工科類專業(yè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法教學(xué)實(shí)踐探索

高潔

摘要：以試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法教學(xué)為例，通過(guò)案例教學(xué)分析該課程在教學(xué)和科研方面如何有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)教學(xué)與科學(xué)研究的緊密結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)造能力，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生科研能力與創(chuàng)新興趣。

關(guān)鍵詞：工科類專業(yè);試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法;教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）36-0144-02

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

在生產(chǎn)和科研中，為了研制新產(chǎn)品，改革生產(chǎn)工藝，尋找優(yōu)良的生產(chǎn)條件，需要做大量多因素的試驗(yàn)。因而選用正確的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法則尤其重要。目前通常的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有：配對(duì)設(shè)計(jì)、完全隨機(jī)化、均衡設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)等。實(shí)踐證明，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法就是研究與處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)有效的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能通過(guò)代表性很強(qiáng)的少數(shù)次試驗(yàn)，摸清各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況，確定因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)的參數(shù)組合。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在工科類專業(yè)中的教學(xué)實(shí)踐

（一）色紡紗生產(chǎn)工藝改進(jìn)案例

問(wèn)題提出：色紡紗可以實(shí)現(xiàn)多種成分纖維的混合和利用，并可獲得獨(dú)特的混色效果與產(chǎn)品風(fēng)格，故具有一定的科技含量，符合當(dāng)前社會(huì)節(jié)能環(huán)保的需求，因此具有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。但是對(duì)纖維染色后，棉纖維表層棉蠟熔化，加上染料分子的滲透會(huì)導(dǎo)致纖維發(fā)澀、彈性較差、容易扭結(jié)在一起，纖維單強(qiáng)有所下降，纖維間抱合力減弱，可紡性能明顯下降。采用賽絡(luò)紡的工藝進(jìn)行紡紗，在紡紗過(guò)程中，纖維會(huì)經(jīng)過(guò)兩次包纏，因此減少纖維在紗體上的外露，從而達(dá)到降低毛羽、提高單紗強(qiáng)力、改善紗線條干CV值等目的。目前色紡是紡織業(yè)中的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，所以對(duì)優(yōu)選生產(chǎn)賽絡(luò)滌棉色紡紗的細(xì)紗工藝，找出最合適的生產(chǎn)工藝，具有一定的實(shí)際意義。

試驗(yàn)條件：賽絡(luò)A紗的粗紗定量為3.1g/10m，賽絡(luò)B紗為純棉精梳紗，粗紗定量分別為3.6g/10m、4.0g/10m、4.6g/10m。紡紗時(shí)溫度25℃，濕度76%，滌棉實(shí)際回潮率6.5%。

試驗(yàn)方案：在采用相同成分的原料、相同的錠速，試驗(yàn)采用L9（34）正交設(shè)計(jì)，為粗紗定量（A）、粗紗中心距（B）和細(xì)紗捻系數(shù)（C）三因素三水平正交試驗(yàn)。其中賽絡(luò)B紗粗紗定量因素三水平：A1（3.6g/10m）、A2（4.0g/10m）、A3（4.6g/10m）;粗紗中心距因素三水平：B1（6mm）、B2（8mm）、B3（10mm）;細(xì)紗捻系數(shù)因素水平：C1（330）、C2（350）、C3（370）。

當(dāng)選用的賽絡(luò)B紗粗紗定量為3.6g/10m時(shí)，則賽絡(luò)紡粗紗總定量和為6.7g/10m，所以選用細(xì)紗機(jī)的機(jī)械牽伸倍數(shù)為23.39;當(dāng)選用的賽絡(luò)B紗粗紗定量為4.0g/10m時(shí)，則賽絡(luò)紡粗紗總定量和為7.1g/10m，所以選用細(xì)紗機(jī)的機(jī)械牽伸倍數(shù)為24.48;當(dāng)選用的賽絡(luò)B紗粗紗定量為4.6g/10m時(shí)，則賽絡(luò)紡粗紗總定量和為7.7g/10m，所以選用細(xì)紗機(jī)的機(jī)械牽伸倍數(shù)為28.30。

