针阀体研磨过程流量增速回归方程的建立.pdf

针阀体研磨过程流量增速回归方程的建立 口王小勇1口蔡红霞1口刘林生2口俞涛1 1 ．上海大学机电工程与自动化学院上海市机械自动化及机器人重点实验室 2 ．中国矿业大学江苏徐州2 2 1 1 1 6 口党卫兵， 上海2 0 0 0 7 2 摘要用回归设计的方法对磨料浆体射流研磨过程的关键因素进行研究．提出了利用二次响应曲面法建立针阀体 喷孔研磨过程的回归方程。通过分析组合试验数据，建立了基于系统压力、磨料粒度和磨料浓度3 个关键因素的流量增 速回归方程，并给出了回归方程的显著性检验，为进一步的定量研究提供可能。 关键词磨料浆体射流针阀体流量增速 回归方程 中图分类号T K 4 2 6文献标识码A文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 11 0 3 0 0 3 2 0 4 柴油机是目前热效率最高的热力发动机，因而被 广泛应用于交通、工程机械、矿山机械和农业机械等领 域，对国民经济有重要意义。针阀体作为柴油机燃油喷 射装置。直接关系到柴油机的动力性能和燃油经济性 能。减小喷 L - r E 径．可以改善雾化效果，但是一定压力 下的流量也会受到影响。因而必须提高流量系数即喷 孔实际流量值与理论流量值的比值⋯，同时在我围目 前的针阀体生产中，汽车用柴油机针阀体喷孔流量偏 差率要求最大不能超过士3 ％[ 2 J 。这对针阀体加工工艺 提出了较高的要求。目前国内外相关研究机构将磨料 浆体射流技术应用到该领域．提出了液体挤压研磨t 艺并已取得了良好的效果。但由于磨料浆体研磨过程 复杂，相关因素多，难以从流体力学的角度提出研磨过 程的数学模型。目前国内的加工工艺大多还都是定性 加工【3 ] ，这样的现状从根本上制约了对针阀体加工工 艺优化的深入研究。 由予柴油机技术属于动力机械的核心技术领域。 对其核心部件的针阀体喷孔研究．国外研究机构的研 究进展及研究成果都处于相对保密状态，特别是对针 阀体研磨过程定量的数学模型研究无法检索到相关资 料。国内研究人员通过大量实验找出了影响研磨过程 的3 个关键因素系统压力、磨料粒度、磨料浓度⋯。并 通过正交实验得出了因素对指标影响的主次顺序。事 实上单位时间的流量增加量即流量增速是衡量研磨效 率的重要指标．本文通过组合试验利用二次响应曲面 法建立针阀体喷孔研磨过程中基于系统压力、磨料粒 度和磨料浓度3 个关键因素的流量增速的回归方程。 为进一步的定量研究提供可能。 1 针阀体喷孔磨料浆体研磨过程中流量增速 回归模型确定 收稿日期2 0 1 0 年8 月 回2 0 1 1 ／3 1 ．1 针阀体喷孔磨料浆体研磨过程分析及抽象 磨料浆体射流对针阀体喷孔进行研磨加工时．浆 料在系统压力作用下由管路进入针阀体内流道后经喷 孔喷出。与系统管路直径相比，由于针阀体内流道孔直 径和喷孑L 直径都很小，所以在渐变加速度的作用下，浆 料在针阀体内流道孔内的速度迅速提高，雷诺数增大． 对针阀体形成磨削作用。由于磨料浆体流经微孔内流 道时，随着针阀体内流道的形状成自由取向。因此磨料 流在小孑L 流道内处于紊流状态，并且在毛刺和尖角处 存在速度和压力的突变1 4 ] 。所以难以从流体力学的角 度提出磨削过程的数学模型。 在大量试验过程中。发现在针阀体喷孔磨料浆体 研磨过程中．影响流量增速的参数主要集中在3 个方 面系统压力、磨料浓度和磨料粒度。 1 系统压力研磨效率随着压力的增加而增加． 但存在一个临界门限压力，低于门限压力就没有研磨 作用。压力的增加对减少堵塞率也有很大作用。但是压 力增加对设备性能提出了更高的保障要求。 2 磨料浓度磨料浓度能对研磨能力产生较大影 响。理论和实验均证明．在一定压力下，磨料浓度有最 高门限，超过最高门限．增加磨料浓度并不能提高研磨 能力。 3 磨料粒度磨料粒度对研磨能力和研磨表面的 粗糙度都有一定的影响。粒度太细，研磨能力差。效率 低。