袁功道，謝建偉

（ 珠海醋酸纖維有限公司，廣東 珠海519050 ）

0 前言

在濾棒成型過程中，時常發(fā)生壓降穩(wěn)定性波動大，停止生產(chǎn)進(jìn)行試驗改進(jìn)需要耗費大量精力和時間，繼續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量又難以保障，使生產(chǎn)陷入兩難的境地。 因此許多工程師利用DOE進(jìn)行大量試驗和分析，以求分析出成型加工過程中各工藝參數(shù)對質(zhì)量的影響。 高明奇[1]采用“單因素試驗” 的研究方法，研究了螺紋輥壓力、輥速比、穩(wěn)定輥壓力等工藝參數(shù)對絲束開松穩(wěn)定性的影響。 趙紅霞[2]運用DOE 試驗設(shè)計等現(xiàn)代統(tǒng)計技術(shù)，對KDF-2 成型機(jī)主要設(shè)備參數(shù)與濾棒關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行了綜合分析，用綜合平衡法得出綜合質(zhì)量的最優(yōu)參數(shù)組合。羅光杰[3]利用正交試驗研究了輥速比、輥壓力、空氣噴嘴壓力、穩(wěn)定輥壓力等濾棒成型工藝參數(shù)對濾棒壓降穩(wěn)定性的影響，研究形成了一套規(guī)范系統(tǒng)的“ 濾棒壓降動態(tài)調(diào)整方法”。

通過DOE 試驗?zāi)苋〉靡欢ㄐЧ?，但是DOE需要較強能力的試驗團(tuán)隊，同時也需要充足的物資和時間，在客戶需求緊急的情況下很難順利展開。 通過對大量理論的分析和實踐的總結(jié)，建立一般情況下的濾棒壓降宏觀模型，并且結(jié)合實際分析模型的影響因素，在生產(chǎn)中根據(jù)實際情況對應(yīng)模型，從而快速找到解決思路，可以大量節(jié)省資源和時間。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備儀器

二醋酸纖維素絲束、KDF-2 濾棒成型機(jī)（許昌煙草機(jī)械有限公司）、綜合測試儀（CERULEAN）。

1.2 方法

運用物理學(xué)宏觀模型的方法，建立標(biāo)準(zhǔn)棒模型、橫向分布不均模型、縱向分布不均模型。生產(chǎn)過程中，行車運行速度設(shè)置為200 m/min，設(shè)備運行穩(wěn)定后，確保成型濾棒壓降穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn) 范 圍 內(nèi) （每30 支 均 值：（300 ± 10）mm H2O）、圓周穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi) （每30 支均值：（19.8 ± 0.05）mm），待設(shè)備穩(wěn)定運行5 min后，每隔2 min 取樣一次，每次30 支，共取5組。 將試驗樣品置于恒溫恒濕控制室 （溫度：（22 ± 2）℃，相對濕度：60% ± 3%）平衡2 h后進(jìn)行測試，用CERULEAN 綜合測試儀進(jìn)行測量。

2 濾棒宏觀模型的建立

2.1 標(biāo)準(zhǔn)棒模型

當(dāng)濾棒的規(guī)格確定，填充量和圓周成了決定濾棒質(zhì)量的關(guān)鍵因素。 要想獲得質(zhì)量穩(wěn)定的濾棒，成型濾棒中開松絲束的分布必須滿足：①橫向分布均勻； ②縱向分布均勻。 如圖1 所示，絲束在濾棒中橫向、縱向分布均為均勻狀態(tài)，即濾棒縱向切面密度處處相等。

圖1標(biāo)準(zhǔn)棒模型

2.2 橫向分布不均模型

如圖2 所示，濾棒橫向分布不均主要分左側(cè)密度不均型、右側(cè)密度不均型、中間密度不均型、橫向間斷密度不均型四種類型，與標(biāo)準(zhǔn)棒相比，每一種情況都會導(dǎo)致濾棒重量和壓降的波動，進(jìn)而影響濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖2 橫向分布不均模型

2.3 縱向分布不均模型

如圖3 所示，濾棒縱向分布不均主要分上側(cè)密度不均型、下側(cè)密度不均型、中間密度不均型、縱向間斷密度不均型四種類型，與標(biāo)準(zhǔn)棒相比，每一種情況同樣都會導(dǎo)致濾棒重量和壓降的波動，進(jìn)而影響濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖3 縱向分布不均模型

