二次回归正交旋转组合设计优化废橡胶辊筒粉碎机效率

陈 洋， 连永祥， 李 新

(沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳110142)

粉碎是废橡胶再利用的主要工序，其主要设备是辊筒粉碎机.对于废橡胶粉碎的研究，现在主要集中在如何提高粉碎效率和降低能耗等问题上.提高粉碎效率主要从两方面考虑:一是对粉碎主要设备(辊筒粉碎机等)本身参数优化改进;二是在废胶料中添加适量的一种或几种混合的助磨剂，借助助磨剂来提高粉碎效率.本实验主要通过改变辊筒粉碎机辊筒速比、辊筒转速、辊筒间距3个参数，来提高粉碎效率.通过二次回归正交旋转组合设计优化技术参数，选出粉碎效率最高的一组或几组数据.

1 实验主要设备

ZG-160双滚筒开炼机，电子秤，标准筛，测辊距的塞尺，计时表.

2 实验

辊筒粉碎机工作时，2个辊筒以不同的转速相向回转.废胶料放于辊筒上方，由于辊筒表面的摩擦和黏附作用而被带入辊隙内，在辊隙内胶料受到强烈的挤压，剪切以致粉碎［1］.基于上述原理，在相同粉碎条件下，研究不同性能参数对废橡胶粉碎粒径的影响，并且通过正交回归旋转组合优化方法确定适合废橡胶粉碎的基本性能参数.

2.1 实验材料和实验方案

(1)实验材料:实验材料用废硫化胶胶边.

(2)实验方案:应用三元二次回归正交旋转组合设计法研究辊筒速比、辊筒速度、辊筒间距3因素对橡胶粉碎效率影响的方程式.在实验中辊筒速比可调的范围为0.6～3，辊筒转速可调范围为3～15 r/s，辊筒间距调节范围为0.9～4 mm.具体方案见表1.

2.2 实验因素编码表设计

表1 二次回归旋转组合实验设计因素编码Table 1 Table of quadratic regression orthogonal rotary

3 实验结果与分析

3.1 二次回归正交旋转组合实验

胶粉依据粉碎粒度的大小，一般可分为粗胶粉(40目以下)、细胶粉(40～79目)、微细胶粉(80～200目)、超微细胶粉(200目以上).依据实验设备的技术参数，确定因素编码水平范围，采用二次回归正交旋转组合设计，以粉碎得到40目以下的胶粉的质量为指标，取辊筒速比、辊筒转速、辊筒间距作为考察的3个因素，共进行23次实验，每组实验重复6次，取其平均值［2］.

根据因素数m=3选择合适的正交设计表进行实验方案设计，并记录实验结果(如表2).

表2 实验设计及结果Table 2 Table of experimental design and results

3.2 三元二次回归方程的建立与检验

采用三元二次回归正交旋转组合实验设计对废橡胶粉碎进行优化.对表2结果进行统计分析，选用Excel对数据进行处理.分析结果如表3～表5所示.

表3 回归统计结果Table 3 Regression results

表4 方差分析结果Table 4 Analysis of variance results

由表3～表5可得回归系数依次为:55.44，－37.46，－3.54，－2.78，0.42，4.17，－0.07， 7.46，0.18，－0.95，得到影响废橡胶粉碎效率(y)与辊筒粉碎机辊筒速比(x1)、辊筒转速(x2)和辊筒之间的间距(x3)的回归方程:

表5 系数分析结果Table 5 Coefficient analysis results

复相关系数R=0.989以及方差分析的结果，说明所建立的回归方程非常显著.根据表5中偏回归系数的“P值”可知，偏回归系数 －37.46、－3.54、7.46、0.18对应的P值＜0.01，偏回归系数0.42对应的P值在0.01与0.05之间，所以，因素x1和x2对实验指标有非常显著的影响，二因素的交互作用x1x2也对实验指标有显著的影响.

因素影响重要性分析:对数据进行处理，得到三因素的回归平方和分别为SS1=19 165.61，SS2=171.16，SS3=105.55.表明因素影响的重要性顺序为x1＞x2＞x3，即辊筒速比＞辊筒转速＞辊筒间距［3］.

3.3 二因素间的交互效应分析

从回归系数的显著性检验可以看出:辊筒速比和辊筒转速的互作效应对废橡胶粉碎效率影响明显，对其作图，可直观地分析各因子的互作效应.

辊筒速比与辊筒转速二因素间的互作效应分析如图1所示.将辊筒转速固定到零水平的条件下，开始随着辊筒速比的增加，废橡胶粉碎率逐渐降低，当达到一定程度(x1=2，x2=10 r/s)时，废橡胶粉碎效率达到最小值(3.2%)，但随着继续增加，废橡胶粉碎效率又逐渐增大.将辊筒速比设置零水平时，随着辊筒转速的增加，废橡胶粉碎效率逐渐减少，但辊筒转速达到5 r/s时，继续增加辊筒转速，废橡胶粉碎效率会增大.所以，只有它们取值适中时，废橡胶粉碎效率才能获得最高值，即粉碎效果最好.

图1 辊筒速比和辊筒转速对废橡胶粉碎效率的影响Fig.1 The influence of roller speed ratio and roller speed to the grinding efficiency of scrap rubber

3.4 最优实验方案的确定

根据极值的必要条件:

解得x1=1.7，x2=8 r/s，x3=2 mm时，实验指标y值为16.5%，这时是辊筒粉碎机粉碎效率的最优值.但由于材料质量和辊筒间距测量中存在一定的误差，导致最优解还有待继续检验.

4 结论

(1)通过二次回归正交旋转组合设计，建立了废橡胶粉碎效率与辊筒速比、辊筒转速、辊筒间距3因素的回归方程，此模型在实验范围内能较准确地预测废橡胶粉碎的效率.

(2)在实验范围内，对废橡胶粉碎效率影响的顺序依次为:辊筒速比＞辊筒转速＞辊筒间距.

(3)通过对废橡胶粉碎效率的优化得出最佳粉碎参数为:辊筒速比为1.7，辊筒转速为8 r/s，辊筒间距为2 mm.

［1］ 巫静安，李木松.橡胶加工机械［M］.北京:化学工业出版社，2006:5－33.

［2］ 潘丽军，陈锦权.试验设计与数据处理［M］.南京:东南大学出版社，2008:221－232.

［3］ 李云雁，胡传荣.实验设计与数据处理［M］.北京:化学工业出版社，2008:171－201.