袁 峰， 張艷輝， 李帥遠(yuǎn)

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 鄭州 450001)

我國(guó)是人造金剛石的生產(chǎn)大國(guó)，人造金剛石不僅產(chǎn)量穩(wěn)居世界首位，而且質(zhì)量也達(dá)到世界先進(jìn)水平[1]。然而在人造金剛石生產(chǎn)中，從已完成合成工序的金剛石合成塊中提取合成棒的方式，以手工分離提取為主，其效率較低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

金剛石合成塊的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[3]。金剛石合成塊主要由葉蠟石杯、白云石杯、導(dǎo)電鋼圈、石墨片、石墨芯柱等組成，其中，石墨片和石墨芯柱一起構(gòu)成了合成棒[2]。所有的合成塊均由相同的部件組成并在六面頂壓機(jī)內(nèi)完成金剛石合成工序，所以待分離的合成塊具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)研發(fā)金剛石合成塊自動(dòng)化分離設(shè)備是行業(yè)內(nèi)眾多企業(yè)的需求。

圖1 合成塊模型圖

1 設(shè)備方案的評(píng)估指標(biāo)體系

目前，金剛石合成塊自動(dòng)化分離設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究在國(guó)內(nèi)外屬于空白領(lǐng)域，按照需求進(jìn)行自動(dòng)化分離設(shè)備的非標(biāo)設(shè)計(jì)是國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)的需求。提出對(duì)設(shè)備的需求后，需要采取一定的方法與手段，對(duì)設(shè)計(jì)方案所涉及的過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行事實(shí)判斷和價(jià)值認(rèn)定[4]。根據(jù)對(duì)設(shè)備的要求，提出由功能性要求、經(jīng)濟(jì)性要求以及使用性要求組成的評(píng)估指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 功能性要求

設(shè)計(jì)金剛石合成塊自動(dòng)分離設(shè)備，目的是自動(dòng)化分離石杯并分類收集石杯碎塊、導(dǎo)電鋼圈和合成棒。與此同時(shí)，合成棒要保證不能破損。其功能性要求是首要的設(shè)計(jì)因素，主要包括石杯破碎效果、自動(dòng)分類效果和對(duì)合成棒的破壞程度。

(1)石杯破碎效果。合成棒主要被葉蠟石杯和白云石杯包裹著。設(shè)計(jì)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)石杯的破碎效果是不同的，破碎效果的優(yōu)劣也影響著后續(xù)的下一級(jí)分離效果，如分離包裹著合成棒的石墨片的效果。

(2)自動(dòng)分類效果。合成棒外層包裹了一層石墨片，還需進(jìn)行下一級(jí)分離。因此，需要將合成棒單獨(dú)分離出來(lái)，自動(dòng)分類的效果影響下一級(jí)分離的分離效果。

(3)對(duì)合成棒的破壞性。合成棒需要進(jìn)行下一級(jí)的分離以剝離外層的石墨片，自動(dòng)化生產(chǎn)需要保證工件的一致性。若合成棒在石杯分離過(guò)程中產(chǎn)生隨機(jī)性的破壞，則會(huì)對(duì)石墨片的剝離產(chǎn)生極大的影響。

1.2 經(jīng)濟(jì)性要求

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也是設(shè)備非標(biāo)設(shè)計(jì)的重要考量指標(biāo)之一。根據(jù)對(duì)金剛石合成塊自動(dòng)化分離設(shè)備的需求，設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性要求主要有分離效率要求、機(jī)電控制程度要求、占地體積要求。

(1)分離效率。在人造金剛石的生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)工人往往需要控制數(shù)十臺(tái)六面頂壓機(jī)，還需要破開(kāi)合成塊并觀察合成棒內(nèi)金剛石的合成狀況，以便于及時(shí)調(diào)整六面頂壓機(jī)的工作參數(shù)，保證人造金剛石的產(chǎn)量達(dá)到較高值。較快的分離速度可使工人盡快地進(jìn)行下一步工作。

