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摘要：以試驗設計方法教學為例，通過案例教學分析該課程在教學和科研方面如何有機結合，促進教學與科學研究的緊密結合，調動學生的學習興趣，提高學生的創(chuàng)造能力，從而提高課程教學質量，培養(yǎng)學生科研能力與創(chuàng)新興趣。

關鍵詞：工科類專業(yè);試驗設計方法;教學

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）36-0144-02

一、試驗設計方法

在生產和科研中，為了研制新產品，改革生產工藝，尋找優(yōu)良的生產條件，需要做大量多因素的試驗。因而選用正確的試驗設計方法則尤其重要。目前通常的試驗設計方法有：配對設計、完全隨機化、均衡設計、正交設計等。實踐證明，正交試驗設計法就是研究與處理多因素試驗的一種科學有效的方法。這種方法的優(yōu)點是能通過代表性很強的少數(shù)次試驗，摸清各個因素對試驗指標的影響情況，確定因素的主次順序，找出較好的生產條件或最優(yōu)的參數(shù)組合。

二、試驗設計方法在工科類專業(yè)中的教學實踐

（一）色紡紗生產工藝改進案例

問題提出：色紡紗可以實現(xiàn)多種成分纖維的混合和利用，并可獲得獨特的混色效果與產品風格，故具有一定的科技含量，符合當前社會節(jié)能環(huán)保的需求，因此具有較好的市場發(fā)展前景。但是對纖維染色后，棉纖維表層棉蠟熔化，加上染料分子的滲透會導致纖維發(fā)澀、彈性較差、容易扭結在一起，纖維單強有所下降，纖維間抱合力減弱，可紡性能明顯下降。采用賽絡紡的工藝進行紡紗，在紡紗過程中，纖維會經過兩次包纏，因此減少纖維在紗體上的外露，從而達到降低毛羽、提高單紗強力、改善紗線條干CV值等目的。目前色紡是紡織業(yè)中的朝陽產業(yè)，所以對優(yōu)選生產賽絡滌棉色紡紗的細紗工藝，找出最合適的生產工藝，具有一定的實際意義。

試驗條件：賽絡A紗的粗紗定量為3.1g/10m，賽絡B紗為純棉精梳紗，粗紗定量分別為3.6g/10m、4.0g/10m、4.6g/10m。紡紗時溫度25℃，濕度76%，滌棉實際回潮率6.5%。

試驗方案：在采用相同成分的原料、相同的錠速，試驗采用L9（34）正交設計，為粗紗定量（A）、粗紗中心距（B）和細紗捻系數(shù)（C）三因素三水平正交試驗。其中賽絡B紗粗紗定量因素三水平：A1（3.6g/10m）、A2（4.0g/10m）、A3（4.6g/10m）;粗紗中心距因素三水平：B1（6mm）、B2（8mm）、B3（10mm）;細紗捻系數(shù)因素水平：C1（330）、C2（350）、C3（370）。

當選用的賽絡B紗粗紗定量為3.6g/10m時，則賽絡紡粗紗總定量和為6.7g/10m，所以選用細紗機的機械牽伸倍數(shù)為23.39;當選用的賽絡B紗粗紗定量為4.0g/10m時，則賽絡紡粗紗總定量和為7.1g/10m，所以選用細紗機的機械牽伸倍數(shù)為24.48;當選用的賽絡B紗粗紗定量為4.6g/10m時，則賽絡紡粗紗總定量和為7.7g/10m，所以選用細紗機的機械牽伸倍數(shù)為28.30。

紗線的性能測試是在標準的恒溫恒濕實驗室進行的，所有的紗線實驗在溫度22℃，相對濕度62%的環(huán)境下進行測試。單紗的斷裂強力和斷裂伸長率等性能測試采用YG068C全自動單紗強力儀，上下夾持50cm，拉伸速度為0.5m/min，測試次數(shù)為10次，取其平均值。測試指標：單紗斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功。單紗的條干均勻度測試采用Uster Tester 5條干測試儀，測試速度為400mm/min，測試時間為0.5分鐘，測試次數(shù)為3次，取其平均值。選擇條干均勻度變異系數(shù)、細節(jié)-50%、粗節(jié)+50%及棉結+200%作為評價指標。采用YG172A型紗線毛羽測試儀測試紗線毛羽，測試速度為30m/min，取10個片段，每個片段的長度為10米，測10組。

結果分析：紗線斷裂強力和斷裂伸長率在試驗2時明顯最好，其他試驗號波動較小且遠遠低于試驗2;紗線條干CV值波動較大，試驗1、2、3、5條干低于12%較好，而實驗4、6條干過差;3mm以上有害毛羽數(shù)量除試驗1過大外其他試驗變化較小，試驗2有害毛羽數(shù)最少。整體看來，試驗2各項紗線性能較好;試驗1紗線毛羽較多，試驗4＼6斷裂強力和伸長率較小且紗線條干較差，各項紗線性能較差。

各因素對20s賽絡滌棉色紗紗線斷裂強力影響程度排序為A>C>B，粗紗定量為顯著影響最大，細紗捻度次之，粗紗中心距影響最小。由于各因素對單紗斷裂強力影響使得其越大越好，則斷裂強力之和大為較好水平，因此對于20s賽絡滌棉色紗其較優(yōu)工藝方案為A1B2C3。各因素對20s賽絡滌棉色紗紗線斷裂伸長率影響程度排序為C>A>B，細紗捻系數(shù)顯著影響因素，粗紗定量次之，粗紗中心距影響較小。由于各因素對單紗斷裂伸長率影響使得其越大越好，則斷裂伸長率之和大為較好水平，對于20s賽絡滌棉色紗其較優(yōu)工藝方案為A1B2C3。

