基于正交试验的玻璃钢锚杆工艺参数优化

潘 越 郎洪芳 张先峰 陈 尉

（1.河北工程大学机电工程学院，河北省邯郸市，056038；2.邯郸市晟锚支护材料有限公司，河北省邯郸市，056038）

基于正交试验的玻璃钢锚杆工艺参数优化

潘 越1郎洪芳1张先峰2陈 尉1

（1.河北工程大学机电工程学院，河北省邯郸市，056038；2.邯郸市晟锚支护材料有限公司，河北省邯郸市，056038）

基于正交试验的方法，首先对玻璃钢锚杆成型工艺参数进行了多因素多水平试验，然后通过对试验数据的分析，确定了影响锚杆性能的关键工艺参数，并由此得出锚杆成型的最佳工艺参数组合方案。

玻璃钢锚杆 性能指标 正交试验 工艺参数

玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）锚杆作为一种新型材料锚杆，是以玻璃纤维为增强材料，不饱和聚酯树脂为基体材料，并通过掺入适量辅助剂（如阻燃剂、抗静电剂等）经连续拉挤成型和缠绕工艺相结合方式生产出的一种新型复合材料巷道支护锚杆。近年来，玻璃钢锚杆产业在我国得到了长足发展。然而又因其生产效率较低、产品性能稳定性差已逐渐成为制约大规模发展的瓶颈。文章参考以往对玻璃钢锚杆拉挤成型技术工艺条件的研究成果，确定影响锚杆性能指标的4项主要因素包括树脂的粘度、加热时间、加热温度和冷却方式，并通过4因素3水平正交试验方法优化工艺参数，达到规范生产和提高锚杆质量的目的。

1 正交试验设计基本思想

正交试验设计是利用正交表进行科学地安排与分析多因素多水平试验的方法。它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。

试验中需要考察的、可以控制的条件称为因素或因子，因素的每一个状态或等级称为因素的一个水平。每个因素的各个不同水平在试验中出现了相同的次数；任何两个因素的各种不同水平的搭配，在试验中都会出现相同的次数。通过对少数试验方案结果的分析，推断出最优组合方案。

2 锚杆主要性能指标测试方法

衡量锚杆质量的主要性能指标包括抗拉强度（σb）、抗剪强度（σc）和尾部连接部位螺纹承载能力（Fp），其测试方法如下：

（1）在杆体中间段随机截取800mm长的试件，两端各300mm用胶粘剂粘接在与之匹配的钢管内，使粘接强度大于杆体抗拉强度，在万能材料试验机上进行抗拉强度测定。

（2）在杆体中间段随机截取200mm长的试件，将试件放入剪切专用夹具中，在万能材料试验机上以10～20kN／min的速度加载，计算抗剪切强度：

式中：P——最大剪切力，N；

A——正剪切面积值，mm2；

σc——抗剪切强度，MPa。

（3）从杆体尾部（含连接部位和尾部螺纹）截取长600mm杆体试件，将前端300mm用胶粘剂粘接于与之匹配的钢管内，使粘接强度大于尾部连接部位及螺纹承载力，24h后在万能材料试验机上进行试验。

3 正交试验

3.1 试验准备

根据以往生产积累的经验，影响锚杆性能指标的4项主要因素有25℃时不饱和聚酯树脂的粘度、加热时间、加热温度和冷却方式。试验使用玻璃钢锚杆拉挤缠绕成型机生产锚杆，牵引电机牵引预成型锚杆匀速向前通过烘道加热。加热时间越长，则要求烘道的长度越长，即加热时间以加热烘道长度表现。为避免试验产生系统误差，采用随机化方法确定因素的各水平序号。结合实际情况选取试验因素与水平，见表1。假定各因素之间无交互作用。

这是一个4因素3水平试验，由于不考虑交互作用，可选正交表L9（34）。正交表的“一行”代表一个试验方案，“一列”为对应因素在该试验方案中选取的水平。试验用玻璃钢锚杆由邯郸市晟锚支护材料有限公司生产，其直径为ø18mm，螺距为10mm。

表1 试验因素与水平

3.2 试验及数据处理

试件的生产，受试验因素条件，如温度、树脂粘度等的影响，生产出来的试件质量好坏表现为性能指标的高低。因为性能指标有抗拉强度、抗剪强度等多种因素，不能单一看某项指标优差，要按实际需求，生产出最佳的抗拉强度、抗剪强度等性能的试件。所以需给出综合评分。

