二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化廢橡膠輥筒粉碎機(jī)效率

陳 洋， 連永祥， 李 新

(沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142)

粉碎是廢橡膠再利用的主要工序，其主要設(shè)備是輥筒粉碎機(jī).對(duì)于廢橡膠粉碎的研究，現(xiàn)在主要集中在如何提高粉碎效率和降低能耗等問(wèn)題上.提高粉碎效率主要從兩方面考慮:一是對(duì)粉碎主要設(shè)備(輥筒粉碎機(jī)等)本身參數(shù)優(yōu)化改進(jìn);二是在廢膠料中添加適量的一種或幾種混合的助磨劑，借助助磨劑來(lái)提高粉碎效率.本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)改變輥筒粉碎機(jī)輥筒速比、輥筒轉(zhuǎn)速、輥筒間距3個(gè)參數(shù)，來(lái)提高粉碎效率.通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，選出粉碎效率最高的一組或幾組數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

ZG-160雙滾筒開煉機(jī)，電子秤，標(biāo)準(zhǔn)篩，測(cè)輥距的塞尺，計(jì)時(shí)表.

2 實(shí)驗(yàn)

輥筒粉碎機(jī)工作時(shí)，2個(gè)輥筒以不同的轉(zhuǎn)速相向回轉(zhuǎn).廢膠料放于輥筒上方，由于輥筒表面的摩擦和黏附作用而被帶入輥隙內(nèi)，在輥隙內(nèi)膠料受到強(qiáng)烈的擠壓，剪切以致粉碎［1］.基于上述原理，在相同粉碎條件下，研究不同性能參數(shù)對(duì)廢橡膠粉碎粒徑的影響，并且通過(guò)正交回歸旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化方法確定適合廢橡膠粉碎的基本性能參數(shù).

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方案

(1)實(shí)驗(yàn)材料:實(shí)驗(yàn)材料用廢硫化膠膠邊.

(2)實(shí)驗(yàn)方案:應(yīng)用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)法研究輥筒速比、輥筒速度、輥筒間距3因素對(duì)橡膠粉碎效率影響的方程式.在實(shí)驗(yàn)中輥筒速比可調(diào)的范圍為0.6～3，輥筒轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為3～15 r/s，輥筒間距調(diào)節(jié)范圍為0.9～4 mm.具體方案見(jiàn)表1.

2.2 實(shí)驗(yàn)因素編碼表設(shè)計(jì)

表1 二次回歸旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼Table 1 Table of quadratic regression orthogonal rotary

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)

膠粉依據(jù)粉碎粒度的大小，一般可分為粗膠粉(40目以下)、細(xì)膠粉(40～79目)、微細(xì)膠粉(80～200目)、超微細(xì)膠粉(200目以上).依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，確定因素編碼水平范圍，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，以粉碎得到40目以下的膠粉的質(zhì)量為指標(biāo)，取輥筒速比、輥筒轉(zhuǎn)速、輥筒間距作為考察的3個(gè)因素，共進(jìn)行23次實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次，取其平均值［2］.

根據(jù)因素?cái)?shù)m=3選擇合適的正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如表2).

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Table of experimental design and results

3.2 三元二次回歸方程的建立與檢驗(yàn)

采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)廢橡膠粉碎進(jìn)行優(yōu)化.對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.分析結(jié)果如表3～表5所示.

表3 回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Regression results

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance results

由表3～表5可得回歸系數(shù)依次為:55.44，－37.46，－3.54，－2.78，0.42，4.17，－0.07， 7.46，0.18，－0.95，得到影響廢橡膠粉碎效率(y)與輥筒粉碎機(jī)輥筒速比(x1)、輥筒轉(zhuǎn)速(x2)和輥筒之間的間距(x3)的回歸方程:

表5 系數(shù)分析結(jié)果Table 5 Coefficient analysis results

復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.989以及方差分析的結(jié)果，說(shuō)明所建立的回歸方程非常顯著.根據(jù)表5中偏回歸系數(shù)的“P值”可知，偏回歸系數(shù) －37.46、－3.54、7.46、0.18對(duì)應(yīng)的P值＜0.01，偏回歸系數(shù)0.42對(duì)應(yīng)的P值在0.01與0.05之間，所以，因素x1和x2對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有非常顯著的影響，二因素的交互作用x1x2也對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有顯著的影響.

因素影響重要性分析:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三因素的回歸平方和分別為SS1=19 165.61，SS2=171.16，SS3=105.55.表明因素影響的重要性順序?yàn)閤1＞x2＞x3，即輥筒速比＞輥筒轉(zhuǎn)速＞輥筒間距［3］.

3.3 二因素間的交互效應(yīng)分析

從回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可以看出:輥筒速比和輥筒轉(zhuǎn)速的互作效應(yīng)對(duì)廢橡膠粉碎效率影響明顯，對(duì)其作圖，可直觀地分析各因子的互作效應(yīng).

輥筒速比與輥筒轉(zhuǎn)速二因素間的互作效應(yīng)分析如圖1所示.將輥筒轉(zhuǎn)速固定到零水平的條件下，開始隨著輥筒速比的增加，廢橡膠粉碎率逐漸降低，當(dāng)達(dá)到一定程度(x1=2，x2=10 r/s)時(shí)，廢橡膠粉碎效率達(dá)到最小值(3.2%)，但隨著繼續(xù)增加，廢橡膠粉碎效率又逐漸增大.將輥筒速比設(shè)置零水平時(shí)，隨著輥筒轉(zhuǎn)速的增加，廢橡膠粉碎效率逐漸減少，但輥筒轉(zhuǎn)速達(dá)到5 r/s時(shí)，繼續(xù)增加輥筒轉(zhuǎn)速，廢橡膠粉碎效率會(huì)增大.所以，只有它們?nèi)≈颠m中時(shí)，廢橡膠粉碎效率才能獲得最高值，即粉碎效果最好.

圖1 輥筒速比和輥筒轉(zhuǎn)速對(duì)廢橡膠粉碎效率的影響Fig.1 The influence of roller speed ratio and roller speed to the grinding efficiency of scrap rubber

3.4 最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案的確定

根據(jù)極值的必要條件:

解得x1=1.7，x2=8 r/s，x3=2 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)y值為16.5%，這時(shí)是輥筒粉碎機(jī)粉碎效率的最優(yōu)值.但由于材料質(zhì)量和輥筒間距測(cè)量中存在一定的誤差，導(dǎo)致最優(yōu)解還有待繼續(xù)檢驗(yàn).

4 結(jié)論

(1)通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，建立了廢橡膠粉碎效率與輥筒速比、輥筒轉(zhuǎn)速、輥筒間距3因素的回歸方程，此模型在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)廢橡膠粉碎的效率.

(2)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)廢橡膠粉碎效率影響的順序依次為:輥筒速比＞輥筒轉(zhuǎn)速＞輥筒間距.

(3)通過(guò)對(duì)廢橡膠粉碎效率的優(yōu)化得出最佳粉碎參數(shù)為:輥筒速比為1.7，輥筒轉(zhuǎn)速為8 r/s，輥筒間距為2 mm.

［1］ 巫靜安，李木松.橡膠加工機(jī)械［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:5－33.

［2］ 潘麗軍，陳錦權(quán).試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2008:221－232.

［3］ 李云雁，胡傳榮.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:171－201.