邵景峰， 李 寧， 蔡再生

(1. 西安工程大學 管理學院， 陜西 西安 710048； 2. 東華大學化學化工與生物工程學院， 上海 201620)

滌綸低彈絲(DTY)作為滌綸的一種變形絲類型，具有很高的取向度，不僅手感柔軟順滑，且具有很好的質(zhì)地，已成為化纖行業(yè)實現(xiàn)綠色制造的理想原料。然而，在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中，因工藝參數(shù)(如加工速度、熱箱溫度等)之間存在強耦合性而導致整個生產(chǎn)過程能耗過高，從而影響生產(chǎn)過程難以實現(xiàn)綠色制造；因此，如何對滌綸低彈絲工藝參數(shù)之間的強耦合關(guān)系進行優(yōu)化，已成為亟待解決的問題。

在國外，學者們對該問題的研究，主要集中在工藝理論優(yōu)化與技術(shù)應(yīng)用兩方面。其中，在理論構(gòu)筑方面，利用生命周期理論、碳核算理論、能耗測量技術(shù)探討了滌綸低彈絲環(huán)境負荷與工藝參數(shù)之間關(guān)系，還有能耗實時測量方法，以及碳足跡核算與評價方法[1-3]等，目前已經(jīng)明晰了各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了滌綸低彈絲在給定范圍的生產(chǎn)質(zhì)量預測[4-6]，為滌綸低碳生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。在技術(shù)應(yīng)用方面，主要集中于工藝參數(shù)優(yōu)化算法、優(yōu)化方法等方面，目前已解決了假捻變形參數(shù)對滌綸紗線結(jié)構(gòu)和卷曲性能的影響、滌綸低彈絲加捻變形參數(shù)之間的關(guān)系、以及基于VIKOR的滌綸低彈絲性能評價方法[7-8]。

在我國，眾多學者也對工藝參數(shù)之間強耦合性問題進行了研究，其研究焦點在于工藝參數(shù)優(yōu)化和生產(chǎn)實踐方面。其中，在工藝參數(shù)優(yōu)化方面，通過構(gòu)建滌綸低彈絲生產(chǎn)過程多目標優(yōu)化調(diào)度模型，開展工藝參數(shù)的多目標優(yōu)化[9-11]，同時借助參數(shù)優(yōu)化方法(比如熱定型過程參數(shù)優(yōu)化)開展溫度控制、碳足跡核算，但還存在工藝參數(shù)強耦合性問題探討尚不深入的問題。在生產(chǎn)實踐方面，通過建立生產(chǎn)過程圖、能源消費碳排放因素分解、優(yōu)化工藝方案等[12-14]，開展面向滌綸低彈絲生產(chǎn)過程碳足跡核算、影響因素以及能耗損失分析，并借助試驗和應(yīng)用驗證的方法對工藝參數(shù)相關(guān)關(guān)系進行改進。

目前，國內(nèi)外學者們對滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)之間強耦合問題的研究，已明晰了各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，解決了假捻、加捻變形參數(shù)關(guān)系、多目標優(yōu)化、碳排放因素分解問題，但還存在工藝參數(shù)之間的強耦合性問題尚未徹底解決。該問題的解決，將對提升滌綸低彈絲成品性能、實現(xiàn)綠色制造有重要意義。為此，本文借助碳足跡理論從滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝流程入手，提取關(guān)鍵工藝參數(shù)作為研究對象，構(gòu)建基于模糊多準則的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，以實現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)間的解耦。

1 滌綸低彈絲工藝參數(shù)關(guān)系表示

1.1 滌綸低彈絲生產(chǎn)過程碳排放分析

滌綸低彈絲生產(chǎn)主要是由高速紡制滌綸預取向絲(POY)通過牽伸加捻工藝而形成[15-17]，首先將POY絲掛絲喂入拉伸變形機中，通過加熱箱對POY絲進行加熱變形拉伸處理，然后將加熱變形后的絲經(jīng)過冷卻板冷卻后進行加捻，同時對加捻處理后的絲進行二次加熱拉伸，并通過上油處理減少成形后紡紗過程的靜電效應(yīng)，最后經(jīng)卷繞、落絲以及分級質(zhì)檢等工序后出廠。

在此基礎(chǔ)上，利用碳足跡理論對滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的碳排放信息進行分析。具體而言，影響滌綸低彈絲品質(zhì)的關(guān)鍵工藝參數(shù)主要有加工速度、牽伸比、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度、油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度。在整個滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中，碳排放信息主要通過電能的消耗進行轉(zhuǎn)化，拉伸變形機中的變形拉伸以及各設(shè)備零器件之間的傳動等是電能消耗的主要途徑[18]。

