費梅花,惲 晨
(南京法寧格節(jié)能科技有限公司,江蘇 南京211132)
XPS泡沫板是以PS為主要加工原料生產(chǎn)的閉孔蜂窩結(jié)構(gòu)的泡沫塑料,由于其具有極低吸水性、低導(dǎo)熱系數(shù)、高抗壓性、抗老化性等高性能指標(biāo),在2010年及2011年一度成為建筑行業(yè)的保溫材料首選。XPS在美國發(fā)展了近70年才傳入中國,雖然國內(nèi)發(fā)展的15年時間,吸引了大量的資金,促進(jìn)了國內(nèi)XPS行業(yè)經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展的十載歷程,但由于大量投入的資本多用于購置生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)原料,而忽略了相配套的人才與技術(shù)的引入,導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)高水平技術(shù)幾乎均掌控在外資企業(yè)手中。
目前,國內(nèi)生產(chǎn)的XPS泡沫板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于墻體保溫、鐵路路基、公路路基、渠道河床等領(lǐng)域[1]。而國內(nèi)關(guān)于XPS的理論研究多集中在阻燃技術(shù)、墻體保溫系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面,對于生產(chǎn)過程的控制涉及較少,而在實際的生產(chǎn)過程中卻常出現(xiàn)產(chǎn)品的壓縮強度長時間浮動在訂單要求的區(qū)間之外的現(xiàn)象,由此造成了生產(chǎn)的成本的大幅提高。
GPPS新料,535N,熔體流動速率3.7g/10min,維卡軟化點溫度為98.3℃,寧波臺化塑料有限公司;
GPPS回收料,熔體流動速率6~30g/10min,市售;
成核劑,WF-101,江蘇群鑫粉體材料有限公司;
氟利昂,R22/R1426(40/60混配),浙江藍(lán)天環(huán)保氟材料有限公司;
液態(tài)CO2,南京吉恩化工有限公司。
XPS泡沫板生產(chǎn)線,F(xiàn)S75T/200C,CO2生產(chǎn)線,1號機(jī)(雙螺桿擠出機(jī),螺桿直徑為75mm,長徑比32∶1),2號機(jī)(單螺桿擠出機(jī),螺桿直徑為200mm,長徑比36∶1),南京法寧格節(jié)能科技有限公司。
式中 y——因變量,A產(chǎn)品的下線抗壓
b0、b1、…bm——常量及自變量的待定系數(shù)
xi——影響XPS泡沫板的最終抗壓的可量化統(tǒng)計的自變量
本次測算待定系數(shù)采用最小二乘法確定,本文研究選用了7個預(yù)報因子,因此m=7。
2.1.1 變量的選取與說明
XPS泡沫板內(nèi)部為連續(xù)均勻的閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu),其壓縮強度主要由A產(chǎn)品的泡孔直徑、泡孔密度、泡孔壁強度等3個因素決定[2]。泡孔直徑主要由發(fā)泡劑量、二號機(jī)溫度、熱交換器溫度、系統(tǒng)壓力等決定,泡孔密度由成核劑量、發(fā)泡劑量、系統(tǒng)壓力等決定,泡孔壁強度由PS的混合程度、PS的維卡軟化溫度等決定。本文在構(gòu)建其壓縮強度模型時,共選擇分別影響XPS泡沫板泡孔直徑、密度及泡孔壁強度等3大類共9個變量,如表1所示。
表1 影響XPS泡沫板壓縮強度的變量說明Tab.1 Variable description of the compressive strength of XPS
2.1.2 數(shù)據(jù)的收集與整理
本文的研究數(shù)據(jù)來自實際生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù),此處選取5cm厚度的XPS泡沫板生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為研究對象。由于生產(chǎn)時的工藝參數(shù)是在各自配方產(chǎn)生的摩擦力及發(fā)熱量實時調(diào)整的結(jié)果,導(dǎo)致配方不同,其投料量可能不同。為保證統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可比性,將不同投料量下的工藝參數(shù)以500kg/h的投料量作為標(biāo)準(zhǔn),先換算調(diào)整,以保證用于研究的數(shù)據(jù)在相同的投料量下進(jìn)行回歸研究。
2.2.1 模型的參數(shù)估計
