CC BY
10
УДК 519.240
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ЛАМИНИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ
ПЛИТ
М.Ю. Екимова, Е.А. Тесленко, О.П. Мачнева, О.В. Шевелев
С помощью методов планирования эксперимент исследовано влияние технологических факторов, таких как температура плит пресса, содержание смолы в плёнке, время выдержки под давлением на свойства ламинированных древесностружечных плит.
Ключевые слова: планирование эксперимента, технологические факторы, варьирование факторов, модификация олигомеров.
Целью большинства экспериментальных исследований в деревообработке является изучение влияния различных воздействий на объект исследования.
Наибольшее применение нашли методы планирования эксперимента, в которых регрессионные модели объектов представлены в виде многочленов второго порядка от варьируемых факторов.
Модель первого порядка, или линейная, предполагает меньшее количество опытов по сравнению с регрессионными моделями более высоких порядков. То есть линейная регрессионная модель даёт, как правило, приближённое представление о влиянии факторов на объект. Модель в виде многочлена второго порядка- квадратная модель- содержит все слагаемые линейной модели: свободный член В0, линейные члены В-^, В2Х2,..., ВКХК и дополнительно включает члены В^Х^, В22X2,..., ВККХ^, а также члены с парными взаимодействиями.
Зависимость выходной величины от каждого из факторов, полученная на основе квадратичной модели, представляется на графике отрезком параболы. Наиболее целесообразно будет выбрать модель второго порядка, поскольку, с одной стороны, подобная модель даст больше информации о протекании процесса (по сравнению с линейной) [2, 3].
В общем случае, когда число варьируемых факторов равно к, модель имеет следующий вид:
У = Во + Я=1 в£ х1 + ЯУ=1 вч + Я=1 вч XI. (1)
В-планы созданы исходя из требований наибольшей точности оценок коэффициентов регрессии. В этих планах каждый фактор варьируется на трёх уровнях: -1; 0; +1 в нормальных обозначениях.
Составной частью В-плана является полный факторный план
(ПФП).
Это свойство полезно в тех случаях, когда по результатам поставленного ПФП получилась неадекватная модель. Тогда есть возможность дополнительно поставить некоторое число опытов, так что все опыты в целом образуют В-план второго порядка, а их обработка позволит получить соответствующую модель [1].
Звёздной точкой В-плана являются условия опыта, в котором один из факторов принимает нормализованное значение +1 или -1, а остальные фиксируются на основном уровне- ноль в нормализованных обозначениях. Так как все перечисленные опыты В-плана расположены на границах области варьирования факторов, то для повышения точности модели в окрестности центра плана был проведён ещё один опыт, в котором значения факторов находятся на основном уровне (ноль в нормализованных обозначениях). Таким образом, общее число опытов В-плана для трёх факторов составит:
N = 2к + 2к + 1 = 23 + 2 ■ 3 + 1 = 15. (2)
Связь нормализованных и натуральных обозначений задаётся формулами:
__. _ X¡тах-Х[
Хтт ~ д. 5 Хтах ~ д. ?
х° = = - Х1тЫ = Х,тах - X°. (3)
Выбор диапазона варьирования факторов
Для проведения испытаний были изготовлены бумажно-смоляные плёнки, пропитанные модифицированными олигомерами. При этом была применена технология двухстадийной пропитки: первоначально, плёнка пропитывалась карбамидоформальдегидным олигомером, затем - мелами-ноформальдегидным олигомером марки МФСП-30. В качестве бумаги-основы использовали серую бумагу плотность 80 г/м2 и меламинокарбами-доформальдегидные олигомеры с разным содержанием меламина и катализатора-модификатора НЛК. Готовые бумажно-смоляные плёнки отвер-ждались в гидравлическом прессе при различных температурах и времени выдержки под давлением.
Варьируемые факторы и диапазон их изменения представлены в табл.1.
