基于灰色關(guān)聯(lián)的針刺滌綸防水胎基工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070

基于灰色關(guān)聯(lián)的針刺滌綸防水胎基工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070

提出一種正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的針刺滌綸防水胎基工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲得針刺滌綸防水胎基的針刺密度、針刺深度、針刺面密度、上膠率等工藝參數(shù)對成型防水胎基材料的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、垂直滲透系數(shù)、熱收縮率等性能影響數(shù)據(jù)；再通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大值為最優(yōu)水平，然后進(jìn)行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，平均灰色關(guān)聯(lián)度最大者為最優(yōu)水平。優(yōu)化工藝參數(shù)為針刺密度500刺/cm2、針刺深度8 mm、針刺面密度300 g/m2、上膠率200%。

滌綸,針刺,防水胎基,工藝參數(shù),灰色關(guān)聯(lián),優(yōu)化

針刺法生產(chǎn)非織造布是利用刺針反復(fù)穿刺纖維網(wǎng)，使纖維網(wǎng)中的部分水平纖維形成垂直纖維簇，并與水平纖維相互纏結(jié)，使纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，以防止纖維在拉應(yīng)力作用下相互滑脫的，它是一種機(jī)械固結(jié)技術(shù)[1-2]。土木工程中所使用的防水材料的胎基要求具有較高的強(qiáng)度和較大的延伸性，通常采用針刺法加工生產(chǎn)。滌綸具有較高的強(qiáng)度和斷裂伸長率，并且干熱收縮率較低，其正逐步取代低強(qiáng)度的棉纖維和脆性大的玻璃纖維，成為建筑防水胎基的首選[3-4]。針刺工藝參數(shù)對針刺滌綸防水胎基的性能影響較大，選擇合適的針刺工藝參數(shù)對提高針刺滌綸防水胎基質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

正交試驗(yàn)是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)方法，常用于工藝的優(yōu)化。其在單或少工藝目標(biāo)優(yōu)化中具有顯著的優(yōu)勢，但在多工藝目標(biāo)優(yōu)化中，因?qū)?shù)據(jù)的處理方法較簡單故而存在明顯的缺陷，往往需要層層比較和分析，過程復(fù)雜且存在一定的主觀因素和誤差，在因素和水平較多或者試驗(yàn)結(jié)果較接近時(shí)難以作出準(zhǔn)確的判斷，故而優(yōu)化工藝目標(biāo)越多，這種缺陷越明顯?；疑P(guān)聯(lián)分析是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，它對數(shù)據(jù)的要求較低，能在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的影響。

本文采用正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法，對針刺滌綸防水胎基的工藝參數(shù)進(jìn)行多工藝目標(biāo)優(yōu)化，解決正交試驗(yàn)信息不完備、數(shù)據(jù)處理粗糙等問題，以提高決策的科學(xué)性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

2.2 dtex×50 mm滌綸短纖，主要物理性能指標(biāo)為斷裂強(qiáng)度5.08 cN/dtex、斷裂伸長率28.06%、卷曲數(shù)8.8個(gè)/(25 mm)、含油率0.23%。

浸軋投膠采用丙烯酸酯類乳膠。

試驗(yàn)設(shè)備為YBG314主針刺機(jī)、YBG311預(yù)針刺機(jī)、15×18×38×1/2R主刺針。

測試儀器選擇TNJ07萬用強(qiáng)力儀。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針刺滌綸防水胎基不僅要有足夠的強(qiáng)度，還要有較好的防水性能和熱穩(wěn)定性。故本文以針刺密度(因素A)、針刺深度(因素B)、針刺面密度(因素C)、上膠率(因素D)為優(yōu)化工藝參數(shù)，以針刺成型的滌綸防水胎基的斷裂強(qiáng)力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(shù)(η)、熱收縮率(ρ)這4項(xiàng)性能指標(biāo)為綜合優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)4因素4水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 針刺滌綸防水胎基工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

首先按試驗(yàn)要求設(shè)定針刺工藝參數(shù)，利用針刺法對滌綸纖維網(wǎng)進(jìn)行初步加固；然后采用浸軋法對針刺后的材料進(jìn)行進(jìn)一步的加固，得到在不同工藝條件下針刺滌綸防水胎基材料；最后對針刺滌綸防水胎基材料進(jìn)行性能測試。

