均匀设计在橡胶配方研究中的应用

【摘要】本文作者通过对橡胶加工过程中的配方研究了解到均匀设计的重要性，并在该设计方案的基础上对配方的设计原则和设计程序进行了归纳总结，为橡胶的均匀设计方案提出自己的看法。

【关键词】橡胶配方，设计，质量

中图分类号： S611 文献标识码： A

一、前言

在工厂橡胶配方研究方案中，均匀设计极其关键，需要从该方案的设计原则和最佳工艺参数等各个方面着手，细致入微的进行分析，这样才能使得橡胶制品质量提高。

二、现代橡胶配方优化设计概念

所谓橡胶配方设计, 是根据产品的性能要求和工艺条件, 通过试验、优化、鉴定、合理地选用原材料, 确定各种原材料的用量配比关系。过去橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积累的经验规律，通过大量而繁复的试验来优补强、共混等高分子理论的发展，特别是在计算机辅助设计和仪器测试方面开展了大量的工作，使橡胶配合技术有了很大的提高。借助CAD 技术, 配方人员可以根据橡胶制品设计需求，自动安排试验方案，处理数据以确定一系列变量对橡胶各项性能的定性或定量的影响，进而预测和优化配方，造成大量人力、物力的浪费。随着合成橡胶的出现，硫化、老化、选配方, 缩短新产品开发周期, 更好地满足不断变化的市场需求。

对于这样一个复杂的多目标的配方体系，配方的设计理论和试验设计方法就显得尤为重要。试验设计可分为单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计，根据目标优化选择分为单目标最优化问题和多目标最优化问题。

橡胶的配方设计理论，必须具备的两个基本条件：一、能揭示客观存在的橡胶配方设计的一般性规律；二、能指导橡胶胶料配方设计实践。目前，配方设计的基本理论是相关性原理。根据相关性原理，橡胶胶料配方设计的途径为：首先，利用硫化产品胶的性能与混炼胶料性能之间的相关关系，寻找并确定与制品使用性能相关的胶料性能；其次，根据配方组分与硫化产品胶与混炼胶的性能之间的相关关系，寻找并确定与所需胶料物理机械性能与工艺性能相关的胶料配合组分；最后完成配方试验。

生胶原材料和配合剂的种类繁多, 若按其功能、品种、等级、牌号等分类则可达数万种以上。橡胶配方设计的重点是如何保持制品的使用性能及加工性能的平衡, 包括试验设计、数学建模、配方优化及质量成本控制等内容。

三、橡胶配方中均匀设计的原则

橡胶配方设计的原则可以概括如下：

保证硫化胶具有规定的物理性能，使产品优质；在胶料和产品制造过程中加工工艺性能良好，使产品达到高产；成本低，价格便宜；所用的生胶、配合剂和各种填充剂容易得到；劳动生产率高，在加工制造过程中能耗少；符合环境保护及卫生要求。

任何一个橡胶配方都不可能在所有性能指标上达到全优。在许多情况下，配方设计应遵循如下基本原则：

1.在不降低产品质量的情况下，降低胶料的成本；

2.在不提高胶料成本的情况下，提高产品质量。

要使橡胶制品的性能、成本和工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡而用最低物质消耗、最短时间、最小工作量，通过科学的配方设计方法，掌握各种原材料配合的内在规律，设计出实用配方。

四、橡胶配方中均匀设计的程序

基础配方又称标准配方，一般是以生胶和配合剂的鉴定为目的。当某种橡胶和配合剂首次面世时，以此检验其基本的加工性能和物理性能。其设计的原则是采用传统的配合量，以便对比；配方应尽可能地简化，重现性较好。基础配方仅包括最基本的组分，由这些基本的组分组成的胶料，既可反映出胶料的基本工艺性能，又可反映硫化胶的基本物理性能。可以说，这些基本组分是缺一不可的。在基础配方的基础上，再逐步完善、优化，以获得具有某些特性要求的性能配方。不同部门的基础配方往往不同，但同一胶种的基础配方基本上大同小异。

