葉靈+李超+焦俊+秦云華+張承明+畢玉波+吳佳+師艷萍+芮曉東+黃琬凌+郝靜烈

摘要：為測(cè)試卷煙的燃燒錐由于彈煙灰動(dòng)作而導(dǎo)致掉落提出一種新的測(cè)試方法，并針對(duì)該方法設(shè)計(jì)一種測(cè)試卷煙燃燒錐掉落率的自動(dòng)化裝置。采用負(fù)壓風(fēng)機(jī)、電磁閥構(gòu)成的氣路實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙的自動(dòng)抽吸，用電磁鐵敲擊卷煙來模擬人的彈煙灰動(dòng)作，自動(dòng)化裝置通過自動(dòng)抽吸和模擬彈煙灰二個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙的測(cè)試。以直徑7.7 mm、長(zhǎng)度84 mm的樣品進(jìn)行了大量測(cè)試，得出的結(jié)果與人工測(cè)試的結(jié)果相符合，證明該方法及裝置的可行性。

關(guān)鍵詞：卷煙；燃燒錐；自動(dòng)抽吸；模擬彈煙灰

中圖分類號(hào)：TS452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）23-6258-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.064

Abstract： In order to test whether the combustion cone of a cigarette can be caused by the projectile soot， a new method is proposed， and a new method is designed to test the drop rate of cigarette. Using the negative pressure air blower，the air path of the solenoid valve to realize the automatic suction of the cigarette， the cigarette to simulate the cigarette smoke cigarette to simulate the person's playing the cigarette smoke，automatic device through the automatic suction and simulation of the two process to achieve the cigarette test. A large number of tests have been carried out with the sample of 7.7 mm and length of 84 mm. The result of the test is in accordance with the results of the manual test， which proves the feasibility of the method and the device.

Key words： cigarette； combustion cone；automatic suction；simulatied bomb soot

當(dāng)前，卷煙產(chǎn)品（特別是高檔、高端卷煙）燃燒過程中燃燒錐掉落（俗稱掉火頭）的現(xiàn)象逐漸引起關(guān)注，對(duì)產(chǎn)品的消費(fèi)者滿意度、忠誠度及品牌形象造成了一定的負(fù)面影響。目前，國內(nèi)外尚無卷煙燃燒錐掉落的檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)，也無設(shè)備可以通過模擬卷煙在燃燒過程中的環(huán)境、燃燒速率、抽吸煙支時(shí)彈落煙灰的作用力度、燃燒錐掉落時(shí)剩余煙支長(zhǎng)度等的分析研究來構(gòu)建燃燒錐掉落的檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)行檢測(cè)卷煙燃燒錐的掉落只能靠人工品吸，人工統(tǒng)計(jì)。長(zhǎng)時(shí)間的人工品吸對(duì)品吸者身體危害較大，人工統(tǒng)計(jì)又比較耗時(shí)且數(shù)據(jù)量較大。隨著工業(yè)自動(dòng)化的程度越來越高，可以用機(jī)器設(shè)備代替人?；诖讼敕?，本研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)檢測(cè)卷煙燃燒錐保持性的測(cè)試儀，通過測(cè)試儀檢測(cè)卷煙燃燒錐的掉落率，最終來構(gòu)建卷煙燃燒錐掉落的檢測(cè)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

由于卷煙的抽吸是個(gè)持續(xù)的過程，既然目的是檢測(cè)卷煙的燃燒錐是否會(huì)由于彈煙灰而導(dǎo)致掉落，那么肯定需要對(duì)卷煙進(jìn)行自動(dòng)抽吸，但不同的抽吸條件會(huì)對(duì)煙支的燃燒有很大影響，進(jìn)而對(duì)煙氣化學(xué)成分產(chǎn)生影響[1]。近年來，對(duì)吸煙條件（抽吸容量、抽吸持續(xù)時(shí)間、抽吸頻率）與煙氣成分關(guān)系[2]的研究成為國際煙草界研究的熱點(diǎn)之一，目前世界上許多國家都是采用ISO方法規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)抽吸條件[3]來測(cè)量卷煙煙氣釋放量。由于吸煙者吸煙情況千差萬別，要規(guī)范每個(gè)吸煙者的抽吸條件是不可能的，但若能夠確定抽吸參數(shù)與煙氣的定量關(guān)系[4，5]，建立預(yù)測(cè)模型[6-8]，預(yù)測(cè)各種吸煙條件下吸煙者每次煙氣的吸入量，對(duì)測(cè)試不同類型卷煙燃燒錐的掉落率就有重要意義?；诖?，設(shè)計(jì)出可以自由設(shè)置的抽吸參數(shù)，利用不同的抽吸參數(shù)來模擬不同條件下的卷煙抽吸者。