3 模型影響因素的分析

3.1 分布不均模型影響因素分析

濾棒橫向分布不均通常有如圖2 所示四種情況，從開松的角度來看，主要是由于在成型過程中，絲束的橫向開松效果不好，絲束在橫向上出現(xiàn)過去卷曲或去卷曲不足，導(dǎo)致縱向切面出現(xiàn)密度不均。 大量的研究表明，絲束縱向切面密度不均除了與絲束卷曲過程控制不佳有關(guān)，還與開松過程中穩(wěn)定輥壓力、螺紋輥壓力、輥速比有很大關(guān)系。

3.1.1 穩(wěn)定輥的影響

穩(wěn)定輥對絲束的開松效果影響重大。 隨著穩(wěn)定輥壓力的增大，絲束所受的壓力增大，輸入輥對絲束的拉力增大，絲束的去卷曲作用增大，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，濾棒的重量呈明顯的下降趨勢。 反之，當(dāng)穩(wěn)定輥壓力逐漸減小，絲束的去卷曲作用變小，濾棒的重量呈明顯上升的趨勢。 因此穩(wěn)定輥壓力的變化會明顯影響絲束的開松效果和濾棒重量的大小，進(jìn)而影響濾棒壓降的大小和穩(wěn)定性。

圖4 成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

因此，在實際操作中，在同一種規(guī)格濾棒成型過程中，在加工工藝參數(shù)不變的情況下，如果發(fā)現(xiàn)某一批次濾棒的重量或壓降波動較正常情況下明顯變大，而且其波動并不呈現(xiàn)明顯的對稱性，說明此批次的濾棒可能存在橫向分布不均的現(xiàn)象，此時可以嘗試調(diào)節(jié)穩(wěn)定輥來達(dá)到調(diào)控重量和壓降大小的目的。

3.1.2 螺紋輥壓力的影響

螺紋輥的壓力同樣會影響到絲束的去卷曲效果，其與穩(wěn)定輥一起作用，對絲束進(jìn)行拉伸去卷曲，以達(dá)到絲束橫向開松的效果。 但是當(dāng)螺紋輥壓力過大時，不斷會造成斷絲，而且還會損傷螺紋輥本身。 螺紋輥壓力過小，又會造成去卷曲效果不明顯，造成絲束橫向分布不均。因此，在生產(chǎn)中螺紋輥壓力一般控制在適中位置。

3.1.3 輥速比的影響

輥速比為擴(kuò)展輥速度與輸入輥速度的比值。調(diào)節(jié)輥速比，不僅影響絲束橫向開松效果，由于對輥上有螺紋，輥速比的變化也明顯影響著絲束縱向擴(kuò)展情況。 當(dāng)輥速比增大時，絲束的橫向拉伸作用和縱向開松效果增大，有利于絲束的橫向去卷曲和縱向擴(kuò)展。 當(dāng)輥速比減小時，絲束的橫向拉伸和縱向擴(kuò)展表現(xiàn)都不明顯。 因此在實際生產(chǎn)中，輥速比通常根據(jù)絲束的規(guī)格控制在合適范圍。 同時，輥速比的調(diào)節(jié)通常與穩(wěn)定輥同步，以求達(dá)到最佳效果。

3.1.4 噴嘴壓力的影響

噴嘴是開松后絲束進(jìn)入煙槍上膠定型的最后一道工序，因此絲束通過噴嘴后的形態(tài)直接影響到濾棒成型的效果。 通過調(diào)節(jié)噴嘴壓力的大小，可以控制開松后絲束經(jīng)過噴嘴后的收縮狀態(tài)。 大量的研究結(jié)果表明，噴嘴壓力應(yīng)根據(jù)絲束規(guī)格選擇合適的區(qū)間，并且在區(qū)間內(nèi)越小越好。 如圖3 所示，當(dāng)噴嘴壓力過大或過小時，很容易導(dǎo)致絲束定型時偏向一邊，產(chǎn)生縱向分布不均的結(jié)果，進(jìn)而影響濾棒質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此，在實際生產(chǎn)中，可以通過觀察絲束在噴嘴口的分布形態(tài)，從而判斷是否需要調(diào)節(jié)噴嘴壓力。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴嘴口有明顯的飄絲現(xiàn)象時，說明噴嘴壓力過小，不能很好的收緊絲束，應(yīng)該適當(dāng)增大噴嘴壓力。 當(dāng)噴嘴入口絲束過于聚集，出口絲束過于膨脹，此時應(yīng)當(dāng)減小噴嘴壓力。

