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泰州科德橡胶机械-密炼机:现代橡胶配方优化设计

发布时间:2018-06-07 22:44:00 点击:    编辑:澳门棋牌娱乐游戏平台

1、现代橡胶配方优化设计概念

泰州科德橡胶机械-澳门游戏平台注册网站2018年6月7日讯  所谓橡胶配方设计, 是根据产品的性能要求和工艺条件, 通过试验、优化、鉴定、合理地选用原材料, 确定各种原材料的用量配比关系(我工作室可以按技术指标、样品、使用环境设计合理的配方和生产工艺满足产品实际应用)过去橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积累的经验规律,通过大量而繁复的试验来优化配方,造成大量人力、物力的浪费。随着合成橡胶的出现,硫化、老化、补强、共混等高分子理论的发展,特别是在计算机辅助设计和仪器测试方面开展了大量的工作,使橡胶配合技术有了很大的提高。借助CAD 技术, 配方人员可以根据澳门棋牌娱乐游戏平台设计需求,自动安排试验方案,处理数据以确定一系列变量对橡胶各项性能的定性或定量的影响,进而预测和优选配方, 缩短新产品开发周期, 更好地满足不断变化的市场需求。

对于这样一个复杂的多目标的配方体系,配方的设计理论和试验设计方法就显得尤为重要。试验设计可分为单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计,根据目标优化选择分为单目标最优化问题和多目标最优化问题。

橡胶的配方设计理论,必须具备的两个基本条件:

一、能揭示客观存在的橡胶配方设计的一般性规律;

二、能引导橡胶胶料配方设计实践。

目前,配方设计的基本理论是相关性原理。根据相关性原理,橡胶胶料配方设计的途径为:

首先,利用硫化胶的性能与性能之间的相关关系,寻找并确定与制品使用性能相关的胶料性能;

其次,根据配方组分与硫化胶与混炼胶的性能之间的相关关系,寻找并确定与所需胶料物理机械性能与工艺性能相关的胶料配合组分;

最后完成配方试验。

生胶原材料和配合剂的种类繁多, 若按其功能、品种、等级、牌号等分类则可达数万种以上。橡胶配方设计的重点是如何保持制品的使用性能及加工性能的平衡, 包括试验设计、数学建模、配方优化及质量成本控制等内容。

1. 1试验设计

试验设计是配方设计的基础,是在试验域内最有效地选择试验点, 通过试验得到响应的观测值, 然后进行数据分析求得达到最优响应值的试验条件。运用试验设计方法的目的是对试验因素作合理的、有效的安排,最大限度地减少试验误差,使之达到高效、快速、经济的目的。理想的试验设计方案应当是以尽可能少的试验次数反映尽可能多的信息,试验点在试验空间中的分布要合理,既有一定的均匀性,又便于试验结果的分析与模型的建立。橡胶配方优化研究中最早使用的实验方法是单因子实验,后来是正交设计、正交回归设计。它们在优化设计中的地位与作用是毋庸置疑的。近年来,又出现了许多新型的实验设计方法,如均匀设计法、信噪比实验设计、物理实验设计、数学实验设计等新型的实验设计方法。

试验设计可分为单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计,根据目标优化选择分为单目标最优化问题和多目标最优化问题。

1. 2数学模型

应用计算机及专用辅助设计App系统进行配方设计和分析是一门把数理统计的分析方法橡胶物理化学理论和橡胶工艺学技术结合在一起的复合学科,它不仅要求熟练掌握系统的橡胶物理化学理论基础,而且还要求掌握牢固的数理统计常识及计算机的操作与应用。而计算机的广泛应用以及软、硬件技术的飞速发展,为橡胶配方优化设计提供了强有力的工具。面向信息时代,橡胶工业应该建立新的橡胶配方优化设计概念,充分利用计算机辅助设计技术,最终实现配方设计的信息化、智能化与网络化。