紗線的性能測(cè)試是在標(biāo)準(zhǔn)的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，所有的紗線實(shí)驗(yàn)在溫度22℃，相對(duì)濕度62%的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。單紗的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率等性能測(cè)試采用YG068C全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀，上下夾持50cm，拉伸速度為0.5m/min，測(cè)試次數(shù)為10次，取其平均值。測(cè)試指標(biāo)：?jiǎn)渭啍嗔褟?qiáng)力、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂功。單紗的條干均勻度測(cè)試采用Uster Tester 5條干測(cè)試儀，測(cè)試速度為400mm/min，測(cè)試時(shí)間為0.5分鐘，測(cè)試次數(shù)為3次，取其平均值。選擇條干均勻度變異系數(shù)、細(xì)節(jié)-50%、粗節(jié)+50%及棉結(jié)+200%作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用YG172A型紗線毛羽測(cè)試儀測(cè)試紗線毛羽，測(cè)試速度為30m/min，取10個(gè)片段，每個(gè)片段的長(zhǎng)度為10米，測(cè)10組。

結(jié)果分析：紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率在試驗(yàn)2時(shí)明顯最好，其他試驗(yàn)號(hào)波動(dòng)較小且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)2;紗線條干CV值波動(dòng)較大，試驗(yàn)1、2、3、5條干低于12%較好，而實(shí)驗(yàn)4、6條干過(guò)差;3mm以上有害毛羽數(shù)量除試驗(yàn)1過(guò)大外其他試驗(yàn)變化較小，試驗(yàn)2有害毛羽數(shù)最少。整體看來(lái)，試驗(yàn)2各項(xiàng)紗線性能較好;試驗(yàn)1紗線毛羽較多，試驗(yàn)4＼6斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率較小且紗線條干較差，各項(xiàng)紗線性能較差。

各因素對(duì)20s賽絡(luò)滌棉色紗紗線斷裂強(qiáng)力影響程度排序?yàn)锳>C>B，粗紗定量為顯著影響最大，細(xì)紗捻度次之，粗紗中心距影響最小。由于各因素對(duì)單紗斷裂強(qiáng)力影響使得其越大越好，則斷裂強(qiáng)力之和大為較好水平，因此對(duì)于20s賽絡(luò)滌棉色紗其較優(yōu)工藝方案為A1B2C3。各因素對(duì)20s賽絡(luò)滌棉色紗紗線斷裂伸長(zhǎng)率影響程度排序?yàn)镃>A>B，細(xì)紗捻系數(shù)顯著影響因素，粗紗定量次之，粗紗中心距影響較小。由于各因素對(duì)單紗斷裂伸長(zhǎng)率影響使得其越大越好，則斷裂伸長(zhǎng)率之和大為較好水平，對(duì)于20s賽絡(luò)滌棉色紗其較優(yōu)工藝方案為A1B2C3。

對(duì)于20s賽絡(luò)滌棉色紗，粗紗定量對(duì)紗線強(qiáng)力、伸長(zhǎng)、CV等各項(xiàng)性能有較大的影響，且選用較小的粗紗定量有利于提高紗線強(qiáng)力、降低紗線毛羽等;粗紗中心距對(duì)紗線毛羽影響較大，對(duì)其他紗線性能影響較小;細(xì)紗捻系數(shù)對(duì)于紗線強(qiáng)力、伸長(zhǎng)、毛羽等各項(xiàng)性能有較大的影響且選用較大的細(xì)紗捻系數(shù)提高紗線強(qiáng)力、毛羽等性能。較小的粗紗定量、適中的粗紗間距和較大的細(xì)紗捻系數(shù)有利于提高賽絡(luò)滌棉色紗的紗線性能。

通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)紡制20s紗線，可以知道紡制20s賽絡(luò)滌棉色紗，粗紗定量是影響紗線強(qiáng)力和紗線條干的主要影響因素，適當(dāng)降低粗紗定量有助于提高紗線強(qiáng)力和紗線條干;粗紗中心距是3mm以上有害紗疵的主要影響因素，適當(dāng)提高粗紗中心距有助于降低3mm以上有害毛羽;對(duì)紗線伸長(zhǎng)率影響最大的是細(xì)紗捻系數(shù)，較大的細(xì)紗捻系數(shù)有助于提高紗線伸長(zhǎng)率。

（二）零件改進(jìn)設(shè)計(jì)案例

問(wèn)題提出：研究導(dǎo)套的外徑、過(guò)渡圓角、底板壁厚對(duì)零件破損處（即過(guò)渡圓角處）應(yīng)力集中的影響。

試驗(yàn)方案：選用三個(gè)可變因素：導(dǎo)套外徑A（mm）、過(guò)渡圓角B（mm）、底板壁厚C（mm）。每個(gè)因素分別取三個(gè)水平數(shù)。特安排了三因素三水平的正交試驗(yàn)，水平尺寸的選取充分考慮到了零件在部件中的允許空間尺寸。選用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣僅需要進(jìn)行9次不同的計(jì)算。

