均匀试验设计法（精选6篇）
均匀试验设计法 篇1
0 引言
钛合金具有较高的比强度、热强度和较强的抗腐蚀能力,其应用极为广泛,但因钛合金切削加工困难,导致我国使用钛合金的比例相对较低,与国际应用水平相比存在较大差距,因而有必要对钛合金切削加工规律进行深入研究。过去人们多在切削液冷却条件下,用正交试验法设计钛合金切削试验参数[1,2],研究切削加工规律[3,4],但正交试验设计方法的因素变化范围不宜过大,否则试验次数大幅增加,试验成本也大大增高。在低碳经济战略背景下,降低消耗、减少环境污染,已成为社会关心的热点问题,研究钛合金清洁切削加工具有重要的社会意义。
笔者在常温干式切削和低温冷风降温切削条件下[4,5,6],用均匀设计方法[7,8]设计钛合金切削试验参数,用较少的试验次数研究较宽的切削参数变化范围内表面粗糙度、切削力与切削参数之间的关系[9,10],建立表面粗糙度和切削力的多元二次回归模型[2,8],比较分析两种清洁切削加工条件下切削参数对表面粗糙度和切削力的影响,研究结果对钛合金切削加工条件确定和切削参数的选用具有指导意义。
1 试验条件和方案
试验对象为钛合金Ti6Al4V,其硬度为HB320~360,抗拉强度σb=965MPa,屈服强度σs=875MPa,断后伸长率δ=14%。试验机床为CK6143,其主电机额定功率为5kW,主轴最大转速为2000r/min。试验刀具为CNMG120404,其主偏角κr=90°,前角γ0=6°,后角α0=10°,刃倾角λs=-6°。冷风源采用CTL-50/3冷风机,冷风温度为-50℃,冷风压力为0.4MPa,流量为3.0m3/min,冷风从前刀面射入,如图1所示。力传感器为Kistler三分量测力计9257B,测量范围为-5~5kN,灵敏度为2.3pC/N。采用Dewetron数据采集系统DEWE-3021,16通道,每通道最大采样率100kHz。表面粗糙度检测设备为SURFCOM 480A表面形状测量仪。试验设计与数据分析处理软件采用中国数学会均匀设计分会研制的均匀设计软件(5.0版)。
试验采用三因素均匀设计表U*25(253)设计钛合金切削试验参数,三因素分别为切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap,如表1所示。在-50℃低温冷风降温和12℃常温干式切削条件下进行车削试验,同样条件试验三次,将三次试验采集到的数据的算术平均作为试验结果。初步分析试验结果可以发现,在两种切削条件下,只有主切削力Fc和表面粗糙度Ra变化较大,计算得到的切削合力Fr变化也较大,因此只对Fc、Fr、Ra进行比较研究。
2 建立经验公式
2.1 多元线性回归模型
为了很好地反映vc、f和ap三个切削参数及它们交互作用对Ra和切削力F的影响,初步拟定多元非线性基本模型为
令y=Ra=F,x1=vc,x2=f,x3=ap,x4=vc2,x5=f2,x6=ap2,x7=vcf,x8=vcap,x9=fap,于是有y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5+b6x6+b7x7+b8x8+b9x9。将x1~x9视为自变量,则y可以看成x1~x9的线性函数,即可以按线性模型进行处理。这里需要说明的是,本节和
2.2 节中变量的取值均为表1中各变量单位对应下的数值。
对式(1)用最优子集法和自定义变量法进行运算处理,可得Fc、Fr、Ra经验公式如下:
常温干式车削时,有
低温冷风降温车削时,有
2.2 经验公式显著性检验
方差分析结果如表2、表3所示。取显著水平α=0.05,查F分布表得到F0.05(3,21)=3.072,F0.05(4,20)=2.866,F0.05(5,19)=2.74,F0.05(6,18)=2.508,可见两种切削条件下Fc、Fr和Ra的回归方程的线性关系都高度显著。
2.3 对比分析
为了便于比较两种切削条件下切削力和表面粗糙度的变化规律,绘制了Fc、Fr和Ra的特征图。
图2、图3所示是ap=0.36mm条件下,Fc、Fr与vc、f之间的特征关系,其中常温干式切削条件下的特征关系如图2所示,低温冷风降温切削条件下的特征关系如图3所示。可以发现,两种切削条件下切削力的变化规律基本相同,f对切削力影响很大,vc对切削力影响很小,低温冷风降温切削条件下的切削力比较大。
图4、图5所示是f=0.18mm/r的条件下,Fc、Fr与vc、ap之间的特征关系,常温干式切削条件下的特征关系如图4所示,低温冷风降温切削条件下的特征关系如图5所示。可以发现,vc对切削力影响很小,ap对切削力影响很大。在低温冷风降温切削条件下的切削力变化较小,ΔFc=54.906N,ΔFr=67.432N;而常温干式切削条件下的切削力变化较大,ΔFc=99.965N,ΔFr=98.612N。低温冷风降温切削,ap变化对切削力的影响比常温干式切削小,且在ap较大时切削力随ap增大变化平缓,适宜高速大背吃刀量切削;切削力变化较小,有利于工艺系统的稳定,适宜精密加工。
图6、图7所示是vc=97m/mim条件下,Fc、Fr与f、ap之间的特征关系,常温干式切削条件下的特征关系如图6所示,低温冷风降温切削条件下的特征关系如图7所示。可以看出,低温冷风降温切削条件下的切削力变化较小,ΔFc=122.565N,ΔFr=128.228N;而常温干式切削条件下的切削力变化较大,ΔFc=166.771N,ΔFr=166.529N。在f较小、ap较大时,低温冷风降温切削条件下的切削力随ap增大而减小,而常温干式切削条件下的切削力随ap增大而增大。低温冷风切削有利于提高精密加工的切削效率和工艺系统稳定性。
