基于模糊物元分析的转鼓工艺参数优化

舒服华，吴良超

（1.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070；2.武汉大鹏皮革有限责任公司，湖北武汉430124）

基于模糊物元分析的转鼓工艺参数优化

舒服华1，吴良超2

（1.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070；2.武汉大鹏皮革有限责任公司，湖北武汉430124）

提出了一种正交试验与模糊物元分析法相结合的转鼓工艺参数优化方法。以正交试验的数据为基础，利用模糊物元分析法对实验数据进行处理，获得最佳工艺参数组合。首先进行单一目标优化，最后进行多目标综合优化。该方法克服了正交试验数据处理粗糙分辨率低的问题，可有效提高优化结果的精确度。采用比例标度法对传统的标度法确定权重进行了改进。试验验证了优化方法的有效性。

鞣制机；工艺参数；模糊物元；优化；联系度

皮革鞣制是皮革加工的重要工序，它是借助皮革鞣制设备及一些化工材料对皮内的胶原蛋白进行化学和物理加工使其发生变性作用，以获得牢固、耐磨、柔软、不易变质的皮革。铬鞣法因其经济、快速仍然在皮革加工中占据重要地位。铬鞣剂与酸皮胶原纤维的结合率受铬鞣液浓度、碱度、提碱前后pH、升温过程、鞣制时间以及助剂添加量等工艺参数的影响，优化皮革鞣制工艺参数对提高皮革鞣制的效果及生产率具有重要的现实意义。试验设计方法在一定程度上可以减少反复试验的盲目性，能以较少的试验次数得到试验范围内较优的工艺组合。正交试验是一种高效、快速经济的方法，但其对数据的处理较为简单，当因素和水平较多、或者试验结果比较接近时，难以作出准确的判断。物元分析是研究解决不相容问题规律和方法的新兴学科，带有很强的人工智能色彩，能化不相容问题为相容问题，使复杂问题简单化而得到合理解决。利用正交试验和物元分析相结合优化皮革鞣制工艺参数，能有效提高决策的科学性。

1 试验设计

试验设备：GZGP3-型不锈钢转鼓鞣制机；实验材料：猪皮酸皮（削匀），单层厚度0.6～0.68 mm，面积0.25 m2；化工材料为：NaCl（6%）；C2H5ONa；标准铬粉（折算 Cr2O30.32%～1.54%）；小苏打（1.2%）；测试仪器：MSW－YD4数字式皮革收缩温度测定仪；pHS－25酸度计，GT－303柔软度测试仪；AI-7000S电子拉力机。试验设置：H2O，120%；pH=2.8～3.0。优化参数为转鼓转速、浴液铬含量、鞣制时间、浴液温度4个工艺工艺参数；优化目标为皮革鞣制后的收缩温度、Cr2O3吸收率、抗张强度、柔软度4个质量指标，试验和指标测量方法参照有关标准和文献进行[1-2]。试验设计如表1，试验结果如表2。

2 转鼓工艺参数优化

表1 皮革鞣制试验设计

表2 皮革鞣制试验结果

2.1 模糊物元基本模型

2.1.1 模糊物元与复合模糊物元

给定事物的名称M，它关于特征C有量值为x，以有序三元组R=（M，C，x）作为描述事物的基本元，称为物元；如果其中量值x具有模糊性，则称R为模糊物元。如果事物M有n个特征C1，C2，…，Cn和对应的模糊量值x1，x2，…，xn，称R为n维模糊物元；m个事物的n维模糊物元组合在一起便构成m个事物n维复合模糊物元Rnm，记作[3]：

其中，Rnm表示m个事物的n维复合模糊物元，以Mi表示第i个事物i=1，2，…，n），Cj表示第j个特征（j=1，2，…，m），xij第j事物的第i特征对应的模糊量值。

关联度分析是物元分析的核心，是研究事物之间相互联系程度的主要手段。

2.1.2 隶属度的确定

各单项指标相应的模糊量值应符合从优隶属度原则，从优隶属度包括两种情况，即越大越优型隶属度和越小越优型隶属度。

对于越大越优型

对于越小越优型

在皮革鞣制4个质量指标中，它们都属于越大越优型，按式（1）计算的隶属度如表3。

2.2 权重的确定

传统的标度法确定权重粒度比较粗，标度值最少相差一个数值，容易导致指标间权重相差悬殊，且需要进行一致性检验。文中采用比例标度法确定权重，它既能使标度值细化，也可以根据实际情况进行有效扩大，并且不需进行一致性检验，计算也比较简便[4]。对n个指标按照重要程度的不减方式排序，比较相邻两个指标的重要性程度得到标度值ki，然后按照指标重要程度的传递性得出判断矩阵K，见图1。

其中，ki为指标i-1相对于指标i的标度值，标度值的确定法则如表4。

矩阵K是完全一致的，且最大特征值对应的特征向量为：

指标的权重为：

参照有关标准，皮革鞣制4个质量指标的重要性程度由大到小的排序为：收缩温度、Cr2O3吸收率、抗张强度、柔软度。根据表1标度值确定法则，k1=1.6，k2=1.4，k3=1.2，则判断矩阵k见图2。