完善了自動(dòng)抽吸的條件后，再考慮模擬彈煙灰的問題。反復(fù)思考后認(rèn)為卷煙燃燒錐掉落產(chǎn)生的原因：①卷煙紙?zhí)匦缘淖兓咕頍熂埖娜紵c煙絲燃燒產(chǎn)生差異，卷煙的包會(huì)性能發(fā)生了改變[9]，在彈落煙灰時(shí)，燃燒錐易從卷煙的主體部分脫落；②配方中膨脹煙絲和梗絲的添加使煙絲填充性發(fā)生改變，燃燒時(shí)易產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致燃燒中卷煙燃燒錐掉落現(xiàn)象的發(fā)生。張朝平等[10]模擬消費(fèi)者彈煙灰習(xí)慣，通過間隔敲擊來判斷燃燒中的卷煙燃燒錐是否掉落。該方法中機(jī)械外力作用大小、作用次數(shù)、間隔時(shí)間和在外力作用下煙支是否變形等眾多因素都會(huì)影響結(jié)果。借鑒此方法設(shè)計(jì)采用電磁鐵間隔敲擊燃燒的卷煙來測(cè)試卷煙燃燒錐是否掉落，同時(shí)用PLC精確控制電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)和敲擊的間隔時(shí)間，以期達(dá)到測(cè)試的目的。由于卷煙煙支軸向密度不同，煙支燃燒至不同位置可能對(duì)燃燒錐掉落情況造成影響[11，12]。根據(jù)李斌等[13]的卷煙落頭傾向檢測(cè)裝置分析，當(dāng)卷煙燃燒線在25 mm以前時(shí)，燃燒錐頭尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，燃燒錐掉落傾向?yàn)?1.25%，當(dāng)燃燒線在30～50 mm時(shí)，由于已形成相對(duì)穩(wěn)定的燃燒錐頭[11]，燃燒錐掉落值為17%～20%。綜合考察影響因素，本研究設(shè)計(jì)當(dāng)燃燒線在30～50 mm時(shí)，增加電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)來測(cè)試卷煙燃燒錐的掉落概率。

1.1 卷煙的自動(dòng)抽吸

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙的自動(dòng)抽吸，首先需要一個(gè)煙嘴來做卷煙的夾持器，考慮到有不同直徑的卷煙，為此設(shè)計(jì)煙嘴為螺紋式安裝，當(dāng)卷煙直徑不同時(shí)，只需要擰下原煙嘴換上與卷煙相適應(yīng)的煙嘴即可。接著為了在煙嘴上產(chǎn)生吸力來實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙的抽吸動(dòng)作，利用1個(gè)小型負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，將負(fù)壓接到煙嘴上就完成了對(duì)卷煙抽吸的動(dòng)作。抽吸動(dòng)作有了后，為了形象地模擬人抽煙時(shí)的抽吸、停頓、再抽吸、再停頓，這個(gè)重復(fù)的過程，故在負(fù)壓出來后經(jīng)過了1個(gè)電磁閥，然后用單片機(jī)控制器控制電磁閥的接通和關(guān)閉。這樣就有了對(duì)卷煙的抽吸、停頓二個(gè)動(dòng)作的產(chǎn)生。接下來考慮便于控制每次抽吸的時(shí)間以及停頓的時(shí)間，加上一個(gè)觸摸屏，使電磁閥接通和關(guān)閉的時(shí)間能在觸摸屏上修改，最終做到控制每次對(duì)卷煙的自動(dòng)抽吸。自動(dòng)抽吸完成后，為了滿足對(duì)每次抽吸量的調(diào)節(jié)，在電磁閥出來的氣路上再加上1個(gè)調(diào)壓閥，可以對(duì)負(fù)壓進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)自動(dòng)抽吸的原理圖如圖1所示。

1.2 模擬彈煙灰

在對(duì)卷煙抽完一次到下一次抽吸卷煙的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)模擬彈煙灰動(dòng)作的發(fā)生，人在抽吸完一次卷煙后有一個(gè)短暫的停頓時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)決定是否進(jìn)行彈煙灰，彈幾次煙灰。實(shí)現(xiàn)模擬彈煙灰的電磁鐵垂直安裝在卷煙的正上方，用單片機(jī)控制器控制電磁鐵敲擊卷煙的次數(shù)和每敲擊的時(shí)間間隔，將這2個(gè)參數(shù)放置到觸摸屏上便于修改。電磁鐵的安裝方式如圖2所示。