实践证明, 在一定范围内, 制品性能与配方因子之间的关系可用完全二次多项式来表示, 这有力地推动了对配方过程的数学研究与模拟。

1. 3目的

寻求制品性能、工艺可行性和经济效益的综合平衡是目的。由于用于配方优化的数学模型是从生产数据中得到的统计模型, 应选用适当的优化算( 如逐步回归、神经网络、遗传算法等) , 方可获得整个试验范围内的最优配方。此外, 最优配方应具有稳定性, 即实际生产中配方用量在偏离最佳用量后性能值不会有很大变化。

2.橡胶配方的原则和程序

2.1配方原则

橡胶配方设计的原则可以概括如下:

(1)保证硫化胶具有指定的技术性能,使产品优质;

(2)在胶料和产品制造过程中加工工艺性能良好,使产品达到高产;

(3)成本低,价格便宜;

(4)所用的生胶、聚合物和各种原材料容易得到;

(5)劳动生产率高,在加工制造过程中能耗少;

(6)符合环境保护及卫生要求。

任何一个橡胶配方都不可能在所有性能指标上达到全优。在许多情况下,配方设计应遵循如下基本原则:

一、在不降低质量的情况下,降低胶料的成本;

二、在不提高胶料成本的情况下,提高产品质量。

要使澳门棋牌娱乐游戏平台的性能、成本和工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡而用最少物质消耗、最短时间、最小工作量,通过科学的配方设计方法,掌握原材料配合的内在规律,设计出实用配方。

2.2配方程序

(1)基础配方

基础配方又称标准配方,一般是以生胶和配合剂的鉴定为目的。当某种橡胶和配合剂首次面世时,以此检验其基本的加工性能和物理性能。其设计的原则是采用传统的配合量,以便对比;配方应尽可能地简化,重现性较好。基础配方仅包括最基本的组分,由这些基本的组分组成的胶料,既可反映出胶料的基本工艺性能,又可反映硫化胶的基本物理性能。可以说,这些基本组分是缺一不可的。在基础配方的基础上,再逐步完善、优化,以获得具有某些特性要求的性能配方。不同部门的基础配方往往不同,但同一胶种的基础配方基本上大同小异。如下表1、表2中天然橡胶和三元乙丙胶的ASTM基本配方。

      

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在设计基础配方时,ASTM规定的标准配方和合成橡胶厂提出的基础配方是很有参考价值的。基础配方最好是根据本单位的具体情况进行拟定,以本单位积累的经验数据为基础。还应该注意分析同类产品和类似产品现行生产中所用配方的优缺点,同时也要考虑到新产品生产过程中和配方改进中新技术的应用。

(2) 性能配方

又称技术配方。为达到某种性能要求而进行的配方设计,其目的是为了满足产品的性能要求和工艺要求,提高某种特性等。性能配方应在基础配方的基础上全面考虑各种性能的搭配,以满足制品使用条件的要求为准。通常研制产品时所作的试验配方就是性能配方,是配方设计者用得最多的一种配方。

(3)实用配方

又称生产配方。在试验室条件下研制的配方,其试验结果并不是最终的结果,往往在投入生产时会产生一些工艺上的困难,如焦烧时间短、压出性能不好、压延黏辊等,这就需要在不改变基本性能的条件下,进一步调整配方。

实用配方即是在前两种配方(基本配方、性能配方)试验的基础上,结合实际生产条件所作的实用投产配方。实用配方要全面考虑使用性能、工艺性能、体积成本、设备条件等因素,最后选出的实用配方应能够满足工业化生产条件,使产品的性能、成本、长期连续工业化生产工艺达到最佳的平衡。

图 1先容了制定普通实用配方的过程。



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2.3 配方组成及表示方法

橡胶配方简单地说,就是一份表示生胶、聚合物和各种配合剂用量的配比表。但生产配方则包含更详细的内容,其中包括:胶料的名称及代号、胶料的用途、生胶及各种配合剂的用量、含胶率、相对密度、成本、胶料的工艺性能和硫化胶的物理性能等。同一个橡胶配方,根据不同的需要可以用4 种不同的形式来表示,见表3所示。

