基于正交試驗(yàn)的玻璃鋼錨桿工藝參數(shù)優(yōu)化

潘 越 郎洪芳 張先峰 陳 尉

（1.河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038；2.邯鄲市晟錨支護(hù)材料有限公司，河北省邯鄲市，056038）

基于正交試驗(yàn)的玻璃鋼錨桿工藝參數(shù)優(yōu)化

潘 越1郎洪芳1張先峰2陳 尉1

（1.河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038；2.邯鄲市晟錨支護(hù)材料有限公司，河北省邯鄲市，056038）

基于正交試驗(yàn)的方法，首先對(duì)玻璃鋼錨桿成型工藝參數(shù)進(jìn)行了多因素多水平試驗(yàn)，然后通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定了影響錨桿性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并由此得出錨桿成型的最佳工藝參數(shù)組合方案。

玻璃鋼錨桿 性能指標(biāo) 正交試驗(yàn) 工藝參數(shù)

玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）錨桿作為一種新型材料錨桿，是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，不飽和聚酯樹(shù)脂為基體材料，并通過(guò)摻入適量輔助劑（如阻燃劑、抗靜電劑等）經(jīng)連續(xù)拉擠成型和纏繞工藝相結(jié)合方式生產(chǎn)出的一種新型復(fù)合材料巷道支護(hù)錨桿。近年來(lái)，玻璃鋼錨桿產(chǎn)業(yè)在我國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。然而又因其生產(chǎn)效率較低、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性差已逐漸成為制約大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。文章參考以往對(duì)玻璃鋼錨桿拉擠成型技術(shù)工藝條件的研究成果，確定影響錨桿性能指標(biāo)的4項(xiàng)主要因素包括樹(shù)脂的粘度、加熱時(shí)間、加熱溫度和冷卻方式，并通過(guò)4因素3水平正交試驗(yàn)方法優(yōu)化工藝參數(shù)，達(dá)到規(guī)范生產(chǎn)和提高錨桿質(zhì)量的目的。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本思想

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表進(jìn)行科學(xué)地安排與分析多因素多水平試驗(yàn)的方法。它根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。

試驗(yàn)中需要考察的、可以控制的條件稱為因素或因子，因素的每一個(gè)狀態(tài)或等級(jí)稱為因素的一個(gè)水平。每個(gè)因素的各個(gè)不同水平在試驗(yàn)中出現(xiàn)了相同的次數(shù)；任何兩個(gè)因素的各種不同水平的搭配，在試驗(yàn)中都會(huì)出現(xiàn)相同的次數(shù)。通過(guò)對(duì)少數(shù)試驗(yàn)方案結(jié)果的分析，推斷出最優(yōu)組合方案。

2 錨桿主要性能指標(biāo)測(cè)試方法

衡量錨桿質(zhì)量的主要性能指標(biāo)包括抗拉強(qiáng)度（σb）、抗剪強(qiáng)度（σc）和尾部連接部位螺紋承載能力（Fp），其測(cè)試方法如下：

（1）在桿體中間段隨機(jī)截取800mm長(zhǎng)的試件，兩端各300mm用膠粘劑粘接在與之匹配的鋼管內(nèi)，使粘接強(qiáng)度大于桿體抗拉強(qiáng)度，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)定。

（2）在桿體中間段隨機(jī)截取200mm長(zhǎng)的試件，將試件放入剪切專用夾具中，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上以10～20kN／min的速度加載，計(jì)算抗剪切強(qiáng)度：

式中：P——最大剪切力，N；

A——正剪切面積值，mm2；

σc——抗剪切強(qiáng)度，MPa。

（3）從桿體尾部（含連接部位和尾部螺紋）截取長(zhǎng)600mm桿體試件，將前端300mm用膠粘劑粘接于與之匹配的鋼管內(nèi)，使粘接強(qiáng)度大于尾部連接部位及螺紋承載力，24h后在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)以往生產(chǎn)積累的經(jīng)驗(yàn)，影響錨桿性能指標(biāo)的4項(xiàng)主要因素有25℃時(shí)不飽和聚酯樹(shù)脂的粘度、加熱時(shí)間、加熱溫度和冷卻方式。試驗(yàn)使用玻璃鋼錨桿拉擠纏繞成型機(jī)生產(chǎn)錨桿，牽引電機(jī)牽引預(yù)成型錨桿勻速向前通過(guò)烘道加熱。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，則要求烘道的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，即加熱時(shí)間以加熱烘道長(zhǎng)度表現(xiàn)。為避免試驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，采用隨機(jī)化方法確定因素的各水平序號(hào)。結(jié)合實(shí)際情況選取試驗(yàn)因素與水平，見(jiàn)表1。假定各因素之間無(wú)交互作用。