對于20s賽絡滌棉色紗，粗紗定量對紗線強力、伸長、CV等各項性能有較大的影響，且選用較小的粗紗定量有利于提高紗線強力、降低紗線毛羽等;粗紗中心距對紗線毛羽影響較大，對其他紗線性能影響較小;細紗捻系數(shù)對于紗線強力、伸長、毛羽等各項性能有較大的影響且選用較大的細紗捻系數(shù)提高紗線強力、毛羽等性能。較小的粗紗定量、適中的粗紗間距和較大的細紗捻系數(shù)有利于提高賽絡滌棉色紗的紗線性能。

通過采用正交實驗紡制20s紗線，可以知道紡制20s賽絡滌棉色紗，粗紗定量是影響紗線強力和紗線條干的主要影響因素，適當降低粗紗定量有助于提高紗線強力和紗線條干;粗紗中心距是3mm以上有害紗疵的主要影響因素，適當提高粗紗中心距有助于降低3mm以上有害毛羽;對紗線伸長率影響最大的是細紗捻系數(shù)，較大的細紗捻系數(shù)有助于提高紗線伸長率。

（二）零件改進設計案例

問題提出：研究導套的外徑、過渡圓角、底板壁厚對零件破損處（即過渡圓角處）應力集中的影響。

試驗方案：選用三個可變因素：導套外徑A（mm）、過渡圓角B（mm）、底板壁厚C（mm）。每個因素分別取三個水平數(shù)。特安排了三因素三水平的正交試驗，水平尺寸的選取充分考慮到了零件在部件中的允許空間尺寸。選用L9（34）正交表進行試驗設計，這樣僅需要進行9次不同的計算。

結果分析：導套外徑203mm時圓角處應力最小，總體而言該因素影響不大;隨著過渡圓角半徑的增大，圓角處應力呈顯著的減小趨勢;底板厚度為32mm時圓角處應力最小，總體而言該因素影響也不大，加大厚度并不能有效減小過渡圓角處的應力。綜合上述三點，這是一個應力集中的問題，最有效的解決辦法就是增大圓角半徑，降低應力集中程度。

綜合起來A=203、B=15、C=32最好，這與極差分析得出的結論一致。而上述9次試驗并未出現(xiàn)該方案，故需追加試驗，試驗的結果是69MPa，這比前面9次試驗所得的結果都小，且明顯小于許用應力。

經過試驗得出該零件破損的主要原因是過渡圓角半徑過小引起較大的應力集中，進而找出了應力集中最小的解決方案，按所確定的尺寸制成的零件在使用中未出現(xiàn)任何問題。

（三）廢水處理改進案例

問題提出：納米TiO2光催化-SBR工藝處理印染廢水的研究。

試驗方案：采用偶聯(lián)劑法將納米TiO2附于聚丙烯多面小球上制備出小球填料，運用自行設計的“TiO2光催化-SBR”聯(lián)合工藝對實際印染廢水進行處理。假設：在正交試驗中光源強度和反應時間兩個因素都選取了由單因素試驗確定的最佳水平進行試驗操作。光源強度為4*30W，光照時間為120分鐘。進水水質穩(wěn)定，SBR系統(tǒng)的水利負荷較低，短周期運行，則微生物的數(shù)量和性能、溶解氧都相對恒定。納米TiO2光催化小球膜層相對均勻，不易脫落。兩者其他條件相同，光催化試驗設計只考慮催化劑添加量、pH值、溶解氧濃度三個因素，SBR工藝的試驗設計只考慮暴氣時間和沉淀時間對試驗結果的影響。

試驗分為兩個部分的設計：一個是光催化實驗設計，另一個是SBR工藝的實驗設計。在光催化試驗設計中由于光催化的影響因素較多，最終選取了催化劑添加量、pH值、溶解氧濃度3個因素為正交實驗的因素，故本試驗采用正交法L9（34）進行試驗設計，以確定印染廢水光催化預處理工藝的最佳工藝條件。

結果分析：催化劑投加量、pH、溶解氧濃度為因素，因素有三個水平，文中計算出了K值、極差，最后做出了最有水平的組合及主要影響因素。在SBR工藝處理試驗結果的數(shù)據(jù)中，由于只有兩個因素，試驗指標只有一個，因此沒有做正交實驗，只作了線性相關實驗，可以較明顯的看到兩個因素對降解效果的影響。本試驗進行了單獨工藝的處理研究，然后再進行了聯(lián)合工藝的研究，印染廢水通過光催化處理后色度得到了大量的去除，同時B/C的值也得到了提高，表明光催化反應器提高了廢水的可生化性能，為后續(xù)的生物反應器的處理效果奠定了基礎;同時因為一部分CODCr、BOD5得到去除，使得后續(xù)的SBR工藝的進水負荷得到降低，大大提高了后續(xù)工藝的處理效果，使得整個工藝脫色率達到90%，CODCr去除率達到85%，其處理效果比單獨使用光催化或SBR均顯著，保證了出水的達標排放。

三、結論

通過案例教學，使得教學與科研相輔相成、相互促進，兩者實現(xiàn)了雙向互動，這對于培養(yǎng)新世紀研究型專業(yè)人才有很大的作用。

參考文獻：

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