由于不同人，甚至相同人在不同時(shí)間彈煙灰的力度、位置都可能不相同，為此電磁鐵安裝支架位置及電磁鐵在支架上的位置都可以調(diào)整。上、下方向調(diào)整電磁鐵在支架上的位置可以改變電磁鐵彈煙灰過程的力度，前、后方向移動(dòng)支架的位置可以調(diào)整彈煙灰過程中擊打卷煙的位置。最后，考慮到人手指頭的柔韌性，電磁鐵下端銅錘的堅(jiān)硬性，故在電磁鐵下端銅錘上加了一個(gè)乳膠套，模擬人手指的皮膚，起到緩沖保護(hù)的作用。

1.3 檢測(cè)功能

上面2個(gè)過程的完成，模擬出了人的抽煙行為，最終也能測(cè)試出卷煙在燃燒過程中是否會(huì)由于彈煙灰而導(dǎo)致燃燒錐的掉落，達(dá)到最終的目的。人抽完煙后會(huì)自然丟棄，以上過程沒有對(duì)卷煙是否抽完有一個(gè)判斷，以及對(duì)卷煙抽完后的處理。為了解決這個(gè)問題在卷煙的左邊加了一個(gè)激光傳感器，當(dāng)卷煙放置在夾持器上時(shí)，激光傳感器的光束照射在卷煙上，觸發(fā)傳感器的信號(hào)，將此信號(hào)送入到控制器種，控制器只有接收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候才允許對(duì)卷煙進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)控制器沒接收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候給觸摸屏一個(gè)信號(hào)，指示沒有煙支或者煙支已燃燒完畢，需要處理。這樣判斷煙支燃燒完和處理過程結(jié)束，下一步對(duì)卷煙燃燒錐掉落率進(jìn)行測(cè)試。

2 測(cè)試儀的應(yīng)用

2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)比較

設(shè)計(jì)出測(cè)試儀后，為了測(cè)試設(shè)計(jì)出來的設(shè)備是否能完成任務(wù)，將測(cè)試儀應(yīng)用到不同類型卷煙產(chǎn)品的測(cè)試中。經(jīng)過對(duì)大量樣品進(jìn)行測(cè)試顯示，得出的測(cè)試結(jié)果跟調(diào)查的數(shù)據(jù)相符合。自然人的調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。抽吸總支數(shù)為1 000支，掉落頭支數(shù)20支，掉落比例2%。

根據(jù)普通消費(fèi)者的調(diào)查數(shù)據(jù)，首先通過反復(fù)的試驗(yàn)給測(cè)試儀找到了合理的控制參數(shù)，然后利用找到的控制參數(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，得出測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2所示。測(cè)試儀抽吸卷煙掉落比例為2.6%。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過以上自然人的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試儀得出的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行雙比率分析，研究?jī)烧呤欠翊嬖诓町?，分析?shù)據(jù)如表3所示。通過雙比率檢驗(yàn)分析可知，P值為0.702，大于0.05，表明自然人的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試儀得出的測(cè)試數(shù)據(jù)沒有顯著差異，測(cè)試儀與人工感官評(píng)吸的測(cè)試數(shù)據(jù)較為接近，因此卷煙燃燒錐檢測(cè)儀能模擬人工感官評(píng)吸方式進(jìn)行燃燒錐掉落率的檢測(cè)，達(dá)到人工感官評(píng)吸的檢測(cè)能力。

3 小結(jié)

①提出了一種對(duì)卷煙燃燒錐掉落率進(jìn)行測(cè)試的方法，并針對(duì)該方法設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化裝置。②以直徑7.7 mm、長(zhǎng)度84 mm的樣品進(jìn)行了大量測(cè)試，得出的結(jié)果與人工測(cè)試的結(jié)果相符合，證明該方法及裝置的可行性。③通過對(duì)彈落煙灰習(xí)慣及燃燒錐掉落現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)分析，開發(fā)燃燒錐保持性的評(píng)價(jià)方法，形成卷煙燃燒錐保持力的檢測(cè)、評(píng)價(jià)及控制方法，減少卷煙燃燒錐掉落現(xiàn)象，提高卷煙產(chǎn)品品質(zhì)及形象。

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