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(1)基本配方以质量份来表示的配方,即以生胶的质量为100份,其他配合剂用量都以相应的质量份数表示。这种配方称为基本配方,常用于实验室中。

(2)质量分数配方以质量分数来表示的配方,即以胶料总质量为100%,生胶及各种配合剂都以质量分数来表示。这种配方可以直接从基本配方导出。

(3)体积分数配方以体积分数来表示的配方,即以胶料的总体积为100%,生胶及各种配合剂都以体积分数来表示。这种配方也可从基本配方导出,其算法是将基本配方中生胶及各种配合剂的质量分数分别除以各自的相对密度,求出它们的体积分数,然后以胶料的总体积分数为100%,分别求出它们的体积分数。体积分数配方计算示例见表4。

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    (4)生产配方符合生产使用要求的质量配方,称为生产配方。生产配方的总质量常等于炼胶机的容量,例如使用开炼机混炼时,炼胶的容量Q 用下列经验公式计算:

Q=DLγK

式中去Q———炼胶机装胶量,kg;

D———辊筒直径,cm;

L———辊筒长度,cm;

γ———胶料相对密度;

K———系数(0.0065~0.0085)。

Q 除以基本配方总质量即得换算系数:a=Q/(基本配方总质量)

用换算系数a 乘以基本配方中各组分的质量份,即可得到生产配方中各组分的实际用量。

3.橡胶CAD技术

3.1概况

目前橡胶工程领域的计算机应用已趋于普及,不仅广泛地应用在财务及管理上,而且在技术领域中如产品的结构设计、配方设计、模具设计等方面也得到广泛的应用,一般涉及到的是计算机辅助设计CAD技术。近十年来,CAD技术在橡胶工程领域的研究中已形成了众多风格不同的应用App系统,尤其是支撑windows操作系统的专用App系统更加受到了广大技术工编辑的青睐。这些系统不仅操作简单、直观、易学易用,而且将较新的数据库技术应用到了该领域中,可自动实现试验方案的拟定,试验结果的分析,以及配方的优化等。

RCAD全称是Rubber Computer AidedDesign,即橡胶行业相关的计算机辅助设计技术,特指运用计算机辅助橡胶相关设计人员进行产品和工程设计的技术。随着计算机性能的迅速提高,计算机在橡胶行业中的应用日益广泛深入。由于计算机技术的引进,大大促进了设计能力的提高,不但体现了工作效率和质量方面,更体现在先进的计算机技术对传统的工作方式的促进与变革。

国内已有部分大型橡胶企业建立起较完整的CAD系统,设计开发新产品,提高市场竞争能力。另外,少数大型企业采用CAD技术后产生的明显的经济效益,对中小企业的影响十分巨大。它们首先应用计算机和相应的CADApp组成CAD系统,进行产品的配方设计和工程图纸的绘制,与传统设计方法相比提高了效率。同时,应用范围也不断扩大,而且逐步深化。从80年代起,国内一些高等院校和科研机构在橡胶CAD技术领域内进行了大量的研究工作,自行开发了一些实用的CADApp。如青岛科技大学开发的“橡胶配方优化设计系统”、“轮胎消耗定额管理系统”、“轮胎结构设计系统”等。

3.2橡胶配方优化设计App

从上世纪80年代起,青岛科技大学在橡胶配方CAD 技术领域内进行了大量的研究工作,自行研制开发了橡胶配方优化设计系统等实用的配方CAD App。橡胶配方优化设计系统是综合运用橡胶工程、运筹学、概率论和数理统计及计算机科学等理论,结合大量配方设计实际经验开发而成的计算机App系统,属于信息技术在橡胶工业中的高新技术成果。可广泛应用于澳门棋牌娱乐游戏平台配方的研究开发以及工艺参数优化等,是利用信息技术改造传统配方设计的基本工具和手段。