Таблица 1
Варьируемые факторы и диапазон их изменения_
Наименование фактора Обозначение Ед.изм. Диапазон изменения факторов
Температура плит пресса XI °С 190-210
Содержание смолы в плёнке Х2 % 57-59
Время выдержки под давлением хз сек 20-60
Верхний, нижний и основной уровни в натуральных и нормализованных значениях и интервалы варьирования для факторов представлены в табл. 2.
Выходные величины: прочность покрытия при отрыве перпендикулярно пласти; стойкость покрытия к царапанию.
280
Единичный опыт не может дать точного представления о характере изучаемого процесса, особенно в деревообработке. В связи с этим для получения статистического достоверного результата, необходимо один и тот же опыт повторить несколько раз. В данной работе число дублированных опытов принято равным пяти.
Таблица 2
Нормализованные и натуральные значения факторов_
Уровни Натуральные значения факторов Нормализованные значения факторов
XI Х2 хз XI Хг Хз
Верхний уровень факторов Х1мах = 210 Х2мах = 59 Х3мах = 60 + + +
Нижний
уровень факторов Х1 тт = 190 х2шт = 57 х3 тт = 20 - - -
Основной
уровень факторов X? =200 Х°=58 Х°=40 0 0 0
Интервал варьирова- Д!=10 Д2=1 Д3=20 _ _ _
ния
План эксперимента в кодированных и натуральных значениях приведён в табл. 3 и 4.
Таблица 3
План эксперимента в кодированных значениях_
Номер и/и Номер опыта XI Хг Хз
1 1 - - -
2 15 + - -
3 9 - +
4 4 + + -
5 24 - - +
6 16 + - +
7 3 - + +
8 21 + + +
9 2 - 0 0
10 6 + 0 0
11 13 0 - 0
12 19 0 + 0
13 12 0 0 -
14 8 0 0 +
15 20 0 0 0
Таблица 4
План эксперимента в натуральных значениях_
Номер п/п Номер опыта XI Х2 ХЗ
1 1 190 57 20
2 15 210 57 20
3 9 190 59 20
4 4 210 59 20
5 24 190 57 60
6 16 210 57 60
7 3 190 59 60
8 21 210 59 60
9 2 190 58 40
10 6 210 58 40
11 13 200 57 40
12 19 200 59 40
13 12 200 58 20
14 8 200 58 60
15 20 200 58 40
В качестве выходных параметров приняли предел прочности при отрыве покрытия перпендикулярно пласти (Уа±), стойкость покрытия к царапанию (Уцар). Свойства облицованных плит представлены в табл. 5.
Таблица 5
Свойства облицованных плит_
Номер п/п Прочность при отрыве покрытия перпендикулярно пласти, МПа Стойкость покрытия к царапанию, мкм
1 0,65 61
2 0,83 55
3 0,61 51
4 0,82 48
5 0,77 43
6 0,86 55
7 0,91 49
8 0,74 53
9 0,69 53
10 0,61 41
11 0,89 57
12 0,88 63
13 0,65 65
14 0,83 49
15 0,86 46
Расчёт коэффициентов регрессии и оценка их значимости. Расчёт коэффициентов регрессии был выполнен на персональном компьютере, поэтому ниже приводятся только конечные результаты.
В общем виде искомое регрессионное уравнение выглядит следующим образом:
У = Ь0 + Ъгхг + Ь2х2 + Ь3х3 + Ь4х1 + Ь5х2 + Ь6х2 + Ь7хх2 +
+Ь8х1х3 + Ь9х2х3 + Ь10х1х2х3. (4)
Коэффициенты регрессии рассчитывались с помощью метода наименьших квадратов по общей формуле:
N к N
>о =Т± ^Ус-Т2 ^ ^ xfj yj;
]=1 Ь,
N
1 =
N
j=1 к N
N
bu
= Т4 ^х?]У1-Т5 ^^^УУ-^^У;
j=1
j=ij=i
biu ^ij^ujyi > i ^
(5)
где Ь0 - свободный член; Ь^ -линейные коэффициенты регрессии, ¿=1,2,...,к; Ьц - квадратические коэффициенты регрессии, ¿=1,2,...,к; Ьы -коэффициенты при парных взаимодействиях, и\ - коэффициенты.