(2)機(jī)電控制程度。設(shè)備需要盡可能地少用機(jī)電控制來(lái)完成工作，盡可能依靠機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)滿足自動(dòng)分離的要求。機(jī)電控制程度對(duì)設(shè)備的研發(fā)成本有很大的影響。

(3)占地體積。設(shè)備安置在合成車間，安置在眾多六面頂壓機(jī)當(dāng)中。因此自動(dòng)化分離設(shè)備不能占據(jù)過(guò)大的體積。

1.3 使用性要求

設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也要考慮使用性的要求。任何設(shè)備儀器都要在一定的壽命內(nèi)進(jìn)行可靠的工作。同時(shí)，設(shè)備出現(xiàn)了故障也要便于及時(shí)排除。對(duì)于操作工人來(lái)說(shuō)，安全性的保障非常重要。設(shè)置使用壽命、維護(hù)便利程度、操作安全性為指標(biāo)，考量方案的使用性[5]。

(1)使用壽命。設(shè)備的使用壽命主要由易損部件的使用壽命決定。不同的設(shè)計(jì)方案中存在不同的易損部件，對(duì)比易損部件的使用壽命是考量方案的因素之一。

(2)維護(hù)便利程度。設(shè)備在工作過(guò)程中出現(xiàn)故障，需要盡快排除。若設(shè)備無(wú)法及時(shí)地恢復(fù)正常工作，則需要進(jìn)行人工分離，會(huì)增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)操作安全性。生產(chǎn)安全是每一個(gè)企業(yè)都非常重視的問(wèn)題，在進(jìn)行金剛石合成塊分離的過(guò)程中，要保證操作工人的安全，盡可能地減少碎渣的飛濺或者設(shè)置保護(hù)屏障。

2 層次分析-模糊評(píng)價(jià)評(píng)估模型

結(jié)合層次分析法和模糊理論，通過(guò)建立設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型決策出最合適的方案，利用模糊數(shù)學(xué)理論綜合評(píng)價(jià)決策出的設(shè)計(jì)方案。首先利用層次分析法，設(shè)置目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。通過(guò)構(gòu)建相鄰2層之間的判斷矩陣，進(jìn)行各因素之間的兩兩比較，得出每一層次的權(quán)重值并檢驗(yàn)其一致性[6]，再進(jìn)行層次總排序并選出最合適的設(shè)計(jì)方案。利用模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行模糊處理，得出方案層元素對(duì)目標(biāo)層的等級(jí)隸屬度[7]，從而判斷出選擇的金剛石合成塊自動(dòng)化分離設(shè)備的設(shè)計(jì)方案的評(píng)級(jí)。

2.1 層次分析與一致性檢驗(yàn)

在日常生活和工作中，人們對(duì)事物的評(píng)價(jià)往往是模糊的，如“滿意”、“比較滿意”等，這些評(píng)價(jià)都是無(wú)法用數(shù)值準(zhǔn)確表示的。因此，為了分析和處理這些模糊現(xiàn)象，創(chuàng)立了模糊數(shù)學(xué)理論[8]。評(píng)價(jià)人造金剛石合成塊自動(dòng)分離設(shè)備的方案，難以用“合適”、“一般”、“勉強(qiáng)”、“很差”等描述。因此，分析各因素在分離破碎人造金剛石合成塊中的影響權(quán)重，要將評(píng)價(jià)內(nèi)容細(xì)化到對(duì)單一指標(biāo)的評(píng)估。

決策人造金剛石合成塊自動(dòng)分離破碎方案時(shí)不能將問(wèn)題直接量化，可使用層次分析法提供的將抽象的邏輯思維轉(zhuǎn)化為定量分析的方法。美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩坦提出了1～9的比率標(biāo)度，元素bij通常取值1，3，5，7，9及其倒數(shù)[9]，其含義如表1所示。