图8所示是f=0.18mm/r情况下,Ra与ap、vc之间的特征关系,图8a、图8b分别是常温干式切削和低温冷风降温切削条件下的特征关系。vc对表面粗糙度几乎无影响。常温干式切削,ap在0.06~0.51mm范围内时,Ra随着ap增大而减小;ap在0.51~0.6mm范围内时,Ra随着ap增大而增大,ap引起的ΔRa=0.07μm。低温冷风降温切削,ap在0.06~0.31mm范围内时,Ra随着ap增大而增大;ap=0.31~0.6mm范围内,Ra随着ap增大而减小,ap引起的ΔRa=0.42μm。
从特征图和经验公式都可以发现,在相同切削效率的情况下,低温冷风降温切削能够获得更低的表面粗糙度。
3 结论
(1)钛合金低温冷风降温切削相对于常温干式切削,切削力变化范围较小,有利于提高工艺系统的稳定性,适宜精密加工。
(2)钛合金低温冷风降温精密切削,为了减小切削力,获得理想的加工精度、表面质量和切削效率,可选用较高的切削速度、较大背吃刀量和较小的进给量。从低碳经济战略角度出发,应积极推行低温冷风降温切削。
(3)用均匀设计方法设计的试验参数,其试验结果利用线性回归分析方法进行回归分析,建立了适用于钛合金的切削力和表面粗糙度经验公式,经过F显著性检验后发现建立的经验公式线性关系高度显著。
摘要：为了探索难加工材料钛合金的清洁切削加工规律,采用均匀设计方法设计了切削试验参数,在常温干式切削与低温冷风降温切削条件下进行切削试验研究。对试验数据进行回归分析,建立了多元二次回归模型,用最优子集法和自定变量法进行运算处理,导出了适用于钛合金精加工的切削力和表面粗糙度经验公式,方差分析结果显示其线性关系高度显著。对比分析常温干式切削和低温冷风降温切削下的切削力、表面粗糙度与切削参数之间的特征关系,发现低温冷风降温切削适用于钛合金高效精密加工,同时提出了钛合金精加工切削参数选用的基本原则。
关键词：钛合金,清洁加工,经验公式,均匀设计
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均匀试验设计法 篇2
恒定应力加速寿命试验是目前工程上快速评估产品寿命的常用方法。设计最优恒加寿命试验方案,是快速、经济地评估产品寿命的重要环节。对于两应力的恒加试验,目前多在两试验应力构成的矩形区域[1,2,3,4,5,6,7]内进行试验方案优化设计。然而在工程实际中,由于试验设备的限制等原因,有时一个应力的取值会限制另一个应力,使得两个应力不能同时达到最大值,试验区域成为非矩形[8]。对于非矩形试验区域上的两应力加速寿命试验,如果按照传统矩形区域上的方法设计最优试验方案,会出现应力水平组合点位于试验区域之外的情况,不能保证获得可行的方案。因此,有必要研究适用于非矩形试验区域的综合应力加速寿命试验方案的设计方法。
对于非矩形试验区域的最优恒加试验方案设计,Escobar等[9]针对矩形区域右上角被线性失效物理方程等值线截去而形成的非矩形区域,给出了优化设计方法。Chen等[8]将Escobar等的设计思想推广至具有任意边界形状的非矩形试验区域,建立了相应的最优试验方案设计方法。文献[8,9]中的方法在设计过程中需要求出边界上失效概率最大的点,当非矩形的边界较为复杂,难以直接求出失效概率最大的点时,会增加试验方案设计的难度。因此,一种不需要求失效概率最大点且估计精度也较高的试验方案设计方法,不失为一种简便可行的办法。均匀设计[10]是一种考虑试验点在试验区域内均匀散布的试验设计方法,与其他设计方法相比,寿命估计精度较高。
本文针对机电产品普遍适用的线性极值模型,以正常应力下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为设计准则,在非矩形区域内选择两个应力水平分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,通过对试验方案进行优化设计,以达到文献[9]的试验效果,并简化非矩形区域恒加寿命试验方案优化设计方法。
1 模型假设
(1)在试验区域上的所有应力水平组合(试验点),产品的对数寿命θ服从极值分布,其概率分布函数为
式中,μ为位置参数;σ为尺度参数。
(2)在试验区域中,位置参数μ与标准化处理(具体标准化的方法参见文献[8,9],下同)后的试验应力u、v满足:
其中,0<u<1;0<v<1;γ0、γ1、γ2为模型参数,有γ1<0,γ2<0。
(3)在试验区域中,尺度参数σ与应力点坐标无关,为常数。
(4)各试验样本的寿命相互独立。
(5)采用定时截尾恒加寿命试验,各个应力水平组合上的截尾时间相等,均为τ。
由文献[2,3,4]可知,大多数机电产品的统计模型都可以转化为上述线性极值模型。
2 试验方案优化设计思路
首先,将一般非矩形试验区域标准化[8,9],如图1所示,A(0,1)、B(1,0),O(0,0)为正常应力水平点。SAB为非矩形试验区域边界曲线,设SAB的曲线方程为v=f(u),0<u<1,0<v<1。
矩形试验区域上的方案优化,按失效机理不变的原则选定最高应力水平点后,只需优化最低应力水平点即可。但在非矩形试验区域中,最高应力水平点的选定,除了要满足失效机理不变的原则外,还需按试验精度最高的原则,在非矩形试验区域内通过优化选定。通过分析可以证明[1],试验的最高应力水平越高,产品在正常工作应力水平下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的标准离差越小。过试验区域OAB内某点作失效物理方程的等值线l=μ*=γ0+γ1u+γ2v可以证明[8],当该点在曲线SAB上时,其失效概率比在区域OAB内要大(过曲线SAB上的点μ*在v轴截距较大),因此,在边界SAB上优选最高应力水平点,可保证寿命估计值的方差较小。