為此，利用碳足跡理論，構(gòu)建如圖1所示的滌綸低彈絲生產(chǎn)過程碳排放分析模型。

通過該模型，建立碳排放信息量Ce。

(1)

式中：Ei為生產(chǎn)過程中各項能源(i)消耗轉(zhuǎn)化的碳排放量；fi為各能源消耗對應(yīng)的碳排放系數(shù)。

1.2 滌綸低彈絲工藝參數(shù)關(guān)系

在式(1)的基礎(chǔ)上，選擇油輪轉(zhuǎn)速(x1)、加工速度(x2)、牽伸比(x3)、油尺高度(x4)、第一熱箱溫度(x5)、第二熱箱溫度(x6)為自變量，碳排放值Ce。為因變量，利用碳足跡理論建立因變量與自變量之間的函數(shù)關(guān)系。進而以83 dtex(36 f)低彈絲為例，在FK6V-700型拉伸變形機上獲取的參數(shù)及指標如表1～3所示。

表1 DTY加工參數(shù)及性能指標

表2 不同含油率下DTY的線密度及斷裂強度

表3 加工不同線密度DTY的油輪轉(zhuǎn)速及含油率

基于表1～3中的工藝參數(shù)，利用MatLab R2018b軟件對選擇的自變量與因變量關(guān)系進行仿真試驗，得到的二次回歸方程為

(2)

2 滌綸低彈絲工藝參數(shù)關(guān)系優(yōu)化

2.1 基于信噪比的工藝參數(shù)正交試驗設(shè)計

信噪比具有望大特性與望小特性2種屬性，通常作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性的重要指標[19]，將DTY指標轉(zhuǎn)換為信噪比值，進而評估DTY質(zhì)量品質(zhì)的優(yōu)劣。為此，在式(2)的基礎(chǔ)上，為表征DTY的工藝參數(shù)關(guān)系，還需將工藝參數(shù)和正交設(shè)計相互關(guān)聯(lián)。為此，根據(jù)信息論理論[20-21]將信噪比引入工藝參數(shù)關(guān)系正交試驗設(shè)計。對DTY工藝參數(shù)而言，相互之間關(guān)聯(lián)度越高，意味著滌綸低彈絲成品的質(zhì)量指標越好。DTY指標轉(zhuǎn)換為信噪比值的計算過程如下。

斷裂強度(Z1)、斷裂伸長率(Z2)、卷曲收縮率(Z3)、沸水收縮率(Z4)、卷曲穩(wěn)定度(Z5)作為DTY質(zhì)量指標，在一定范圍內(nèi)越大越好，因此采用望大特性的信噪比進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如式(3)所示。

(3)

式中：aij為轉(zhuǎn)換后的第i行第j列的DTY質(zhì)量指標信噪比值；n為每組試驗的重復次數(shù)；yij為第i行第j列的DTY質(zhì)量指標值。

DTY碳排放量(Ce)越小越好，因此采用望小特性的信噪比進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如式(4)所示。

(4)

式中：bij為轉(zhuǎn)換后的第i行第j列的DTY碳排放量信噪比值；n為每組試驗的重復次數(shù)；yij為第i行第j列的DTY碳排放量值。

由此，具體的正交試驗方案設(shè)計如下。選擇油輪轉(zhuǎn)速(Vo)、加工速度(Vl)、牽伸比(B)、油尺高度(Ho)、第一熱箱溫度(T1)及第二熱箱溫度(T2)作為試驗優(yōu)化指標，其他參數(shù)為設(shè)定標準值。反映DTY質(zhì)量的斷裂強度(Z1)、斷裂伸長率(Z2)、卷曲收縮率(Z3)、沸水收縮率(Z4)、卷曲穩(wěn)定度(Z5)以及碳排放量(Ce)作為綜合工藝優(yōu)化，設(shè)計6因素5水平的正交試驗方案L25(56)，試驗因素及水平如表4所示。

2.2 基于模糊多準則的工藝參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

為消除因數(shù)據(jù)量綱不同帶來的影響，還需要對轉(zhuǎn)換后的DTY指標信噪比值進行規(guī)范化處理，具體的處理過程如下。

表4 試驗因素及水平

轉(zhuǎn)換后的DTY斷裂強度(Z1)、斷裂伸長率(Z2)、卷曲收縮率(Z3)、沸水收縮率(Z4)、卷曲穩(wěn)定度(Z5)的信噪比值處理如式(5)所示。

(5)

式中：Aij為aij經(jīng)規(guī)范化處理后第i行第j列的結(jié)果值。

轉(zhuǎn)換后的DTY碳排放量(Ce)的信噪比值的計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：Bij為bij經(jīng)規(guī)范化處理后第i行第j列的結(jié)果值。