该系统可根据给定的约束条件,自动选择试验点并安排试验方案,使得试验次数尽可能减少,通过对试验数据的处理又能够达到全面试验效果,可以揭示考察因素和考察指标间隐藏的规律、预测不同试验条件下的试验结果、优选配方或最佳工艺条件、对配方进行成本核算等。

3.3橡胶配方优化设计App试验方法

橡胶配方设计的数学方法,包括单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计:(1)单因素变量试验方法,常用的有黄金分割法(0.618 法)、平分法、分批试验法、分数法(裴波那契法)、爬山法、抛物线法等。单因素变量法比较简单,特别是用来鉴定新材料或生产中原材料变动时,只做较少的试验就可做出判断,见效快,试验数据易于处理,通过图表直观比较即可得出结论。正因为如此,这种方法在配方试验中仍然有一定的价值。(2)多因素试验设计方法,例如纵横对折法、坐标转换法、平行线法、矩形法、多角形试验设计法、三角形对影法、列线图法、等高线图形法、正交试验设计法、组合试验设计法、中心复合试验设计法、均匀设计法等。现代配方优化设计又提出了专家系统及模型辅助决策系统自组织原理等概念,并且将神经网络技术、Intemet/Intranet等技术应用到了橡胶配方设计与优化之中。

下面先容一下课程学习过程中用到的几种多因素试验方法。

3.3.1正交试验法

正交试验设计(Orthogonal Design)是利用正交表进行多因素整体设计、综合比较和统计分析的一种重要的数学方法。其特点是将试验点在试验范围内安排得“均匀分散、整齐可比”。“均匀分散”性使得试验点均衡地分布在试验范围内,每个试验点都有充分的代表性;“整齐可比”性使得试验结果的分析十分方便,易于估计各因子的主效应和交互作用。结果分析,一种是直观分析,另一种是方差分析。通过对试验结果(数据)的分析,能够确定以下内容:

(1)对指标影响显著的因子和对指标无关紧要的因子;

(2)对指标最为有利的水平搭配;

(3)在最优水平组合下指标大致的变化范围;

(4)进一步试验的方向。正交试验设计因试验次数至少是试验水平数的平方,比较适合水平数不高的实验安排。

3.3.2回归设计

回归试验设计法是一种处理配方变量因子与因子之间关系的数学方法,通过某种胶料性能响应方程式(回归方程式)建立起自变量(即配方组分)和因变量(即某种胶料的物理性能)之间的联系。显然,用数学回归方程式表达的这种联系,不但有质的相互关系,而且有量的相互关系。通式为:

y=b0+Σbixi+Σbiixi2+Σbijxixj

式中 i ≠j

回归分析的方法,主要解决以下几个方面的问题。

(1)确定几个特定的配方因子变量之间是否存在相关性,如果存在则找出合适的数学表达式。

(2)根据一个或几个配方因子变量的值预测或控制某种物理性能指标的值。反之,也可根据几种物理性能指标的范围,预测或测出一个或几个配方因子变量的值。通过计算可预测或控制可达到的精确度。

(3)进行配方因子的分析,弄清楚这些因子之间的相互关系。找出哪些因子是重要的,哪些是次要的,哪些是可以忽略的,通过方程式求出所需性能的配方因子最佳组合;画出某种性能的等高线;探讨各配方因子变量对性能的影响,从而预测胶料的物理性能等。

3.3.3均匀设计  

正交实验设计缺点是实验次数随着水平数呈二次指数增加。在实验费用昂贵或者为破坏性实验时,人们希翼尽量减少实验次数。20 世纪 7 0 年代末,我国数学家方开泰利用数论方法发明了均匀实验设计法,较好地解决了这一问题。与以前的实验设计法相比,均匀设计法有以下特点:

(1)实验点在实验范围内分布得更均匀,具有很强的代表性;

(2)可以保证在反映事物间主要规律的前提下得到最少试验次数,最适宜多因子多水平的实验优化,而且参与实验的因素和水平越多,均匀设计能最大限度地减少实验次数的优越性越突出;

