周永長(zhǎng)，黃亞宇

（650031 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

打葉復(fù)烤是煙草行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]，打葉過(guò)程是打葉復(fù)烤的最初環(huán)節(jié)，打葉質(zhì)量將直接影響風(fēng)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(zhì)量。研究合理的打葉流程，對(duì)降低煙葉原料消耗和提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量有一定的意義。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于打葉流程研究主要集中于不同框欄形狀、打輥轉(zhuǎn)速、葉片含水率對(duì)打葉質(zhì)量的影響[2-4]，對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程討論相對(duì)較少。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是已被證明的有效試驗(yàn)方法，在整個(gè)煙葉加工過(guò)程中已得到廣泛運(yùn)用。相關(guān)研究中，楊輝[5]在煙葉配方中運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，節(jié)省了材料和大量時(shí)間；薛美盛[6]，景延秋[7]、宮長(zhǎng)榮[8]等分別在煙葉烘絲過(guò)程和烤煙栽培技術(shù)上通過(guò)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在對(duì)打葉結(jié)果的分析中，多數(shù)是討論大片率、中片率、葉中含梗率、碎末率與打葉質(zhì)量的關(guān)系[9-12]，缺乏完整的系統(tǒng)建模過(guò)程。因?yàn)榇蛉~后煙葉形狀不規(guī)則，為準(zhǔn)確測(cè)量大片、中片、小片煙葉帶來(lái)一定的難度，增加了分析的系統(tǒng)誤差。本文根據(jù)打葉后不同的片型分為純?nèi)~片、梗帶葉、光梗、碎片4 類，并根據(jù)不同片型對(duì)后續(xù)打葉復(fù)烤流程的貢獻(xiàn)率賦予加權(quán)系數(shù)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用多指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分法分析，得到最優(yōu)的因素水平組合，為打葉流程工藝參數(shù)設(shè)置提供合理的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)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(zhì)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(shí)間：2019 年3 月。

生產(chǎn)工藝質(zhì)量按煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 146—2010 執(zhí)行。主要試驗(yàn)設(shè)備為宣威復(fù)烤廠加工車間的打葉設(shè)備及多級(jí)振動(dòng)篩分器。

1.2 試驗(yàn)方法和條件

1.2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)開始前對(duì)一級(jí)打葉設(shè)備的比例分料器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證一級(jí)打葉設(shè)備各進(jìn)料比例保持一致[13]。煙葉的含梗率、多級(jí)振動(dòng)篩篩口、打葉風(fēng)分參數(shù)均應(yīng)保持一致，減少收集不同規(guī)格煙葉時(shí)的誤差。對(duì)原煙進(jìn)行增溫增濕，使?jié)櫤鬅熑~含水率和溫度均達(dá)到工藝質(zhì)量要求。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

設(shè)置框欄開口、打輥轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量3 個(gè)試驗(yàn)因素，前兩個(gè)因素設(shè)置4 個(gè)水平，第3 個(gè)因素設(shè)置2 個(gè)水平，如表1 所示。采用L16（42×29）混合水平正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)順序及參數(shù)設(shè)置如表2 所示，研究不同打葉參數(shù)對(duì)打葉質(zhì)量的影響。

表1 試驗(yàn)因素水平設(shè)置Tab.1 Test factor level setting

表2 試驗(yàn)順序及參數(shù)設(shè)置Tab.2 Test sequence and parameter setting

1.3 分析方法

運(yùn)用Minitab18.0 對(duì)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析。首先以打葉后含梗率作為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化分析，然后以提高打葉總體質(zhì)量為目的，建立多目標(biāo)綜合評(píng)分法。運(yùn)用Minitab18.0根據(jù)最佳的因素水平進(jìn)行正交試驗(yàn)?zāi)M，驗(yàn)證模型的有效性。

2 結(jié)果

2.1 打葉分類結(jié)果

根據(jù)要求，將打葉后的煙葉按照純?nèi)~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(tǒng)誤差和操作誤差影響，在取樣時(shí)，在同一因素水平下，進(jìn)行3 次試驗(yàn)，計(jì)算所含比例時(shí)，取3 次計(jì)算后的平均值，計(jì)算公式如下：

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

按照混合水平正交表設(shè)計(jì)的試驗(yàn)序號(hào)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(xiàn)打葉質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，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(shuō)明純?nèi)~片片型和純梗比率之和較?。ㄋ槠嚷蔬^(guò)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(jié)果可知，進(jìn)料量的變化對(duì)梗帶葉比率影響極小，主要影響因素為打輥轉(zhuǎn)速和框欄開口。通過(guò)表4 中P 值也可看出，框欄開口和打輥轉(zhuǎn)速的P 值<0.05，說(shuō)明影響顯著。根據(jù)煙廠要求，控制梗葉比率的大小是打葉工藝的要求之一，對(duì)于梗帶葉比率的目標(biāo)是望小，按照極差分析對(duì)影響因素進(jìn)行排序?yàn)锽（打輥轉(zhuǎn)速）>A（框欄開口）>C（進(jìn)料量），最好的試驗(yàn)方案為B1A2C1，此方案的試驗(yàn)序號(hào)為5，梗帶葉比率為0.34，是試驗(yàn)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(quán)評(píng)分法

