基于方差分析的開煉機智能煉膠過程優(yōu)化

曾憲奎，呂 沖，張宗廷

（青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

開煉機在橡膠制品行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛[1]，特別是隨著低溫?zé)捘z技術(shù)[2]的普及和推廣，開煉機的煉膠工藝進(jìn)一步得到重視。開煉機煉膠過程中輥距、輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間等參數(shù)對煉膠質(zhì)量均有一定程度的影響，要達(dá)到最優(yōu)的煉膠效果，就必須選取每個工藝參數(shù)的最優(yōu)值[3-4]。在煉膠過程的不同階段，每個工藝參數(shù)的最優(yōu)值不同。如果能夠在煉膠過程的每個階段使具有顯著性影響的工藝參數(shù)都處在最優(yōu)狀態(tài)，就會獲得最佳的煉膠效果，從而實現(xiàn)開煉機智能煉膠的最終目標(biāo)。本工作采用方差分析的方法，研究對煉膠過程具有顯著性影響的工藝參數(shù)優(yōu)化問題。

1 工藝參數(shù)對煉膠質(zhì)量影響的顯著性分析

要實現(xiàn)開煉機的智能煉膠，即實現(xiàn)對煉膠過程工藝參數(shù)的最優(yōu)化控制，首先應(yīng)該確定對煉膠過程及煉膠質(zhì)量具有顯著性影響的工藝參數(shù)，然后研究對煉膠過程具有顯著性影響的工藝參數(shù)優(yōu)化問題。對煉膠過程工藝參數(shù)顯著性影響的研究可以采用方差分析的方法，其基本格式如表1所示。統(tǒng)計檢驗量（F）為組間均方差（MSR）與組內(nèi)均方差（MSE）的比值。

表1 方差分析的基本格式

1.1 門尼粘度

根據(jù)煉膠工藝參數(shù)對開煉機煉膠質(zhì)量指標(biāo)影響的試驗結(jié)果，調(diào)用SPSS統(tǒng)計分析軟件的方差分析[5]程序可得煉膠過程工藝參數(shù)對門尼粘度影響的方差分析表，如表2所示。

表2 工藝參數(shù)對門尼粘度影響的方差分析

由表2可以看出，輥距、輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間這5個因子中，輥距對門尼粘度的影響最顯著，其次為輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間。

1.2 炭黑分散度

根據(jù)煉膠工藝參數(shù)對開煉機煉膠質(zhì)量指標(biāo)影響的試驗結(jié)果，調(diào)用SPSS統(tǒng)計分析軟件的方差分析[5]程序可得煉膠過程工藝參數(shù)對炭黑分散度影響的方差分析，如表3所示。

由表3可以看出，輥距、輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間這5個因子中，輥距對炭黑分散度的影響最為顯著，其次為輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間。

表3 工藝參數(shù)對炭黑分散度影響的方差分析

因此，在優(yōu)化開煉機煉膠工藝參數(shù)時，選取對門尼粘度具有顯著性影響的前3項，即輥距、輥速和速比進(jìn)行研究。

2 煉膠過程工藝參數(shù)的優(yōu)化

通過以上分析，確定對煉膠過程及煉膠質(zhì)量具有顯著性影響的工藝參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究方案為：（1）確定試驗的因子及水平，設(shè)計試驗方案；（2）根據(jù)試驗方案進(jìn)行試驗，得到試驗結(jié)果；（3）對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到工藝參數(shù)在煉膠過程中最優(yōu)的變化趨勢。

2.1 試驗研究

根據(jù)上述研究結(jié)果，設(shè)計開煉機智能煉膠過程工藝參數(shù)優(yōu)化試驗。試驗因子是輥距、輥速和速比。試驗測得，開煉機煉膠過程最優(yōu)的工藝條件為：輥距 0.6 mm，輥速 29 r·min-1，速比1∶1.25，輥筒溫度 50 ℃，混煉時間 18 min。