(3)可应用多种数学模型进行数据处理,如回归分析、遗传算法、神经网络等。

运用均匀设计法进行橡胶配方试验,一般包含以下几个步骤:

(1)根据实验目的,结合专业常识或生产经验,确定需要试验的因子和水平;

(2)根据欲试验的因子和水平数计算出最少需要试验的次数,在选择合适的均匀表;

(3)根据选择的均匀表和均匀表的使用表进行表头设计和安排试验方案;

(4)按试验计划进行试验;

(5)对试验数据进行分析,确定最优配方或最佳生产条件;(

6)根据选取的最有配方或最佳生产条件进行论证。

选择试验设计方法时应注意以下几点:

(1)试验设计应以专业常识为基础,抓住问题的关键所在,确定主要影响因素及其变化范围、关键性指标。

(2)应采用试验次数少、试验点分布合理的设计方法。

(3)采用广义因子变量以减少试验因子数目。如在保持氧化锌和硬脂酸比例不变的情况下改变其总用量,在保持炭黑总用量不变的情况下改变两种炭黑并用比例,在分析海绵胶结构时采用强度对密度的比例未揭示泡沫的结果等。

(4)增加时间漂移量。当试验次数较多、无法保持相同的试验条件时,试验误差会随时间延续而增加,这称为时间漂移。时间漂移量较小时,可归入试验误差;较大时,则应进行单独处理,通常可采用分组法(如正交分组)。

(5)各种试验方法各有优缺点,试验设计也不是一成不变的,应根据实际情况选择合适的实验设计方法。

3.4橡胶配方优化设计App的功能特点

橡胶配方优化设计App的开发需综合运用橡胶工艺学、运筹学、概率论和数理统计及计算机科学等理论,并用大量橡胶配方设计进行实际验证,方可用于澳门棋牌娱乐游戏平台的研究开发以及工艺参数优化等。作为橡胶配方优化设计App, 一般应包含以下功能。

3.4.1数据库管理



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在橡胶配方优化设计App中,数据的种类既可分为试验数据和非试验数据,又可分为当前数据和历史数据。为满足数据共享和实时性要求,需要用数据库管理系统中的数据,这些数据包括原材料、生产配方、试验配方、试验方案、试验数据等。见图2,下层界面的左侧是采用树形结构对配方进行分类管理,右侧显示完整的配方,包括材料名称、材料规格、代号以及用量等。上层为向系统中添加新配方的界面。上方为配方基本信息,左下方为从原材料库中读取的原材料信息, 右下方为配方输入区域,配方中的原材料可以从原材料库中直接调入,实现数据共享, 提高了工作效率,更是对传统配方管理方式的促进和变革。

3.4.2试验设计和建模

为更好的揭示试验数据中隐含的规律,减少配方研制过程中的人力物力的消耗, 使用尽量少的试验代替全面试验,使数据具有更好的代表性。实践发现, 均匀试验设计、正交试验设计、回归试验设计等数理统计方法于橡胶配方设计中均能起到很好的效果。试验设计和建模是根据产品设计的需要, 由配方工程师提出要求, 系统自动选择最优的试验设计方法, 给出试验方案。试验方案用工程进行管理, 每个工程相当于一个分类, 便于试验方案的检索和维护。系统根据用户给定的考察因素和范围自动选择试验点并生成试验方案

3.4.3数据处理

数据处理是对试验中测得的各项性能数据按照建立的数学模型进行运算, 对系统中数据(如试验方案等) 进行存储、调入和维护,绘制性能曲线图及性能等高线图等。

3.4.4性能预测和配方优选

(1)根据输入的原材料用量配比, 系统给出预测的结果。原来设计出一个新的试验条件, 只有实施后才能知道结果, 现在让系统预测一下就知道结果如何, 不好的条件不用做试验, 自认为较好的条件可实际做一下, 这样就节省了时间和经费。