4 濾棒宏觀模型在成型加工過程的應(yīng)用

結(jié)合上述濾棒壓降宏觀模型和影響因素影響的分析，對一批質(zhì)量偏離正常范圍的濾棒進(jìn)行優(yōu)化試驗指導(dǎo)。 如表1 所示，在生產(chǎn)過程中，收集、統(tǒng)計了一批質(zhì)量波動較大的絲束所制濾棒的數(shù)據(jù)，濾棒重量和壓降各收集5 組，每組30 支，共計150 支。

表1 優(yōu)化前數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過表2 可以看出，優(yōu)化前150 支濾棒的重量均值為0.638 g，壓降均值為299.4 mmH2O，極差達(dá)到53，壓降STD 為10.85，與正常情況相比 （壓降STD 小于7），該批次濾棒波動性較大。

表2 優(yōu)化前基本統(tǒng)計表

正常情況下，該規(guī)格濾棒單棒重量一般為0.65 g 左右，壓降為300 mmH2O 左右，通過圖5 優(yōu)化前重量和壓降的直方圖可以看出，此批次濾棒的重量中心值發(fā)生了明顯的左移，壓降均值正常。

圖5 優(yōu)化前重量和壓降的直方圖 （包含正態(tài)分散曲線）

結(jié)合重量、壓降的單值圖，如圖6 所示，重量和壓降的單值圖均呈扁平的 “梭子” 狀，并不向中心高度聚集，說明重量和壓降的穩(wěn)定性較差。 參考正常情況下的統(tǒng)計值，絲束制得的濾棒，一般重量范圍為：中心值± 0.01 g，R 值小于0.02 g，壓降范圍為：中心值± 10 mmH2O，R 值小于20 mmH2O，此時濾棒重量和壓降的穩(wěn)定性較好。 通過計數(shù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)重量在低于0.628 g （控制規(guī)格下限）的點數(shù)明顯多于0.648 g （控制規(guī)格上限）以上的點數(shù)，壓降低于290 mmH2O （控制規(guī)格下限）以下的點數(shù)明顯多于310 mmH2O （控制規(guī)格上限）以上的點數(shù)，說明此批濾棒重量和壓降關(guān)于中心點均不對稱，且超控制下限的異常點明顯多于超控制上限。

圖6 優(yōu)化前重量和壓降的單直圖

結(jié)合上面的結(jié)論，與正常情況對比，我們可以判斷此批濾棒重量的中心值偏移，并且重量和壓降超控制下限的異常點明顯多于超控制上限。 根據(jù)濾棒宏觀模型，可以推斷此批次濾棒為橫向分布不均型，具體為橫向過開松不均型。 針對此類問題的解決辦法為：適當(dāng)減小穩(wěn)定輥壓力，適當(dāng)增大輥速比。

圖7 優(yōu)化后重量和壓降的直方圖 （包含正態(tài)分散曲線）

圖8 優(yōu)化后重量和壓降的單直圖

對成型機(jī)加工工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，依照前面的方法制棒150 支進(jìn)行統(tǒng)計分析。 從圖7優(yōu)化后重量和壓降的直方圖可以明顯的看出，重量相對與優(yōu)化之前，中心值發(fā)生明顯的右移，均值為0.648 g，與正常值0.65 g 十分接近，壓降均值為300 mmH2O，未發(fā)生明顯偏移。 通過圖8 的單值圖可以看出，重量和壓降都向中心明顯聚集，異常點的相對數(shù)量明顯減少。

圖9 優(yōu)化前后重量和壓降的單值控制圖

將優(yōu)化前后的重量、壓降進(jìn)行對比，如圖9所示，也可以明顯看出，優(yōu)化后重量的均值與正常情況下的棒重接近，并且重量的波動性明顯降低，穩(wěn)定性發(fā)生了明顯好轉(zhuǎn)。 優(yōu)化前后壓降的均值幾乎沒有發(fā)生變化，但是可以看到優(yōu)化后壓降的穩(wěn)定性明顯改善。 壓降STD 由優(yōu)化前的10.85 降低至優(yōu)化后的5.29。 濾棒質(zhì)量得到大幅提升，質(zhì)量改善的目的達(dá)到。

5 結(jié)論

（1）建立濾棒壓降宏觀模型，具體有：標(biāo)準(zhǔn)棒模型、橫向分布不均模型、縱向分布不均模型。

（2）結(jié)合實際和理論，對模型的影響因素進(jìn)行科學(xué)分析。

（3）利用一批質(zhì)量波動較大的絲束進(jìn)行制棒加工過程指導(dǎo)，壓降STD 由優(yōu)化前的10.85降低至優(yōu)化后的5.29，質(zhì)量改善效果顯著。

（4）宏觀模型能夠精準(zhǔn)快速的找出根本原因和解決之法，對生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。