KDF4成型机组滤棒吸阻影响因素及控制方法研究

曹 毅 金绍平 王 斌 蒋润华 帅英俊

（上海烟草集团有限责任公司，上海 200082）

滤棒生产由丝束经过KDF4 成型机开松、增塑、成型、切割等工序完成，经固化达到一定的硬度后，输送至卷接机完成卷烟生产，在生产过程中，滤棒吸阻可能受到丝束来料、过程参数调整、固化时间等因素影响。张涛、杨利平等人[1]针对不同厂家丝束的特性与及供应处协商决定，减少质量不稳定的丝束供应商，针对不同丝束厂家，摸索使用特性，最终形成一系列的经验参数，在不同厂家提供的丝束情况下，设置不同的设备运行参数，同时提高检测仪器的准确性和一致性，减少了卷烟滤棒吸阻的波动；吴树清等人[2]为解决丝束带从丝束包拉出过程中内部张力变化导致的滤棒吸阻、圆周等指标波动问题，采用闭环伺服控制原理，设计了丝束恒张力控制系统。张力检测装置检测运行中丝束带张力变化情况，与来自成型机的速度同步信号进行比较，控制丝束控制装置转速，使丝束带内张力保持恒定。

综上所述，目前行业内对滤棒吸阻的影响因素有一定的研究，但对于生产过程中如何控制滤棒吸阻的相关报道较少。该文主要结合实际生产，基于滤棒吸阻影响因素及变化规律研究结果，建立滤棒吸阻的控制方法。

1 材料与方法

1.1 设备与仪器

1.1.1 KDF4成型机

KDF4 成型机由德国HAUNI 公司设计，将烟用丝束卷制成滤棒，设计生产速度最高可达600 m/min，由开松、增塑、成型、切割、装盘组成[4]，在生产过程中，滤棒的物理指标（如吸阻、质量、圆周等），与开松、增塑、成型工序密切相关[8]。

1.1.2 QTM（cerulean）综合测试台

QTM 综合测试台由英国斯茹林公司为烟草行业设计[7]，用于卷烟及滤棒的物理指标的检测，可测量滤棒的质量、圆周、吸阻、硬度等，与企业SPCD 及MES 等系统对接，实现对生产过程的质量监控。

1.2 方法

1.2.1 单个丝束包生产过程中滤棒吸阻变化规律研究

选用南通丝束供应商在同一生产线生产的丝束包，在同一机台生产，对机台（KDF4 成型机）进行一次维保，确保设备处于正常的状态，在设备参数不做改变的情况下，进行现场跟踪，根据综合测试台的在线检测数据，运用Minitab软件分析单个丝束包生产过程中滤棒吸阻的变化规律。

1.2.2 固化时间对滤棒吸阻的影响

1.2.2.1 取样方法

在同一参数设定值下，选取3 个机台，每个机台取样3组，每组30 支，每组间隔5 min，其中一台机（为方便描述，下文代号为1 号机），对每支滤棒进行编号（1-90），另外2台机仅取样不作编号。

1.2.2.2 检测方法

使用同一检测仪器（综合测试台），第一步进行即刻检测，第二步分别放置在同一环境（恒温恒湿）中，分别间隔4 h、8 h、12 h 后做固化后检测（包含质量、吸阻、硬度、圆周），记录即刻检测及固化后的检测时间及检测值（其中即刻检测不检测硬度，固化后检测硬度）。运用Minitab 软件分析固化前后滤棒吸阻的变化规律。

1.2.3 KDF4成型机过程参数与对滤棒吸阻的影响

通过滤棒实际生产可知，滤棒吸阻均值主要受到KDF4成型机参数V1/VKDF 影响[5]，该参数表示丝束的供给系数，但在生产中，操作人员通常根据经验调整，出现调整不到位及过度调整的情况，本次研究设计单因子试验，量化该参数与滤棒吸阻的关系，V1/VKDF 设定7 个水平，如表1，在同一班次、同一机台，同一车速及其他参数不变的情况下，参数设定后运行稳定（2 min），再运行10 min（以在线取样产生30 个样本为准，检测物理指标（质量、吸阻、圆周）。

表1 单因子试验因子水平表

2 结果与分析

2.1 单个丝束包对滤棒吸阻影响的分析结果

将单个丝束包整个生产过程平均分成5 段，通过Minitab单值控制图分析，结果如图1 所示。

图1 单个丝束包生产过程中滤棒吸阻变化趋势图

结果表明：吸阻均值（X）在生产过程中，整体有逐步下降趋势，料头与料尾之间的差异约为70Pa；这是整包丝束包随着滤棒成型时间的递增，丝束包高度逐渐下降，提取距离逐渐增加，悬挂段的丝束带自重增加，滤棒质量逐渐减轻，导致滤棒吸阻逐渐下降。

在生产过程中，滤棒吸阻除受到丝束包高度影响外，其物理指标指标之间存在相关性，根据相关性分析原理，使用Minitab 软件，分析吸阻均值、质量均值、圆周均值的相关性，结果如下。相关系数见表2。

表2 滤棒物理指标相关性分析表

结果表明：滤棒吸阻均值与滤棒质量均值、滤棒圆周均值的相关性分析P值均小于0.05，说明物理指标之间具有相关性[6]；其中滤棒吸阻均值与滤棒质量均值的相关系数为0.378（相关系数＜0.3，为弱相关，相关系数为0.3～0.7，为中等相关，相关系数＞0.7，为强相关），表明成正相关（中等相关），滤棒吸阻均值与圆周均值的相关系数为-0.647，表明成负相关（中等相关）。