與此同時，將Aij與Bij進行數(shù)據(jù)組合，形成DTY指標數(shù)據(jù)規(guī)范化矩陣G,并令Gij為G的第i行第j列元素。

2.2.2 滌綸低彈絲質(zhì)量指標組合賦權(quán)

在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，為充分優(yōu)化工藝參數(shù)之間的強關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合熵值賦權(quán)法與客觀權(quán)重賦值法CRITIC賦權(quán)法，形成一種適合滌綸低彈絲工藝參數(shù)優(yōu)化的組合賦權(quán)法，以待通過熵值賦權(quán)法，彌補CRITIC賦權(quán)法在數(shù)據(jù)離散性方面不足的問題。其中：用ej表示熵值賦權(quán)法中第j個指標的權(quán)重值，如式(7)所示；用dj表示CRITIC賦權(quán)法中第j個指標的權(quán)重值，如式(8)所示。

(7)

(8)

式中：σj為標準差；rij為指標之間的相關(guān)系數(shù)。

在式(8)基礎(chǔ)上，利用乘除法將dj與ej進行組合計算，形成滌綸低彈絲質(zhì)量指標的組合權(quán)重kj，如式(9)所示。

(9)

2.2.3 計算各試驗方案的利益比率

(10)

(11)

2.2.3.2計算群體效益值 令Si為滌綸低彈絲各工藝參數(shù)試驗方案中的群體效益值，則具體的計算過程如式(12)所示。

(12)

2.2.3.3計算個體遺憾值 令Wi為滌綸低彈絲各工藝參數(shù)試驗方案中的個體遺憾值，具體計算過程如式(13)所示。令Qi為滌綸低彈絲各工藝參數(shù)試驗方案中的利益比率，對應(yīng)的計算過程如式(14)所示。

(13)

(14)

式中：S+、S-分別表示試驗方案的群體最大、最小效益值；W+、W-分別表示決策方案的最大、最小個體遺憾值；v表示決策機制系數(shù)，用于平衡Si與Wi的影響差異，取0.5。

3 試驗驗證

3.1 基于信噪比的正交試驗數(shù)據(jù)規(guī)范化

根據(jù)表4中的試驗因素及水平開展正交試驗,得到DTY的斷裂強度(Z1)、斷裂伸長率(Z2)、卷曲收縮率(Z3)、沸水收縮率(Z4)、卷曲穩(wěn)定度(Z5)，并核算各試驗方案的碳排放量(Ce)。將具有望大特性的DTY質(zhì)量指標值代入式(3)，并將具有望小特性的碳排放量(Ce)代入式(4)，經(jīng)計算得到的信噪比值如表5所示。

利用VIKOR方法在處理綜合評價問題方面的優(yōu)勢[22-23]，將多工藝參數(shù)強耦合問題通過矩陣歸一確定正理想解和負理想解，計算每組試驗方案與理想解之間的差距，并比較與理想解的接近度。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，將DTY質(zhì)量指標轉(zhuǎn)化后的信噪比值代入式(5)進行處理，并將碳排放量(Ce)轉(zhuǎn)化后的信噪比值代入式(6)進行處理，得到的規(guī)范化處理后結(jié)果如表6所示。

表5 各試驗方案指標數(shù)據(jù)計算后的信噪比值

根據(jù)2.2.2節(jié)中DTY指標組合賦權(quán)方法，通過式(7)～(9)的數(shù)據(jù)處理，最終得到滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中碳排放量及質(zhì)量指標的組合權(quán)重值，如表7所示。

3.2 試驗方案的利益比率確定

在得到試驗數(shù)據(jù)規(guī)范化處理結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合式(12)～(14)，分別對每組數(shù)據(jù)進行計算，得到每組試驗對應(yīng)的群體效益值Si、個體遺憾值Wi和決策方案的利益比率Qi，如表8所示。

表6 信噪比值規(guī)范化

表7 滌綸低彈絲指標組合權(quán)重

表8 每組試驗的Si、Wi、Qi值

在此基礎(chǔ)上，利用影響DTY成品品質(zhì)的5個關(guān)鍵工藝參數(shù)水平對應(yīng)的Qi值對決策方案進行評價，主要包括油輪轉(zhuǎn)速(Vo)、加工速度(Vl)、牽伸比(R)、油尺高度(Ho)、第一熱箱溫度(T1)及第二熱箱溫度(T2)，經(jīng)計算得到DTY關(guān)鍵工藝參數(shù)平均Qi值(即決策方案的利益比率)如表9所示。其中，平均Qi值越小越接近正理想解，則說明工藝參數(shù)水平越優(yōu)。

由表9可知，對工藝參數(shù)加工速度、牽伸比、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度、油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度而言，其Qi值之間分別存在如下關(guān)系，即：

