工科类专业试验设计方法教学实践探索

高洁

摘要：以试验设计方法教学为例，通过案例教学分析该课程在教学和科研方面如何有机结合，促进教学与科学研究的紧密结合，调动学生的学习兴趣，提高学生的创造能力，从而提高课程教学质量，培养学生科研能力与创新兴趣。

关键词：工科类专业;试验设计方法;教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）36-0144-02

一、试验设计方法

在生产和科研中，为了研制新产品，改革生产工艺，寻找优良的生产条件，需要做大量多因素的试验。因而选用正确的试验设计方法则尤其重要。目前通常的试验设计方法有：配对设计、完全随机化、均衡设计、正交设计等。实践证明，正交试验设计法就是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法。这种方法的优点是能通过代表性很强的少数次试验，摸清各个因素对试验指标的影响情况，确定因素的主次顺序，找出较好的生产条件或最优的参数组合。

二、试验设计方法在工科类专业中的教学实践

（一）色纺纱生产工艺改进案例

问题提出：色纺纱可以实现多种成分纤维的混合和利用，并可获得独特的混色效果与产品风格，故具有一定的科技含量，符合当前社会节能环保的需求，因此具有较好的市场发展前景。但是对纤维染色后，棉纤维表层棉蜡熔化，加上染料分子的渗透会导致纤维发涩、弹性较差、容易扭结在一起，纤维单强有所下降，纤维间抱合力减弱，可纺性能明显下降。采用赛络纺的工艺进行纺纱，在纺纱过程中，纤维会经过两次包缠，因此减少纤维在纱体上的外露，从而达到降低毛羽、提高单纱强力、改善纱线条干CV值等目的。目前色纺是纺织业中的朝阳产业，所以对优选生产赛络涤棉色纺纱的细纱工艺，找出最合适的生产工艺，具有一定的实际意义。

试验条件：赛络A纱的粗纱定量为3.1g/10m，赛络B纱为纯棉精梳纱，粗纱定量分别为3.6g/10m、4.0g/10m、4.6g/10m。纺纱时温度25℃，湿度76%，涤棉实际回潮率6.5%。

试验方案：在采用相同成分的原料、相同的锭速，试验采用L9（34）正交设计，为粗纱定量（A）、粗纱中心距（B）和细纱捻系数（C）三因素三水平正交试验。其中赛络B纱粗纱定量因素三水平：A1（3.6g/10m）、A2（4.0g/10m）、A3（4.6g/10m）;粗纱中心距因素三水平：B1（6mm）、B2（8mm）、B3（10mm）;细纱捻系数因素水平：C1（330）、C2（350）、C3（370）。

当选用的赛络B纱粗纱定量为3.6g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为6.7g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为23.39;当选用的赛络B纱粗纱定量为4.0g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为7.1g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为24.48;当选用的赛络B纱粗纱定量为4.6g/10m时，则赛络纺粗纱总定量和为7.7g/10m，所以选用细纱机的机械牵伸倍数为28.30。

纱线的性能测试是在标准的恒温恒湿实验室进行的，所有的纱线实验在温度22℃，相对湿度62%的环境下进行测试。单纱的断裂强力和断裂伸长率等性能测试采用YG068C全自动单纱强力仪，上下夹持50cm，拉伸速度为0.5m/min，测试次数为10次，取其平均值。测试指标：单纱断裂强力、断裂强度、断裂伸长率、断裂功。单纱的条干均匀度测试采用Uster Tester 5条干测试仪，测试速度为400mm/min，测试时间为0.5分钟，测试次数为3次，取其平均值。选择条干均匀度变异系数、细节-50%、粗节+50%及棉结+200%作为评价指标。采用YG172A型纱线毛羽测试仪测试纱线毛羽，测试速度为30m/min，取10个片段，每个片段的长度为10米，测10组。

结果分析：纱线断裂强力和断裂伸长率在试验2时明显最好，其他试验号波动较小且远远低于试验2;纱线条干CV值波动较大，试验1、2、3、5条干低于12%较好，而实验4、6条干过差;3mm以上有害毛羽数量除试验1过大外其他试验变化较小，试验2有害毛羽数最少。整体看来，试验2各项纱线性能较好;试验1纱线毛羽较多，试验4＼6断裂强力和伸长率较小且纱线条干较差，各项纱线性能较差。

各因素对20s赛络涤棉色纱纱线断裂强力影响程度排序为A>C>B，粗纱定量为显著影响最大，细纱捻度次之，粗纱中心距影响最小。由于各因素对单纱断裂强力影响使得其越大越好，则断裂强力之和大为较好水平，因此对于20s赛络涤棉色纱其较优工艺方案为A1B2C3。各因素对20s赛络涤棉色纱纱线断裂伸长率影响程度排序为C>A>B，细纱捻系数显著影响因素，粗纱定量次之，粗纱中心距影响较小。由于各因素对单纱断裂伸长率影响使得其越大越好，则断裂伸长率之和大为较好水平，对于20s赛络涤棉色纱其较优工艺方案为A1B2C3。

