程凱，高云鵬，鄒海林，李廣明

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總裝后，必須進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)合格方能出廠。試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)向器中，充滿(mǎn)了試驗(yàn)所用的液壓油，按要求，必須將其所含液壓油排除，然后再進(jìn)行表面清潔與噴漆，最后進(jìn)行包裝。排油裝置的目的是排除其內(nèi)部殘存的液壓油。

在排油裝置設(shè)計(jì)中，為使排油效果達(dá)到最佳，應(yīng)使噴射器入口壓力、排油過(guò)程中是否間斷噴射和轉(zhuǎn)向器出口擺放位置3 個(gè)主要參數(shù)達(dá)到最佳的匹配。應(yīng)用正交試驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲取了最優(yōu)方案［1］。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法就是使用正交表從所有可能搭配中選出若干必需的試驗(yàn)，然后再用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理從而解決問(wèn)題［2］。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

噴射排油實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備及裝置分別是空氣壓縮機(jī)、液壓泵站、汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器、噴射器、油箱、二位二通電磁換向閥以及快換接頭與連接軟管、稱(chēng)重電子臺(tái)秤。汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器型號(hào)為3411010-A50A，稱(chēng)重電子臺(tái)秤的型號(hào)是梅特勒-托利多TCS-60，稱(chēng)重精度為0.005 kg。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩部分:一部分是先向汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器注入液壓油;另一部分是利用噴射器以及其他設(shè)備將轉(zhuǎn)向器內(nèi)的液壓油排出。首先，通過(guò)液壓泵把油箱中的油注入到汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中，使汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器充滿(mǎn)油;然后，用空氣壓縮機(jī)的接頭替換注油管的接頭連接在汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的入口，以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供指定壓力氣體;汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器出口接噴射器，噴射器出口通過(guò)油管把排出的液壓油輸送到油箱中。整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備和連接順序如圖1 所示。

圖1 排油實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖

2 排油裝置重要參數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入口壓力過(guò)小會(huì)達(dá)不到排油所需的壓力，反之壓力過(guò)大的話，會(huì)使轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的液壓油被霧化，所以入口壓力應(yīng)是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)主要參數(shù)。排油過(guò)程中是否間斷噴射，其排油效果也有變化，所以它也應(yīng)該是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)因素。轉(zhuǎn)向器出口擺放位置也是影響最終排油效果的一個(gè)因素。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，改變這3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的任何一個(gè)，都對(duì)排油效果有著直接的影響。如何最合理地搭配這3 個(gè)要素，成為該排油裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為使排油效果達(dá)到最佳，采用了正交試驗(yàn)法，對(duì)這3 個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 正交試驗(yàn)法處理問(wèn)題的主要步驟

(1)確定試驗(yàn)的因子與水平

正交設(shè)計(jì)主要是把多個(gè)因素水平合理均勻地搭配起來(lái)，將這些因素水平組合成不同的試驗(yàn)條件，如此操作就能夠降低試驗(yàn)次數(shù)，有效快捷地達(dá)到多因素試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)組合［3］。

試驗(yàn)指標(biāo)的因素為因子，用A、B、C、…表示;每個(gè)因子可能處的狀態(tài)稱(chēng)為水平，用該因子字母加上下標(biāo)表示，例如A1、A2、…表示A 因子的第一、第二、……水平等。試驗(yàn)中選定了3 個(gè)試驗(yàn)因子。即A因子:噴射器入口壓力;B 因子:排油過(guò)程中是否間斷噴射，設(shè)置(代表1)，其意義就是通過(guò)二位二通換向閥對(duì)排油通路設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，在整個(gè)排油時(shí)間2 min 內(nèi)，間斷10 s 后接通排油20 s，如此循環(huán);不設(shè)置(代表2)，其意義就是在整個(gè)排油過(guò)程中噴射器出口一直與油箱相連;C 因子:轉(zhuǎn)向器出口擺放位置，出口位置在上部 (代表1)，出口位置在下部(代表2)。因子及水平選取見(jiàn)表1。

表1 因子及水平選取

(2)設(shè)計(jì)表頭

確定了因子與水平后，就需要選擇一張適當(dāng)?shù)恼槐?，把因子和需要考察的交互作用合理地安排到正交表頭上，一般來(lái)說(shuō)遵循一條原則:要考察的因子及交互作用的自由度總和必須不大于所選正交表的總自由度。計(jì)算正交試驗(yàn)表的自由度的公式［4］:

式中:aA為因素A 的水平數(shù)。

式中:a 為此列水平數(shù)。

因素A、B 間交互作用的自由度f(wàn)A×B=fA×fB

(3)按照選定的方案進(jìn)行試驗(yàn)，取得數(shù)據(jù)。

(4)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作出合理的結(jié)論

基于正交設(shè)計(jì)具有均衡搭配性質(zhì)的綜合比較方法是分析數(shù)據(jù)的主要思想。正交試驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析共有兩種方法［5］:一種是綜合比較的直觀分析法;另一種分析方法是方差分析法。

2.2 正交表的選擇

正交試驗(yàn)法要既滿(mǎn)足試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的“用最少的試驗(yàn)次數(shù)得到最可靠的數(shù)據(jù)”的原則，還滿(mǎn)足試驗(yàn)處理過(guò)程中的隨機(jī)性、有效性、重復(fù)性等原則［6］。一項(xiàng)試驗(yàn)的因素水平不相等時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)非等水平正交表。非等水平正交表又叫做混合型正交表［7］。文中所采用的就是混合正交表。根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，確立了其試驗(yàn)為十水平因子1 個(gè)，二水平因子2個(gè)，在形式中b1取10，c1取1，b2取2，c2取2，即101×22。根據(jù)以上的分析，可以獲得3 個(gè)試驗(yàn)因素水平及其自由度，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，確定出了試驗(yàn)正交表，正交表形式是L20(101×22)，見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)計(jì)劃

2.3 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 為按表2 所設(shè)定的試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

獲得了試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，如何科學(xué)地分析這些數(shù)據(jù)，從中得出正確的結(jié)論，這是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的重要步驟。此次采用的是直觀分析法。在分析中要獲得的是:

(1)在3 個(gè)因子中，哪些因子對(duì)排油效果的影響大，哪些因子的影響小。

(2)如果某個(gè)因子對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響大，那么它取哪個(gè)水平對(duì)降低殘油量有利。

首先是噴射器入口壓力A 因素，對(duì)于表3，可以利用加權(quán)平均辦法計(jì)算在A 因素處于不同的因素水平時(shí)，剩余油量平均值是:

同樣也能夠根據(jù)表3 比較因素B、因素C 的2 個(gè)水平的好與壞，利用加權(quán)平均辦法計(jì)算出B、C 因素的數(shù)值結(jié)果:

3 結(jié)論

由上面的分析計(jì)算可得結(jié)論如下:

(1)A 因素的10 個(gè)水平中，處于A6水平時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是83.5 g，此時(shí)油量達(dá)到最少;

(2)B 因素的2 個(gè)水平中，處于B1水平時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是110.1 g，此時(shí)油量達(dá)到最少;

(3)C 因素的2 個(gè)水平中，處于C2水平時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是113.5 g，此時(shí)油量達(dá)到最少;

(4)各因子的水平確定后，根據(jù)殘油量最小原則，選取A6B1C2，即:噴射器入口壓力為0.75 MPa、噴射過(guò)程中設(shè)置間斷、轉(zhuǎn)向器出口擺放在下部作為最終方案。

(5)將A6B1C2作為基于噴射技術(shù)的汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油裝置參數(shù)，分別進(jìn)行5 次實(shí)驗(yàn)得到的剩余油量為76.9、82.3、79.5、80.6 和83.2 g，取其平均為80.5 g，符合設(shè)計(jì)要求，從而將此方案確定為最終方案。

［1］鄒海林.基于噴射技術(shù)的汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油裝置的研究［D］.長(zhǎng)春:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］黃志宏.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.

［3］賈相武.基于BP 網(wǎng)絡(luò)的注塑件翹曲變形工藝參數(shù)優(yōu)化研究［J］.塑料工業(yè)，2007(6):235－237.

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［5］侯化國(guó)，王玉民.正交試驗(yàn)法［M］.長(zhǎng)春:吉林人民出版社，1986.

［6］滕海英，祝國(guó)強(qiáng)，黃平，等.正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例分析［J］.藥學(xué)服務(wù)與研究，2008，8(1):75－76.

［7］任露泉.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［8］關(guān)穎男，施大德.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法入門(mén)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1985.