粒度粗，研磨质量降低，加工过快。流量离散度难以 控制，而且很容易造成堵塞。 1 ．2 二次响应曲面回归模型的确定 虽然线性回归有很多优点，比如能简化计算、消除 回归系数间的相关性等，但线性回归设计毕竟只能回 归出线性方程．而针阀体喷孔磨料浆体挤压研磨是复 杂的过程，不能将其简化为线性模型，而要考虑各因素 之间的二次或更高次的作用，并且当试验接近极点时， 机械制造4 9 卷第5 5 9 期盛 万方数据 为了真正响应曲面曲率的变化，需要用二阶或更高阶 的模型逼近响应。大多数情形下，二阶模型为 y - - 1 3 0 羔厚弓 ∑岛％弓 艺岛孑 1 i 1h ‘lJ 1 是合适的㈨，其中y 表示模型函数值 流量增速 ，一表 示变量因子风为常数项，色为一次项变量系数，届 『为 交互项变量系数，岛为二次项变量系数，以上皆为实际 空间的变量形式。它在编码空间的形式为 y b 。 艺屯誓 ∑6 ，％誓 三气勺2 2 ， 1h ‘J』 l 式 2 与式 1 中相同位置的变量含义一致，为编 码空间中的表示形式。通过组合设计的Ⅳ次试验数据 可求得二次回归方程。组合设计一般由3 类不同的试 验点组成N m 。 m ， ‰，其中m 。 Z 为各因素皆取二水 平 l ，一1 的全面试验点；m r _ 2 p 为分布在p 个坐标轴 上的星号点．它们与中心点的距离r 称为星号臂，即臂 长。调节r 可以得到所期望的优良性，如正交性、旋转 性等；‰为各因素均取零水平的试验点，即中心点，无 严格的规定．一般取m o - 3 ～4 。为使得二次响应曲面组 合设计具有正交性，必须满足两个条件【6 】 1 r 2 、／丽元_ 一m 。 ／2 3 Ⅳ 2 ％岛，2 一专善z 4 2 二次响应曲面法求解回归方程 2 ．1确定自然因素的变化范围及编码 在针阀体喷孔磨料浆体研磨过程中，系统压力、磨 料浓度、磨料粒度都必须在安全合理的范嗣内取值。结 合以往经验在确保加工效率和精度并且安全连续加工 的前提下确定系统压力变化范围3 ～5 M P a 、磨料浓度 变化范围o ．2 5 ～0 ．3 5 、磨料粒度变化范围2 3 ～3 8 1 ．L m 。 为消除各因素量纲及取值范围间的差异，需对因 素进行编码．即对自然因素作线性变换，z 在自然空间 取值。算在编码空间取值，通过编码可以建立z 与石的 一一对应的关系．通过编码戈的取值有明显的对称性 和正交性．相应的公式为【6 ] f z q z 虿十耵 ／2 { 4 彳掣一勾 ／r 5 I ≈ 刁一q 4 两水平试验点作全面试验 m 。 Z 8 ，m T 劲 6 取r r l 0 3 ，总试验次数为 N m 。 m , m e 1 7 褴 机械制造4 9 卷第5 5 9 期 冉 、／丽一m 。 ／2 1 ．8 3 1 故1 - - 1 ．3 5 3 ，具体的因素编码如表l 所示。 表l 因素编码表 1 x 舡j 系统压力，M P a磨料浓度 磨料粒度／I x m 心≈ 50 ．3 53 8 1 0 q 4 4 ．7 3 90 ．3 3 73 6 ．0 4 3 0 0 0 4 O ．33 0 ．5 - l z q 吗 3 ．2 6 l0 ．2 6 32 4 ．9 5 7 一心D 30 ．2 52 3 4 孕 0 ．7 3 90 ．0 3 75 ．5 4 3 丐 孚 x l _ 1 ．3 5 3 z l 4 z 产2 7 ．0 6 幻- o ．3 x 3 0 ．1 8 z 3 - 3 0 ．5 2 ．2 根据相应的组合设计编制试验方案并计算回归 系数 二次响应曲面法回归设计是多元正交组合设计， 因此必须从保持正交优良性出发设计试验方案，根据 的相应取值按照正交表安排试验方案．并对列作中心 化处理．最后配列计算格式表，具体试验方案如表2 所 示，其中y 为流量增速 单位1 0 0m l J ，s 。由于保证了试 验方案的正交性，所以常数项、一次项、交互项和二次 项的回归系数及偏差平方和可按式 6 、 7 计算[ 6 1 ～ b o ∑Y l I N B 。