试验方案优化时,在边界曲线SAB上任取一点H(uH,f(uH))作为最高应力水平点,然后,在矩形区域OMHG内就给定的应力水平数K按均匀组合的方式,以正常应力水平下寿命估计值的渐近方差最小为目标对最低应力水平点C(uC,vC)进行优化,具体方法如下。
给定应力水平K,其他应力水平可由最高应力水平点H和最低应力水平点C按等间隔应力水平分配原则来表示:
式中,ui′、vi′分别为CF、CE上的等间隔点。
在估计精度基本保持不变的前提下,为减少试验次数,采用均匀设计理论对应力水平进行组合。按均匀设计理论,同一个应力水平,按照均匀设计理论会有多种不同的应力点组合方式,但其方差因子的值不同,方差因子值最小的应力点组合方式为最佳组合方式。当应力水平K分别为3、4、5时,应力点的最佳组合方式如图2所示(图中实心圆点代表应力点的分布位置)。
在取定H点所形成的矩形区域OMHG内以方差因子最小为目标优化出C点后,可以得到该最高应力水平点下的优化试验方案坐标(ui,vi),i=1,2,…,K,其分布如图2中实心圆点所示。
取遍曲线SAB上每一点作为最高应力水平H,比较每一个H点下最优试验方案方差因子值VK,VK最小时的H点即为最优点,相应的最优试验方案为最后优选的试验方案。
当边界为凹域时,按照上述方法设计的试验方案,试验点有可能在试验区域外,故以上方法只针对边界为凸域的非矩形试验区域。
3 试验方案优化设计建模
现给定试验的截尾时间τ、样本总量Ν、应力水平的数量K,以正常工作应力水平点(0,0)的寿命分布P阶分位数估计值的渐近方差为目标函数,以最低应力水平C(uC,vC),最高应力水平H(uH,f(uH))以及试样分配比例p1,p2,…,pK-1为设计变量,按等间隔应力水平分配原则和均匀设计思想在非矩形区域OAB内进行恒加寿命试验方案优化设计。
试验区域经过标准化处理后,正常工作应力水平点为(0,0),约束最高应力水平点在边界上取值,即vH=f(uH),相应的优化模型可以表示为[3]
其中,FS为标准化后关于参数δ=(γ0,γ1,γ2,σ)的fisher信息矩阵;VK为方差因子;vH=f(uH)为限制最高应力水平点的非矩形边界曲线;pi为样本分配比例;(ui′,vi′)为按照等间隔应力分配原则得到的应力点的坐标;(ui,vi)为按照均匀设计理论得到的试验方案应力组合点的坐标,如图2所示;(uC,vC)、(uH,vH)分别为最低应力水平点和最高应力水平点的坐标。
经过标准化后的fisher信息矩阵如下[8]:
因为σ2/N为常数,故优化时可将目标函数简化为求VK的最小值。
4 算例
如图3所示,设试验区域OBMQRA的边界SAB由抛物线BM、线段MQ、线段QR和圆弧RA组成。点M、Q、R的坐标分别为(0.7946,0.9)、(0.8748,0.4845)和(0.8748,0.6),各分段的方程分别为
取模型参数估计值为[8],试验截尾时间τ=1000,要求设计最优试验方案,使估计正常应力下寿命分布的0.01阶分位数y0.01的方差最小。
分别考虑在应力水平K=3、4、5时的最优试验方案设计。由于算例中的边界曲线比较复杂,是由分段函数构成的边界曲线,故试验方案优化时需在曲线段BM、MQ、QR、RA上分别找出最优试验方案,再通过比较找出最后优选的试验方案。
(1)按第3节中优化设计方法分别求出K=3、4、5时的基于均匀设计理论的恒加寿命试验方案(简称U-3、U-4、U-5)。其各应力组合点分布如图4中实心圆点所示,各试验方案对应的方差因子分别为72.0746、85.7891、85.9401。
(2)按文献[9]中方法分别求出K=3、4、5时基于Escobar和Meeker设计思想分裂得到的试验方案(简称EM-3、EM-4-1、EM-4-2、EM-5,其中EM-4-1和EM-4-2指K=4时的两种应力组合方式),其方差因子分别为71.0184、87.2230、87.2230、87.2230。
(3)比较两种不同设计方法所得最优试验方案的方差因子可得,基于均匀设计理论的优化设计方案的方差因子与按文献[9]中方法求出最优试验方案的方差因子相差不大,甚至在K=4,5时方差因子更小,因此,基于均匀设计的试验方案同样具有较好的估计精度。
综上,针对算例求得的基于均匀设计理论的优化设计方案见表1,试验点的位置分布如图4中实心圆点所示。
5 结语
本文根据均匀设计理论,以在正常应力水平时P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为准则,在非矩形区域内选择两个应力水平点分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,建立了基于均匀设计理论的非矩形区域恒加试验方案优化设计方法。最后,通过算例和基于Escobar和Meeker设计思想的最优试验方案比较,结果表明本文的试验方案具有较好的寿命估计精度,是可行的试验方案,为非矩形试验区域上的最优试验方案设计提供了一种新的思路和方法。
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均匀试验设计法 篇3