對上述數(shù)據(jù)運用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計,通過SPSS 18.0統(tǒng)計軟件對整理后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元線性回歸,運算結(jié)果如表2所示。該模型擬合優(yōu)度檢驗的可決系數(shù)R2=0.824,修正的擬合可決系數(shù)R2=0.805,這表明相關(guān)系數(shù)檢驗通過,說明此次選取的變量建立的線性回歸模型能很好的解釋該規(guī)格XPS泡沫板的壓縮強度性能,擬合后的輸出結(jié)果如表2所示。
根據(jù)表2可以確定上述多元線性回歸方程為:
表2 線性回歸系數(shù)表Tab.2 Coefficient of linear regression
2.2.2 回歸模型的評估
為了驗證1.2.1小節(jié)所建立的多元線性回歸方程的可靠性,選取2012年7月份生產(chǎn)5cm厚的10組數(shù)據(jù)帶入(2)式的回歸方程中進(jìn)行檢驗,獲得如表3所示的結(jié)果。
在表3中,我們發(fā)現(xiàn),編號1?!?#數(shù)據(jù)記錄所預(yù)測的壓縮強度值與實測的壓縮強度值最大差值為31kPa,最小差值僅為0.5kPa,XPS泡沫板在生產(chǎn)過程中其壓縮強度可浮動偏差為50kPa,可見預(yù)測的回歸方程對新料比例在65%及以上的配方的XPS泡沫板抗壓具有很好的指導(dǎo)和解釋作用。但仍發(fā)現(xiàn)編號6#~10#中預(yù)測差值較大,主要是由于用于生產(chǎn)回收料的原材料品質(zhì)各不相同,其相對分子質(zhì)量相差較大,導(dǎo)致了其熔體流動速率在6~30g/10min這一較大范圍內(nèi)波動,但是每次生產(chǎn)前無法對每包回收料進(jìn)行檢測,導(dǎo)致記錄的熔體流動速率與實際值有所偏差,對最終的預(yù)測結(jié)果影響較大。
表3 驗證回歸方程可靠性Tab.2 Regression equation of the reliability
行業(yè)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)前所做的工作即為準(zhǔn)備原料、發(fā)泡劑、檢查機(jī)器等,卻不會在生產(chǎn)前計算該批次訂單的工藝參數(shù)。由于擠出成型的特殊性,其生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行,每次開機(jī)機(jī)器升溫需3h,開始投料到產(chǎn)品成型少則需要2h,多則4~5h,由于整個調(diào)試的過程均建立在操作人員的個人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,其時間的長短一方面為設(shè)備原因?qū)е?,另一部分與操作人員理論水平有直接的關(guān)系。
由于前期沒有確定相應(yīng)訂單所使用的工藝參數(shù),即使在產(chǎn)品已經(jīng)成型時,其物理性能很多時候也無法達(dá)到訂單的要求,而實驗室的物理性能檢驗還需要至少30min,在檢驗結(jié)果反饋至操作人員后,操作人員再繼續(xù)調(diào)整工藝參數(shù),接著實驗室再檢測,直至產(chǎn)品性能達(dá)到訂單的要求,整個過程的長短與完全掌握在操作人員的經(jīng)驗豐富程度上,有時候由于其經(jīng)驗不足,其很多操作的調(diào)整反而是往所需要的相反方向調(diào)整。
筆者認(rèn)為在掌握一定量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)之后,完全可以在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立回歸模型,對配方已經(jīng)確定的訂單使用多元線性回歸模型進(jìn)行壓縮強度性能的預(yù)測,本小節(jié)繼續(xù)以5cm厚度的XPS泡沫板的壓縮強度為例進(jìn)行仿真預(yù)測。
圖1是壓縮強度預(yù)測系統(tǒng)的運作流程,每一個流程都需要運行各自的程序代碼來實現(xiàn)。
本系統(tǒng)是建立在SPSS軟件對于原有生產(chǎn)數(shù)據(jù)回歸模型的基礎(chǔ)上實施預(yù)測。由于不同型號產(chǎn)品的系統(tǒng)壓力、溫度、主機(jī)頻率、冷卻水量等有較大差別,因此對不同型號產(chǎn)品分析時需進(jìn)入“擬合系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)”設(shè)置本次預(yù)測模型方程中的常數(shù)項及因變量系數(shù)。本次預(yù)測仿真基于實際生產(chǎn),由于涉及商業(yè)機(jī)密的緣故,在預(yù)測結(jié)果輸出中不包含調(diào)整方案。但是在實際生產(chǎn)中,應(yīng)設(shè)定預(yù)測的期望值,系統(tǒng)輸出預(yù)測結(jié)果時,應(yīng)給出基于自變量對因變量的影響程度及因子間的對應(yīng)關(guān)系而計算出的調(diào)整最佳方案。
