利用Taguchi设计方法研究缸套与活塞环对摩擦磨损外文翻译资料

 2022-10-23 11:10

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利用Taguchi设计方法研究缸套与活塞环对摩擦磨损

Murat Kapsiz uArr;, Mesut Durat, Ferit Ficici

Sakarya大学技术教育学院,机械教育部,54187 Sakarya,土耳其

摘要:本文报道的摩擦学特性的实验研究缸套/活塞环(CL)/活塞(PR)。往复式磨损过程参数优化的最低重量损失和摩擦基于Taguchi混合L16正交设计有三个工艺参数、滑动速度、应用负载和石油类。可以看出滑动速度对重量损失影响最显著CL /PR对的损失和摩擦特性。滑动速度和油类型的交互作用对活塞环的重量损失有重要影响。实验结果的值与理论模型有很好的一致性。

关键字:往复运动测试 摩擦 磨损 Taguchi设计方法 缸套 活塞环

1. 简介

石油和汽车工业正面临困难国际竞争、政府法规和迅速技术变革[1,2]。全球原始设备制造商(OEM)和燃料和润滑剂添加剂制造商试图满足不断变化的消费者需求的挑战和新的立法更清洁的环境和能源保护[3]。更高的节能引擎油和更好的高燃料利用率车辆将变得越来越重要,这就可以节约自然资源和降低引擎摩擦[4-6]。

改进的材料或工艺早已用于内燃机的气缸内目的是为了寻求更好的摩擦磨损性能。为了节约时间和花费利用实验室模拟引擎环境检测已经进行了许多,依靠在开发过程中全面复杂的发动机试验[7]。减少摩擦,使发动机和传动系部件磨损可能节约美国经济高达US $ 120十亿每年[8]。那里许多数百摩擦组件,从轴承,活塞,变速器,离合器,对齿轮和传动系部件。摩擦学原则的应用是用于机动车辆的可靠性至关重要,并且也用于动力总成技术领域[9]。

摩擦在内燃(IC)发动机继续获得实质利益,因为尽管显著改善发动机设计和油剂,机械摩擦不断引起相当大的燃油经济性,性能和排放降解。发动机摩擦减少10%,如果应用到所有美国的乘用车,将导致3.4十亿加仑的燃料节省在2007年[10]。

活塞环的摩擦学性能一直被公认为是内部的性能有重要影响。在动力损失,燃料消耗,润滑油消耗和有害废气排放量反面有着显著影响。活塞环组件的主要作用是在燃烧室和曲轴箱之间保持有效的气体密封的环。活塞环带区域,是指它们一起有效地形成迷宫式的密封;通过紧密地符合他们的槽在活塞和汽缸壁实现这一点。 ,少量气体会通过找到自己合适的间隙的方式进入曲轴箱,窜气,通常是指通过背部管道到入口阀和反馈到气缸。活塞环的次要角色是活塞环包的是将热量从活塞转移到气缸壁并从那里进入冷却剂[11]。最终功能是活塞环包可以限制被输送的油的量从曲轴箱进入燃烧室。该流路是可能的最大贡献是影响发动机的油耗,导致增加的有害废气排放量与油混合,并与燃烧的其他产物发生的反应。

活塞环包必须在与汽缸壁的滑动界面满足这些三种功能以最小的摩擦功率损耗,最值得注意的是,为了最大限度地提高部件寿命的最小磨损。不幸的是,活塞环包其中之一最大的内燃机摩擦来源就是在超过正常范围的发动机速度和加载中遇到的情况(13 - 15)。由于负荷,速度,温度比较大的变化和润滑油的可用性。活塞环工况应该是作为在内燃机的最复杂的摩擦部件来分析,在活塞的一个单一的冲程中,活塞与气缸壁环界面可能会遇到边界。

不同的研究一直都在进行往复磨损测试。以下只是在文献中一个简短概述的工作报告。

Odabas和苏调查的磨损行为的解决方案和经久硬化2014铝合金方案都在非常相似在往复式和连续滑动的条件下提出的。他们报告说,磨损的试样类似于连续往复式磨损的模式[17]。

Cassar et al等人,进行球上盘直线往复对Ti-6AL-4V钛合金的磨损性能的滑动磨损试验取得样本。[18]

Cheng等人,已经作出玻璃纤维会增强材料的作用评价和聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能。他们报告说,在施加的载荷的时候,该复合样品的磨损率降低是随着增强相的比例而增加的。[19]

Rajeev等人已经通过研究各种磨损试验效果和两个铝硅SiC颗粒干磨损性能的材料相关的参数,在往复条件下利用统计部分因子进行设计的复合材料。研究人员开发的铝硅SiC颗粒复合材料的磨损试验参数的数学模型关系。