特征向量为：

指标的权重为：W=（0.357，0.297，0.212，0.134）

2.3 关联度的确定

2.3.1 确定方案的正、负理想解

正理想解U={u1，u2，…，un}负理想解V={v1，v2，…，vn}

2.3.2 确定各单项指标的关联度

各单项指标接近uj远离vj的联系度可按式（5）计算，结果如表5。

表3 试验方案的隶属度

图1 判断矩阵K

表4 标度值确定法则

图2 判断矩阵k

2.3.3 确定各方案的关联度

各方案接近V远离V的联系度可按式（6计算），结果如表5。

2.4 单工艺目标联系度分析

分别针对收缩温度W、Cr2O3吸收率X、抗张强度Y、柔软度Z进行单工艺目标的联系度分析。

由表5中各单项指标不同水平对应的联系度求得针对各工艺目标的平均指标联系度，如表6～9所示。

根据模糊物元联系度的概念，联系度均值最大的值组成最优的参数组合。

对于收缩温度W，由表6可以看出，推荐的参数组合为A1B3C3D3，影响由大到小的工艺参数依次为：鞣制时间、转鼓转速、浴液铬含量、浴液温度。

对于Cr2O3吸收率X，由表7可以看出，推荐的参数组合为A1B2C3D3，影响由大到小的工艺参数依次为：浴液铬含量、鞣制时间、转鼓转速、浴液温度。

对于抗张强度Y，由表8可以看出，推荐的参数组合为A1B2C3D2，影响由大到小的工艺参数依次为：鞣制时间、转鼓转速、浴液铬含量、浴液温度。

对于柔软度Z，由表9可以看出，推荐的参数组合为A1B2C3D2，影响由大到小的工艺参数依次为：鞣制时间、浴液铬含量、转鼓转速、浴液温度。

表5 指标的关联度和方案的关联度

表6 针对W的不同水平平均联系度

表7 针对X的不同水平平均联系度

表8 针对Y的不同水平平均联系度

表9 针对Z的不同水平平均联系度

表10 工艺参数各水平平均联系度

表11 优化组合实验对比

2.5 多工艺目标联系度分析

针对收缩温度W、Cr2O3吸收率X、抗张强度Y、柔软度Z进行多工艺目标联系度分析分析，分析结果见表10。

比较各个水平，联系度分析度值最高的水平为对多工艺目标综合考量时的最优水平。从表10中可知，最优参数组合为A1B2C3D2，即转鼓转速A=10 r/min、浴液铬含量B=15 g/L、鞣制时间C=18 h、浴液温度D=45℃。

对综合目标影响由大到小的工艺参数排序为：鞣制时间、转鼓转速、浴液铬含量、浴液温度。

3 试验验证

根据上述模糊物元法的联系度分析结果进行验证试验。即以综合目标优化组A1B2C3D2工艺参数进行试验，并同联系度最高组（第3组；联系度0.920；工艺参数组合A1B3C3D3）试验数据进行比较，结果如表11。

从表10可见，优化组与联系度最高组相比，收缩温度提高了 3.1%，Cr2O3吸收率提高了3.0%，抗张强度提高了5.9%，柔软度提高了3.3%，证明优化了结果的有效性。

4 结语

皮革鞣制是酸皮与铬鞣剂结合生成蓝湿皮的过程，是影响皮革成品质量的重要工序。皮革鞣制效果除了与设备性能及酸皮的品质水平有关外，工艺参数的搭配是一个重要因素。文中以转鼓转鼓转速、浴液铬含量、鞣制时间、浴液温度4个主要工艺参数为优化对象，以鞣制后皮革的收缩温度、Cr2O3吸收率、抗张强度、柔软度4个蓝皮质量指标为优化目标，在进行正交试验获得数据样本的基础上，利用模糊物元对数据进行处理，首先对工艺进行单目标，然后对工艺进行综合目标优化，得到了优化工艺参数组合。本方法解决了正交试验数据处理精确度低的问题，使优化结果更加可靠。采用比例标度法确定指标的权重，克服了传统标度法粒度过大、计算复杂的缺点。试验验证了优化结果的有效性。

[1]刘海腾，陈国平，陈杰，等.皮革鞣制机的铬鞣时间对皮革性能影响的研究[J].中国皮革，2015，44（11）：34-37.

[2]陈杰，杨承杰，贾继章，等.ND铬鞣技术参数的优化[J].中国皮革，2011，40（23）：12-14.

[3]黄先军，模糊物元模型在物流服务商评价与选择中的应用[J].统计与决策，2015，36（12）：80-82.

[4]刘长良，刘梦琼.基于改进TOPSIS法的火电机组运行可靠性评价[J].热力发电，2015，44（5）：1-6.

Optimization of Process Parameters of the Leather Tanning Machine based on Fuzzy Matter Element Analysis

SHU Fu-hua1,WU Liang-chao2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering of Wuhan University of Technology,Wuhan 430070, China;2.Wuhan Dapeng Leather Limited Liability Company,Wuhan 430124,China)

An optimization method of leather tanning machine process parameters which orthogonal experiment combined with fuzzy matter element analysis was presented.On the basis of orthogonal experiment data,the experimental data was deal with using matter element analysis to get the best process parameter combination.First,single objective optimization was taken,and the final multi-objective comprehensive optimization was taken.This method overcomes the problem of orthogonal experiment the resolution is not high,to improve the precision of the optimization results.Test the effectiveness of the optimization results.

leather tanning machine;process parameter;matter element analysis;optimization;contact degree

TS 531

A

1671-1602（2016）23-0037-04

舒服华（1964-），男，湖北武汉，硕士，副教授，主要从事轻工机械研究工作。E-mail:cannon777@126.com。