圖1 預(yù)測模型運作流程Fig.1 Prediction model of the process
圖2為預(yù)測系統(tǒng)的主界面,在主界面上分布“工藝參數(shù)錄入系統(tǒng)”、“方程系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)”及“壓縮強度預(yù)測系統(tǒng)”,操作人員可以根據(jù)不同的需求,分別進(jìn)入相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)?!邦A(yù)測系統(tǒng)”讀取的是數(shù)組a[i][j]中的數(shù)據(jù),即從主界面中直接進(jìn)入時,顯示的結(jié)果為上次工藝參數(shù)或預(yù)測模型下的輸出結(jié)果,當(dāng)新一組數(shù)據(jù)從錄入系統(tǒng)進(jìn)入時,預(yù)測系統(tǒng)讀取數(shù)組a[i+1][j]中的數(shù)據(jù)。“方程系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)”采用覆蓋式的數(shù)據(jù)存儲方式,即新方程系數(shù)輸入時,前一個方程的系數(shù)值將被覆蓋。
圖2 壓縮強度預(yù)測系統(tǒng)Fig.2 Compression strength prediction system
圖3為工藝參數(shù)采集系統(tǒng),在本節(jié)的仿真中選取熔指、熱交換器溫度、1號機(jī)頻率、2號機(jī)頻率、冷卻水量、氟利昂量、CO2量等7個自變量Xi,預(yù)測因變量——壓縮強度。此外,采集系統(tǒng)中還包括投料量信息的采集,主要是由于生產(chǎn)同一規(guī)格產(chǎn)品時由于投料量的不同,造成了工藝參數(shù)也有較大的差別。因此在后期的運算過程中,可根據(jù)投料量情況,先對工藝參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以減小預(yù)測的誤差。
圖3 工藝參數(shù)采集系統(tǒng)Fig.3 Process parameter acquisition system
圖4擬合系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)主要是針對變更不同型號產(chǎn)品時重新設(shè)定回歸的方程設(shè)置,圖中界面上的數(shù)據(jù)值是厚度為5cm的工藝數(shù)據(jù)回歸后所得的常數(shù)項及自變量系數(shù)。在這里添置擬合系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)主要是考慮到生產(chǎn)同一規(guī)格產(chǎn)品時由于氣候、設(shè)備異常等原因造成工藝參數(shù)變化而需要對擬合的模型進(jìn)行調(diào)整。工藝參數(shù)采集系統(tǒng)及擬合系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)均采用If...then...函數(shù)[3]作為宏命令中的主體運算邏輯。
圖4 擬合系數(shù)設(shè)定系統(tǒng)Fig.4 Fitting coefficient setting system
圖5為預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行運算后輸出的彈窗,“預(yù)測系統(tǒng)”通過Sub JS()宏命令進(jìn)行觸發(fā),利用Range函數(shù)、賦值運算等方法調(diào)用數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置的數(shù)組值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化運算,并將標(biāo)準(zhǔn)化值帶入多元回歸方程中求值,最后通過MsgBox函數(shù),向系統(tǒng)外部輸出結(jié)果。
圖5 預(yù)測結(jié)果圖Fig.5 The prediction results
在使用該預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測時,可先根據(jù)不同熔體流動速率的原料在料筒內(nèi)的阻力值關(guān)系,計算投料量范圍,再根據(jù)發(fā)泡劑與PS投料量之間較為穩(wěn)定的比例關(guān)系,計算氟利昂及CO2注入量范圍。依據(jù)同樣的方式,先行確立將要運算的自變量范圍,最后再帶入該預(yù)測模型進(jìn)行不斷的調(diào)整。