測試樣為100 mm×50 mm的條狀成型的針刺滌綸防水胎基。斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率測量參照GB/T 13783—1992《棉纖維斷裂比強(qiáng)度的測定 平束法》，垂直滲透系數(shù)測量參照GB/T 15789—1995《土工布透水性測定方法》，熱收縮率測量參照GB/T 6505—2001《合成纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)結(jié)果歸納于表2。

表2 針刺滌綸防水胎基性能參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是利用灰色關(guān)聯(lián)度大小來描述因素間關(guān)系緊密程度的一種方法。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度處理正交試驗(yàn)結(jié)果，能夠綜合衡量不同的工藝水平對綜合工藝目標(biāo)的影響，從而確定最佳工藝參數(shù)組合。其基本步驟：首先確定原始數(shù)據(jù)序列，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱歸一化處理；然后求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到不同工藝水平下的灰色關(guān)聯(lián)度；最后進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度優(yōu)勢分析。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行綜合工藝目標(biāo)優(yōu)化，最終將多工藝目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單項(xiàng)灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化問題[5-6]。

2.1 確定權(quán)重

在多工藝目標(biāo)優(yōu)化問題中，很難做到讓各單工藝目標(biāo)都處于最優(yōu)狀態(tài)，但各單工藝目標(biāo)也不能平均對待，應(yīng)根據(jù)不同的要求及實(shí)際情況對各單工藝目標(biāo)有所側(cè)重。單工藝目標(biāo)重要程度一般以權(quán)重來體現(xiàn)，綜合工藝目標(biāo)采取權(quán)重求和的形式確定。權(quán)重通常采用1—9標(biāo)度法確定，但此法確定權(quán)重計(jì)算過程復(fù)雜，且要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。故本文采用模糊一致矩陣確定工藝目標(biāo)的權(quán)重，其計(jì)算簡單且不需要一致性檢驗(yàn)?；痉椒ㄊ鞘紫葘に嚹繕?biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，然后根據(jù)表3所示的0.1—0.9標(biāo)度法則確定評分，以此構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系矩陣(即互補(bǔ)矩陣)D：

D=(dij)

(1)

式中：dij為重要性評分，即工藝目標(biāo)i相對于工藝目標(biāo)j的得分。其中dii=0.5、dji=1.0-dij。

表3 標(biāo)度值確定法則

根據(jù)優(yōu)先關(guān)系矩陣D構(gòu)造模糊一致矩陣E：

E=(eij)

(2)

(3)

再根據(jù)模糊一致矩陣E求取各單工藝目標(biāo)的權(quán)向量pi：

(4)

再根據(jù)權(quán)向量pi確定各單工藝目標(biāo)的權(quán)重wi：

(5)

本文根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實(shí)際，確定針刺滌綸防水胎基 4項(xiàng)性能指標(biāo)的重要性評分分別為d12=0.7、d13=0.8、d14=0.7、d23=0.6、d24=0.7、d34=0.7，則優(yōu)先關(guān)系矩陣D：

由于e1=2.7、e2=2.1、e3=1.8、e4=1.4，則e12=0.575 0、e13=0.621 5、e14=0.662 5、e23= 0.537 5、e24=0.587 5、e34=0.550 0，取α=2.0，則模糊一致矩陣E：

因此，權(quán)向量P=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。由于p1+p2+p3+p4=1.000 0，故得指標(biāo)的權(quán)重W=(0.293 8， 0.256 2， 0.237 5， 0.212 5)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)處理

2.2.1 確定原始數(shù)據(jù)序列

表2中各單工藝目標(biāo)下的一組數(shù)據(jù)即為原始數(shù)據(jù)序列，xi(k)(i=1， 2， 3， 4；k=1， 2， …， 16)分別代表F、φ、η、ρ的原始數(shù)據(jù)序列。

2.2.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

由于原始數(shù)據(jù)序列中各工藝參數(shù)之間的量綱和量級不同，因此為便于比較，需要對各工藝參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理。

對于效益型指標(biāo)，歸一化計(jì)算式[7]：

(6)

對于成本型指標(biāo)，歸一化計(jì)算式：

(7)

式中：yi(k) 為指標(biāo)i下的第k次試驗(yàn)值的歸一化值，k=1， 2， …， 16。

在針刺滌綸防水胎基4項(xiàng)性能指標(biāo)中，F(xiàn)、φ為效益型指標(biāo)，η、ρ為成本型指標(biāo)，歸一化處理結(jié)果歸納于表4。

2.2.3 求數(shù)據(jù)差序列

數(shù)據(jù)差Δi(k)計(jì)算式：

(8)