表9 工藝參數(shù)平均Qi值

1)對于加工速度，由于Q3

2)對于牽伸比，由于Q2

3)對于第一熱箱溫度，由于Q3

4)對于第二熱箱溫度，由于Q2

5)對于油輪轉(zhuǎn)速，由于Q4

6)對于油尺高度，由于Q1

分別對應(yīng)最優(yōu)工藝水平下的滌綸低彈絲關(guān)鍵工藝參數(shù)值，可見，DTY關(guān)鍵工藝參數(shù)的最優(yōu)組合為：加工速度600 m/min、牽伸比1.55、第一熱箱溫度195 ℃、第二熱箱溫度150 ℃、油輪轉(zhuǎn)速0.7 r/min、油尺高度180 mm。

由表9可知，在不同工藝參數(shù)水平下，熱箱溫度、油輪轉(zhuǎn)速及油尺高度的平均Qi值的變化最為顯著，說明三者的交互作用對優(yōu)化綜合目標的影響程度也最為顯著。在此基礎(chǔ)上，為進一步驗證工藝參數(shù)之間的優(yōu)化效果，還需對關(guān)鍵工藝參數(shù)之間的強耦合性關(guān)系進行殘差值分析。為此，借助MatLab R2018b對油輪轉(zhuǎn)速、加工速度、牽伸比、油尺高度、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度之間的耦合關(guān)系進行擬合，得到的二次回歸方程殘差分布圖如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵工藝參數(shù)的殘差分布圖

由圖2可知，關(guān)鍵工藝參數(shù)的殘差值的正態(tài)分布概率逼近平衡線，且分布均勻，說明工藝參數(shù)之間的優(yōu)化效果良好。

3.3 工藝優(yōu)化前后滌綸低彈絲性能對比

以83 dtex(36 f)低彈絲加彈工藝為例，結(jié)合表1中所示的FK6V-700型拉伸變形機加工工藝參數(shù)，對比分析工藝優(yōu)化前和優(yōu)化后滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化，具體結(jié)果如表10所示?？芍?，在83 dtex(36 f)低彈絲的加彈工藝中，熱箱溫度、油輪轉(zhuǎn)速及油尺高度3個工藝參數(shù)的強耦合性得到了較好的解耦。經(jīng)工藝優(yōu)化后，滌綸低彈絲的質(zhì)量指標變化情況，如表11所示。

表10 工藝參數(shù)優(yōu)化前后對比值

表11 質(zhì)量指標優(yōu)化前后對比值

由表11可知，較優(yōu)化前，優(yōu)化后83 dtex(36 f)低彈絲的平均斷裂強度達到了3.75 cN/dtex，提高了15.84%；平均斷裂伸長率達到了26.49%，提高了4.04%；平均卷曲收縮率以及平均卷曲穩(wěn)定度分別提高了15.53%和1.24%，后加工過程中不易產(chǎn)生毛絲與斷頭現(xiàn)象。然而經(jīng)工藝優(yōu)化后，83 dtex(36 f)低彈絲的平均沸水收縮率有所下降，這其中的主要原因在于加工速度的下降，減少了絲束的熱定型時間，從而增加了纖維的內(nèi)應(yīng)力松弛度，造成了絲條在沸水中的應(yīng)力松弛變小，從而使得沸水收縮率下降。

在此基礎(chǔ)上，將表10中優(yōu)化后的工藝參數(shù)代入公式(2)，在滌綸低彈絲關(guān)鍵工藝參數(shù)最優(yōu)組合下得到的滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的碳排放量為191.534 6 kg(CO2)，與優(yōu)化前工藝條件下的碳排放量相比，其下降了4.58%。

4 結(jié) 論

針對滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)間存在強耦合的問題，在明晰生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)過程的碳排放進行了分析，并對滌綸低彈絲工藝參數(shù)之間關(guān)系進行了表示；進而設(shè)計了基于信噪比的工藝參數(shù)關(guān)系正交試驗方案，開展了基于組合賦權(quán)VIKOR方法的工藝參數(shù)優(yōu)化。

經(jīng)試驗驗證表明，當工藝優(yōu)化參數(shù)組合為油輪轉(zhuǎn)速0.7 r/min，加工速度600 m/min，牽伸比1.55，油尺高度180 mm，第一熱箱溫度195 ℃，第二熱箱溫度150 ℃時，可降低DTY生產(chǎn)過程中的碳排放量，同時提高滌綸低彈絲產(chǎn)品質(zhì)量特征值。工藝參數(shù)優(yōu)化后，滌綸低彈絲的平均斷裂強度提高了15.84%、平均斷裂伸長率提高了4.04%、碳排放量降低了4.58%，充分說明構(gòu)建的基于綜合賦權(quán)的工藝參數(shù)優(yōu)化模型有利于解決工藝參數(shù)之間的強耦合問題。