Обработка результатов экспериментов проводили на ЭВМ для всех изучаемых параметров. Полученные значения коэффициентов регрессии приведены в табл. 6.
Расчётные значения коэффициентов регрессии
Таблица 6
Коэффициенты регрессии В уравнении на отрыв покрытию перпендикулярно пласти плиты В уравнении на стойкость к царапанию
ЬО 6,78 49,381
Ы 0,18 -0,7
Ь2 0,021 -0.98
ЬЗ 0,61 -2,9
Ь4 -0.98 -8,001
Ь5 1,4 6,011
Ь6 -0,4 1,5
Ь7 -0,291 -1,31
Ь8 -0,602 2,89
Ь9 0,071 2,99
ЫО -0,398 -1,33
Для оценки значимости коэффициентов регрессии необходимо знать значение дисперсии коэффициентов регрессии, которые рассчитываются по следующим формулам:
52{Ь0} = ф52{у); 52{М = ф52{у};
'2
{bü} = (^)s2{y}; (6)
s2{biu} = ф*2{у}.
283
где 52{Ь0}, 52{b1},52{b¿¿},52{b¿l¿} - дисперсии коэффициентов регрессии; Т1, Т2,...,Т6 - заданные значения коэффициентов для В-планов с числом факторов равным трём; п - число дублированных опытов, n=5; S2 {у} - дисперсия воспроизводимости.
Условие значимости коэффициентов регрессии:
n >ихад, (V)
где £табл - табличное значение критерия Стьюдента.
Для уровня значимости q= 0,05 и числа степеней свободы fy = 30 находим £табл = 2,04.
После проверки значимости коэффициентов регрессии были получены уравнения регрессии в условных значениях переменных:
Ya! = 0.678 + 0,018/1 + 0,061/3 - 0,098/2+0,14x1 ~ ^МХз ~
-0,0291/^2 - 0,0602/^3 - 0,0398^/2/3; Гцар = 49.771 - 2,9 - 7,981/2 + 6,121/22+2,89/1/3 + 2.99/2/з -
-1,33^2. (8)
Проверка адекватности полученных уравнений регрессии проводилась с помощью F-критерия Фишера для уровня значимости q=0,05. Данные проверки доказали адекватность вышеприведённых регрессионных моделей.
После расчёта по формуле (5.4) натуральных значений факторов получаем следующие уравнения:
Уа± = -39,897 + 0,56443Х1 - 1.008Х2 - 0,091Х3 - 0,0012Х? + +0,04321X1 - 0,000045Х| + 0,003323X^2 + 0,0004976X^3 + +0,021344Х2Х3 + О^ООШБбХ^Хз.
Гцар = -2543,99 + 26,893Х1 - 38,996Х2 - 5,12344Х3 - 0,045667Х? + +1,762345Х| + 0,431X^2 + 0,02314X^3 + 0,811Х2Х3 +
+0,002137899Х1Х2Х3. (9)
Полученные адекватные уравнения регрессии, описывающие влияние количества меламина, количества модификатора-катализатора HJIK и температура плит пресса на свойства облицованных ДСтП, позволяет не только определить значение этих параметров в области экспериментальных исследований, но и дают возможность решить соответствующие задачи оптимизации. Рациональные параметры должны обеспечивать высокую прочность покрытия при отрыве перпендикулярно пласти плиты при минимальной ширине царапин на поверхности облицовки. То есть, чтобы найти рациональные значения факторов, необходимо решить экспериментальную многокритериальную задачу для отыскания максимума и минимума [4].
Задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом:
Фиксированные параметры:
удельное давление прессование Рпр=2,0 МПа;
содержание карбамидоформальдегидной смолы в плёнке qcM=60%.