／D o b i 忑x ；y i 范x 2 j J f D j ”。”1 。， 6 ，v Ⅳ 6 崎 ∑z 。％咒／∑ x 访％ 2 毛峨 屯 ∑％咒／∑％2 吃惕 s o b o B o ．S R 』7 7 s Ⅺ b K B q s f i b ．i B j 2 ．3 回归方程显著性检验 要判断回归出的方程是否正确表述了流量增速和 系统压力、磨N - 浓度、磨料粒度间的真实关系，必须对 回归方程作显著性检验，这里采用F 检验法。进行F 检验时．首先应该计算用于显著性检验的各种偏差平 方和及其自由度。引起试验指标 ，总波动的原因有3 个方面①试验因素戈取不同水平；②试验误差；③试验 因素的非线性效应、其它条件因素及其交互作用的影 响等。上述3 个方面造成的波动可以分别由回归平方 和J s 同、误差平方和S 。以及失拟平方和S H 表述，其中误 差平方和 以及失拟平方和S M 包含在剩余平方和| s 。 2 0 1 1 ／3 万方数据 中．而试验指标的总波 动可由总平方和S 表述 【6 ] ．二次回归方差分析 见表3 。 1 回归系数的检验 可以在试验方案表中进 行，具体见表2 。由表可 知，交互项茗岱3 、x 2 x 3 的 回归系数b 。b 。和二次 项戈。’的同归系数b 。。的 显著水平a O ．2 5 ．应予 以剔除，二次项x ，’的回 归系数b ，，的显著水平 a O ．2 5 ，也应予以剔除。 由此可得编码空间回归 方程为 y O ．0 3 0 ．0 0 2 x I O ．0 0 27 x 2 O ．0 0 35 x 3 - 0 ．0 0 2 x i x 2 - 0 ．0 0 2 x 2 ’ 8 回归平方和 S 回 鼠1 鼠2 融3 S 戈t x 2 S x 2 o ．0 0 03 3 6 f t e l 5 由于s 荟y z 2 一专 ，1 7、2 f ∑Y 1 观0 0 03 9 f - 1 6 表2 试验分析及回归系数检验表 ＼ 茗，1冀7 2 髫7 3” N o ＼场 算1石2劫 并 X 2石讲3 ，硝3 l1l1llllO ．3 1 40 ．3 1 40 ．3 1 40 ．0 3 6 2l1lllllO ．3 1 40 ．3 1 40 ．3 1 40 ．0 2 7 3l11ll1一l0 ．3 1 40 ．3 1 40 ．3 1 4O ．0 3 l 4 l1一l - 1 一lll0 ．3 1 4O ．3 1 4O _ 3 1 40 ．0 2 5 5lll1一ll1O ．3 1 4O ．3 1 4O ．3 1 40 ．0 3 5 61- 1l一1- 1llO ．3 1 40 ．3 1 4O _ 3 1 40 ．0 2 9 7l 一1一lllllO ．3 1 40 ．3 1 40 ．3 1 40 ．0 2 4 81- 1- 1一llllO ．3 1 40 ．3 1 40 ．3 1 40 ．0 2 9l1 ．3 5 30OOOO1 ．1 4 5- 0 ．6 8 6- 0 ．6 8 60 ．0 3 8 1 0l1 ．3 5 30O00O1 ．1 4 5- 0 ．6 8 6 - 0 ．6 8 6 0 ．0 2 9 1 1l 01 ．3 5 3OO0O一0 ．6 8 61 ．1 4 5- 0 ．6 8 60 ．0 3 1 210一1 ．3 5 3OO00- 0 ．6 8 61 ．1 4 50 ．6 8 60 ．0 2 7 1 3l0O1 ．3 5 3O0O一0 ．6 8 6- 0 ．6 8 61 ．1 4 50 ．0 3 7 1 4lOO1 ．3 5 3OOO - 0 ．6 8 6- 0 ．6 8 61 ．1 4 50 ．0 2 5 1 5lOO0O OO一0 ．6 8 6- 0 ．6 8 60 ．6 8 6O ．0 3 l 1 61OO0O00- 0 ．6 8 6- 0 ．6 8 6- 0 ．6 8 6O ．