二打三分打葉試驗(yàn)線（湖北煙草金葉復(fù)烤有限責(zé)任公司襄陽復(fù)烤廠）；CA24 型質(zhì)量控制振動(dòng)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(dòng)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(fù)烤有限責(zé)任公司襄陽復(fù)烤廠自制），在統(tǒng)一尺寸下進(jìn)行統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，見圖1。

圖1 4 種典型框欄統(tǒng)一化設(shè)計(jì)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(guī)格的框欄參數(shù)配置見表1。

1.2 方法

在二打三分打葉試驗(yàn)線，按照L8（4×24）進(jìn)行混合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［8］，考察框欄形狀、框欄尺寸、打輥轉(zhuǎn)速對打葉效率、打后片煙結(jié)構(gòu)、葉中含梗率等指標(biāo)的影響。為保證試驗(yàn)條件，預(yù)處理段設(shè)定流量3 000 kg/h，潤葉出口溫度設(shè)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(shù)不變。試驗(yàn)方案見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測結(jié)果

按文獻(xiàn)［4，9-10］中的方法進(jìn)行打后片煙結(jié)構(gòu)和葉中含梗率的取樣和檢測，按文獻(xiàn)［11］進(jìn)行打葉效率的檢測，采集正交試驗(yàn)3 次數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果見表3。

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

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

2.2 方差分析

通過方差分析結(jié)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(dá)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(shí)際意義［12］，主效應(yīng)圖（圖2a）顯示采用A=76.2 mm 蝶形框欄，將會(huì)達(dá)到最高打葉效率?？驒谛螤钜蜃訉Υ笃示哂幸欢ㄓ绊?，P=0.194＜0.2（表4），主效應(yīng)圖（圖2b）顯示采用六邊形框欄，將會(huì)達(dá)到大片率最低的效果?？驒谛螤钜蜃訉χ衅示哂幸欢ㄓ绊?，P=0.114＜0.2（表4），主效應(yīng)圖（圖2c）顯示采用六邊形框欄，將會(huì)達(dá)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(yīng)圖（圖2h）顯示采用六邊形框欄，將會(huì)達(dá)到葉中含梗率最低的效果。

孔祥等［5］認(rèn)為，采用六邊形框欄后，大片率與葉中含梗率實(shí)現(xiàn)有效下降，中片率得到有效提升，與本研究結(jié)論一致。陳家東等［13］認(rèn)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(jié)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(guān)系，故不單設(shè)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(zhuǎn)速和框欄大?。ㄈ≈禂?shù)代表正交試驗(yàn)對應(yīng)的水平），βi為xi的系數(shù)。定義片煙結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測值為y，應(yīng)用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到以下回歸方程。

對于片煙結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)，回歸系數(shù)表見表5，從表中計(jì)算出的決定系數(shù)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(dá)到 0.886、0.863、0.807、0.826 和0.897，回歸效果較好。

表4 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Tab.4 Variance analysis results of orthogonal test

圖2 正交試驗(yàn)主效應(yīng)圖Fig.2 Main effect diagram of orthogonal test

2.4 二次規(guī)劃求解與驗(yàn)證試驗(yàn)

正交試驗(yàn)法只能在進(jìn)行試驗(yàn)的水平中選取最優(yōu)水平組合，屬于離散型優(yōu)選方法。為了得到打葉質(zhì)量多個(gè)目標(biāo)的一組優(yōu)化參數(shù)，單純依靠正交試驗(yàn)或多元回歸分析，不易得到組合的最佳優(yōu)化參數(shù)。為此，采用多元非線性回歸結(jié)合多目標(biāo)非線性規(guī)劃法求解規(guī)劃約束最優(yōu)化問題（序列二次規(guī)劃SQP 算法），根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求出目標(biāo)性能與影響因素之間的近似函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化得到最優(yōu)的因素值，屬于連續(xù)型最優(yōu)化方法，其結(jié)果優(yōu)于正交試驗(yàn)法［14］。

表5 片煙結(jié)構(gòu)預(yù)測模型的回歸系數(shù)Tab.5 Regression coefficient of prediction model for strip structure

根據(jù)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(yù)測值代表質(zhì)量期望值，yjU代表期望值上限代表期望值下限，采用二次規(guī)劃SQP 法求解，構(gòu)建如下優(yōu)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(dá)到期望值的權(quán)重系數(shù)，重要目標(biāo)權(quán)重可取較大值，次要目標(biāo)權(quán)重可取較小值，可忽略的目標(biāo)權(quán)重取0，這里wj取值為1，模型（2）簡化為：

以新版《卷煙工藝規(guī)范》打葉質(zhì)量要求為驗(yàn)證目標(biāo)，打葉后大片率要求＜45%，大中片率要求≥80%，葉中含梗率要求設(shè)置見表6。

表6 二次規(guī)劃模型期望值的參數(shù)設(shè)置Tab.6 Expectation parameter setting for quadratic programming model

式（3）解得優(yōu)化結(jié)果：x0= 0.654，x1= 0.346，0.935，由x4=1，取轉(zhuǎn)速639 r/min，x5=1.773，根據(jù)表2折算A 值95.7 mm。在襄陽復(fù)烤廠利用中部上等煙葉進(jìn)行主線驗(yàn)證試驗(yàn)，預(yù)處理段設(shè)定流量為9 000 kg/h，二次潤葉出口溫度設(shè)定為（55 ±5）℃，出口含水率為（18±1）%。因復(fù)烤廠一級四聯(lián)打輥為8 片框欄，每兩片框欄組合一個(gè)打輥，故取整、取偶數(shù)后，一級打葉配置為6 片2.75 英寸菱形框欄（A 實(shí)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(shí)際取值88.9 mm），驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7 可以看出，采用SQP 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而且優(yōu)化后烤后的大片率、大中片率、碎末率、葉中含梗率等指標(biāo)均能滿足《卷煙工藝規(guī)范》的需求，如果試驗(yàn)次數(shù)增加，結(jié)果的可靠性會(huì)越來越高，也將會(huì)得到更好的結(jié)果。

2.5 應(yīng)用驗(yàn)證

為了解研究結(jié)論對其他等級煙葉的應(yīng)用效果，對湖北地區(qū)中部中等煙、上部上等煙、上部中等煙配打模塊進(jìn)行批次驗(yàn)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(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表8 所示。根據(jù)批次均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，打葉質(zhì)量指標(biāo)基本能滿足《卷煙工藝規(guī)范》的需求。

表7 二次規(guī)劃求解驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Validation test results from sequential quadratic programming

表8 湖北地區(qū)不同等級煙葉加工批次均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.8 Mean values of processing parameters of different grade tobacco leaves from Hubei

3 結(jié)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(huì)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(yàn)，建立片煙結(jié)構(gòu)預(yù)測的回歸模型，利用序列二次規(guī)劃進(jìn)行求解，結(jié)果顯示，9 000 kg/h 打葉復(fù)烤生產(chǎn)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(zhuǎn)速控制在560～660 r/min，可以滿足《卷煙工藝規(guī)范》對片煙結(jié)構(gòu)的要求。

通過調(diào)整框欄和打輥轉(zhuǎn)速來滿足打葉質(zhì)量需求，只是調(diào)控手段的一部分，在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要根據(jù)工藝流程、設(shè)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(shù)參數(shù)，來更好地滿足質(zhì)量需求。