目前,工业上单宁的提取方法多采用溶剂提取法,以水为溶剂的煎煮法,操作简便和成本低,但容易造成多酚类成分的破坏。与水提法相比,水-乙醇提取法具有提取条件温和、提取物中多酚类成分含量高等优点[4]。超声波辅助提取既是对超声波进行利用,其可产生强烈的振动、较高的加速度、强烈的空化效应、搅拌作用等,提高了有效成分进入溶剂中的速度,从而有效地促进提取效率的提高及提取时间的缩短,该方法的另一个优点是可有效地避免高温条件下对提取成分的影响[5]。本研究中的溶剂选择乙醇—水溶液,利用超声波辅助提取法对白桦树皮中的桦树单宁进行提取,并采用均匀设计方法,考核的指标主要选择单宁的收率,以对桦树单宁的超声波辅助提取工艺条件进行优化。
1 材料与方法
1.1 供试材料与仪器
供试的原料为白桦树皮,采自大兴安岭塔河林业局。其采回后应进行一定的处理,即将白桦树皮晒干,粉碎后过筛。仪器:KQ-500DB超声波仪(江苏昆山超声仪器公司);AB104型电子天平(瑞士);752紫外-光栅分光光度计(上海振科有限公司);旋转蒸发仪RE-5(上海亚荣生化仪器);ZF-6030A真空干燥箱(上海一恒科技有限公司)。试剂:没食子酸标准品(中国药品生物检定所);乙醇、浓硫酸、香草醛、碳酸钠等(均为分析纯)。
1.2 试验方法
1.2.1 桦树单宁提取方法。
(1)水提法。准确地称取重量为10.00 g的白桦树皮粉末,置于容量为250 mL的带回流冷凝管的圆底烧瓶中进行提取,提取前应加入150 mL蒸馏水。提取的温度控制在80℃,提取时间为4 h。待提取液冷却至室温,抽滤,将滤液在50℃下真空浓缩后,于60℃下真空干燥至质量恒定,得到桦树单宁提取物,称重待测。
(2)水—乙醇提取法。准确称取质量为10.00 g的白桦树皮粉末,置于容量为250 mL的带回流冷凝管的圆底烧瓶中进行提取,提取前应加入150 mL乙醇水溶液。提取的乙醇浓度控制在35%,提取的温度应达到80℃,提取的时间一般为1 h即可。待提取液冷却至室温,抽滤,将滤液在50℃下真空浓缩后,于60℃下真空干燥至质量恒定,得到桦树单宁提取物,称重待测。
(3)超声波辅助水—醇提取法。准确称取质量为10.00 g的白桦树皮粉末,置于容量为250 mL的带回流冷凝管的圆底烧瓶中按均匀设计的试验条件进行提取(表1),提取前应加入150 mL不同体积比的乙醇/水溶液。待提取液冷却至室温后抽滤,滤液50℃下真空浓缩后,60℃下真空干燥至质量恒定,得到桦树单宁提取物,称重待测。
1.2.2 单宁含量的测定。测量单宁含量的方法主要为Folin-Ciocalteau法[6]。
(1)标准曲线的绘制。精确称取质量为25.00 mg的没食子酸标准品进行溶解,溶解应选择蒸馏水进行,溶解后进行定容,使总体积达到250 m L,得到对照品标准溶液,浓度为0.10 mg/mL。精密吸取对照样品溶液0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于10 m L容量瓶中,再加入1 m L Folin-Ciocalteu显色剂,将之充分地摇匀后再加入浓度为15%的Na2CO3溶液2 mL,最后将混合液的体积定容至10 m L,在室温的条件下进行反应,一般2 h后即可进行吸光值A760的测定,每样重复测定3次,取平均值。以A760(x)为横坐标,没食子酸质量浓度(y,μg/mL)为纵坐标,绘制标准曲线。得回归线性方程为:y=0.105 8x+0.001 4,相关系数R=0.998 5,没食子酸含量在0.5～5.0μg/m L范围内具有很好的线性关系。
(2)桦树单宁提取物中单宁含量的测定。精密称取质量为25.00 mg的桦树单宁提取物,用一定量的蒸馏水进行溶解,过滤后将之最终体积定容至250 mL,充分摇匀后,精确吸取1.0 mL于10 m L容量瓶中,依次加入1 mL FolinCiocalteu显色剂及浓度为15%的Na2CO3溶液2 mL并定容,按上述标准曲线测定方法对吸光值进行测定,根据标准曲线计算没食子酸的含量。提取物中单宁的含量用没食子酸含量表示,计算单宁的收率与纯度。
2 结果与分析
2.1 超声波辅助水—乙醇提取工艺优化
均匀设计试验结果见表1。自变量分别选择乙醇浓度(X1)、提取时间(X2)、提取温度(X3)、超声波功率(X4),因变量选择单宁收率(Y),用均匀设计软件(2.0版)对均匀设计的试验结果进行逐步回归分析,得到回归方程为:
各因素对桦树单宁收率影响的逐步回归分析结果表明,随着超声波功率的提高,单宁收率逐渐增加,而随着提取时间延长和乙醇浓度及提取温度的提高,单宁收率的收率呈下降的趋势。根据回归方程计算,最佳乙醇浓度为15%,提取时间为30 min,提取温度为35℃,超声波功率为500 W。利用此条件提取桦树单宁,单宁得率达到6.44%,纯度达到45.68%。
2.2 不同提取方法的比较
以均匀设计试验优选出的工艺条件为试验组,以水提法及水—乙醇提取法作为对照组,进行试验,结果见表2。由表2可以看出,超声波辅助提取法单宁的提取率明显优于水提法,也优于水-乙醇提取法。可见,超声波辅助提取法提取时间短且提取率高,具有较优越的应用前景。
3 结论
试验结果表明,选择白桦树皮作为原料,溶剂选择水—乙醇溶液,运用均匀设计法对桦树单宁的超声波辅助提取工艺条件进行了优化,确定了桦树单宁的超声波辅助提取的最佳工艺条件:最佳乙醇浓度为15%,提取时间为30 min,提取温度为35℃,超声波功率为500 W。利用此条件提取桦树单宁,单宁收率为6.44%,纯度达到45.68%。采用3种不同的提取方法进行比较,结果表明,超声波辅助提取法与水提法、水—乙醇等提取方法进行比较,其不仅提取时间短,且提取率高,应用前景较为广泛[6]。
参考文献
[1]郑万钧.中国树木志[M].北京:中国林业出版社,1998.