对于20s赛络涤棉色纱，粗纱定量对纱线强力、伸长、CV等各项性能有较大的影响，且选用较小的粗纱定量有利于提高纱线强力、降低纱线毛羽等;粗纱中心距对纱线毛羽影响较大，对其他纱线性能影响较小;细纱捻系数对于纱线强力、伸长、毛羽等各项性能有较大的影响且选用较大的细纱捻系数提高纱线强力、毛羽等性能。较小的粗纱定量、适中的粗纱间距和较大的细纱捻系数有利于提高赛络涤棉色纱的纱线性能。

通过采用正交实验纺制20s纱线，可以知道纺制20s赛络涤棉色纱，粗纱定量是影响纱线强力和纱线条干的主要影响因素，适当降低粗纱定量有助于提高纱线强力和纱线条干;粗纱中心距是3mm以上有害纱疵的主要影响因素，适当提高粗纱中心距有助于降低3mm以上有害毛羽;对纱线伸长率影响最大的是细纱捻系数，较大的细纱捻系数有助于提高纱线伸长率。

（二）零件改进设计案例

问题提出：研究导套的外径、过渡圆角、底板壁厚对零件破损处（即过渡圆角处）应力集中的影响。

试验方案：选用三个可变因素：导套外径A（mm）、过渡圆角B（mm）、底板壁厚C（mm）。每个因素分别取三个水平数。特安排了三因素三水平的正交试验，水平尺寸的选取充分考虑到了零件在部件中的允许空间尺寸。选用L9（34）正交表进行试验设计，这样仅需要进行9次不同的计算。

结果分析：导套外径203mm时圆角处应力最小，总体而言该因素影响不大;随着过渡圆角半径的增大，圆角处应力呈显著的减小趋势;底板厚度为32mm时圆角处应力最小，总体而言该因素影响也不大，加大厚度并不能有效减小过渡圆角处的应力。综合上述三点，这是一个应力集中的问题，最有效的解决办法就是增大圆角半径，降低应力集中程度。

综合起来A=203、B=15、C=32最好，这与极差分析得出的结论一致。而上述9次试验并未出现该方案，故需追加试验，试验的结果是69MPa，这比前面9次试验所得的结果都小，且明显小于许用应力。

经过试验得出该零件破损的主要原因是过渡圆角半径过小引起较大的应力集中，进而找出了应力集中最小的解决方案，按所确定的尺寸制成的零件在使用中未出现任何问题。

（三）废水处理改进案例

问题提出：纳米TiO2光催化-SBR工艺处理印染废水的研究。

试验方案：采用偶联剂法将纳米TiO2附于聚丙烯多面小球上制备出小球填料，运用自行设计的“TiO2光催化-SBR”联合工艺对实际印染废水进行处理。假设：在正交试验中光源强度和反应时间两个因素都选取了由单因素试验确定的最佳水平进行试验操作。光源强度为4*30W，光照时间为120分钟。进水水质稳定，SBR系统的水利负荷较低，短周期运行，则微生物的数量和性能、溶解氧都相对恒定。纳米TiO2光催化小球膜层相对均匀，不易脱落。两者其他条件相同，光催化试验设计只考虑催化剂添加量、pH值、溶解氧浓度三个因素，SBR工艺的试验设计只考虑暴气时间和沉淀时间对试验结果的影响。

试验分为两个部分的设计：一个是光催化实验设计，另一个是SBR工艺的实验设计。在光催化试验设计中由于光催化的影响因素较多，最终选取了催化剂添加量、pH值、溶解氧浓度3个因素为正交实验的因素，故本试验采用正交法L9（34）进行试验设计，以确定印染废水光催化预处理工艺的最佳工艺条件。

结果分析：催化剂投加量、pH、溶解氧浓度为因素，因素有三个水平，文中计算出了K值、极差，最后做出了最有水平的组合及主要影响因素。在SBR工艺处理试验结果的数据中，由于只有两个因素，试验指标只有一个，因此没有做正交实验，只作了线性相关实验，可以较明显的看到两个因素对降解效果的影响。本试验进行了单独工艺的处理研究，然后再进行了联合工艺的研究，印染废水通过光催化处理后色度得到了大量的去除，同时B/C的值也得到了提高，表明光催化反应器提高了废水的可生化性能，为后续的生物反应器的处理效果奠定了基础;同时因为一部分CODCr、BOD5得到去除，使得后续的SBR工艺的进水负荷得到降低，大大提高了后续工艺的处理效果，使得整个工艺脱色率达到90%，CODCr去除率达到85%，其处理效果比单独使用光催化或SBR均显著，保证了出水的达标排放。

三、结论

通过案例教学，使得教学与科研相辅相成、相互促进，两者实现了双向互动，这对于培养新世纪研究型专业人才有很大的作用。

参考文献：

[1]盛永莉.正交试验设计及其应用[J].济南大学学报，1997，7（3）：69-73.

[2]郑国洪.节能减排的散纤维染色[J].染整技术，2011，33（8）：40-43，47.

[3]窦修乾.提高纯棉赛络色纺纱质量的技术措施[J].棉纺织技术，2010，38（8）：36-38.