Ribeiro等人。通过调查研究硼化铌的摩擦磨损性能,这对找到其作为植入材料可行性来说是非常重要的。他们建议应用铌表面上硼化物涂层可以降低摩擦和减少生物方面的磨损

[21]。Bejar 和Moreno先前研究硼化碳的耐磨性和低合金钢(AISI1020,1045,4140和4340)。实验结果显示出了渗硼钢1020展现了出最大的耐磨粒磨损性能[22]。Sahin发展的磨损阻力模型低碳(AISI1020),碳(AISI1340)和低合金钢(AISI5150)。在磨料颗粒大小方面,正常负荷和使用Taguchi法滑动距离。他指出,理论值与实验值不同误差在plusmn;10%的范围内[23]。

根据可用的文学来源,研究CL /PR摩擦副的摩擦学的行为是非常有限的。基于Taguchi方法在不同测试条件下的研究目标旨在调查CL /PR摩擦副的摩擦学的状态。

2. 实验的程序

按照ASTMG133-05标准润滑滑动条件下进行了磨损测试。往复式磨损试验机,接触几何的示意图和测试示例图1所示。通过杠杆臂加载系统的方式,在销上施加的静负载。

图1 活塞环往复内胆试验机,接触的几何形状和试验样品

往复试验被设计来测量摩擦力,磨损和表面温度。测试条件表示在表1。

表1 Tribotest条件

上部试样直接从生产镀铬活塞环切割环的样品。较低的标本用取得了生产扁平圆柱形状投珠光体,铁素体和石墨组成的铁缸筒的样品材料结构。由镀铬层的程序制造活塞环,用相同的铸铁缸孔用来形成在摩擦接触系统。活塞环和CL规格于表2给出,PR和CL的化学组成示于表3给出。

表2 活塞环与缸套规格

表3 活塞环和缸套的化学组成

基于矿物汽油两种不同性能类别的发动机油,PO最大10W40和PO最大15W40的机油,被选定为测试润滑剂。组成的摩擦系统摩擦配合和润滑油在往复式摩擦试验机进行操作实验。并且记录摩擦力和检查摩擦的状态。在所有样品的重量损失,确定作为滑动距离和测试负载的函数。比重用一个灵敏度为0.1毫克的分析天平进行处理的。

两种全配方发动机油按同一滑动条件进行测试的。两个油是矿物油基。油性质表示于表4中。

表4 发动机机油性能

2.1 实验计划

Taguchi设计方法主要用于两个因素法在两个层次的实验比较,并且单独的一个因素可以在四个层次下可认为是用于检测计实验的方式。表5表示被研究的因素和相应级别的分配。通过我们所指的层次而采用因素的值。

表5 控制因素和他们的等级

它被选择混合L16矩阵(4122),如表6所示,在两个层次下,它具有相应于测试的次数与一列四个级别和两列16行矩阵(15自由度)。这些的因素和它们的相互作用被分配给

列。

表6 正交混合taguchi的L16

在Taguch的设计方法,实验结果被转换成一个信号 - 噪声(S / N)比。

有三类在Taguchi法的S / N比质量特性:所述低越级越好,越高越好,标称最好。所使用的质量特性在这项研究中被计算为如下等式:

较低是更好的特点应满足: (1)

其中“n”观察次数,而y是观测数据。

实验计划由16个测试(阵列行),其中第一列被分配到所述滑动速度(V),所述第二列到正常负荷(N),第三列到油的类型和剩余的是分配到相互作用中。待研究的输出是气缸套重量损失,活塞环重量损失和缸套和活塞环摩擦系数之间。

3. 结果与讨论

3.1 因素影响

该分析使用Minitab15。在任何尝试完成之前提出用这个简单的模型作为预测值的度量性能,控制因素之间的相互作用必须加以考虑。表7表示出了对应于气缸套盒活塞环的重量损失和摩擦实验阵列和与计算出的S / N对比的结果。

表7 实验布置与计算出的S / N比的结果为缸套和活塞环的重量损失和摩擦系数。

分析在重量损失的影响和和摩擦系数对控制因素的影响用S/ N的响应进行表。控制的因素进行了相对于差值的分类。负载和气缸套和活塞环对的摩擦系数的响应表也示于表8-10。 可以从这些表看出,该因素滑动速度的大小对重量损失和摩擦系数的影响最大。