(2)根据给定的性能约束条件, 优选出满足要求的配方性能指标通常是互相牵制的, 某个考察因素的控制值一变, 几个考察指标的值可能都会发生变化, 故要求配方CAD App能把各种考察指标综合考虑, 优选出满足各种考察指标要求的原材料用量配比。见图2, 上层界面中可以输入试验配方对性能的要求, 下层界面显示优选出的满足条件的配方。

3.4.5强大的报表处理能力

橡胶配方优化设计App能够以图形、文档等多种形式输出系统中的各种数据, 并允许用户进行部分定制。

3.4.6与通用App的接口

橡胶配方优化设计App能够将系统中的数据报表自动转换为其它通用App的格式, 如微软 Word、Excel等, 方便进一步编辑、作报告等。

3.4.7数据的备份和恢复

在计算机使用过程中, 不可避免的会出现各种软、硬件故障, 甚至造成数据丢失。所以, 作为一个健壮的App系统, 应该具有强大的数据备份和恢复功能。配方设计者可以很方便的对系统中的数据进行备份, 当出现问题时可以很容易的把备份的数据恢复到系统中。

3.4.8用户管理

为增强数据的安全性, 系统应能够为不同的用户设置不同的使用权限。如把技术主管设置为最高权限, 可以查看系统中所有数据, 配方工程师设置为一般权限, 只能查看自己设计的试验方案等。

4.回归试验设计数据分析

现选取回归试验设计的数据和其中的一个性能指标进行分析。在试验中,水平数是9,2因子,分别是是硫磺和促进剂DCP,下表5是试验方案和测试的性能数据。表6,是试验得到的回归方程。

5.回归试验相关数据

序号

DCP(X1)

硫黄(X2)

Mh-Ml / dN*M

试验1

2.0000

0.3000

16.838

试验2

3.0000

0.3000

18.839

试验3

4.0000

0.3000

20.81

试验4

2.0000

0.4000

16.299

试验5

3.0000

0.4000

19.72

试验6

4.0000

0.4000

22.81

试验7

2.0000

0.5000

15.99

试验8

3.0000

0.5000

18.838

试验9

4.0000

0.5000

21.869

 

6.回归方程

性能名称

     

Mh-Ml

y = 19.629444 +  2.727000(X1) + 0.035000(X2) + 0.476750(X1X2)

 -0.029667(X1^2) -0.745667(X2^2)

对(Mh-Ml)取16.838、16.299、15.99、18.839、19.72、18.838、20.81,绘制性能等高线。由图3可知,在硫磺、DCP的这个试验范围,基本能够满足(Mh-Ml)的性能要求,当DCP用量固定时,硫磺用量变化对(Mh-Ml)的影响较小;当硫磺用量固定时,随DCP用量的增加,(Mh-Ml)的值增大。



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根据上述分析,现将DCP回归设计性能曲线分析



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现固定硫磺用量为0.400phr。由图4所示,硫磺用量固定时,表示交联程度的参数(Mh-Ml)数值随DCP用量的增加,而呈线性增大。

5.结语

橡胶配方设计是个古老的问题,对经验的依赖性很大。电子计算机作为一种新的计算手段,可帮助配方工编辑进行综合性的分析。但是如果认为有了电子计算机,就可以把配方工编辑原来的配方设计经验完全抛弃,那是完全错误的;相反,必须依赖配方工编辑丰富的常识和经验,抓住客观事物的本质,才能把配方因素变化原因找出来。由于这个原因,只懂电子计算机的程序设计和计算操作而不懂橡胶工艺配方的人,将无法运用计算机作配方设计和优选配方。从另一个角度来说,如果配方工编辑掌握数理统计方法和电子计算机程序设计原理,结合经验作系统的配方设计,了解影响配方本质的主要因素,则能够收到很好的效果。

21世纪是高度信息化的时代。而计算机的广泛应用以及软、硬件技术的飞速发展,为橡胶配方优化设计提供了强有力的工具。面向信息时代,橡胶工业应该建立新的橡胶配方优化设计概念,充分利用计算机辅助设计技术, 最终实现配方设计的人工智能化与网络化。


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