[2]孙达旺.植物单宁化学[M].北京:中国林业出版社,1992.
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[4]贾冬英,姚开,谭薇,等.石榴皮中多酚提取条件的优化[J].林产化学与工业,2006,26(3):123-126.
[5]王秋芬,宋湛谦,赵淑英,等.超声波用于强化有机溶剂提取印揀素[J].林产化学与工业,2004,24(1):25-28.
均匀试验设计法 篇4
自中国药典1963年版一部首次收载以来, 川木香成为包括现行中国药典2005年版在内的历版中国药典收载品种, 功能行气止痛, 主要用于治疗脘腹胀痛等症, 对以脘腹胀痛性胃脘痛为主要症状的溃疡病标本兼治。在公元八世纪成书的藏医药经典名著《月王药诊》已记载川木香能增强药效, 是疗效如甘露的药物[5], 在1743年成书的藏医药经典名著《晶珠本草》中记载有川木香功能清培根热, 使干瘦者生肌脂[6]。
川木香提取物作为推动川木香应用的关键产品, 具有抑制实验性胃溃疡形成的作用, 其中主要有效成分为去氢木香内酯 (Dehydrocostus lactone, CAS:477-43-0) , 适宜于溃疡病的治疗[7], 本文对川木香提取物的提取工艺参数进行优化试验研究, 有助于规范川木香的应用研究。
1研究原料
川木香药材:在川木香主产区 (四川省阿坝藏族羌族自治州小金县) 定点收购, 经成都中医药大学民族医药研究所鉴定, 符合中国药典2005年版一部川木香Radix vladimiriae项下的有关规定。试验研究前粉碎成粗粉。
仪器:BP121S电子天平 (德国Sartorius公司) 。
试剂:碱式醋酸铅 (天津市光复精细化工试剂厂, 分析纯) , 无水乙醇, 95%乙醇, 无水硫酸钠, 活性炭, 氢氧化钠, 浓盐酸 (以上试剂均为成都科龙化工试剂厂, 分析纯) , 纯化水。
2方法与结果
2.1均匀设计试验安排
根据均匀设计试验和溶剂法提取工艺特点, 选择乙醇浓度、乙醇用量、提取时间、提取次数4个因素, 采用拟水平法, 选择均匀设计表及其使用表U8* (84) [8]安排试验, 因素水平设计表见表1, 试验安排与试验结果表见表2。
2.2试验方法
取川木香粗粉, 按照表2的试验安排, 回流提取, 滤过, 滤液备用。
2.3总内酯测定[9]
取提取滤液适量, 加95%乙醇50mL, 充分混匀。精密加入10%碱式醋酸铅试液5mL, 摇匀, 放置1h, 俟沉淀完全, 滤过, 沉淀用乙醇充分洗涤, 合并洗液与滤液, 加25%硫酸钠试液5mL, 振摇后放置2h, 再加活性炭1g, 置水浴上加热煮沸10min, 趁热抽滤, 过铺有1g活性炭层的布氏漏斗, 并用热乙醇充分洗涤活性炭层, 合并洗涤液与滤液, 回收乙醇至约50mL, 放冷, 加水80mL, 加酚酞指示液3滴, 用0.1mol/L氢氧化钠溶液中和至微红色。精密加入氢氧化钠滴定液 (0.1mol/L) 25mL, 置水浴上加热水解20min, 迅速放冷, 用盐酸滴定液 (0.1mol/L) 滴定, 并将滴定的结果用空白试验校正, 即得。
每1毫升氢氧化钠滴定液 (0.1mol/L) 相当于23.1mg去氢木香内酯 (C15H18O2) 。
2.4试验结果
2.5试验分析
采用SPSS软件对综合评分结果进行多元逐步回归分析, 得到回归方程:Y=2.418+0.235×A
显著水平P=0.035;回归方程有显著性意义。
对总内酯含量有显著性影响的因素为乙醇浓度 (A) , 其它因素影响较小, 直观分析发现试验号10的总内酯含量最高, 因此, 综合考虑降低生产成本和优化提取工艺, 确定川木香提取物的提取工艺参数为:取川木香粗粉, 加90%乙醇回流提取2次, 加醇量为10倍量, 每次1h。
2.6验证试验
验证试验的川木香提取物提取工艺的总内酯含量为:18.38%;对提取后的残渣再次提取所得的总内酯为:4.14%;验证试验结果表明, 本文确定的提取工艺参数明确、可行。
3讨论
目前对川木香的民族用药经验和药效没有充分利用, 没有开发出具有独特疗效的优势制剂, 仅将川木香作为木香的代用品, 而且认为川木香的质量较次[10], 市场需求量逐年减少, 导致川木香资源不能得到综合利用。
开展川木香提取物的工艺、质量、药效的研究, 结合川木香的民族用药经验, 筛选出川木香有效部位甚至成分, 开发出川木香现代中药新制剂, 有利于川木香药用资源的综合利用, 有利于促进川木香药材人工种植技术和其可持续开发利用。
摘要：目的筛选优化川木香提取物的提取工艺。方法以总内酯含量为指标, 采用均匀设计法对川木香提取物的提取工艺进行优选。结果最佳提取工艺条件为:采用90%乙醇为提取溶媒, 回流提取2次, 溶媒用量为10倍量。结论建立的川木香提取物提取工艺稳定、可行。
关键词：川木香提取物,提取工艺,总内酯,均匀设计
参考文献
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均匀试验设计法 篇5
