CN102657381A - 一种利用数学联合模型引导提高卷烟通风率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用数学联合模型引导提高卷烟通风率的方法，数学联合模型基于卷烟机额定车速与卷烟机在线激光打孔系统脉冲极限时长、打孔数量之间的关系，给出脉冲极限时长、额定车速与打孔数量之间关系的计算公式，公式如下：
Description
技术领域
本发明涉及卷烟在线打孔通风技术，特别是建立卷烟机的额定车速与在线激光打孔系统脉冲极限时长、打孔数量之间关系的数学联合模型，属于烟草工业加工领域。
背景技术
目前国内卷烟企业多是采用高透气度成形纸的滤棒与预打孔接装纸组合的方式生产滤嘴通风卷烟，而卷烟机激光在线打孔相关研究，尤其是超高通风率TV、超低焦油烟支在线打孔的相关研究却鲜见报道。申请人曾在《烟草科技》上发表了“LASER 300S在线激光打孔参数的选择”的论文，2006年第10/231期，在此基础上，申请人对该卷烟机激光在线打孔在超高总通风率(TV)方面做了进一步的研究。
卷烟的焦油量与设计的烟支总通风率(TV)密切相关，1mg超低焦油卷烟设计要求为烟支总通风率TV＞75％，而目前采取传统参数设置方法生产出的卷烟通风率TV最高可以达到65％，与1mg超低焦油卷烟设计要求还存在一定差距。在传统牌号参数设置条件下无法继续提高烟支总通风率TV，成为本领域的一个亟待突破的技术瓶颈。
发明内容
本发明目的在于提供一种实现烟支超高总通风率的方法，利用数学联合模型指导卷烟生产，实现技术瓶颈的突破。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种利用数学联合模型引导提高卷烟通风率的方法，所述数学联合模型基于卷烟机额定车速与卷烟机在线激光打孔系统脉冲极限时长、打孔数量之间的关系，并反映出脉冲极限时长、额定车速与打孔数量三参数间确实存在着严格的、明确的相互制约关系。建立脉冲极限时长、额定车速与打孔数量的数学联合模型，在该模型下，卷烟总通风率(TV)可达到最优值。通过额定车速X计算单支卷烟，包括内排和外排在鼓轮槽上的可分配时间：
单位为秒(s)；由于打孔鼓轮与辅轮配合让双倍长烟支先作360°旋转打孔再排出的工作关系可知：留给单支卷烟的有效工作弧长仅有2/3，也就是说留给激光在线打孔的有效耗时即为生产单支卷烟耗时的2/3，设定单支卷烟在线激光打孔数量为n个时，计算激光烧灼一个孔的可分配时间仅有：单位秒(s)；在线激光打孔系统需满足激光器电子开关的关键指标：占空比最高要求小于60％，考虑到望大特性取较大值59％；由于光路系统中双排棱镜组、内外排烟支棱镜组(均镀膜)等对激光束的折反射存在8.0％的小幅损失，即有效利用率为(1-8％)；得到脉冲极限时长Pt，即工艺参数和设备参数的数学联合模型创建为：
其中，pt：卷烟机的在线激光打孔系统脉冲极限时长，单位为微秒μs；
X：对卷烟机设置的额定车速，单位为支/分钟cpm；
n：卷烟机的在线激光打孔系统对烟支滤嘴端的打孔数量，单位为个；
Robbie_MO：牌号参数和设备参数的关系常数，研究人员自定义为Robbie_MO，简写为MO，值为43424000；
60:1分钟＝60秒；
2：内排和外排；
2/3：激光打孔辅轮给单支卷烟的有效工作弧长；
59％：CO2激光器占空比要求低于60％；
8％：双排棱镜组等光路系统对激光束传送的损失率。
根据上述公式，进行卷烟机的设备参数额定车速与卷烟机在线激光打孔系统的工艺参数脉冲极限时长、打孔数量的设置以满足生产要求。
本发明利用德国虹霓HAUNI公司设计制造的型号为PROTOS 1-8卷烟机原配的LASER 300S在线激光打孔系统，通过大量单因子试验确定了脉冲极限时长、额定车速与打孔数量对卷烟总通风率的关系。烟支规格：烟支总长＝滤嘴长度24.0mm+烟支长度60.0mm；烟支圆周：24.40±0.20mm；滤棒规格：香料线同心圆二元复合滤棒，压降3626Pa，圆周24.20mm，长度144mm。并用RM20/CSR型旋转式吸烟机检测总粒相物TPM、一氧化碳CO和口数等烟气指标。
试验1：卷烟总通风率与在线激光打孔系统工艺参数的关系