因试验指标重要性不同，对试验结果作综合分析，给每个试验评出一个分数，作为这个试验的总指标。再利用单指标试验结果的直观分析法选出较好的试验方案。按实际要求，为求试验综合评分将性能指标的重要性参数化，取抗拉强度的重要性为0.6，螺纹承载能力的重要性为0.3，抗剪强度的重要性为0.1。每个试验的综合评分Yi计算：

表2 试验方案及评分表

设Kij表示第j列因素水平号为i的各试验评分之和，则

计算极差R，其表示一组数据中的最大数据与最小数据的差。

按每号试验所选因素水平生产试件，测得试件性能指标值，将数据代入式（2），得到综合评分Yi，如表2所示。

Rj称为第j列K－ij的极差。根据式（3）和式（4）计算结果见表3。表3中K1j表示第j列因素1号水平的试验评分之和，K2j表示第j列因素2号水平试验评分之和，K3j表示第j列因素3号水平试验评分之和。

表3 试验性能指标分析表

3.3 数据分析

（1）由表3极差值R的大小顺序85.5＞35.8＞21.5＞20，确定因素主次顺序为C、B、A、D。其中C因素即烘道温度对锚杆性能指标的影响显著，应重点考察。

（2）锚杆性能试验指标值Yi越大越好，表3中同因素的2号水平试验评分之和K2j都比1号水平试验评分之和K1j、3号水平试验评分之和K3j高，因此，各因素的2号水平即A2、B2、C2、D2水平较优。

（3）根据正交试验设计的均匀可比性质，得出各因素的较优水平A2B2C2D2组合便是较好的试验方案。又因为所做的9号试验中第8号试验的综合评分值最高，见表2第8号试验，所以A2B3C2D2也是较好的试验组合方案。

（4）由试验数据知道冷却方式D对锚杆主要性能指标的影响较小，考虑到实际的现场操作条件以及生产成本，采取D1空冷方式。针对上述（3）的问题，按A2B2C2D1、A2B3C2D1两种方案生产锚杆试件进一步进行确定，测得试件性能指标。由式（2）计算出试验综合评分Yi，如表4所示。

表4 组合方案评分表

由表4可知，第一组组合试验综合评分高，因此应采用组合方案为A2B2C2D1，即选择树脂粘度0.44Pa·s，烘道的加热温度180～200℃，烘道的长度为7.8m，空冷条件下，玻璃钢树脂锚杆性能最优。

4 温度的控制研究

在实际生产中，锚杆对烘道温度十分敏感，很小的温度波动就能引起锚杆性能的很大差异。因此，在组合方案A2B2D1下，有必要对烘道内的温度作进一步试验（固化成型最适温度是180～200℃，为方便试验取180℃）。1号试验烘道温度只有固化成型段，2号试验烘道温度分为预热段、固化成型段和离型段，3号试验烘道温度分为预热段、固化成型段、离型段及预热段和离型段，温度细化共分为五段。按试验要求的温度，生产锚杆试件并测试其性能指标，由式（2）计算综合评分，见表5。

表5 烘道分段温控评分表

第3号试验烘道分段温控评分最高。由此可知采用最佳组合方案，烘道内加热区温度划分越精细，锚杆性能指标越好。

5 结论

通过正交试验分析得出烘道温度对玻璃钢树脂锚杆的质量影响显著， 其次是烘道的长度，再次是树脂的粘度，冷却方式的影响可忽略。经验证，最佳的组合优化方案是烘道的加热温度180～200℃，树脂粘度0.44Pa·s，烘道的长度7.8m，空冷。烘道内温度的进一步分段研究，表明烘道内加热温度区划分的越精细，充分受热生产的锚杆质量就越好。

［1］ 黄家康.复合材料成型技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2011

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［5］ 庄楚强.应用数理统计基础［M］.广州：华南理工大学出版社，2006

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［7］ 树脂锚杆玻璃纤维增强塑料杆体及附件［S］.北京：国家安全生产监督管理总局，2008

Process parameter optimization of the FRP bolt based on the orthogonal experiment

Pan Yue1，Lang Hongfang1，Zhang Xianfeng2，Chen Wei1
（1.Electromechanical Engineering Institute，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China；2.Handan Sheng－anchor Materials Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056038，China）

Based on the method of orthogonal experiment，the multi－factor and multi－level experiment is conducted first on the process parameters of FRP bolt molding.According to the analysis of the experiment data，the crucial process parameters are determined which influence the FRP bolt performance；and the optimal combination scheme of FRP bolt molding is obtained.

FRP bolt，performance index，orthogonal experiment，process parameters

TD350

A

潘越（1972－），男，黑龙江双鸭山人，副教授，河北工程大学机械设计系主任，博士学位，主要从事机械设计及理论的研究工作。

（责任编辑 张毅玲）