2.2 固化时间对滤棒吸阻的影响分析结果

2.2.1 滤棒配对检测分析

1 号机固化前后滤棒对比分析采用同一滤棒重复检测进行配对分析，使用Minitab 配对等价检验，分析固化12h 后滤棒吸阻均值、吸阻标偏的变化，分析结果分别如下。

2.2.1.1 固化12 h 后滤棒吸阻均值的变化

采用具有配对数据的等价检验，检验均值： K5-成型-吸阻的均值，参考均值 = K5-转序12-吸阻的均值，描述性统计量：样本量为60，K5-成型-吸阻的均值为4383.7，K5-转序12-吸阻的均值为4394.2，均值（K5-成型-吸阻） - 均值（K5-转序12-吸阻）的差值为-10.5，95%的置信区间为（-8.8419，0），上限小于 0。可以认为均值（K5-成型-吸阻） ＜ 均值（K5-转序12-吸阻），在α 水平为0.5条件下，P值为0.000，P值 ≤ 0.05。可以认为均值（K5-成型-吸阻） ＜ 均值（K5-转序12-吸阻）。

2.2.1.2 固化12h 后滤棒标偏的变化

采用具有配对数据的等价检验，检验均值：成型吸阻标偏的均值，参考均值：转序12h 吸阻标偏的均值的均值，描述性统计量：样本量为8，成型吸阻标偏的均值为75.77，转序12 小时吸阻标偏的均值为76.26，均值（成型吸阻标偏） - 均值（转序12h 吸阻标偏）的差值为0.51，95%的置信区间为（-0.696321， 1.71651），当等价区间设定为（-2，2）时，置信区间在等价区间内。可以认为是等价。在α水平为0.5条件下，差值 ≤ -2 的P值为0.003，差值 ≥ 2 的P值为0.025，两个P值中更大的值为 0.026。可以认为是等价。

结果表明：1）吸阻均值。采用配对等价检验，过程吸阻-转序12 小时吸阻，p＜0.05， 可以认为均值（K5-成型-吸阻）＜均值（K5-转序12-吸阻）。且差值的95%的置信区间为（-12.48，-8.51），说明在固化12h 后，滤棒吸阻增加8Pa～12Pa。2）吸阻标偏。采用配对等价检验，p＜0.05，如果（过程吸阻标偏-转序12h 吸阻标偏）的等价区间设为（-2，2），可以认为成形吸阻和转序吸阻在统计意义上是等价的，且差值的95%的置信区间为（-0.69，1.71）。

2.2.2 滤棒吸阻伴随固化时间分析

将3 个机台滤棒吸阻均值及吸阻标偏作汇总分析，如表3 所示，使用Minitab 软件区间图工具，分析结果如图2 所示。

图2 固化时间对滤棒吸阻的影响图

表3 滤棒吸阻伴随固化时间的变化表

结果表明，随着固化时间的增加：a）滤棒吸阻均值逐渐上升，在固化12 h 后，吸阻均值增加12Pa 左右。b）滤棒吸阻标偏变化无明显规律，且吸阻标偏差异较小，在1Pa以内。

2.3 KDF4成型机过程参数与对滤棒吸阻的影响

V1/VKDF 单因子试验结果如表4，运用Minitab 软件，对V1/VKDF 与滤棒吸阻进行回归分析建立模型，结果如图3 所示。

图3 V1/VKDF 与吸阻均值的回归分析拟合线图

表4 V1/VKDF 单因子试验数据表

建立模型如下：

回归方程为

均值=- 4495+7745 V1VKDF

模型汇总表见表5。

表5 模型汇总表

S：回归模型误差的标准方差，R-sq是由模型解释的响应中的变异百分比，R-sq（调整）：R-sq的调整值，比较具有不同数量的预测变量的情况下，使用调整的R-sq。

方差分析表见表6。

表6 方差分析表

结果表明：滤棒吸阻与V1/VKDF 有正向相关性，回归方程：吸阻均值=-4495+7745V1/VKDF，且拟合度达到94.7%。其含义：当V1/VKDF 每变化0.001，吸阻均值伴随变化7.7Pa。

3 建立KDF4成型机滤棒吸阻控制方法

基于上述研究，滤棒在生产过程中，吸阻均值受到丝束包高度及圆周、固化时间、过程参数（V1/VKDF）的影响[9]，在实际生产中，每台KDF4 成型机配备在线综合测试台，每1.5min 测量5 支滤棒，计算吸阻均值并形成控制图，结合实际生产，根据SPC 控制图原理，制定滤棒吸阻的控制方法如下。1）根据固化时间对滤棒吸阻的影响（固化12 小时后，滤棒吸阻均值上升12 Pa），生产时滤棒吸阻均值：滤棒设计中心值-12 Pa。2）滤棒吸阻均值与圆周均值成负相关，当操作人员在控制图中观察到吸阻上升或者下降时，首先观察圆周是否有明显反向偏离，如果有偏离，优先查看圆周（圆周呈现趋势性变化，一般由于布带磨损、纸粉、冷却条积胶），须人工干预，采取更换布带、清洁等措施。3）当圆周未出现与吸阻反向偏离时，观察在线综合测试台对应的SPC 系统5 支一组数据控制图，结合SPC 的2 项判异准则（一个子点落在3σ 之外、连续9 点落在中心线同一侧），通过调整V1/VKDF（调整规则见V1/VKDF 与吸阻均值的回归模型）精确控制吸阻均值。

4 结论

通过设计试验及制定数据收集计划，运用统计学知识，从丝束来料、滤棒固化时间、KDF4 滤棒成型机过程参数等方面，系统研究了滤棒吸阻的影响因素，量化滤棒吸阻的变化规律，结合实际生产及人员操作，建立了滤棒吸阻的控制方法并运用到生产，提升了滤棒吸阻的质量水平，从源头上提升了卷烟吸阻的稳定性。