基于多指標(biāo)綜合評分法的開煉機煉膠工藝研究

曾憲奎，張宗廷，汪傳生，呂 沖，劉 威

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

開煉機屬于橡膠制品加工的基本設(shè)備，在橡膠制品行業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，近幾年隨著低溫?zé)捘z技術(shù)的研究和推廣，開煉機煉膠工藝重新被重視[1]。終煉膠的門尼粘度、炭黑分散度和物理性能等質(zhì)量指標(biāo)都對橡膠的后續(xù)加工和成品的質(zhì)量影響較大。開煉機煉膠過程十分復(fù)雜，煉膠過程中輥距、輥速、速比、輥筒溫度和混煉時間等參數(shù)對終煉膠的質(zhì)量均有一定程度的影響。目前，有不少研究采用正交試驗法，對多因素單目標(biāo)值進行分析，得出一個單目標(biāo)值最優(yōu)的工藝組合參數(shù)。由于評價終煉膠質(zhì)量的指標(biāo)很多，這種方法無法令所有指標(biāo)都達到最優(yōu)，僅優(yōu)化一個目標(biāo)值很難得到最優(yōu)的工藝方案。為了使終煉膠的每項質(zhì)量指標(biāo)都達到較理想的狀態(tài)，本研究引入質(zhì)量指標(biāo)加權(quán)綜合評分的辦法，結(jié)合正交試驗，根據(jù)各質(zhì)量指標(biāo)對終煉膠質(zhì)量的影響進行加權(quán)綜合評分，然后通過極差分析，確定各工藝參數(shù)對綜合評分的影響程度，從而確定一組最佳的工藝參數(shù)。

1 實驗

1.1 配方

試驗采用全鋼子午線輪胎胎面膠配方：NR 100，炭黑N330 38.5，白炭黑 15，氧化鋅3.5，硬脂酸 2，增塑劑A 2，偶聯(lián)劑Si69 3，防老劑RD 1.5，防老劑6PPD 2，硫黃 1，促進劑NOBS 1.5。

1.2 設(shè)備與儀器

XK-160E型開煉機智能煉膠試驗平臺、X（S）M-1.7L型密煉機，青島科技大學(xué)產(chǎn)品；MM4130C型無轉(zhuǎn)子硫化儀，北京環(huán)峰化工機械實驗廠產(chǎn)品；QLB-400×400×2平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產(chǎn)品；TS 2005b型萬能試驗機、UM-2050型門尼粘度儀，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；QP-16型橡膠塑料試驗切片機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；DQJ-660型單刀切膠機，青島亞東橡塑機械有限公司產(chǎn)品；DG1000NT＋型炭黑分散儀，瑞典OPTIGRADE公司產(chǎn)品。

1.3 方案

本試驗采用正交試驗法，選擇的開煉機煉膠工藝參數(shù)有輥距、輥速、輥筒速比、輥筒溫度和混煉時間等，將其作為試驗因子，因此選擇五因子四水平正交表，試驗條件如下：

（1）輥距（A）：0.5，0.6，0.7，0.8 mm；

（2）輥速（后輥）（B）：26，28，30，32 r·min-1；

（3）輥筒速比（C）：1∶1.1，1∶1.15，1∶1.2，1∶1.25；

（4）輥筒溫度（D）：50，57，64和71 ℃；

（5）混煉時間（E）：14，16，18和20 min。

1.4 測試方法

試驗選取的混煉膠質(zhì)量評價參數(shù)為門尼粘度、炭黑分散度、拉伸強度、撕裂強度、300%定伸應(yīng)力5項物理性能。門尼粘度使用UM-2050型門尼粘度儀，根據(jù)GB/T 1233—1992《橡膠膠料初期硫化特性的測定 門尼粘度計法》測量。拉伸強度、撕裂強度、300%定伸應(yīng)力等采用TS 2005b型萬能試驗機測試，均按GB/T 528—1992《硫化橡膠和熱塑性橡膠拉伸性能的測定》進行，拉伸速度為500 mm·min-1，環(huán)境溫度為20 ℃；分散度測試采用DG1000NT＋型炭黑分散儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于試驗中各質(zhì)量指標(biāo)的量綱不一致，而且對終煉膠質(zhì)量的重要程度也各有差異，因此無法將測得的5個質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)進行疊加評價。本試驗采用模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)將各質(zhì)量指標(biāo)值映射到區(qū)間[0,1]上，然后根據(jù)5個質(zhì)量指標(biāo)的重要程度，采用百分制綜合加權(quán)評分。加權(quán)綜合評分值Y的計算公式[2]為