Параметрические ограничения:
190<Х1<210, °С; 57<Х2<59, %; 20<ХЗ<60, сек.
Критерии качества: Уа± = -39,897 + 0,56443Х1 - 1.008Х2 - 0,091Х3 - 0,0012Х^ + +0,04321X2 - 0,000045Х| + 0,003323X^2 + 0,0004976X^3 + +0,021344Х2Х3 + 0,0001115 6X^2X3; Гцар = -2543,99 + 26,893Х1 - 38,996Х2 - 5,12344Х3 - 0,045667Х^ +
+1,762345Х| + 0,431X^2 + 0,02314X^3 + 0,811Х2Х3 + +0,002137899Х1Х2Х3.
Ограничение критериев качества первоначально выберем в достаточно широком диапазоне:
Фа± > 0,85; МПа; Фцар < 60,мкм.
Дальнейший расчёт был выполнен с использованием программы «Mathcad 2000 Professional». В результате расчёта были найдены следующие параметры: Х1=200°С; Х2=58 %; Х3=32 сек. При этих параметрах были получены наилучшие значения показателей качества, представленные в табл. 7.
Таблица 7
Значения показателей качества облицованных плит_
Наименование показателей Значение оптимизации Экспериментальные значения
Прочность покрытия при отрыве перпендикулярно пласти плиты, МПа 0,884 0,91
Стойкость к царапанию, мкм 59,763 50
На рис. 1 и.2 представлены графики, иллюстрирующие влияние параметров на стойкость покрытия к истиранию и прочность при отрыве покрытия перпендикулярно пласти плиты.
Рис. 1. График зависимости стойкости к царапанию от температуры прессования и времени выдержки под давлением: Х- температура прессования, "С; У- время выдержки под давлением, сек; Z- стойкость к царапанию, мкм; 2 = —16,8 + 0,73Ь(1пх)2 + 7,67е~х
285
Рис. 2. График зависимости прочности покрытия при отрыве перпендикулярно пласти плиты от температуры прессования и времени выдержки под давлением: Х- температура прессования, "С; У- время выдержки под давлением, сек; Z- прочность покрытия при отрыве перпендикулярно пласти плиты, Мпа; г = -6,15+ 0,25 Ь{1пх)2 + 1,54е~у
Данные по облицовыванию древесностружечных плит плёнками на основе модифицированных меламинокарбамидоформальдегидных олиго-меров и результаты их последующего испытания приведены в табл. 8.
Таблица 8
Данные по режиму облицовывания и результаты испытания _ламинированной плиты_
Показатели Единицы Декоративная плёнка
измерения
Показатели испытания плёнок:
Содержание летучих % 4,7
Содержание смолы % 59
Содержание водорастворимых
фракций % 56
Плита основа ДСтП: Ш-80, 100
Режимы прессования:
Температура верхней плиты °С 197...202
Температура нижней плиты °С 180...188
Давление Бар 21...25
Время прессования с 30...40
Испытания ламинированной
плиты:
Гидротермическая стойкость - Выдержал
Термическая стойкость - Выдержал
Стойкость к повышенной
температуре - Выдержал
Отрыв декоративного слоя - 0,79 МПа
Стойкость к царапанию - Меньше 50 мкм
Бумажно-смоляную плёнку прессовали на ДСтП толщиной 16 мм. Поверхность ламинированной плиты хорошая, без пятен. Ламинированные по оптиминизированным параметрам плиты по качеству соответствовали группе А.
Испытательные образцы, отобранные из партии ламинированных плит через сутки после изготовления, показали высокую стойкость к царапанию, имели высокое значение предела прочности при нормальном отрыве покрытия, термостойкость. Гидротермическая стойкость поверхности показала незначительное побеление.
По результатам проведённых исследований и пробных партий можно сделать вывод о целесообразности применения модификатора-катализатора НЛК при синтезе пропиточных олигомеров. Это позволяет добиться существенного снижения дорогостоящего меламина, а также понизить содержание свободного формальдегида в готовой продукции, а так же выделений вредных веществ на рабочих местах.