在线激光打孔系统工艺参数1-4分别设定为：脉冲60μs、80μs、100μs、125μs，能量98％、98％、100％、100％，孔数28个、28个、30个、30个，双排，对A牌号卷烟进行卷烟总通风率TV与在线激光打孔系统工艺参数设置的测定，测定结果见下表：
| 试验参数 | 1-参数1 | 1-参数2 | 1-参数3 | 1-参数4 |
| 孔数/个 | 28×2 | 28×2 | 30×2 | 30×2 |
| 脉冲/μs | 60 | 80 | 100 | 125 |
| 能量/％ | 98 | 98 | 100 | 100 |
| 烟支序号 | 1-TV1/％ | 1-TV2/％ | 1-TV3/％ | 1-TV4/％ |
| 1 | 48.2 | 61.3 | 65.2 | 70.2 |
| 2 | 49.7 | 58.9 | 66.4 | 67.9 |
| 3 | 48.4 | 62.1 | 67.2 | 71.3 |
| 4 | 49.8 | 60.9 | 67.6 | 67.8 |
| 5 | 51.8 | 65.8 | 64.1 | 69.0 |
| 6 | 52.2 | 58.8 | 68.1 | 68.7 |
| 7 | 54.6 | 57.4 | 71.9 | 74.4 |
| 8 | 48.4 | 61.7 | 67.7 | 68.9 |
| 9 | 51.0 | 64.6 | 65.1 | 71.7 |
| 10 | 50.9 | 60.5 | 65.6 | 68.9 |
| 11 | 52.3 | 62.8 | 65.8 | 73.9 |
| 12 | 49.5 | 61.0 | 68.4 | 72.4 |
| 13 | 48.0 | 61.1 | 67.6 | 69.6 |
| 14 | 48.2 | 60.9 | 69.9 | 72.2 |
| 15 | 49.0 | 59.1 | 64.8 | 69.5 |
| 16 | 52.0 | 63.0 | 67.4 | 71.3 |
| 17 | 54.0 | 60.2 | 68.3 | 71.6 |
| 18 | 49.1 | 65.4 | 67.5 | 68.4 |
| 19 | 49.3 | 59.5 | 68.3 | 69.5 |
| 20 | 50.6 | 58.1 | 71.2 | 68.9 |
| 21 | 49.8 | 61.6 | 66.3 | 74.8 |
| 22 | 47.1 | 61.9 | 65.8 | 68.8 |
| 23 | 51.4 | 57.9 | 68.4 | 69.7 |
| 24 | 50.7 | 64.4 | 69.6 | 73.1 |
| 25 | 53.8 | 58.6 | 68.7 | 68.5 |
| 26 | 51.5 | 63.4 | 65.8 | 71.9 |
| 27 | 53.3 | 58.2 | 72.6 | 67.8 |
| 28 | 50.5 | 59.9 | 68.3 | 73.8 |
| 29 | 46.8 | 61.4 | 65.7 | 71.5 |
| 30 | 53.1 | 59.7 | 68.6 | 69.1 |
| 平均值/％ | 50.5 | 61.0 | 67.6 | 70.5 |
| 标偏/％ | 2.08 | 2.25 | 2.07 | 2.10 |
由上表可知，随着打孔数量、脉冲时长的增加，双排激光在线打孔烟支的总通风率呈减速增加趋势。参数4的激光孔眼呈椭圆形，接装纸和成型纸基本打穿，但仍有少数孔眼未完全打穿，卷烟总通风率70.5％，与1mg超低焦油卷烟设计要求存在差距，拟在下一步提高在线激光打孔参数强度，如增加孔数、加大脉冲时长，详见试验2的参数设计。
试验2：卷烟总通风率与卷烟机设备参数的关系
在线激光打孔系统工艺参数1-4分别设定为：脉冲100μs、120μs、145μs、165μs，能量98％，孔数50个，双排，卷烟机实际运行车速分别为8500cpm、8000cpm、7000cpm、6000cpm，对A牌号卷烟进行卷烟总通风率与机器参数设置的测定，检测结果见下表：
| 试验参数 | 2-参数1 | 2-参数2 | 2-参数3 | 2-参数4 |
| 孔数/个 | 50×2 | 50×2 | 50×2 | 50×2 |
| 脉冲/μs | 100 | 120 | 145 | 165 |
| 能量/％ | 98 | 98 | 98 | 98 |