本研究采用单因素试验和均匀设计试验为实验方法,以废弃CF/EP复合材料为研究对象,失重率为考察指标,通过考察热解终温,升温速率和保温时间等因素对废弃CF/EP复合材料失重率的影响,寻求废弃热固性碳纤维复合材料热解反应的最佳条件,进行优化并通过试验得到验证。
1实验部分
1.1管式炉热解
管式炉热解实验装置为管式炉,炉膛尺寸 Φ50(外径)× 1000mm,型号GSL-50-300-1,合肥强瑞节能环保机电设备有限公司。称取型号为T700碳纤维环氧树脂复合材料(0.5± 0.0020)g,大小为2cm×2cm的片状样品,在空气条件下以升温速度、保温时间和热解终温为考察因素,然后进行均匀设计优化热解试验。
1.2均匀设计试验
根据相关研究成果及本研究的单因素试验可知影响聚合物分子量及其分布的主要因素包括不同升温速度(10~ 18℃/min)、保温时间(5~25min)和热解终温(510~590℃)等这些因素根据实验所要求的因素及水平从一系列已设计好的均匀设计表中选用U＊５(5３)来安排试验本实验具体考查3个因素对CF/EP复合材料的失重率的影响,故查均匀设计表U＊５(5３)的使用表,可选择1、2和3列来安排U＊５(5３)试验方案及结果见表1。
本研究之所以不以失重率最大为考察目标,原因在于复合材料中所含树脂最高含量不超过复合材料的40%,据厂家给出值应在35%左右,用SPSS软件对均匀设计实验结果进行回归分析,得出回归方程,然后设失重率为35% 时,用LINGO11解出各因素的最优解,然后进行验证性实验,并通过扫描电镜来观察表面变化。
1.3回收碳纤维形貌测定
回收碳纤维性能可由其表面性能决定,因此本研究用日本电子产的TSM-6301F电子显微镜(SEM)来检测回收碳纤维上热解树脂的情况。实验所用样品为回收前后的碳纤维及复合材料,用真空镀膜法制样。
2结果与讨论
2.1单因素试验
2.1.1升温速率和保温时间的影响
为考察升温速率对热固性碳纤维热解产率的影响,初步选择升温速率为3.33、6.67、10.00、13.33和16.66℃/min,保温时间初步定为1.5h,升温到500℃,结果见图1。测量温度为500℃,初步选择6.67、10.00和13.33℃/min的升温速率下,保温时间分别设定成0.5~3h时,考察保温时间对废弃CF/EP复合材料失重率的影响,结果见图2。
由图1可知,随着升温速率的增加,失重率略有增加,在相同热解终温下,升温速率越高,失重率会下降。因为升温速率较低时,相当于延长了达到热解温度的时间,在相同热解温度下停留时间相对延长,热量很快传递到物料上,树脂中有机质的键断裂的可能性增加,从而使得热解较充分,且热解反应是放热反应,使得相当于延长了反应时间,材料中的树脂二次降解发生的几率增加,因此树脂分解率增加,从而使得复合材料的失重率增加。但当升温速率过快时,随着升温速率的增加,热量传递延时,使样品在某一温度下的停留时间减少,导致树脂在某一温度下分解的量减少;在一定热解时间内复合材料中树脂发生部分降解,放出的热量来不及释放,热量集中增加交联反应发生,从而导致复合材料中的树脂难以继续降解,从而导致复合材料失重率下降。
由图2可知,保温时间对复合材料中树脂热解产率曲线趋势不同,较慢升温速率的树脂热解随着保温时间的增加而增加,但较快升温速率的树脂热解量在2.5h内变化较小,在保温时间超过2.5h时树脂分解量突然增加。这是因为在较慢升温速率下树脂受热均匀,能够在有效时间内充分热解,而较快升温速率下树脂热解量变化不大的原因是树脂未能及时分解,而只有保温到一定时间时才能充分热解。由图也可知, 当升温速度达到10.00℃/min以上时,热固性碳纤维复合材料的热解产率变化不大,因此为方便考察温度对热解的影响, 取升温速率为10.00~20.00℃/min之间。同时也可知保温时间过长对热解影响不大,因此均匀设计实验选择保温时间在0.5h以内。
2.1.2热解终温的影响
以升温速率为10℃/min升到指定温度直接降温,保温时间为0h,不同热解终温对废弃CF/EP复合材料在空气条件下的热解失重率的影响见图3。
由热解终温对热解失重率的影响变化曲线,可以看出:随着热解终温的升高,热解失重率逐渐增大,在超过600℃之后, 失重率急聚增加,因所测物料产生白色灰状物,且碳纤维只有少量剩余,这说明材料中碳纤维及树脂有一部分氧化分解。 与文献[10-11]中也得出同样结论———空气氛下热解终温范围在500~600℃之间,由此也可知该复合材料中所含树脂的量应不超过35.17%。
2.2均匀设计及回归分析［１２］
以废弃CF/EP复合材料的失重率为优化目标见表1,对回归分析选取的自变量X１、X２、X３和X２X３进行相关计算, 自变量X１为热解温度,X２为热解反应的保温时间,X３为升温速率,X２X３为保温时间与升温速率的乘积,主要考虑了保温时间与升温速率的交互作用。 用进入法回归分析所得Durbin-Watson值为2.220,说明随机误差项基本上是相互独立的,不存在序列相关的问题;回归分析的判定系数R=1,说明变量与因变量之间有确定的线性关系,表明Y与X１、X２、 X３和X２X３之间线性关系程序密切,且由于X２X３系数为负, 因此X２和X３之间存在负交互作用。同时说明热解温度、保温时间,升温速率以及保温时间和升温速率之间的交互作用对废弃CF/EP复合材料的失重率影响较大。