將多元回歸引入擠出成型的生產(chǎn)過程,利用原有生產(chǎn)數(shù)據(jù)確立多元回歸模型,并以擬合的多元回歸模型為基礎(chǔ),搭建以Excel軟件為平臺的預(yù)測系統(tǒng),設(shè)計壓縮強度預(yù)測系統(tǒng),使得在生產(chǎn)前可以根據(jù)訂單要求對擬使用的PS原料的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行測算,另一方面也可以引導(dǎo)開機(jī)手由口耳相傳的師徒培養(yǎng)模式向科學(xué)的理論方向發(fā)展。根據(jù)表1中變量的預(yù)計方向與實際回歸結(jié)果的偏差可知,僅憑借經(jīng)驗進(jìn)行生產(chǎn),有時造成的不僅僅是原材料的浪費,還會帶來無頭緒的產(chǎn)品品質(zhì)控制問題。
(1)2號機(jī)頻率與壓縮強度關(guān)系
從我們先期的理論角度對各自變量進(jìn)行說明時,認(rèn)為提高2號機(jī)頻率將會增加螺桿與熔體的剪切熱,因而會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)熔體溫度的上升,最終降低壓縮強度。但是通過回歸模型分析發(fā)現(xiàn),1號機(jī)的頻率與壓縮強度呈正比例關(guān)系,從設(shè)備構(gòu)造我們可以發(fā)現(xiàn),由于2號機(jī)主要作用為冷卻發(fā)泡,其桶壁包覆著冷卻水套,循環(huán)冷卻水在冷卻水套中不停的循環(huán)以帶走一部分熱量,在提高螺桿轉(zhuǎn)速時可以充分將熔體溫度傳遞至桶壁以提高冷卻水的作用,在這里我們可以得到這樣的結(jié)論:冷卻水帶走的熱量比螺桿頻率提升產(chǎn)生的剪切熱量要高。
(2)發(fā)泡劑(氟利昂)量與壓縮強度關(guān)系
在生產(chǎn)過程中,我們通常認(rèn)為增加發(fā)泡劑的注入量一方面可以降低熔體溫度,另一方面可以提高系統(tǒng)壓力,以提高產(chǎn)品的壓縮強度。但是通過回歸模型分析發(fā)現(xiàn),氟利昂與壓縮強度存在反比例關(guān)系,由于在生產(chǎn)時機(jī)器對當(dāng)時使用原料的吃料量是有上限的,在PS量一定時,其氟利昂量也一定,每提高1Hz的注入頻率,就將促使熔體內(nèi)包覆的氣體壓力繼續(xù)增加,當(dāng)從模頭釋放出來時,熔體所面臨的壓力降越大,導(dǎo)致了成型后的泡孔也越大,泡孔壁也越薄。另外,由于氣泡內(nèi)壓力過高,并泡現(xiàn)象將可能增加,這2個方面的原因均會造成產(chǎn)品的壓縮強度下降。
從文中單獨對分析結(jié)果和預(yù)測結(jié)果中與因變量相反比例關(guān)系的分析中我們可以發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,由于其受到多個因素的作用,且各因素可能會同時產(chǎn)生正反兩種作用。只有在通過大量的數(shù)據(jù)記錄與分析之后才能最終確定該因素對因變量的作用效果,而不能僅憑生產(chǎn)經(jīng)驗或者主觀推斷來進(jìn)行生產(chǎn)。
本文中Excel軟件為平臺使用VBA語言進(jìn)行壓縮強度預(yù)測的輸入界面、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析、導(dǎo)出等的設(shè)計,使用該系統(tǒng),可以對即將投入生產(chǎn)的已知原料的輸出壓縮強度性能進(jìn)行預(yù)測,便于在生產(chǎn)前先行確定需要生產(chǎn)的工藝參數(shù),為后期生產(chǎn)調(diào)整提供一定的參考。
雖然文中已經(jīng)模擬XPS泡沫板的壓縮強度指標(biāo)的預(yù)測系統(tǒng),但這只是初步的研究工作。擠出成型中需要考慮的因素很多,在后期的研究中應(yīng)該進(jìn)一步擴(kuò)大思考的范圍,充分考慮各方面的影響因素,在必要時應(yīng)先做因子分析等工作,只有提高回歸方程的可靠性,才能對生產(chǎn)做出其該有的正確預(yù)測和指導(dǎo)。其次在對特性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測時,還應(yīng)根據(jù)預(yù)測期望和預(yù)測結(jié)果系統(tǒng)自動給出可供參考的修正的意見,理論服務(wù)于生產(chǎn),希望在未來有更多的理論著眼于擠出成型的研究,將國內(nèi)中小企業(yè)迫切需要的技術(shù)普及化,全面提高行業(yè)的過程品質(zhì)控制能力及水平。
(1)原料、工藝均影響XPS泡沫板壓縮強度,其中2號機(jī)頻率及發(fā)泡劑注入量為主要影響因素;
(2)通過SPS軟件建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)回歸模型基礎(chǔ)上對板材壓縮強度進(jìn)行預(yù)測,可得到較為準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)果,也可為生產(chǎn)工藝調(diào)整提供參考,幫助企業(yè)提高生產(chǎn)過程控制。
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