1.均匀性

均匀性原则是试验设计优化重要原则之一。在试验设计的方案设计中，使试验点按一定规律充分均匀地分布在试验区域内，每个试验点都具有一定的代表性，则称该方案具有均匀性。

如前所述，正交表是正交试验设计优化的基本工具。它是利用正交表来安排试验的。正交表具有“均衡分散，综合可比”的两大特点。均衡分散性即均匀性，可使试验点均匀地分布在试验范围内，每个试点都具有一定的代表性。这样，即使正交表各列均排满，也能得到比较满意的结果；综合可比性即整齐可比性，由于正交表具有正交性，任一列各水平出现的次数都相当，任两列间所有可能的组合出现的次数都相等，这样，使行每一因素所有水平的试验条件相同，可以综合比较各因素不同水平均数对试验指标的影响，从而可以分析各因素及其交互作用对指标的影响大小及变化规律。

在正交试验设计中，对任意两个因素来说，为保证综合可比性，必须是全面试验，而每个因素的水平必须有重复，这样以来试验点在试验范围内就不可能充分地均匀分散，试验点的数目就不能过少。显然，用正交表安排试验，均匀性受到一定限制，因而试验点的代表性不够强。若在试验设计中，不考虑综合可比性的要求，完全满足均匀性的要求，让试验点在这种完全从均匀性出发的试验设计方法，称为均匀试验设计。

具有均匀性特点的均匀试验的试验点的代表性很强，例如，对于试验，即4因素5水平的试验来说，在正交试验设计中可选择正交表安排试验，试验次数最少做25次，其水平重复数。若每个水平只做一次，同样做25次试验，在试验范围内，将每个因素分成25个水平，则试验分布得更均匀。当试验因素时，正交试验设计与均匀试验设计的比较。正交试验设计取5个水平，每个水平重复5次，而均匀试验设计取25个水平，每个水平只做1次。显然，均匀试验设计的试验点较之正交试验设计的试验点分布得更均匀，代表性更强。对于这项试验，利用均匀设计表安排试验，在使各因素的水平数不少于5的前提下，可以方便地安排试验次数为的均匀试验。图9-2表示，的均匀试验。显然，均匀试验设计的试验点心代表性较正交试验设计的试验点强得多。

2.均匀试验设计的优点

均匀试验设计相对于全面试验和正交试验设计的最主要的优点是大幅度地减少试验次数，缩短试验周期，从而大量节约人工和费用。对于4因素5水平即试验，如果进行全面试验需做625次试验，利用正交表安排试验至少要做25次试验，但用均匀设计表安排试验，只需做5次试验即可。再如，对于76试验，若进行全面试验，需做117，649次试验，若进行正交试验设计，选取均匀设计表，只需做7次试验即可，重复一次，也不过做14次试验。因此，对于试验因素较多，特别是对于因素的水平多而又希望试验次数少的试验，对于筛选因素或收缩试验范围进行逐步择优的场合，对于复杂数学试验的择优计算等，均匀试验设计是非常有效的试验设计方法。

3.均匀试验设计的应用与效果

由于均匀试验设计使试验周期大大缩短，能节省了大量的费用，所以均匀试验设计方法一出现就在工业生产中得到应用，也取得有效的成果。例如，本公司运用均匀试验设计法研制高阻尼支座阻尼比取得明显的成效。从产品设计、配方优化，直到产品技术标准有关指标制定等全过程进行优化设计，使高阻尼支座产品不仅性能指标达到国内外同类产品的水平，同时成本低廉，获得国家专利，受到公交设计单位和施工单位一致好评。华北制药厂在青霉素球菌原材料配方中运用均匀试验设计法，使得优化后配方比原对照平均降低原材料消耗34%，平均提高发酵单位5%，每生产一批产品可获经济效益4500元，该厂一年生产几百批，取得显著经济效益。此外，国防工业上已在尺航导弹的设计中得到有效的应用。

五、结束语

综上所述，橡胶加工过程的均匀设计是加工成型与否的关键点，只有保证加工过程中的各工序统一和严谨，我们才能够加工生产出质量上乘的优质橡胶产品。

参考文献：

[1]张力杰均匀设计在橡胶配方研究中的应用2012年4月26日

[2]高齐圣浅析均匀设计在橡胶配方研究的规范使用2011年5月3日

[3]刘莉基于均匀设计的BP神经网络在橡胶配方研究中的应用2013年10月30日