通過計(jì)算，數(shù)據(jù)差序列如表4所示。

表4 原始數(shù)據(jù)歸一化處理結(jié)果

2.2.4 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik計(jì)算式：

(9)

式中：λ∈[0， 1]為分辨系數(shù)，一般取λ=0.500 0。

研究表明，當(dāng)λ=0.546 3時(shí)，分辨率最高，故取λ=0.546 3，計(jì)算得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik如表 5所示。

2.2.5 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度γk為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξik的加權(quán)平均值[8]：

(10)

計(jì)算得灰色關(guān)聯(lián)度γk如表 5所示。

表5 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度

(續(xù)表)

2.3 單工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析

分別針對針刺滌綸防水胎基斷裂強(qiáng)力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(shù)(η)、熱收縮率(ρ)進(jìn)行單工藝目標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析。

根據(jù)表5中各工藝參數(shù)在不同工藝水平和工藝目標(biāo)下的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，求得其在各單工藝目標(biāo)下的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)(表6～表9)。

表6 針對斷裂強(qiáng)力的不同水平平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表7 針對斷裂伸長率的不同水平平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表8 針對垂直滲透系數(shù)的不同水平平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9 針對熱收縮率的不同水平平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

單工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析就是確定各工藝參數(shù)的不同水平對各單工藝目標(biāo)的影響程度。各工藝參數(shù)的不同水平的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大者即組成最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

由表6可以看出：斷裂強(qiáng)力方面，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為 A2B1C2D4；對針刺滌綸防水胎基斷裂強(qiáng)力影響由大到小的工藝參數(shù)依次為針刺面密度、上膠率、針刺密度、針刺深度。

由表7可以看出：斷裂伸長率方面，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A4B1C4D3；對針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率影響由大到小的工藝參數(shù)依次為上膠率、針刺密度、針刺面密度、針刺深度。

由表8可以看出：垂直滲透系數(shù)方面，C2、C3相同，但從生產(chǎn)率和成本方面考慮，取水平C2，故最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B2C2D1；對針刺滌綸防水胎基垂直滲透系數(shù)影響由大到小的工藝參數(shù)依次為上膠率、針刺面密度、針刺密度、針刺深度。

由表9可以看出：熱收縮率方面，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B1C4D3；對針刺滌綸防水胎基熱收縮率影響由大到小的工藝參數(shù)依次為針刺深度、針刺密度、針刺面密度、上膠率。

2.4 多工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析

針對針刺滌綸防水胎基斷裂強(qiáng)力(F)、斷裂伸長率(φ)、垂直滲透系數(shù)(η)、熱收縮率(ρ)進(jìn)行多工藝目標(biāo)優(yōu)化，即對優(yōu)化對象進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果見表10。

表10 針刺工藝參數(shù)對應(yīng)各水平的平均灰色關(guān)聯(lián)度

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的性質(zhì)，灰色關(guān)聯(lián)度的大小反映了各工藝參數(shù)不同水平對多工藝目標(biāo)的影響程度。灰色關(guān)聯(lián)度值最高的水平即為對多工藝目標(biāo)綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平。

由表10可知：針刺密度對綜合工藝目標(biāo)影響的灰色關(guān)聯(lián)排序?yàn)棣肁2>γA4>γA3>γA1；針刺深度對綜合工藝目標(biāo)影響的灰色關(guān)聯(lián)排序?yàn)棣肂2>γB1>γB4>γB3；針刺面密度對綜合工藝目標(biāo)影響的灰色關(guān)聯(lián)排序?yàn)棣肅4>γC3>γC2>γC1；上膠率對綜合工藝目標(biāo)影響的灰色關(guān)聯(lián)排序?yàn)棣肈4>γD2>γD3>γD1。

因此，對于多工藝目標(biāo)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B2C4D4，即針刺密度500刺/cm2、針刺深度8mm、針刺面密度300g/m2、上膠率200%。

此外，從表10中的極差還可以看出，對針刺滌綸防水胎基綜合性能影響由大到小的工藝參數(shù)依次為針刺深度、上膠率、針刺密度、針刺面密度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)灰色關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化的效果，對優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合A2B2C4D4進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果與表5中灰色關(guān)聯(lián)度最高組A2B1C2D3(即第5組)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，詳見表11。