結(jié)果分析：導(dǎo)套外徑203mm時(shí)圓角處應(yīng)力最小，總體而言該因素影響不大;隨著過(guò)渡圓角半徑的增大，圓角處應(yīng)力呈顯著的減小趨勢(shì);底板厚度為32mm時(shí)圓角處應(yīng)力最小，總體而言該因素影響也不大，加大厚度并不能有效減小過(guò)渡圓角處的應(yīng)力。綜合上述三點(diǎn)，這是一個(gè)應(yīng)力集中的問(wèn)題，最有效的解決辦法就是增大圓角半徑，降低應(yīng)力集中程度。

綜合起來(lái)A=203、B=15、C=32最好，這與極差分析得出的結(jié)論一致。而上述9次試驗(yàn)并未出現(xiàn)該方案，故需追加試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果是69MPa，這比前面9次試驗(yàn)所得的結(jié)果都小，且明顯小于許用應(yīng)力。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出該零件破損的主要原因是過(guò)渡圓角半徑過(guò)小引起較大的應(yīng)力集中，進(jìn)而找出了應(yīng)力集中最小的解決方案，按所確定的尺寸制成的零件在使用中未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

（三）廢水處理改進(jìn)案例

問(wèn)題提出：納米TiO2光催化-SBR工藝處理印染廢水的研究。

試驗(yàn)方案：采用偶聯(lián)劑法將納米TiO2附于聚丙烯多面小球上制備出小球填料，運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的“TiO2光催化-SBR”聯(lián)合工藝對(duì)實(shí)際印染廢水進(jìn)行處理。假設(shè)：在正交試驗(yàn)中光源強(qiáng)度和反應(yīng)時(shí)間兩個(gè)因素都選取了由單因素試驗(yàn)確定的最佳水平進(jìn)行試驗(yàn)操作。光源強(qiáng)度為4*30W，光照時(shí)間為120分鐘。進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，SBR系統(tǒng)的水利負(fù)荷較低，短周期運(yùn)行，則微生物的數(shù)量和性能、溶解氧都相對(duì)恒定。納米TiO2光催化小球膜層相對(duì)均勻，不易脫落。兩者其他條件相同，光催化試驗(yàn)設(shè)計(jì)只考慮催化劑添加量、pH值、溶解氧濃度三個(gè)因素，SBR工藝的試驗(yàn)設(shè)計(jì)只考慮暴氣時(shí)間和沉淀時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)分為兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)：一個(gè)是光催化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，另一個(gè)是SBR工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在光催化試驗(yàn)設(shè)計(jì)中由于光催化的影響因素較多，最終選取了催化劑添加量、pH值、溶解氧濃度3個(gè)因素為正交實(shí)驗(yàn)的因素，故本試驗(yàn)采用正交法L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以確定印染廢水光催化預(yù)處理工藝的最佳工藝條件。

結(jié)果分析：催化劑投加量、pH、溶解氧濃度為因素，因素有三個(gè)水平，文中計(jì)算出了K值、極差，最后做出了最有水平的組合及主要影響因素。在SBR工藝處理試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)中，由于只有兩個(gè)因素，試驗(yàn)指標(biāo)只有一個(gè)，因此沒(méi)有做正交實(shí)驗(yàn)，只作了線性相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以較明顯的看到兩個(gè)因素對(duì)降解效果的影響。本試驗(yàn)進(jìn)行了單獨(dú)工藝的處理研究，然后再進(jìn)行了聯(lián)合工藝的研究，印染廢水通過(guò)光催化處理后色度得到了大量的去除，同時(shí)B/C的值也得到了提高，表明光催化反應(yīng)器提高了廢水的可生化性能，為后續(xù)的生物反應(yīng)器的處理效果奠定了基礎(chǔ);同時(shí)因?yàn)橐徊糠諧ODCr、BOD5得到去除，使得后續(xù)的SBR工藝的進(jìn)水負(fù)荷得到降低，大大提高了后續(xù)工藝的處理效果，使得整個(gè)工藝脫色率達(dá)到90%，CODCr去除率達(dá)到85%，其處理效果比單獨(dú)使用光催化或SBR均顯著，保證了出水的達(dá)標(biāo)排放。

三、結(jié)論

通過(guò)案例教學(xué)，使得教學(xué)與科研相輔相成、相互促進(jìn)，兩者實(shí)現(xiàn)了雙向互動(dòng)，這對(duì)于培養(yǎng)新世紀(jì)研究型專業(yè)人才有很大的作用。

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