程凱，高云鵬，鄒海林，李廣明

(長春工業(yè)大學機電學院，吉林長春 130012)

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

在排油裝置設計中，為使排油效果達到最佳，應使噴射器入口壓力、排油過程中是否間斷噴射和轉(zhuǎn)向器出口擺放位置3 個主要參數(shù)達到最佳的匹配。應用正交試驗法對其進行了優(yōu)化設計，從而獲取了最優(yōu)方案［1］。正交試驗設計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，然后再用統(tǒng)計分析方法對試驗結(jié)果進行處理從而解決問題［2］。

1 實驗準備

噴射排油實驗所需設備及裝置分別是空氣壓縮機、液壓泵站、汽車動力轉(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、稱重電子臺秤。汽車動力轉(zhuǎn)向器型號為3411010-A50A，稱重電子臺秤的型號是梅特勒-托利多TCS-60，稱重精度為0.005 kg。

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

圖1 排油實驗設備系統(tǒng)圖

2 排油裝置重要參數(shù)的確定

實驗發(fā)現(xiàn)，入口壓力過小會達不到排油所需的壓力，反之壓力過大的話，會使轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的液壓油被霧化，所以入口壓力應是設計過程中的一個主要參數(shù)。排油過程中是否間斷噴射，其排油效果也有變化，所以它也應該是設計過程中的一個因素。轉(zhuǎn)向器出口擺放位置也是影響最終排油效果的一個因素。在試驗中發(fā)現(xiàn)，改變這3 個關鍵參數(shù)的任何一個，都對排油效果有著直接的影響。如何最合理地搭配這3 個要素，成為該排油裝置設計的關鍵。為使排油效果達到最佳，采用了正交試驗法，對這3 個重要參數(shù)進行了優(yōu)化設計。

2.1 正交試驗法處理問題的主要步驟

(1)確定試驗的因子與水平

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

試驗指標的因素為因子，用A、B、C、…表示;每個因子可能處的狀態(tài)稱為水平，用該因子字母加上下標表示，例如A1、A2、…表示A 因子的第一、第二、……水平等。試驗中選定了3 個試驗因子。即A因子:噴射器入口壓力;B 因子:排油過程中是否間斷噴射，設置(代表1)，其意義就是通過二位二通換向閥對排油通路設置一個開關，在整個排油時間2 min 內(nèi)，間斷10 s 后接通排油20 s，如此循環(huán);不設置(代表2)，其意義就是在整個排油過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)。因子及水平選取見表1。

表1 因子及水平選取

(2)設計表頭

確定了因子與水平后，就需要選擇一張適當?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，一般來說遵循一條原則: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。計算正交試驗表的自由度的公式［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fA×B=fA×fB

(3)按照選定的方案進行試驗，取得數(shù)據(jù)。

(4)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，作出合理的結(jié)論

基于正交設計具有均衡搭配性質(zhì)的綜合比較方法是分析數(shù)據(jù)的主要思想。正交試驗法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析共有兩種方法［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

正交試驗法要既滿足試驗設計過程中的“用最少的試驗次數(shù)得到最可靠的數(shù)據(jù)”的原則，還滿足試驗處理過程中的隨機性、有效性、重復性等原則［6］。一項試驗的因素水平不相等時，就會出現(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)試驗計劃，確立了其試驗為十水平因子1 個，二水平因子2個，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 個試驗因素水平及其自由度，同時根據(jù)實驗的實際情況，確定出了試驗正交表，正交表形式是L20(101×22)，見表2。

表2 試驗計劃

2.3 統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)

表3 為按表2 所設定的試驗計劃進行試驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表3 試驗結(jié)果

2.4 試驗結(jié)果分析

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

(1)在3 個因子中，哪些因子對排油效果的影響大，哪些因子的影響小。

(2)如果某個因子對試驗數(shù)據(jù)的影響大，那么它取哪個水平對降低殘油量有利。

首先是噴射器入口壓力A 因素，對于表3，可以利用加權(quán)平均辦法計算在A 因素處于不同的因素水平時，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 個水平的好與壞，利用加權(quán)平均辦法計算出B、C 因素的數(shù)值結(jié)果:

3 結(jié)論

由上面的分析計算可得結(jié)論如下:

(1)A 因素的10 個水平中，處于A6水平時轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是83.5 g，此時油量達到最少;

(2)B 因素的2 個水平中，處于B1水平時轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是110.1 g，此時油量達到最少;

(3)C 因素的2 個水平中，處于C2水平時轉(zhuǎn)向器內(nèi)部剩余油量是113.5 g，此時油量達到最少;

(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、噴射過程中設置間斷、轉(zhuǎn)向器出口擺放在下部作為最終方案。

(5)將A6B1C2作為基于噴射技術的汽車動力轉(zhuǎn)向器排油裝置參數(shù)，分別進行5 次實驗得到的剩余油量為76.9、82.3、79.5、80.6 和83.2 g，取其平均為80.5 g，符合設計要求，從而將此方案確定為最終方案。

［1］鄒海林.基于噴射技術的汽車動力轉(zhuǎn)向器排油裝置的研究［D］.長春:長春工業(yè)大學，2013.

［2］黃志宏.正交試驗設計法［M］.上海:上?？茖W技術出版社，1979.

［3］賈相武.基于BP 網(wǎng)絡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.

［4］任新見，時黨勇，江建輝.響應面實驗設計的正交方法研究［J］.山西建筑，2005，31(2):17－18.

［5］侯化國，王玉民.正交試驗法［M］.長春:吉林人民出版社，1986.

［6］滕海英，祝國強，黃平，等.正交實驗設計實例分析［J］.藥學服務與研究，2008，8(1):75－76.

［7］任露泉.試驗設計及其優(yōu)化［M］.北京:科學出版社，2009.

［8］關穎男，施大德.試驗設計方法入門［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1985.