| 运行车速/cpm | 8500 | 8000 | 7000 | 6000 |
| 烟支序号 | 2-TV1/％ | 2-TV2/％ | 2-TV3/％ | 2-TV4/％ |
| 1 | 72.5 | / | / | / |
| 2 | 70.4 | / | / | / |
| 3 | 71.3 | / | / | / |
| 4 | 71.8 | / | / | / |
| 5 | 73.4 | / | / | / |
| 6 | 70.6 | / | / | / |
| 7 | 72.8 | / | / | / |
| 8 | 72.8 | / | / | / |
| 9 | 71.0 | / | / | / |
| 10 | 70.2 | / | / | / |
| 11 | 71.9 | / | / | / |
| 12 | 71.8 | / | / | / |
| 13 | 74.6 | / | / | / |
| 14 | 75.6 | / | / | / |
| 15 | 70.7 | / | / | / |
| 16 | 68.1 | / | / | / |
| 17 | 72.2 | / | / | / |
| 18 | 68.9 | / | / | / |
| 19 | 74.0 | / | / | / |
| 20 | 70.7 | / | / | / |
| 21 | 73.0 | / | / | / |
| 22 | 74.9 | / | / | / |
| 23 | 69.3 | / | / | / |
| 24 | 73.5 | / | / | / |
| 25 | 67.8 | / | / | / |
| 26 | 72.3 | / | / | / |
| 27 | 75.4 | / | / | / |
| 28 | 71.2 | / | / | / |
| 29 | 71.9 | / | / | / |
| 30 | 74.3 | / | / | / |
| 平均值/％ | 72.0 | / | / | / |
| 标偏/％ | 2.03 | / | / | / |
由上表可知，仅有试验2参数1能正常打孔，激光孔眼呈椭圆形，接装纸和成型纸基本打穿，表明仍需增加脉冲时长，卷烟总通风率72.0％，仍与1mg超低焦油卷烟设计要求存在差距；而试验2参数2～4却无法实现激光在线打孔，搓接、分切后的非通风烟支全部从剔除鼓轮剔除下来。说明传统的在线激光打孔系统牌号参数已无法继续提高TV值，简单地降低卷烟机的运行车速也未产生有益作用，试验2参数2～4设置不能满足超低焦油卷烟的超高通风率要求。
在传统工艺参数设置条件下无法继续提高卷烟总通风率，如将脉冲时长降为120μs，能量98％，孔数降为43个，双排，仍无法让在线激光打孔系统正常工作，再试用脉冲145μs打孔已无意义。通过单因子试验得知，“起动推迟”参数只会影响首尾孔的间距大小，数值越大首尾孔间距越大，如设置92％较88％的首尾孔间距更大。
试验3：卷烟总通风率与工艺参数和机器设备参数的关系
在线激光打孔系统工艺参数1-4分别设定为：脉冲100μs、120μs、145μs、165μs，能量98％、98％、100％、100％，孔数50个、50个、36个、36个，双排；卷烟机设备参数1-4分别设定为：额定车速8500cpm、7000cpm、8000cpm、7000cpm，起动推迟92％、88％、88％、88％，对A牌号卷烟进行卷烟总通风率与数学联合模型指导设置的测定，检测结果见下表：
| 试验参数 | 3-参数1 | 3-参数2 | 3-参数3 | 3-参数4 |
| 孔数/个 | 50×2 | 50×2 | 36×2 | 36×2 |
| 脉冲/μs | 100 | 120 | 145 | 165 |
| 能量/％ | 98 | 98 | 100 | 100 |
| 额定车速/cpm | 8500 | 7000 | 8000 | 7000 |
| 烟支序号 | 3-TV1/％ | 3-TV2/％ | 3-TV3/％ | 3-TV4/％ |
| 1 | 72.9 | 80.1 | 78.0 | 85.3 |
| 2 | 68.1 | 73.2 | 76.6 | 88.2 |