表8 对缸套的重量损失S / N响应表

表9 S / N活塞环负载响应表

表10 对缸套/活塞环一对摩擦系数的S / N响应表

对于S / N比的主要效果曲线示于图图2a-c和图3a-c分别表示气缸套负载减轻,活塞环负载减轻,和摩擦系数。这些控制因素的最佳工艺条件可以从这些曲线可以很容易地决定。

他响应曲线示出了S / N比的变化,当

控制因数的设置从一个级别改变为另一个。

最好的负载值和摩擦们在图中的更高的S/ N值。它可以在图中看到。图2a-c和图3a-c表示为气缸套和活塞环最佳工艺条件成为A4B1C2的主控因素。也就是说,对于CL/ PR对的重量损失和摩擦的最佳工艺参数的滑动在第4级速度,负载在第1级和第2级的油类型。

图2. 主要作用的S /(a)该气缸套的重量损失N比曲线; (b)该活塞环的重量损失(c)该摩擦系数

3.2 方差分析

方差分析是用于分隔所有控制的因素影响个体的统计设计方法。百分比贡献被使用在各个控制因素来衡量相应的对质量特性的影响。在因素的影响增加使用的因素的S / N比进行了测量。方差分析可以用来确定不同的因素,包括水平平均,整体变,方的总和,均方的总和。

这些结果使用公式(2)--(7)计算。如下所示。

其中,SST是由于总变异平方和,N是总实验数,SSA表示因为平方和因子A,KA是A.因子等级数艾代表的总和因子A的总i级,NAI是标本的数量因子A.的T i个水平是总的总和(S / N)的实验的比率,自由度是自由度,Vfactor是的方差因子,SS表示的因子和Ff(actor)的平方和于因子F的比。

方差分析表的最后一栏示出的百分比对总变异各因素的贡献(P%),说明度对结果的影响。当“F测试小于5%列的值和误差值大于贡献更大每个因子的百分比(P%),所分配的因素是统计学和本身是相互独立的。

我们可以从方差分析观察(表7)(ⅰ)滑动速度,(ⅱ)负荷的影响,(iii)在重量损失油型的气缸套。在表7中的最后一列表示的每个因子的(P),在百分比上指示其对结果的影响程度的总的变化。上述因素之间在气缸套上的相互作用不具有对重量损失有显著影响。

我们可以从表11观察到的滑动速度(P =44.60%),负载(P=41.54%),油型(P=10.04%)有很大的对重量损失的影响。相互作用滑动速度/负载,滑动速度/油型,负载/油的类型是P =1.98%,P =0.64%,P =1.7%,分别为。这些交互是非常最小和可以忽略不计。

表11 对于气缸套的重量损失的方差分析

SDQ:平方和; DF:自由度;P:贡献的百分比。

b99.5%的置信水平。

ccedil;99%的置信水平。

从表12,在滑动速度(P =48.38%),负载(p =12.10%)和油类型对重量的显著影响

活塞环的损失。然而,滑动速度和油型(P =7.44%),和其它相互作用的相互作用对它没有显著效果。

表12 对于活塞环的重量损失的方差分析

SDQ:平方和; DF:自由度;P:贡献的百分比。

b97.5%的置信水平。

ccedil;99%的置信水平。

表6表示出了方差的对摩擦系数的结果。从表13,可以观察到的因素滑动速度(P =68.14%)负载(P=6.54%),油型(P=14.15%)也产生了很大对摩擦系数的影响。的相互作用(滑动速度/负载,滑动速度/油型,负载/油型)摩擦系数的值是无关紧要的。

表13 摩擦系数的方差分析

SDQ:平方和; DF:自由度;p:贡献的百分比。

b97.5%的置信水平。

ccedil;99%的置信水平。

3.3 关联性

滑动速度,负荷因子之间的相关性(油型)和所测量的参数(CL的重量损失,得到的PR及摩擦系数)的重量损失通过多元线性回归。最终,以下等式进行拟合为缸套和活塞环的重量损失的摩擦系数:

3.4 验证测试

Taguchi田口方法的最后一个步骤是对质量特性进行确认实验。确认用一套新的因素进行检验A4B1C2预测重量损失和CL/ PR对的摩擦。估计的S / N比重量损失可使用下列公式计算:

这里g^是预测平均,T是总的试验平均值,A4,B1,C2中为因素的平均响应。

因子等级,A4,B1,C2的新的组合物用于通过预测方程来预测的CL/ PR对重量损失和摩擦的研究。实验是根据因子等级的重新的组合进行A4,B1,C2和结果与从预测方程得到的比较示于表14。

表14 确认实验对缸套/活塞环对的结果

确认采用的预测平均置信区间可以使用下

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