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  • 螺桿正交設計

  • 發布日期:2016-07-01
  • 摘要:

      正交設計起源于1926年,它是按照一定的規律(正交表)用最少的實驗次數尋求最佳實驗效果的科學方法。其具體做法是在分析影響產量和質量的各因素的基礎上,將每個因素選擇需要的水平數,然后按正交表所示組合原則進行實驗。這種設計規律使得將沒一個因素的每一個水平之間搭配得非常均勻,沒一個水平都得到相同的考察次數,因此按這樣設計規律進行的試驗便能用最少的實驗次數得到全試驗領域中最佳的實驗結果。除此以外,通過正交設計還能分析幾個實驗因素中哪個是主要因素,并且進一步分析出效果更好的實驗方案。

     影響屏障型混煉元件的剪切和混合性能的主要參數有四個:剪切間隙△、流通截面F、剪切長度l和槽數w,而屏障長度L本身并不是一個獨立的變量(F=L*△*w,)。
     為了摸索屏障型混煉元件的合理參數,我們不得不對各個參數的各個水平都進行試驗??梢宰C明:如果對上述四個參數都選擇三個水平來進行試驗,那么必須設計34=81個混煉元件并進行81次試驗。顯然,無論就機械加工、實驗人力、時間消耗和塑料消耗來說,這樣的實驗方案將是不可取的。但是按正交設計規律,在對四個因素、每個因素選擇三個水平的條件下,從理論上說,只須設計九個混煉元件便能通過實驗和分析找出81個混煉元件中參數最合理的一個。為此,我們在國外文獻報導的一些片斷資料基礎上 ,根據分析對四個因素各選了三個水平如表13-1所示。
     

    屏障型混煉元件的試驗參數

     

     正交設計在螺桿設計上的應用(1)中,表13-1各因素的三個水平是分析各參數對料流阻力、產量、功率消耗和溫升的影響所確定的。顯然這些參數的水平數選擇得正確與否是很重要的。例如流道截面F所選的0.84、1.12和1.40cm2三個水平分別等于計量段螺槽截面面積的60%,80%和100%,這樣我們實際上研究了不同壓縮程度與不同阻力的影響。又如,按表13-1的水平設計的混煉元件實際上是形成了不同壓縮程度與不同阻力的影響。又如,按表13-1的水平設計的混煉元件實際上是形成了從小到大的不同的剪切速率γ剪切強度K(按式10-7和10-8計算),組成了能量轉換程度不一的九個混煉元件,這樣實際上是研究了不同剪切速率γ和不同剪切強度K對擠出過程的影響。

     將表13-1中的四因素三水平填入L9(34)正交表(L代表正交,L9代表9次試驗,4代表因素數,3代表水平數),得到本次試驗的九個屏障型混煉元件的參數組合如表13-2所示。但需要說明:表13-2中1#和4#元件由于屏障長度L過大估計不會得到良好的擠出效果,6#元件加工出后尺寸與9#相差無幾,因此這三個元件被人為地刪去,參加試驗的僅六個混煉元件。
     從表13-2和圖10-16和10-17的分析可以得出下列論:
    1. 在進行試驗的六個屏障型元件中,就產品Q,單耗N/Q,溫升T和徑向溫差△T1四項指標綜合比較,均以8#元件為最優。而且轉速愈高性能也愈好,這證明8#是一種高速適應性強的優質螺桿。
    2. 可以分析,8#(還有9#)性能較好的原因在于剪切速率γ和剪切強度K都較小。這樣是否可以認為對塑化比較容易的聚烯烴而言γ和K不宜過大,否則便會導致由于阻力過大使得產量下降、溫升和單耗增加的惡果。
    3. 從極差的計算可以看出,就四個指標來看各因素的影響都按C>A>D>B的次序來區分主次。而C與A(流通截面F和間隙△)的影響又遠比D和B(剪切長度1和槽數w)為大。這說明:C和A是比較重要的因素,在設計中要特別注意這兩個參數的選擇.
    4. 從水平選擇來說,各個因素應按表13-3所示的來考慮.經綜合比較后可以認為,最好能以A3B2C1D1另行制造一屏障型混煉元件和8#(A3B2C1D3)或9#(A3B3C1D1)對比,從正交設計的原理上來講A3B2C1D1應該能得到更好的結果.但由于未設計的A3B2C1D1與8#僅剪切長度1相差一點,估計效果不會相差很多,因此未按此新水平重行試驗.
    從上面的示例可以看出,在螺桿設計和試驗中,正交設計確是一種簡易可行的方法.
     試驗結果正交分析

     

     

      正交設計在螺桿設計上的應用(1)中,表13-1各因素的三個水平是分析各參數對料流阻力、產量、功率消耗和溫升的影響所確定的。顯然這些參數的水平數選擇得正確與否是很重要的。例如流道截面F所選的0.84、1.12和1.40cm2三個水平分別等于計量段螺槽截面面積的60%,80%和100%,這樣我們實際上研究了不同壓縮程度與不同阻力的影響。又如,按表13-1的水平設計的混煉元件實際上是形成了不同壓縮程度與不同阻力的影響。又如,按表13-1的水平設計的混煉元件實際上是形成了從小到大的不同的剪切速率γ剪切強度K(按式10-7和10-8計算),組成了能量轉換程度不一的九個混煉元件,這樣實際上是研究了不同剪切速率γ和不同剪切強度K對擠出過程的影響。
     將表13-1中的四因素三水平填入L9(34)正交表(L代表正交,L9代表9次試驗,4代表因素數,3代表水平數),得到本次試驗的九個屏障型混煉元件的參數組合如表13-2所示。但需要說明:表13-2中1#和4#元件由于屏障長度L過大估計不會得到良好的擠出效果,6#元件加工出后尺寸與9#相差無幾,因此這三個元件被人為地刪去,參加試驗的僅六個混煉元件。
     從表13-2和圖10-16和10-17的分析可以得出下列論:
    1. 在進行試驗的六個屏障型元件中,就產品Q,單耗N/Q,溫升T和徑向溫差△T1四項指標綜合比較,均以8#元件為最優。而且轉速愈高性能也愈好,這證明8#是一種高速適應性強的優質螺桿。
    2. 可以分析,8#(還有9#)性能較好的原因在于剪切速率γ和剪切強度K都較小。這樣是否可以認為對塑化比較容易的聚烯烴而言γ和K不宜過大,否則便會導致由于阻力過大使得產量下降、溫升和單耗增加的惡果。
    3. 從極差的計算可以看出,就四個指標來看各因素的影響都按C>A>D>B的次序來區分主次。而C與A(流通截面F和間隙△)的影響又遠比D和B(剪切長度1和槽數w)為大。這說明:C和A是比較重要的因素,在設計中要特別注意這兩個參數的選擇.
    4. 從水平選擇來說,各個因素應按表13-3所示的來考慮.經綜合比較后可以認為,最好能以A3B2C1D1另行制造一屏障型混煉元件和8#(A3B2C1D3)或9#(A3B3C1D1)對比,從正交設計的原理上來講A3B2C1D1應該能得到更好的結果.但由于未設計的A3B2C1D1與8#僅剪切長度1相差一點,估計效果不會相差很多,因此未按此新水平重行試驗.
    從上面的示例可以看出,在螺桿設計和試驗中,正交設計確是一種簡易可行的方法.
     試驗結果正交分析

     

     
     
     

    標簽: 螺桿制造(21) 螺桿加工(18)

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