| 3 | 70.5 | 77.1 | 78.4 | 84.8 |
| 4 | 72.1 | 74.3 | 81.6 | 88.1 |
| 5 | 74.1 | 78.6 | 79.6 | 86.7 |
| 6 | 71.2 | 74.4 | 82.8 | 86.4 |
| 7 | 76.7 | 75.4 | 79.1 | 87.2 |
| 8 | 71.4 | 76.4 | 78.7 | 89.2 |
| 9 | 72.8 | 76.7 | 80.0 | 85.3 |
| 10 | 73.4 | 75.7 | 77.3 | 82.8 |
| 11 | 70.5 | 70.3 | 81.1 | 83.1 |
| 12 | 72.9 | 72.2 | 75.7 | 86.8 |
| 13 | 73.4 | 78.5 | 82.9 | 87.3 |
| 14 | 70.4 | 74.2 | 82.5 | 89.3 |
| 15 | 68.3 | 73.6 | 81.4 | 84.7 |
| 16 | 71.1 | 75.0 | 79.7 | 88.5 |
| 17 | 70.7 | 74.2 | 79.7 | 85.1 |
| 18 | 74.0 | 71.2 | 80.9 | 84.3 |
| 19 | 75.0 | 74.5 | 82.8 | 82.6 |
| 20 | 73.0 | 75.4 | 79.1 | 82.6 |
| 21 | 74.0 | 73.2 | 81.2 | 85.2 |
| 22 | 76.3 | 74.3 | 75.6 | 89.2 |
| 23 | 68.6 | 75.1 | 78.5 | 87.7 |
| 24 | 70.4 | 76.6 | 79.4 | 85.3 |
| 25 | 72.4 | 72.4 | 82.1 | 83.7 |
| 26 | 72.6 | 76.1 | 82.5 | 87.4 |
| 27 | 68.4 | 80.6 | 80.6 | 87.9 |
| 28 | 70.3 | 75.0 | 81.2 | 89.7 |
| 29 | 71.1 | 77.5 | 82.2 | 87.7 |
| 30 | 74.2 | 76.2 | 81.9 | 86.8 |
| 平均值/％ | 72.0 | 75.3 | 80.1 | 86.3 |
| 标偏/％ | 2.23 | 2.38 | 2.10 | 2.12 |
由上表可知，数学联合模型中引入机器设备参数的“额定车速”，适当延长了脉冲极限时长，成功地生产出超高通风率烟支。同时也打破了某国内大型企业宣传的在线激光打孔最高通风率达到65％的指标，刷新了双排激光在线打孔的超高通风率纪录。其中，试验3参数1烟支结果是对试验2参数1的再现性验证，总通风率保持在72.0％，标偏略有变化；试验3参数2烟支结果是对数学联合模型的上机可行性验证，说明该模型是科学的、合理的，卷烟总通风率已提升至75.3％；试验3参数3、参数4是对新产品的在线激光打孔参数的深入指导，即推荐参数，卷烟总通风率分别为80.1％、86.3％，均符合超高通风率卷烟要求，对大幅降焦将产生积极作用，烟支激光孔眼均呈400m标准跑道形状。
产品设计人员对数学联合模型做了进一步的验证，用数学联合模型对试验2参数进行技术判定，判定结果见下表：
试验2参数2-4的脉冲参数条件下，在线激光打孔系统出现罢工情况，非通风烟支全部当作废烟剔除下来也是必然结果。由上表可以看出，试验2参数2～4的脉冲参数均超过了极限脉冲值(上限)。
兼顾烟支美观要求后，产品设计人员建议使用36孔标准进行超高通风率的在线激光打孔设计。因此，利用数学联合模型工具来查看试验3参数条件的技术含量情况，并用数学联合模型对试验3参数的技术判定，判定结果见下表：
由上表可以看出，试验3的脉冲设置均符合极限脉冲时长要求，孔数n、脉冲时长P和额定车速X等参数设置合理，具有很好的实用性。
与现有技术相比，本发明实现了1mg超低焦油、超高通风率TV卷烟的研发工作与批量生产(数万支)，在本发明数学联合模型的指导下，生产出的烟支均符合超高通风率TV卷烟要求，对大幅降低焦油量具有积极作用，烟支激光孔眼均呈400m标准跑道形状；在额定车速6000cpm、孔数36个、极限测试的超高脉冲时长200μs参数组合条件下，实测实验烟支最高通风率TV达到90.6％，刷新了双排激光在线打孔的超高通风率TV纪录，快速突破了烟支总通风率TV不能达到超高通风率TV这一技术瓶颈。