為獲得輥距、輥速和速比在煉膠過程中的優(yōu)化方案，針對每個工藝參數(shù)分別設(shè)計了不同的水平，其設(shè)計原則是：開煉機煉膠過程最優(yōu)的工藝條件為中間水平，從小值變到大值和大值變到小值的變化過程為其余的兩個水平，采用L9（34）正交試驗表安排試驗。在本試驗中，設(shè)計3種輥距的取值，第1種為輥距在煉膠過程中從0.5 mm變至0.7 mm；第2種為輥距在煉膠過程中保持不變，取值為最佳值0.6 mm；第3種為輥距在煉膠過程中從0.7 mm變至0.5 mm。這種設(shè)計的目的是通過試驗研究輥距、輥速和速比等工藝參數(shù)在煉膠過程中最優(yōu)的變化趨勢，為進(jìn)一步的研究提供理論依據(jù)。其他試驗條件為：輥筒溫度 50 ℃，混煉時間 18 min。

2.2 試驗條件

膠料溫度冷卻到70～80 ℃后，加入偶聯(lián)劑、硫化劑等助劑，對橡膠進(jìn)行充分塑煉和混煉，溫度一直控制在50 ℃，輥距、輥速和速比根據(jù)試驗方案工藝要求進(jìn)行變化，時間間隔為6 min，總混煉時間為18 min，采用薄通法煉膠。具體試驗條件如下：

（1）輥距為從0.5 mm變至0.7 mm，保持0.6 mm和從0.7 mm變至0.5 mm；

（2）輥 速（前 輥）為 從26 r·min-1變 至32 r·min-1，保持29 r·min-1和從32 r·min-1變至26 r·min-1；

（3）速比為從1.2變至1.3，保持1.25和從1.3變至1.2；

（4）輥筒溫度為（50±1） ℃；

（5）混煉時間為18 min；

（6）硫化條件：采用QLB-400×400×2型電加熱平板硫化機硫化，硫化條件為：160 ℃/16 MPa×6 min。

因子與水平見表4。

表4 L9（34）正交試驗的因子與水平

2.3 試驗方案

開煉機智能煉膠過程工藝參數(shù)優(yōu)化試驗的安排見表5。

表5 L9（34）正交試驗表

2.4 試驗結(jié)果

表6為采用L9（34）正交試驗法進(jìn)行的煉膠過程參數(shù)優(yōu)化試驗的結(jié)果。

表6 煉膠過程參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果

3 試驗數(shù)據(jù)分析

開煉機煉膠質(zhì)量指標(biāo)較多，為簡化研究，本工作僅對單位能耗、門尼粘度、炭黑分散度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度進(jìn)行研究。

3.1 輥距變化對煉膠質(zhì)量的影響

輥距變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系如表7所示。

表7 輥距變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系

從表7可以看出：在煉膠過程中，輥距由小到大變化時，消耗能量最少，300%定伸應(yīng)力和拉伸強度最佳，撕裂強度較低；輥距由大到小變化時，膠料門尼粘度最低、炭黑分散度最佳。由此可見，開煉機在煉膠過程中，輥距的最佳變化趨勢是由小到大。

3.2 輥速變化對煉膠質(zhì)量的影響

輥速變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系如表8所示。

表8 輥速變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系

從表8可以看出，在煉膠過程中，輥速由小到大變化時，煉膠消耗的能量最少，膠料門尼粘度最小，炭黑分散度最佳，300%定伸應(yīng)力稍低，而拉伸強度和撕裂強度最佳?？梢?，輥速的最佳變化趨勢是由小到大。

3.3 速比變化對煉膠質(zhì)量的影響

速比變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系如表9所示。

表9 速比變化與煉膠質(zhì)量的關(guān)系

從表9可以看出，在煉膠過程中，速比不變時，消耗的能量最少；速比由大到小變化時，膠料門尼粘度最小，300%定伸應(yīng)力和撕裂強度最佳，拉伸強度偏低；速比由小到大變化時，炭黑分散度最好?？梢?，速比的最佳變化趨勢是由大到小。

4 結(jié)論

（1）開煉機在煉膠過程中，輥距、輥速和速比的最佳變化趨勢分別為：由小到大、由小到大和由大到小。

（2）試驗得出的輥距、輥速和速比的最佳優(yōu)化路徑和方法，為開煉機煉膠過程工藝參數(shù)優(yōu)化方案的制定和智能煉膠過程的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。