用直观分析法可得知实验4为较好结果,通过对均匀设计结果的回归分析计算,得出了回归分析变量系数、回归变量的标准误差和F检验结果,得到的回归方程见式(1)。
回归方差3.049,而残差为0,说明回归方差远远大于残差,显著性水平为0,说明回归方程是有意义的。
2.3验证试验
根据均匀设计的回归方程,通过数据软件MATLAB优化处理,得到优化条件,进行验证性试验,得出废弃CF/EP复合材料在空气氛下理想的热解条件为:热解终温515℃,保温时间10min和升温速率18℃/min,此条件下回归方程理论值失重率为35%,两次实验平均失重率为33.95,其结果见表2。
两次重复实验结果表明,由最佳工艺条件得到的平均失重率为33.95%,两者的相对误差为3.09%,相对误差较小, 在其方程y的预测区间内,拟合较好,表明回归模型可靠。该优化结果与反应装置类似的文献[11]所得热解温度从550℃ 降至515℃降低了35℃,反应时间由2h缩短到10min,从而节约了热解成本。相对误差率见式(2)。
2.4固体残余物的SEM表征
碳纤维复合材料、碳纤维原丝和回收碳纤维的扫描电镜见图4。
[(a)碳纤维复合材料;(b)碳纤维原丝;(c)回收碳纤维]
通过回收碳纤维与碳纤维原丝,碳纤维复合材料扫描电镜图像得知,虽然回收碳纤维表面较碳纤维原丝仍有少量残余,但回收碳纤维表面的环氧树脂和残余物在优化条件下基本完成热解,热解后固体主要是碳纤维和残余碳,且热解过程中碳纤维外貌与碳纤维原丝基本没发生变化。
3结论
(1)在相同的热解终温条件下,废弃CF/EP复合材料热解失重率随升温速率的增加,先增加后减小;随着热解终温的升高,热解失重率逐渐增大,热解终温的提升对提高热分解率非常有利;在较慢升温速率下复合材料热解失重率随着保温时间的增加而增加,但在较快升温速率下失重率在2.5h内变化较小,在保温时间超过2.5h时复合材料热解失重率突然增加。
(2)将均匀设计法应用于废弃CF/EP复合材料的热解实验研究,得出了热解终温、保温时间、升温速率以及保温时间和升温速率的交互作用等因素对废弃CF/EP复合材料的热解影响较大。
均匀试验设计法 篇6
关键词：均匀设计,丹参,藜芦,血小板聚集率
“十八反”中“诸参辛芍叛藜芦”, 藜芦与丹参是相反药对中的一对, 能否在临床上合用, 一直都存在争议。丹参因其肯定的活血化瘀作用而被广泛用于心血管疾病的治疗, 藜芦也具有心血管方面的作用[1,2], 二者合用于心血管方面疾病会产生怎样的效果有待于进一步研究。所以选择丹参常用的活血化瘀功效作为研究基础, 通过均匀设计法考察藜芦与丹参在不同剂量配比的条件下对急性血瘀模型大鼠血小板聚集率的影响, 为藜芦与丹参的临床应用提供理论依据。
一、材料
(一) 实验动物
SPF级SD大鼠, 体重200±20g, 由吉林大学基础医学院实验动物中心提供, 动物合格证号为SCXK- (吉) 2011-0021, 喂食常规饲料, 自由饮水。
(二) 药品与试剂
黎芦的产地是长春华家, 购于长春市吉深药店;丹参的产地为山东邹平县, 购自于长春市吉深药店;经长春中医药大学药学院鉴定教研室翁丽丽教授鉴定, 分别为百合科葵芦属植物葵芦“Veratrumnigrum I, .”的干燥根及根茎, 丹参为双子叶植物唇形科Labiatae鼠尾草属植物丹参“Salvia miltiorrhiza Bge.”的干燥根及根茎。
复制模型的盐酸肾上腺素注射液:丹东医创药业有限责任公司, 批号:1502011。
(三) 仪器与设备
SC-2000血小板聚集测试仪 (北京赛科希德科技发展有限公司) 。
二、方法
(一) 药品制备
称取丹参与黎芦饮片, 浸泡、加热回流提取、过滤、再煎、合并2次滤液保存于4℃冰箱中。
(二) 分组与给药
1. 丹参与藜芦配伍均匀设计方法。
以前期探索的丹参对血小板聚集率影响的有效剂量, 藜芦参考的急性毒性剂量范围和临床用药剂量范围, 确定丹参的剂量范围是4.50~19.60g/kg;藜芦的剂量范围为0.03~0.87g/kg, 将丹参和藜芦作为两个考察因素, 每一个因素各设7个水平, 按均匀设计表U7 (72) 及其使用表进行设计, 共得到7种配比, 具体见表1、2。
2. 对急性血瘀模型大鼠血小板聚集率的影响。
将大鼠按体重随机分为空白组、模型组、藜芦与丹参不同配比组共9组, 每组各10只。其中空白组与模型组给予生理盐水1ml/100g体重灌胃, 其余各组给予相应药液1ml/100g体重灌胃, 连续给药10天。除空白组外, 其余各组均于末次给药后皮下注射浓度为1mg/ml盐酸肾上腺素注射液, 即按体重为0.01mg/kg。半小时后, 将所有大鼠放入冰水中刺激5分钟, 时至将其打捞出来并将身上的水擦干烤干。两小时后, 按体重 (0.01mg/kg) 再次通过皮下注射盐酸肾上腺素。次日用10%的水合氯醛麻醉, 从颈动脉插管放血, 以构椽酸钠抗凝, 离心, 测量血小板聚集率。
3.
