基于模糊物元分析的轉鼓工藝參數優化

舒服華，吳良超

（1.武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070；2.武漢大鵬皮革有限責任公司，湖北武漢430124）

基于模糊物元分析的轉鼓工藝參數優化

舒服華1，吳良超2

（1.武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070；2.武漢大鵬皮革有限責任公司，湖北武漢430124）

提出了一種正交試驗與模糊物元分析法相結合的轉鼓工藝參數優化方法。以正交試驗的數據為基礎，利用模糊物元分析法對實驗數據進行處理，獲得最佳工藝參數組合。首先進行單一目標優化，最后進行多目標綜合優化。該方法克服了正交試驗數據處理粗糙分辨率低的問題，可有效提高優化結果的精確度。采用比例標度法對傳統的標度法確定權重進行了改進。試驗驗證了優化方法的有效性。

鞣制機；工藝參數；模糊物元；優化；聯系度

皮革鞣制是皮革加工的重要工序，它是借助皮革鞣制設備及一些化工材料對皮內的膠原蛋白進行化學和物理加工使其發生變性作用，以獲得牢固、耐磨、柔軟、不易變質的皮革。鉻鞣法因其經濟、快速仍然在皮革加工中占據重要地位。鉻鞣劑與酸皮膠原纖維的結合率受鉻鞣液濃度、堿度、提堿前后pH、升溫過程、鞣制時間以及助劑添加量等工藝參數的影響，優化皮革鞣制工藝參數對提高皮革鞣制的效果及生產率具有重要的現實意義。試驗設計方法在一定程度上可以減少反復試驗的盲目性，能以較少的試驗次數得到試驗范圍內較優的工藝組合。正交試驗是一種高效、快速經濟的方法，但其對數據的處理較為簡單，當因素和水平較多、或者試驗結果比較接近時，難以作出準確的判斷。物元分析是研究解決不相容問題規律和方法的新興學科，帶有很強的人工智能色彩，能化不相容問題為相容問題，使復雜問題簡單化而得到合理解決。利用正交試驗和物元分析相結合優化皮革鞣制工藝參數，能有效提高決策的科學性。

1 試驗設計

試驗設備：GZGP3-型不銹鋼轉鼓鞣制機；實驗材料：豬皮酸皮（削勻），單層厚度0.6～0.68 mm，面積0.25 m2；化工材料為：NaCl（6%）；C2H5ONa；標準鉻粉（折算 Cr2O30.32%～1.54%）；小蘇打（1.2%）；測試儀器：MSW－YD4數字式皮革收縮溫度測定儀；pHS－25酸度計，GT－303柔軟度測試儀；AI-7000S電子拉力機。試驗設置：H2O，120%；pH=2.8～3.0。優化參數為轉鼓轉速、浴液鉻含量、鞣制時間、浴液溫度4個工藝工藝參數；優化目標為皮革鞣制后的收縮溫度、Cr2O3吸收率、抗張強度、柔軟度4個質量指標，試驗和指標測量方法參照有關標準和文獻進行[1-2]。試驗設計如表1，試驗結果如表2。

2 轉鼓工藝參數優化

表1 皮革鞣制試驗設計

表2 皮革鞣制試驗結果

2.1 模糊物元基本模型

2.1.1 模糊物元與復合模糊物元

給定事物的名稱M，它關于特征C有量值為x，以有序三元組R=（M，C，x）作為描述事物的基本元，稱為物元；如果其中量值x具有模糊性，則稱R為模糊物元。如果事物M有n個特征C1，C2，…，Cn和對應的模糊量值x1，x2，…，xn，稱R為n維模糊物元；m個事物的n維模糊物元組合在一起便構成m個事物n維復合模糊物元Rnm，記作[3]：

其中，Rnm表示m個事物的n維復合模糊物元，以Mi表示第i個事物i=1，2，…，n），Cj表示第j個特征（j=1，2，…，m），xij第j事物的第i特征對應的模糊量值。

關聯度分析是物元分析的核心，是研究事物之間相互聯系程度的主要手段。

2.1.2 隸屬度的確定

各單項指標相應的模糊量值應符合從優隸屬度原則，從優隸屬度包括兩種情況，即越大越優型隸屬度和越小越優型隸屬度。

對于越大越優型

對于越小越優型

在皮革鞣制4個質量指標中，它們都屬于越大越優型，按式（1）計算的隸屬度如表3。

2.2 權重的確定

傳統的標度法確定權重粒度比較粗，標度值最少相差一個數值，容易導致指標間權重相差懸殊，且需要進行一致性檢驗。文中采用比例標度法確定權重，它既能使標度值細化，也可以根據實際情況進行有效擴大，并且不需進行一致性檢驗，計算也比較簡便[4]。對n個指標按照重要程度的不減方式排序，比較相鄰兩個指標的重要性程度得到標度值ki，然后按照指標重要程度的傳遞性得出判斷矩陣K，見圖1。

其中，ki為指標i-1相對于指標i的標度值，標度值的確定法則如表4。

矩陣K是完全一致的，且最大特征值對應的特征向量為：

指標的權重為：

參照有關標準，皮革鞣制4個質量指標的重要性程度由大到小的排序為：收縮溫度、Cr2O3吸收率、抗張強度、柔軟度。根據表1標度值確定法則，k1=1.6，k2=1.4，k3=1.2，則判斷矩陣k見圖2。