表1 比較標(biāo)度

上一層次的因素Ai作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)下一層的因素進(jìn)行兩兩相較建立判斷矩陣B，判斷矩陣B為正互反矩陣。

(1)

首先計(jì)算某一層次上不同元素對(duì)相鄰上一層次上各個(gè)元素的影響，即層次單排序。最終計(jì)算出最低層次上各元素對(duì)總目標(biāo)的影響程度，即層次總排序。

進(jìn)行層次單排序時(shí)，首先計(jì)算判斷矩陣B上每行元素的積Ni：

(2)

(3)

對(duì)于所依據(jù)的判斷矩陣要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若誤差在允許范圍內(nèi)，則排序在技術(shù)上是有效的。否則需要再次調(diào)整判斷矩陣。

若構(gòu)造的判斷矩陣基本滿意時(shí)，其最大特征值λmax約等于判斷矩陣階數(shù)n。可用度量一致性比例CR判斷所構(gòu)造的判斷矩陣是否在技術(shù)上是有效的。

(4)

(5)

其中，CI為一致性指標(biāo)，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

如果CR≤0.1，則認(rèn)為基本滿足一致性要求。CR越大，代表偏離一致性越大，則需要對(duì)判斷矩陣的數(shù)值進(jìn)行修正，直至滿足一致性為止[10]。

最終進(jìn)行層次總排序，得到評(píng)分矩陣WO，每行元素求和，得到所有方案在目標(biāo)層下的得分。

(6)

其中，Wn為方案層在準(zhǔn)則層下的相對(duì)重要度，W為準(zhǔn)則層在目標(biāo)層下的重要度。

2.2 模糊判斷

模糊綜合評(píng)判是在考慮多種因素的影響下，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)工具對(duì)事物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[11]。

(1)建立判斷集V，將金剛石合成塊自動(dòng)化分離設(shè)備的方案滿意度分級(jí)。設(shè)置判斷集V：

V={v1,v2,v3,v4,v5}

(7)

其中v1～v5依次表示好，較好，一般，較差，差。

(2)設(shè)置準(zhǔn)則集Z，Z={z1,z2,z3}。z1，z2和z3分別表示不同的準(zhǔn)則。

(3)綜合考慮各個(gè)準(zhǔn)則，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)做出等級(jí)評(píng)定，最后計(jì)算出指標(biāo)的等級(jí)隸屬度M。

若對(duì)準(zhǔn)則zi做出vj等級(jí)評(píng)價(jià)的有nij人，參與評(píng)價(jià)的總?cè)藬?shù)為N人，可計(jì)算出此準(zhǔn)則的等級(jí)隸屬度為：

(8)

準(zhǔn)則zi的等級(jí)隸屬度Mi和判斷集V的等級(jí)隸屬度矩陣M分別為：

Mi=(mi1,mi2,mi3,mi4,mi5)

(9)

M=(M1,M2,M3)

(10)

3 方案評(píng)價(jià)

3.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)周期性機(jī)械運(yùn)動(dòng)的設(shè)備代替原先連續(xù)的人工動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)化分離金剛石合成塊的目的。

方案一：

設(shè)計(jì)周期性擠壓合成塊的方案，借助顎式破碎機(jī)的工作原理完成石杯的擠碎工作，依靠排料口下方的驅(qū)動(dòng)滾輪擋住合成棒來(lái)實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)電鋼圈和石杯的分離。方案原理圖如圖3所示。

圖3 方案設(shè)計(jì)示意圖

方案二：

設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生器，對(duì)合成塊4個(gè)側(cè)面施加振動(dòng)載荷，利用共振頻率使石杯完全碎裂，依靠夾取合成棒的方式實(shí)現(xiàn)分類回收合成棒。方案原理圖如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計(jì)示意圖

方案三：

設(shè)計(jì)特殊壓頭的液壓機(jī)，僅對(duì)石杯部分施加壓力，通過(guò)壓碎石杯的方法達(dá)到提取合成棒的目的，依靠夾取合成棒的方式實(shí)現(xiàn)分類回收合成棒。方案原理圖如圖5所示。