数据处理数据用±S表示, 先用SPSS 13.0软件的秩和检验或单因素方差分析, 后采用matlab7.8软件进行多元逐步回归分析, 以P<0.05为有统计学意义。
三、结果
各组大鼠血小板聚集率结果见表3, 采用秩和检验分析结果显示, 各组与模型组比较, 大部分给药组大鼠的血小板聚集率均降低 (P<0.05、P<0.01) , 提示藜芦与丹参合用具有降低大鼠血小板聚集率的作用。
(n=10、±S) 注:与模型组比较▲p<0.05、▲▲p<0.01、▲▲▲p<0.001
药物交互作用分析:将藜芦与丹参均匀设计7组实验数据采用matlab统计软件进行多元逐步回归, 以藜芦、丹参为自变量x1、x2, 血小板聚集率因变量y, 得拟合方程y=29.0861+46.0206X1+1.8186X2-28.6143X12-1.8965X1X2-0.0662X22三维效果图, 见图1。结果显示, 藜芦和丹参的共同用药显著降低了血小板聚集率。
血小板聚集率与药物配伍比例和用药剂量相关性分析:由方程y进行外延推论, 分别以药物总剂量 (藜芦+丹参) 、不同比例 (丹参:藜芦) 作为自变量D、K, 血小板聚集率为相应的因变量y1', 得理论拟合方程y1'=29.0861+ (46.0206D) / (K+1) + (1.8186DK) / (K+1) - (28.6143D2) / (K+1) 2- (1.8965D2K) / (K+1) 2- (0.0662D2K2) / (K+1) 2, 结果见图1。总剂量在一定条件下, 丹参所占比例越大, 血小板聚集率越小, 说明丹参在起主要作用, 在图1中从抛物线的下降阶段、曲线斜率上看, 丹参所占比例越大, 血小板聚集率下降速率越快, 说明藜芦对其药效降低的强度越大。当藜芦和丹参的比例小于1∶10时, y值即血小板聚集率值趋于接近, 此时藜芦对丹参药效降低强度最大;二者比例大于5∶1时, 曲线趋于接近, 此时藜芦对川贝药效降低强度趋于最小。藜芦与丹参配伍比例为1∶10<藜芦∶丹参<5∶1时, 二者合用明显降低了丹参的减小血小板聚集率的作用。
大鼠血小板聚集率与药组配伍比例和用药剂量相关性分析:总剂量0~19.69g·kg, 合煎液对血小板聚集率的影响呈现先升高后下降的趋势, 如抛物线:小于5g·kg时呈上升趋势, 大于10g·kg时呈下降趋势, 大于5g·kg小于10g·kg时不同配比下上升或下降趋势不同, 丹参比例越高, 抛物线上升或下降速率越慢, 而藜芦的比例越高, 上升或下降的速率越快。
四、讨论
“十八反”有的医家认为反药合用会导致毒性增加, 强调此为绝对禁忌;也有认为反药在一定条件下是可以同用, 确实也可以取得良好的疗效。所以本课题选择了藜芦与丹参这一相反药对作为研究对象, 评价二者是否具有相反性。从收集的文献中可以看出, 对藜芦和丹参的合用研究多为体外研究, 以相应毒性成分的变化为基础[3,4], 但是药物在进入机体后在代谢功能的作用下可能发生新的成分变化, 所以并不能依据于体外的数据就确定了藜芦和丹参的相反关系, 还要从动物的体内研究进行确认, 所以本研究选择丹参和藜芦的主要药理作用作为观察指标, 通过均匀设计方法评价这一相反药配伍组合在不同比例和剂量条件下对急性血瘀大鼠的血小板聚集率影响。
急性血瘀大鼠的血小板聚集率影响实验结果显示, 丹参和藜芦都具有降低血小板聚集率的作用, 与文献的研究结果相符。回归分析得知, 在藜芦0.03~0.87g/kg和丹参4.50~19.60g/kg的合煎液中, 藜芦与丹参对降低急性血瘀大鼠的血小板聚集率存在一定的拮抗作用, 藜芦能减弱丹参对血小板聚集率的降低作用, 且比例为1∶10<藜芦∶丹参<5∶1时, 此种拮抗作用最强。
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