特征向量為：

指標的權重為：W=（0.357，0.297，0.212，0.134）

2.3 關聯度的確定

2.3.1 確定方案的正、負理想解

正理想解U={u1，u2，…，un}負理想解V={v1，v2，…，vn}

2.3.2 確定各單項指標的關聯度

各單項指標接近uj遠離vj的聯系度可按式（5）計算，結果如表5。

表3 試驗方案的隸屬度

圖1 判斷矩陣K

表4 標度值確定法則

圖2 判斷矩陣k

2.3.3 確定各方案的關聯度

各方案接近V遠離V的聯系度可按式（6計算），結果如表5。

2.4 單工藝目標聯系度分析

分別針對收縮溫度W、Cr2O3吸收率X、抗張強度Y、柔軟度Z進行單工藝目標的聯系度分析。

由表5中各單項指標不同水平對應的聯系度求得針對各工藝目標的平均指標聯系度，如表6～9所示。

根據模糊物元聯系度的概念，聯系度均值最大的值組成最優的參數組合。

對于收縮溫度W，由表6可以看出，推薦的參數組合為A1B3C3D3，影響由大到小的工藝參數依次為：鞣制時間、轉鼓轉速、浴液鉻含量、浴液溫度。

對于Cr2O3吸收率X，由表7可以看出，推薦的參數組合為A1B2C3D3，影響由大到小的工藝參數依次為：浴液鉻含量、鞣制時間、轉鼓轉速、浴液溫度。

對于抗張強度Y，由表8可以看出，推薦的參數組合為A1B2C3D2，影響由大到小的工藝參數依次為：鞣制時間、轉鼓轉速、浴液鉻含量、浴液溫度。

對于柔軟度Z，由表9可以看出，推薦的參數組合為A1B2C3D2，影響由大到小的工藝參數依次為：鞣制時間、浴液鉻含量、轉鼓轉速、浴液溫度。

表5 指標的關聯度和方案的關聯度

表6 針對W的不同水平平均聯系度

表7 針對X的不同水平平均聯系度

表8 針對Y的不同水平平均聯系度

表9 針對Z的不同水平平均聯系度

表10 工藝參數各水平平均聯系度

表11 優化組合實驗對比

2.5 多工藝目標聯系度分析

針對收縮溫度W、Cr2O3吸收率X、抗張強度Y、柔軟度Z進行多工藝目標聯系度分析分析，分析結果見表10。

比較各個水平，聯系度分析度值最高的水平為對多工藝目標綜合考量時的最優水平。從表10中可知，最優參數組合為A1B2C3D2，即轉鼓轉速A=10 r/min、浴液鉻含量B=15 g/L、鞣制時間C=18 h、浴液溫度D=45℃。

對綜合目標影響由大到小的工藝參數排序為：鞣制時間、轉鼓轉速、浴液鉻含量、浴液溫度。

3 試驗驗證

根據上述模糊物元法的聯系度分析結果進行驗證試驗。即以綜合目標優化組A1B2C3D2工藝參數進行試驗，并同聯系度最高組（第3組；聯系度0.920；工藝參數組合A1B3C3D3）試驗數據進行比較，結果如表11。

從表10可見，優化組與聯系度最高組相比，收縮溫度提高了 3.1%，Cr2O3吸收率提高了3.0%，抗張強度提高了5.9%，柔軟度提高了3.3%，證明優化了結果的有效性。

4 結語

皮革鞣制是酸皮與鉻鞣劑結合生成藍濕皮的過程，是影響皮革成品質量的重要工序。皮革鞣制效果除了與設備性能及酸皮的品質水平有關外，工藝參數的搭配是一個重要因素。文中以轉鼓轉鼓轉速、浴液鉻含量、鞣制時間、浴液溫度4個主要工藝參數為優化對象，以鞣制后皮革的收縮溫度、Cr2O3吸收率、抗張強度、柔軟度4個藍皮質量指標為優化目標，在進行正交試驗獲得數據樣本的基礎上，利用模糊物元對數據進行處理，首先對工藝進行單目標，然后對工藝進行綜合目標優化，得到了優化工藝參數組合。本方法解決了正交試驗數據處理精確度低的問題，使優化結果更加可靠。采用比例標度法確定指標的權重，克服了傳統標度法粒度過大、計算復雜的缺點。試驗驗證了優化結果的有效性。

[1]劉海騰，陳國平，陳杰，等.皮革鞣制機的鉻鞣時間對皮革性能影響的研究[J].中國皮革，2015，44（11）：34-37.

[2]陳杰，楊承杰，賈繼章，等.ND鉻鞣技術參數的優化[J].中國皮革，2011，40（23）：12-14.

[3]黃先軍，模糊物元模型在物流服務商評價與選擇中的應用[J].統計與決策，2015，36（12）：80-82.

[4]劉長良，劉夢瓊.基于改進TOPSIS法的火電機組運行可靠性評價[J].熱力發電，2015，44（5）：1-6.

Optimization of Process Parameters of the Leather Tanning Machine based on Fuzzy Matter Element Analysis

SHU Fu-hua1,WU Liang-chao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering of Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China;2.Wuhan Dapeng Leather Limited Liability Company,Wuhan 430124,China)

An optimization method of leather tanning machine process parameters which orthogonal experiment combined with fuzzy matter element analysis was presented.On the basis of orthogonal experiment data,the experimental data was deal with using matter element analysis to get the best process parameter combination.First,single objective optimization was taken,and the final multi-objective comprehensive optimization was taken.This method overcomes the problem of orthogonal experiment the resolution is not high,to improve the precision of the optimization results.Test the effectiveness of the optimization results.

leather tanning machine;process parameter;matter element analysis;optimization;contact degree

TS 531

A

1671-1602（2016）23-0037-04

舒服華（1964-），男，湖北武漢，碩士，副教授，主要從事輕工機械研究工作。E-mail:cannon777@126.com。