Список литературы
1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: учебник для вузов. М.: Химия, 1982. 400 с.
2. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследования процессов деревообработки. М.: Лесная промышленность, 1984. 232 с.
3. Розенблит М.С., Житорев К.С., Крылов Г.В. Практикум по планированию эксперимента. М.: МЛТИ, 1983. 75 с.
4. Соболь И.М., Статникова Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. 110 с.
5. Мачнева О.П., Екимова М.Ю., Виклов Р.И., Дюжаков Д.С. Пропиточные смолы для производства ламинированных древесностружечных плит // Научно-техническая конференция МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана: тезисы докладов. Красноярск: Научно-инновационный центр, 2017. С. 144146.
6. Мачнева О.П., Цветков В.Е., Екимова М.Ю. Многоатомные спирты как модификаторы карбамидоформальдегидных смол // Клеи. Герметики. Технологии, №12. М.: Наука, 2018. С. 15-18.
Екимова Мария Юрьевна, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, mashulal 11 @yandex.ru, Россия, Знаменск, Научно-испытательный центр,
Тесленко Евгений Алексеевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории, tesel 13@rambler.ru, Россия, Знаменск, Научно-испытательный центр,
Мачнева Ольга Павловна, канд. техн. наук, доцент, helga35781@yandex.ru, Россия, Москва, Мытищинский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана,
Шевелев Олег Викторович, инженер-испытатель, oleg shevelev 87@mail.ru, Россия, Знаменск, Научно-испытательный центра 4 ГЦМП
287
RESEARCH OF INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE PROPERTIES OF LAMINATED CHIPBOARDS
M. Y. Ekimova, E.A. Teslenko, O.P. Machnev, O. V. Shevelev
The influence of technological factors such as the temperature of the press plates, the resin content in the film, the holding time under pressure on the properties of laminated particle boards was studied using the methods of experiment planning.
Key words: design of experiments, technological factors, the variation factors, the modification of oligomers.
Ekimova Mariya Yuryevna, candidate of technical sciences, senior researcher, mashula111 @yandex. ru, Russia, Znamensk, Research and Testing Center,
Teslenko Evgeni Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, tesel13@rambler.ru, Russia, Znamensk, Research and Testing Center,
Machneva Olga Pavlovna, candidate of technical sciences, docent, helga35 781@yandex. ru, Russia, Moscow, Mytishchi branch of MGTU im. N.E. Bauman,
Shevelev Oleg Viktorovich, test engineer, oleg_shevelev_87@,mail.ru, Russia, Znamensk, Research and Testing Center 4
УДК 621.396
ПРОЦЕДУРЫ СТРУКТУРНО-СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ РАДИОМОНИТОРИНГА
П.А. Агеев, А.М. Кудрявцев, А.А. Смирнов
В статье рассматриваются основные процедуры структурно-статистической обработки результатов радиомониторинга.
Ключевые слова: структурно-статистическая обработка, радиомониторинг, объект, радиоэлектронное средство, радиоэлектронная обстановка, локальность, элементарный участок, барьерный рубеж.
Высокая насыщенность современной инфраструктуры городской и сельской местности излучающими радиоэлектронными средствами (РЭС) создает проблемы их бесконтрольного применения различными государственными, коммерческими, непрофессиональными (любительскими: охотничьи и рыболовные, туристические и т. п.) ведомствами и организациями. Данные проблемы могут быть созданы несоблюдением требований электромагнитной совместимости средств и систем, экологических норм, нахождением лиц без разрешительных документов в закрытых для посещения зонах, применением нелицензированных устройств и др. Поскольку контролировать все излучающие средства очень сложно, так как их количество непрерывно растет в геометрической прогрессии, то одним из возможных способов отслеживания радиоэлектронной обстановки (РЭО),
288