式中，bji為權(quán)因子系數(shù)，表示第j個試驗中第i項指標(biāo)在加權(quán)綜合評分法中應(yīng)占的權(quán)重。Yji為第j個試驗中的第i項考察指標(biāo),Yj為第j個試驗中的綜合考察指標(biāo)。

由于混煉膠質(zhì)量指標(biāo)的重要程度不同，且門尼粘度和炭黑分散度都對物理性能有影響[3]，同時門尼粘度對炭黑分散度也有影響，因此取門尼粘度、炭黑分散度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度加權(quán)值分別為b1＝30，b2＝25，b3＝b4＝b5＝15。

由于各目標(biāo)質(zhì)量參數(shù)均為單邊約束，因此選用Sigmoid隸屬度函數(shù)將各質(zhì)量指標(biāo)值映射到區(qū)間[0,1]上。Sigmoid函數(shù)y[4]為

式中，a和c為Sigmoid函數(shù)的兩個可變參數(shù)值。通過試驗結(jié)果及半升直線型函數(shù)與Sigmoid函數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式可得到不同指標(biāo)所取的不同的a和c值。函數(shù)各參數(shù)取值如表1所示。

表1 Sigmoid函數(shù)各參數(shù)取值

由于門尼粘度值越小越好，而其余4個指標(biāo)值越大越好，因此在歸一化前先將門尼粘度值取倒數(shù)處理，使各指標(biāo)均越大越好，便于評分。試驗結(jié)果和綜合評分結(jié)果見表2。

表2 正交試驗和綜合評分結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

為得出各工藝參數(shù)與綜合評分值的關(guān)系，找出各工藝參數(shù)對綜合評分值的影響趨勢和影響程度，尋求工藝參數(shù)的最佳組合，本試驗采用直觀分析法就開煉機煉膠過程的3個工藝參數(shù)對綜合評分值的影響進行分析[5]，即計算出各因子在各水平上的平均值和極差，結(jié)果見表3。

表3 綜合評分值極差分析結(jié)果

由極差分析可知，輥筒溫度的極差最大，是關(guān)鍵因素，輥速的極差最小，是次要因素，各工藝參數(shù)對綜合評分值的影響程度由大到小依次為輥筒溫度、輥距、混煉時間、速比和輥速。各參數(shù)對綜合評分值的水平影響趨勢分別如圖1～5所示。

圖1 輥距對綜合評分值的影響曲線

通過觀察水平影響趨勢圖，因子的各水平綜合評分值越高的水平所組成的方案越好，因此由工藝參數(shù)對綜合評分值的影響趨勢可知，對于XK-160E型開煉機智能煉膠試驗平臺，最佳的工藝參數(shù)組合為A3B3C1D4E4。

圖2 輥速對綜合評分值的影響曲線

圖3 速比對綜合評分值的影響曲線

圖4 輥筒溫度對綜合評分值的影響曲線

圖5 混煉時間對綜合評分值的影響曲線

3 結(jié)論

（1）輥筒溫度對開煉機終煉膠的綜合質(zhì)量影響最大，各工藝參數(shù)對綜合評分值的影響程度由大到小依次為輥筒溫度、輥距、混煉時間、速比和輥速。

（2）對于XK-160E型開煉機智能煉膠試驗平臺，最佳的工藝參數(shù)組合為A3B3C1D4E4。即輥距0.7 mm，輥速 30 r·min-1，速比 1∶1.1，輥筒溫度 71 ℃，混煉時間 20 min。