螺杆正交设计

  • 发布日期:2016-07-01
  • 摘要:

      正交设计起源于1926年,它是按照一定的规律(正交表)用最少的实验次数寻求最佳实验效果的科学方法。其具体做法是在分析影响产量和质量的各因素的基础上,将每个因素选择需要的水平数,然后按正交表所示组合原则进行实验。这种设计规律使得将没一个因素的每一个水平之间搭配得非常均匀,没一个水平都得到相同的考察次数,因此按这样设计规律进行的试验便能用最少的实验次数得到全试验领域中最佳的实验结果。除此以外,通过正交设计还能分析几个实验因素中哪个是主要因素,并且进一步分析出效果更好的实验方案。

     影响屏障型混炼元件的剪切和混合性能的主要参数有四个:剪切间隙△、流通截面F、剪切长度l和槽数w,而屏障长度L本身并不是一个独立的变量(F=L*△*w,)。
     为了摸索屏障型混炼元件的合理参数,我们不得不对各个参数的各个水平都进行试验。可以证明:如果对上述四个参数都选择三个水平来进行试验,那么必须设计34=81个混炼元件并进行81次试验。显然,无论就机械加工、实验人力、时间消耗和塑料消耗来说,这样的实验方案将是不可取的。但是按正交设计规律,在对四个因素、每个因素选择三个水平的条件下,从理论上说,只须设计九个混炼元件便能通过实验和分析找出81个混炼元件中参数最合理的一个。为此,我们在国外文献报导的一些片断资料基础上 ,根据分析对四个因素各选了三个水平如表13-1所示。
     

    屏障型混炼元件的试验参数

     

     正交设计在螺杆设计上的应用(1)中,表13-1各因素的三个水平是分析各参数对料流阻力、产量、功率消耗和温升的影响所确定的。显然这些参数的水平数选择得正确与否是很重要的。例如流道截面F所选的0.84、1.12和1.40cm2三个水平分别等于计量段螺槽截面面积的60%,80%和100%,这样我们实际上研究了不同压缩程度与不同阻力的影响。又如,按表13-1的水平设计的混炼元件实际上是形成了不同压缩程度与不同阻力的影响。又如,按表13-1的水平设计的混炼元件实际上是形成了从小到大的不同的剪切速率γ剪切强度K(按式10-7和10-8计算),组成了能量转换程度不一的九个混炼元件,这样实际上是研究了不同剪切速率γ和不同剪切强度K对挤出过程的影响。

     将表13-1中的四因素三水平填入L9(34)正交表(L代表正交,L9代表9次试验,4代表因素数,3代表水平数),得到本次试验的九个屏障型混炼元件的参数组合如表13-2所示。但需要说明:表13-2中1#和4#元件由于屏障长度L过大估计不会得到良好的挤出效果,6#元件加工出后尺寸与9#相差无几,因此这三个元件被人为地删去,参加试验的仅六个混炼元件。
     从表13-2和图10-16和10-17的分析可以得出下列论:
    1. 在进行试验的六个屏障型元件中,就产品Q,单耗N/Q,温升T和径向温差△T1四项指标综合比较,均以8#元件为最优。而且转速愈高性能也愈好,这证明8#是一种高速适应性强的优质螺杆。
    2. 可以分析,8#(还有9#)性能较好的原因在于剪切速率γ和剪切强度K都较小。这样是否可以认为对塑化比较容易的聚烯烃而言γ和K不宜过大,否则便会导致由于阻力过大使得产量下降、温升和单耗增加的恶果。
    3. 从极差的计算可以看出,就四个指标来看各因素的影响都按C>A>D>B的次序来区分主次。而C与A(流通截面F和间隙△)的影响又远比D和B(剪切长度1和槽数w)为大。这说明:C和A是比较重要的因素,在设计中要特别注意这两个参数的选择.
    4. 从水平选择来说,各个因素应按表13-3所示的来考虑.经综合比较后可以认为,最好能以A3B2C1D1另行制造一屏障型混炼元件和8#(A3B2C1D3)或9#(A3B3C1D1)对比,从正交设计的原理上来讲A3B2C1D1应该能得到更好的结果.但由于未设计的A3B2C1D1与8#仅剪切长度1相差一点,估计效果不会相差很多,因此未按此新水平重行试验.
    从上面的示例可以看出,在螺杆设计和试验中,正交设计确是一种简易可行的方法.
     试验结果正交分析

     

     

      正交设计在螺杆设计上的应用(1)中,表13-1各因素的三个水平是分析各参数对料流阻力、产量、功率消耗和温升的影响所确定的。显然这些参数的水平数选择得正确与否是很重要的。例如流道截面F所选的0.84、1.12和1.40cm2三个水平分别等于计量段螺槽截面面积的60%,80%和100%,这样我们实际上研究了不同压缩程度与不同阻力的影响。又如,按表13-1的水平设计的混炼元件实际上是形成了不同压缩程度与不同阻力的影响。又如,按表13-1的水平设计的混炼元件实际上是形成了从小到大的不同的剪切速率γ剪切强度K(按式10-7和10-8计算),组成了能量转换程度不一的九个混炼元件,这样实际上是研究了不同剪切速率γ和不同剪切强度K对挤出过程的影响。
     将表13-1中的四因素三水平填入L9(34)正交表(L代表正交,L9代表9次试验,4代表因素数,3代表水平数),得到本次试验的九个屏障型混炼元件的参数组合如表13-2所示。但需要说明:表13-2中1#和4#元件由于屏障长度L过大估计不会得到良好的挤出效果,6#元件加工出后尺寸与9#相差无几,因此这三个元件被人为地删去,参加试验的仅六个混炼元件。
     从表13-2和图10-16和10-17的分析可以得出下列论:
    1. 在进行试验的六个屏障型元件中,就产品Q,单耗N/Q,温升T和径向温差△T1四项指标综合比较,均以8#元件为最优。而且转速愈高性能也愈好,这证明8#是一种高速适应性强的优质螺杆。
    2. 可以分析,8#(还有9#)性能较好的原因在于剪切速率γ和剪切强度K都较小。这样是否可以认为对塑化比较容易的聚烯烃而言γ和K不宜过大,否则便会导致由于阻力过大使得产量下降、温升和单耗增加的恶果。
    3. 从极差的计算可以看出,就四个指标来看各因素的影响都按C>A>D>B的次序来区分主次。而C与A(流通截面F和间隙△)的影响又远比D和B(剪切长度1和槽数w)为大。这说明:C和A是比较重要的因素,在设计中要特别注意这两个参数的选择.
    4. 从水平选择来说,各个因素应按表13-3所示的来考虑.经综合比较后可以认为,最好能以A3B2C1D1另行制造一屏障型混炼元件和8#(A3B2C1D3)或9#(A3B3C1D1)对比,从正交设计的原理上来讲A3B2C1D1应该能得到更好的结果.但由于未设计的A3B2C1D1与8#仅剪切长度1相差一点,估计效果不会相差很多,因此未按此新水平重行试验.
    从上面的示例可以看出,在螺杆设计和试验中,正交设计确是一种简易可行的方法.
     试验结果正交分析

     

     
     
     

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