0 3 1 71O0O0000 ．6 8 6- 0 ．6 8 6- 0 ．6 8 60 ．0 3 3 n1 71 1 ．6 61 1 ．6 61 1 ．6 68 8 8 6 ．7 l6 ．7 l6 ．7 l 巨 O ．5 l0 ．0 2 30 ．0 3 ll0 ．0 4 l2- 0 ．0 1 3O ．0 0 50 ．0 0 5O ．0 0 2- 0 ．0 1 6- 0 ．0 0 7 bO ．0 3O ．o 2O ．0 0 27O ．0 0 35- 0 ．o 20 ．0 0 lO ．o o lO ．0 0 03- 0 ．0 0 2- 0 ．o o l s J O ．0 25 E 一0 58 E 0 5O ．0 0 0l2 E 0 53 E 0 63 E 0 6 5 E 一0 7 4 E 0 58 E 一0 6 E 1 9 ．7 43 5 ．4 56 2 ．4 99 ．0 5 1 ．3 41 ．3 4O ．2 3 1 7 ．2 7 3 _ 3 9 a O ．0 5O ．0 5O ．0 50 ．10 ．1O ．2 5 S R S S 回 5 ．4 5 x 1 0 - 5 f a 1 6 - 5 l1 33，2 s 善戎一} 蚤％ 4 ．6 7 1 0 1 6 f 。 3 - l 2 S l f S R S e 4 ．9 8 x10 巧 仁1 1 - 2 9 2 回归方程的检验 悻器 蒜器 1 3 ．5 6 R o 。 5 ，1 1 5 ．3 2 表明同归方程的显著性水平为0 ．0 1 。置信 度为9 9 ％。 3 失拟检验 F 一5 l f 扩I f 一0 ．0 0 00 4 98 ／9 。P 瓦万一0 ．0 0 00 0 46 7 ／2 2 ．3 7 F o ．2 5 9 ，2 3 ．3 7 回2 0 1 1 ／3 回归方程不失拟。 2 ．4 回归方程从编码空间向自然空间映射及实验验 - h r _ 以上通过数值方法得出研磨过程中流量增速在编 码空间的回归方程．根据编码空间与自然空问的映射 关系将同归方程从编码空间代回，即将石与Y 间的函 数关系代换为z 与Y 问的函数关系。得到在自然凶素 空间中的流量增速方程。 Y - 0 ．2 4 02 6 0 ．0 2 46 8 zl 1 ．2 4 46 2 2 0 ．0 0 06 3 2 3 - 0 ．0 7 32 2 z l z 2 - 1 ．4 6 45 2 2 2 9 表3 二次回归方差分析表 方差束源偏差平方和 自由度 均方和 ，№ PP S 目 S 。 ∑即∑即∑s／“ c 一1 S A 吁日 J 。1h ‘，J 。1 F S 月c ，j J s R 5 I F S S 目 f ． f - f m 肛c S a ／f ． ’”瓦万 S 。 s ． 。秘去嘶 f o - - 晰- i S 。／{ 。 F s Ⅱ饥 S vS 庐S r s 。 居瓠嘎二肛c 一，酣l S t | 矗 ’1 r 丽 S s ∑y 2 一导f ∑y ． 卢 『_ 1 lI l v I l 1， 机械制造4 9 卷第5 5 9 期徙 万方数据 节点球夹紧装置的有分析 口马志宏L 2口王嵘2口蔡善乐- 1 ．兰州理1 二大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室 兰州7 3 0 0 5 0 1 2 ．兰州理工大学机电1 程学院兰州7 3 0 0 5 0 摘要应用有限元数值分析软件A N S Y S 对节点球分度夹紧装置的关键部件进行有限元分析，得到其受力分布情 况和模态，以确保在夹紧状态下不与外界发生共振，为改进受力情况和结构优化提供了理论基础。 关键词节点球夹紧装置有限元动态分析 中图分类号T G 7 5 1 ；0 2 4 1 ．8 2文献标识码A 文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 11 0 3 0 0 3 5 0 3 螺栓球节点是大型体育馆、游泳池、展览馆、剧院、 机场、车站候车室以及现代化工业厂房钢网架大结构的 重要部件之一。