極差與方差僅僅只是針對(duì)一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，綜合加權(quán)評(píng)分法是把多指標(biāo)的情況化為一個(gè)指標(biāo)，每次試驗(yàn)的得分來(lái)代表這次試驗(yàn)的結(jié)果[14]，之后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分值按其重要程度，相應(yīng)地乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)作為分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)指標(biāo)的權(quán)重為βi，i 代表i 種片型不同的權(quán)重。卷煙生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)施細(xì)則中提到碎末率計(jì)件型合格率為15%，梗帶葉計(jì)件型合格率為20%，則純?nèi)~片型計(jì)件合格率為65%。碎末型占整體比重較小，所以微調(diào)權(quán)重，純?nèi)~片、梗帶葉、碎末、純梗4種類型對(duì)后續(xù)得貢獻(xiàn)率分別為0.7，0.2，0.1，0。

每個(gè)試驗(yàn)所得分?jǐn)?shù)用S（a，i）表示，其中a代表試驗(yàn)序號(hào)1～16。試驗(yàn)指標(biāo)的最大值記為100分，最小值記為60 分。則每個(gè)因素對(duì)應(yīng)水平下的得分如式（2）所示：

式中：Sj——對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的比率數(shù)值。

式（2）所得數(shù)值分別乘以相應(yīng)權(quán)重可得加權(quán)評(píng)分值。每個(gè)試驗(yàn)序號(hào)對(duì)應(yīng)的4 種試驗(yàn)指標(biāo)相加，得到綜合加權(quán)評(píng)分值。分值越高代表此因素水平組合下打葉效果越好。計(jì)算公式如式（3）：

由式（2）、式（3）計(jì)算并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得到表5、表6 所示結(jié)果。

表5 各試驗(yàn)綜合加權(quán)評(píng)分表Tab.5 Comprehensive weighted score for each trial

表6 各因素對(duì)綜合加權(quán)評(píng)分的影響。Tab.6 The influence of factor level on comprehensive weighted score

由表6 的計(jì)算結(jié)果可知，框欄開口的變化對(duì)整體打葉質(zhì)量的影響最大，打輥轉(zhuǎn)速次之，進(jìn)料量對(duì)于整體打葉質(zhì)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(zhuǎn)速520 r/min，進(jìn)料量開口25%～40%生產(chǎn)流量。根據(jù)Minitab18.0 進(jìn)行模擬水平分析，得到試驗(yàn)的最終評(píng)分為90 分，驗(yàn)證了該方案是打葉質(zhì)量最好的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)論

提高打葉質(zhì)量是打葉復(fù)烤的關(guān)鍵之一。打輥轉(zhuǎn)速、物料流量、框欄開口等工藝參數(shù)的設(shè)置一直是研究的重點(diǎn)。由于打輥轉(zhuǎn)速不僅影響葉中含梗率，還對(duì)煙片面積分布等工藝要求具有顯著影響[15]。打輥轉(zhuǎn)速提高，有利于提高打葉風(fēng)分后煙片的中片率和長(zhǎng)梗率[3]，但打輥轉(zhuǎn)速過(guò)大，則煙葉與輥?zhàn)拥慕佑|不充分，葉梗分離效果不明顯。我國(guó)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(guān)關(guān)系[2]，與小片率、碎末率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高框欄開口有利于提高打葉質(zhì)量。物料流量是控制打葉質(zhì)量的又一重要因素[13]，物料流量越大，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入打葉機(jī)內(nèi)的煙葉則越多，勢(shì)必會(huì)影響打葉質(zhì)量，而流量過(guò)小又會(huì)造成碎末過(guò)多，不滿足生產(chǎn)效率，為切絲過(guò)程增加困難。因此如何選擇合適的工藝參數(shù)，優(yōu)化打葉流程，對(duì)提高卷煙質(zhì)量至關(guān)重要。

通過(guò)建立多目標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分模型，選取合適的優(yōu)化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)框欄開口、打輥轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量3 個(gè)打葉關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化。滿足煙廠生產(chǎn)工藝要求的同時(shí)提高了打葉質(zhì)量，為設(shè)置工藝參數(shù)提供合理的參考。對(duì)于不同原料，不同打葉方式的情況，權(quán)重還需要進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整和研究。

在研究打葉質(zhì)量的過(guò)程中，打葉工藝參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要。（1）本文對(duì)打葉3 個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取純?nèi)~片、梗帶葉、純梗、碎末作為優(yōu)化指標(biāo)，減少了對(duì)打葉結(jié)果測(cè)量和分類時(shí)的誤差。（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，框欄開口、打輥轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素對(duì)煙葉打葉的去梗率影響顯著，進(jìn)料量的改變對(duì)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(zhuǎn)速531 r/min，框欄開口3.0 cm，進(jìn)料量為正常生產(chǎn)流量。（3）建立了多目標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分模型，計(jì)算流程簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確性高，彌補(bǔ)了單一指標(biāo)評(píng)價(jià)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(zhuǎn)速520 r/min，進(jìn)料量開口25%～40%生產(chǎn)流量。為煙廠打葉參數(shù)設(shè)置提供合理參考。