這是一個(gè)4因素3水平試驗(yàn)，由于不考慮交互作用，可選正交表L9（34）。正交表的“一行”代表一個(gè)試驗(yàn)方案，“一列”為對(duì)應(yīng)因素在該試驗(yàn)方案中選取的水平。試驗(yàn)用玻璃鋼錨桿由邯鄲市晟錨支護(hù)材料有限公司生產(chǎn)，其直徑為?18mm，螺距為10mm。

表1 試驗(yàn)因素與水平

3.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

試件的生產(chǎn)，受試驗(yàn)因素條件，如溫度、樹(shù)脂粘度等的影響，生產(chǎn)出來(lái)的試件質(zhì)量好壞表現(xiàn)為性能指標(biāo)的高低。因?yàn)樾阅苤笜?biāo)有抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等多種因素，不能單一看某項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)差，要按實(shí)際需求，生產(chǎn)出最佳的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等性能的試件。所以需給出綜合評(píng)分。

因試驗(yàn)指標(biāo)重要性不同，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作綜合分析，給每個(gè)試驗(yàn)評(píng)出一個(gè)分?jǐn)?shù)，作為這個(gè)試驗(yàn)的總指標(biāo)。再利用單指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析法選出較好的試驗(yàn)方案。按實(shí)際要求，為求試驗(yàn)綜合評(píng)分將性能指標(biāo)的重要性參數(shù)化，取抗拉強(qiáng)度的重要性為0.6，螺紋承載能力的重要性為0.3，抗剪強(qiáng)度的重要性為0.1。每個(gè)試驗(yàn)的綜合評(píng)分Yi計(jì)算：

表2 試驗(yàn)方案及評(píng)分表

設(shè)Kij表示第j列因素水平號(hào)為i的各試驗(yàn)評(píng)分之和，則

計(jì)算極差R，其表示一組數(shù)據(jù)中的最大數(shù)據(jù)與最小數(shù)據(jù)的差。

按每號(hào)試驗(yàn)所選因素水平生產(chǎn)試件，測(cè)得試件性能指標(biāo)值，將數(shù)據(jù)代入式（2），得到綜合評(píng)分Yi，如表2所示。

Rj稱為第j列K－ij的極差。根據(jù)式（3）和式（4）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3中K1j表示第j列因素1號(hào)水平的試驗(yàn)評(píng)分之和，K2j表示第j列因素2號(hào)水平試驗(yàn)評(píng)分之和，K3j表示第j列因素3號(hào)水平試驗(yàn)評(píng)分之和。

表3 試驗(yàn)性能指標(biāo)分析表

3.3 數(shù)據(jù)分析

（1）由表3極差值R的大小順序85.5＞35.8＞21.5＞20，確定因素主次順序?yàn)镃、B、A、D。其中C因素即烘道溫度對(duì)錨桿性能指標(biāo)的影響顯著，應(yīng)重點(diǎn)考察。

（2）錨桿性能試驗(yàn)指標(biāo)值Yi越大越好，表3中同因素的2號(hào)水平試驗(yàn)評(píng)分之和K2j都比1號(hào)水平試驗(yàn)評(píng)分之和K1j、3號(hào)水平試驗(yàn)評(píng)分之和K3j高，因此，各因素的2號(hào)水平即A2、B2、C2、D2水平較優(yōu)。

（3）根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均勻可比性質(zhì)，得出各因素的較優(yōu)水平A2B2C2D2組合便是較好的試驗(yàn)方案。又因?yàn)樗龅?號(hào)試驗(yàn)中第8號(hào)試驗(yàn)的綜合評(píng)分值最高，見(jiàn)表2第8號(hào)試驗(yàn)，所以A2B3C2D2也是較好的試驗(yàn)組合方案。