表11 試驗(yàn)結(jié)果比較

可見，基于灰色關(guān)聯(lián)分析法優(yōu)化的工藝參數(shù)使針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率提高了7.06%、垂直滲透系數(shù)減小了5.71%、熱收縮率減小了16.23%、斷裂強(qiáng)力僅下降0.23%，這表明基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的優(yōu)化結(jié)果效果顯著。

4 結(jié)語

針刺法加工非織造布具有工藝簡單、流程短、成本低、結(jié)構(gòu)獨(dú)特、技術(shù)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。利用針刺法生產(chǎn)滌綸防水胎基，不僅可以增強(qiáng)滌綸的纖維纏結(jié)力、提高防水胎基的抗拉強(qiáng)度，還可以提高防水胎基的熱穩(wěn)定性、降低其熱收縮率[3]30-33。近年來，隨著防水技術(shù)的不斷發(fā)展，對防水卷材的要求也在不斷提高，相應(yīng)地對針刺防水胎基生產(chǎn)工藝也提出了更高的要求。本文提出正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的針刺滌綸防水胎基工藝參數(shù)優(yōu)化方法。以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，獲得了針刺密度、針刺深度、針刺面密度、上膠率等工藝參數(shù)對針刺滌綸防水胎基斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、垂直滲透系數(shù)、熱收縮率等性能的影響。再通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先進(jìn)行單工藝目標(biāo)優(yōu)化，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值最大者為最優(yōu)工藝水平；然后利用模糊一致矩陣確定各工藝目標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)行多工藝目標(biāo)優(yōu)化，平均灰色關(guān)聯(lián)度最大者為最優(yōu)水平，得到針刺法生產(chǎn)滌綸防水胎基的最佳工藝參數(shù)，并取得滿意的效果?；诨疑P(guān)聯(lián)分析法優(yōu)化后的工藝參數(shù)，針刺滌綸防水胎基斷裂伸長率提高了7.06%、垂直滲透系數(shù)減小了5.71%、熱收縮率減小了16.23%、斷裂強(qiáng)力僅下降0.23%，優(yōu)化效果顯著。

[1] 曾鵬程，裴培，郭秉臣，等.針刺高強(qiáng)防水胎基工藝參數(shù)及其對力學(xué)性的影響[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2009,27(9):5-7.

[2] 張煌忠.針刺機(jī)的主要工藝參數(shù)分析[J].輕紡工業(yè)與技術(shù),2014(3):22-24.

[3] 劉麗芳,王衛(wèi)章,儲(chǔ)才元，等.針刺工藝參數(shù)對非織造布性能的影響[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2001,19(11):30-33.

[4] 劉麗芳.針刺工藝參數(shù)對非織造織物性能的影響[J].紡織導(dǎo)報(bào),2003(5):132-136.

[5] 張軍鋒,史耀耀,藺小軍，等.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的葉片砂帶拋光參數(shù)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2016,22(4):123-126.

[6] 趙建社,郁子欣,周旭嬌,等.基于灰色理論的鈦合金電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J].中國機(jī)械工程,2015,26(14):1877-1882.

[7] 舒服華,梁芳.基于灰色關(guān)聯(lián)的鋁合金板材焊接工藝優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金,2016,36(6):580-583.

[8] 顧雪平,趙寶斌,劉文軒.結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化與灰色關(guān)聯(lián)決策的負(fù)荷恢復(fù)方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2015,39(5):6-13.

Optimization of process parameters of needling polyester waterproof membrane base by means of grey correlation

ShuFuhua

School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China

A method of optimizing process parameters of needling polyester waterproof membrance base by combining the orthogonal test with the grey correlation analysis was presented. By means of the orthogonal test, the data how the process parameters of the needling polyester waterproof membrane base, such as the needling density, the needling depth, the needling surface density and the gluing rate, affected the properties of molding waterproof membrane base materials, such as the tensile strength, the breaking elongation rate, the vertical permeability coefficient and the heat shrinkage rate, were obtained. And then the testing data were analyzed by the grey relational analysis method. First, the single process target optimization was done, and the maximum of the average grey correlation coefficient was optimal; second, integrated process target optimization was done, and the greatest gray correlation degree at average was best. The optimized process parameters were that the needling density was 500 stitch/cm2, the needling depth was 8 mm, the needling density of surface area was 300 g/m2and the gluing rate was 200%.

polyester, needling, waterproof membrane base, process parameter, gray correlation, optimization

2016-07-05

舒服華，男，1967年生，教授，主要從事輕工機(jī)械設(shè)計(jì)與研究工作

TS174.6

A

1004-7093(2017)03-0032-07