圖5 方案設(shè)計(jì)示意圖

3.2 計(jì)算權(quán)重

首先進(jìn)行層次單排序，對(duì)相鄰層各個(gè)要素進(jìn)行兩兩相較，構(gòu)造判斷矩陣，確定各個(gè)因素的權(quán)重值。通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與有限元仿真，得到石杯破碎效果這一因素下的方案對(duì)比，如表2所示。通過(guò)參考表1所示的比較標(biāo)度，即可確定該因素下的判斷矩陣。

表2 石杯破碎效果因素下的方案對(duì)比

完成所有因素下的對(duì)比，得到方案層與第二準(zhǔn)則層的判斷矩陣為：

第二準(zhǔn)則層與第一準(zhǔn)則層的判斷矩陣為：

第一準(zhǔn)則層與目標(biāo)層的判斷矩陣為：

由式(2)～式(4)得出單因素下各個(gè)方案的評(píng)分為：

(0.30,0.54,0.16)，(0.65,0.23,0.12)，(0.20,0.40,0.40)，(0.54,0.30,0.16)，(0.65,0.12,0.23)，(0.62,0.14,0.24)，(0.45,0.10,0.45)，(0.43,0.14,0.43)，(0.67,0.24,0.09) 。

第二準(zhǔn)則層在第一準(zhǔn)則層下的權(quán)重為：

(0.54,0.30,0.16)，(0.57,0.14,0.29)，(0.13,0.28,0.59)。

第一準(zhǔn)則層在目標(biāo)層下的權(quán)重為：

(0.58,0.11,0.31)。

隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值僅與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān)，其中三階判斷矩陣的RI取值為0.52。得一致性指標(biāo)如表3所示。所有判斷矩陣在技術(shù)上是有效的。

表3 一致性指標(biāo)

進(jìn)行最終層次總排序，得出方案層在目標(biāo)層下的得分，確定方案一最合適，WO=(0.47,0.33,0.20)。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

采用問(wèn)卷調(diào)查的方式，向評(píng)審團(tuán)征求方案一的二級(jí)準(zhǔn)則的單因素模糊綜合評(píng)價(jià)意見(jiàn)，得到二級(jí)準(zhǔn)則的等級(jí)隸屬度矩陣為：

根據(jù)所得的準(zhǔn)則權(quán)重向量Wi和第二級(jí)準(zhǔn)則單因素模糊綜合評(píng)價(jià)，得到第一級(jí)準(zhǔn)則的模糊判斷結(jié)果Ri和目標(biāo)層的模糊判斷結(jié)果R。

R1=W1·M1=(0.508,0.408,0.084,0,0)

R2=W2·M2=(0.699,0.186,0.086,0.029,0)

R3=W3·M3=(0.887,0.100,0.013,0,0)

R=W·[R1,R2,R3]T

=(0.647,0.273,0.071,0.009,0)

方案一的評(píng)級(jí)為好，等級(jí)隸屬度為64.7%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采取設(shè)計(jì)方案一能夠有效地對(duì)金剛石合成塊進(jìn)行自動(dòng)化分離，成功地將合成棒從金剛石合成塊中分離出來(lái)。其分離效果如圖6所示。

圖6 方案一的分離效果

4 結(jié)論

基于金剛石合成塊的結(jié)構(gòu)與對(duì)自動(dòng)化分離設(shè)備的需求，構(gòu)建以功能性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等要求為準(zhǔn)則的評(píng)價(jià)體系，能夠客觀地反映出對(duì)設(shè)備的要求。

通過(guò)進(jìn)行層次分析，得出借助顎式破碎機(jī)原理對(duì)合成塊進(jìn)行周期性擠壓的方案一是最合適的方案。通過(guò)進(jìn)行專家調(diào)查，得到了隸屬度矩陣，方案一的評(píng)價(jià)為好，反映出設(shè)計(jì)方案的合理性。