（4）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)知道冷卻方式D對(duì)錨桿主要性能指標(biāo)的影響較小，考慮到實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)操作條件以及生產(chǎn)成本，采取D1空冷方式。針對(duì)上述（3）的問(wèn)題，按A2B2C2D1、A2B3C2D1兩種方案生產(chǎn)錨桿試件進(jìn)一步進(jìn)行確定，測(cè)得試件性能指標(biāo)。由式（2）計(jì)算出試驗(yàn)綜合評(píng)分Yi，如表4所示。

表4 組合方案評(píng)分表

由表4可知，第一組組合試驗(yàn)綜合評(píng)分高，因此應(yīng)采用組合方案為A2B2C2D1，即選擇樹(shù)脂粘度0.44Pa·s，烘道的加熱溫度180～200℃，烘道的長(zhǎng)度為7.8m，空冷條件下，玻璃鋼樹(shù)脂錨桿性能最優(yōu)。

4 溫度的控制研究

在實(shí)際生產(chǎn)中，錨桿對(duì)烘道溫度十分敏感，很小的溫度波動(dòng)就能引起錨桿性能的很大差異。因此，在組合方案A2B2D1下，有必要對(duì)烘道內(nèi)的溫度作進(jìn)一步試驗(yàn)（固化成型最適溫度是180～200℃，為方便試驗(yàn)取180℃）。1號(hào)試驗(yàn)烘道溫度只有固化成型段，2號(hào)試驗(yàn)烘道溫度分為預(yù)熱段、固化成型段和離型段，3號(hào)試驗(yàn)烘道溫度分為預(yù)熱段、固化成型段、離型段及預(yù)熱段和離型段，溫度細(xì)化共分為五段。按試驗(yàn)要求的溫度，生產(chǎn)錨桿試件并測(cè)試其性能指標(biāo)，由式（2）計(jì)算綜合評(píng)分，見(jiàn)表5。

表5 烘道分段溫控評(píng)分表

第3號(hào)試驗(yàn)烘道分段溫控評(píng)分最高。由此可知采用最佳組合方案，烘道內(nèi)加熱區(qū)溫度劃分越精細(xì)，錨桿性能指標(biāo)越好。

5 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)分析得出烘道溫度對(duì)玻璃鋼樹(shù)脂錨桿的質(zhì)量影響顯著， 其次是烘道的長(zhǎng)度，再次是樹(shù)脂的粘度，冷卻方式的影響可忽略。經(jīng)驗(yàn)證，最佳的組合優(yōu)化方案是烘道的加熱溫度180～200℃，樹(shù)脂粘度0.44Pa·s，烘道的長(zhǎng)度7.8m，空冷。烘道內(nèi)溫度的進(jìn)一步分段研究，表明烘道內(nèi)加熱溫度區(qū)劃分的越精細(xì)，充分受熱生產(chǎn)的錨桿質(zhì)量就越好。

［1］ 黃家康.復(fù)合材料成型技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011

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［3］ 岳紅軍.玻璃鋼拉擠工藝與制品［M］.北京：科學(xué)出版社，1995

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［5］ 莊楚強(qiáng).應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006

［6］ 邵威.基于模糊自適應(yīng)PID的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009

［7］ 樹(shù)脂錨桿玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿體及附件［S］.北京：國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2008

Process parameter optimization of the FRP bolt based on the orthogonal experiment

Pan Yue1，Lang Hongfang1，Zhang Xianfeng2，Chen Wei1
（1.Electromechanical Engineering Institute，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China；2.Handan Sheng－anchor Materials Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056038，China）

Based on the method of orthogonal experiment，the multi－factor and multi－level experiment is conducted first on the process parameters of FRP bolt molding.According to the analysis of the experiment data，the crucial process parameters are determined which influence the FRP bolt performance；and the optimal combination scheme of FRP bolt molding is obtained.

FRP bolt，performance index，orthogonal experiment，process parameters

TD350

A

潘越（1972－），男，黑龍江雙鴨山人，副教授，河北工程大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)系主任，博士學(xué)位，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）