节点球的制造精度及加工质量直接关系 到网架的安全。螺栓节点球自动夹紧装置是实现对节 点球一次装夹多次分度完成多孑L 多T 序加工的装置，因 此对节点球夹紧设备的重要郎件进行静态和动态分析 以便为进一步改进提供理论基础是很有必要的。 1 节点球夹紧装置简介 节点球夹紧装置简网见图l ，该节点球夹紧装置 是由2 对水平夹爪和1 个竖向夹爪构成。水平爪主要 是完成自动分度和夹紧的作用，竖向夹爪是起辅助支 撑的作用。为水平夹爪在夹紧时分担一部分的竖向载 荷，使其夹紧更为可靠。 收稿E l 期2 0 1 0 年9 月 该装置工作原理为夹紧电机经过减速器通过联 轴器来驱动左右旋丝杠旋转。带动夹爪向中心移动从 而夹紧节点球。在分度时X y 轴的一对夹爪处于夹紧 状态，y Ⅸ 轴的夹爪处于松开状态．由分度电机驱动夹 爪绕X y 旋转完成一次分度，在进行加工时2 对夹爪 同时处于夹紧状态。 由图l 可以看出，节点球在夹紧状态时夹爪和丝 杠连接部分就成为影响整个夹紧装置整体性能的重要 因素，故取此关键部分为研究对象．对其进行静态和动 态分析。 2 夹紧装置力学模型的建立 设对节点球钻孔时钻削轴向力为J P ，因此力由水 平方向上的2 对夹爪共4 个夹爪承担，故单一夹爪所 受的力R 为l ／4 P ；在加工节点球时还会有切削扭矩肘 吣严℃P ℃P t P o P ℃芦℃P q P 吨尹L P k ，L ，- P ，℃尹，、P 、，℃，t ，、，℃，t P 咕，q 尹q ，q ，o 卜I P ℃P q 尹o ≯q 尹c P t P 、，L P 乜炉q 声、，t 芦q 尹吣芦噜产 o p 吣芦吨．‘ 为了检验回归方程的实际应用效果．现选取国内回归方程可以对试验结果进行预测和调优，便于利用 某油泵油嘴厂所生产的型号为Z C K l 5 5 S 5 2 8 的针阀二次曲面法式分析、等值线分析或者主轴梯度分析法 体进行跟踪。企业实际加工参数系统压力4 ．5M P a ，磨对研磨过程进行优化分析，对针阀体加工过程的工艺 料浓度0 ．3 2 ，磨料粒度2 6 ．5 1 ．L m ，将其代入流量增速方参数优化有较大的指导价值。 程可得加工过程中流量增速的理论值为3 ．0 41 1 1 1 ／8 。在 参考文献 加工现场对10 0 0 个随机样本进行统计，所得实际流 [ 1 ] 赵洪学，陈兆坤．喷油器及其流量控制[ J ] ．现代车用动力， 量增速的均值为3 ．0 3m l ／s ，与理论值吻合度很高，说 2 0 0 2 4 1 3 5 3 8 ． 明回归出的流量增速方程确实能很好地指导生产。 f 2 ] 王洪荣。张幽彤，王军．高压共轨柴油机喷油量修正及匹配 。凸轱 [ J ] ．山东大学学报，2 0 0 8 ，3 8 2 2 8 - 3 2 ． o’西缃 [ 3 ]张建新．高压共轨喷油器结构参数对喷油量特性影响的研 通过拟合方程的基于F 检验法的数值检验及实 究⋯．现代车用动力，2 0 0 3 1 l 一5 ． 际的实验验证可知，基于二次响应曲面法的针阀体喷 [ 4 ] 李明辉．基于磨料浆体射流技术的针阀体喷孑L 研磨关键技 孔研磨过程中的流量增速方程正确表述了针阀体研 术研究[ D ] ．上海上海大学，2 0 1 0 ． 磨过程中流量增速与系统压力、磨料浓度、磨料粒度 [ 5 ] 赵选民．试验设计方法[ M ] ．北京科学出版社．2 0 0 6 ． 间的函数关系。数值检验结果表明，失拟平方和基本 [ 6 ] 任露泉．回归设计及其优化[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 9 ． 由试验误差引起，方程不失拟并且拟合很好，置信度A 高，能够很好地指导针阀体实际加工。利用流量增速 编辑凌云 徙 机械制造4 9 卷第5 5 9 期2 0 1 1 ／3 万方数据