具体实施方式
根据脉冲极限时长、额定车速与打孔数量之间的简化计算公式：
其中：Pt为脉冲极限时长参数，X为额定车速，n为打孔数量，MO为常数，值为43424000，设置卷烟机的设备参数及其激光器运行系统的工艺参数。由数学联合模型可知，脉冲极限时长Pt、额定车速X与打孔数量n三参数间确实存在着严格的、明确的制约关系。在额定车速为8500cpm时，若要最多打孔99个，双排，则脉冲极限时长不能超过51μs，能满足一般通风率TV的激光在线打孔要求；若要使用脉冲最大值600μs，每支烟最多打8个孔，双排。
参数选择1：在线激光打孔系统工艺参数设置：脉冲时长120μs，能量98％，孔数50个，双排；卷烟机设备参数设置：额定车速7000cpm，起动推迟88％，对A牌号卷烟批量生产，在设备运行稳定后随机抽样检测，检测得到卷烟总通风率TV为75.3％，标偏2.38％。
参数选择2：在线激光打孔系统工艺参数设置：脉冲时长145μs，能量100％，孔数36个，双排；卷烟机设备参数设置：额定车速8000cpm，起动推迟88％，对A牌号卷烟批量生产，在设备运行稳定后随机抽样检测，检测得到卷烟总通风率TV为80.1％，标偏2.10％。烟气检测出该烟支的总粒相物TPM为1.85mg，CO为0.93mg，口数为6.14口。
参数选择3：在线激光打孔系统工艺参数设置：脉冲时长165μs，能量100％，孔数36个，双排；卷烟机设备参数设置：额定车速7000cpm，起动推迟88％，对A牌号卷烟批量生产，在设备运行稳定后随机抽样检测，检测得到卷烟总通风率TV为86.3％，标偏2.12％。烟气检测出该烟支的总粒相物TPM为1.66mg，CO为0.79mg，口数为6.05口。
参数选择4：在线激光打孔系统工艺参数设置：脉冲时长145μs，能量98％，孔数36个，双排；卷烟机设备参数设置：额定车速8000cpm，起动推迟88％，对A牌号卷烟批量生产，在设备运行稳定后随机抽样检测，卷烟总通风率TV78.9％，滤嘴通风率TV76.5％，吸阻515Pa，且首尾孔间距同中间孔间距基本一致，孔眼呈400m标准跑道形状。该批烟支的烟气检测结果见下表：
由上表可知，实测焦油量1.6mg，完全符合超低焦油量要求：盒标TAR≤3mg，允差±1mg；只是烟碱0.2mg、水份0.2mg略低。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，本发明中的Robbie_MO常数43424000仅适用于德国虹霓HAUNI的LASER 300S激光在线打孔系统配合PROTOS1-8卷烟机的在线激光打孔工作；其它型号的激光器配合其它型号的卷烟设备，将会有其它Robbie_MO常数。上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种利用数学联合模型引导提高卷烟通风率的方法，所述数学联合模型基于卷烟机的设备参数额定车速与卷烟机在线激光打孔系统的工艺参数脉冲极限时长、打孔数量之间的关系，其特征在于，建立脉冲极限时长、额定车速与打孔数量的数学联合模型，给出脉冲极限时长、额定车速与打孔数量之间关系的计算公式，所述公式如下：
其中，Pt：卷烟机的在线激光打孔系统脉冲极限时长，单位为微秒μs；
X：对卷烟机设置的额定车速，单位为支/分钟cpm；
n：卷烟机的在线激光打孔系统对烟支滤嘴端的打孔数量，单位为个；
Robbie_MO：常数，正文简写为MO，值为43424000；
60:1分钟＝60秒；
2：内排和外排；
2/3：激光打孔辅轮给单支卷烟的有效工作弧长；
59％：CO2激光器占空比要求低于60％；
8％：双排棱镜组等光路系统对激光束传送的损失率；
根据上述公式，进行卷烟机的设备参数额定车速与卷烟机在线激光打孔系统的工艺参数脉冲极限时长、打孔数量的设置以满足生产需求。
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| CN102657381B (zh) | 2013-12-11 |
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