基于正交设计法的内燃机仿生孔形活塞优化

基于正交设计法的内燃机仿生孔形活塞优化基于正交设计法的内燃机仿生孔形活塞优化闫振1,2，吴波1,3，丛茜15101520253035（1吉林大学生物与农业工程学院，长春130022；2三一重型装备有限公司，沈阳110027；3长春工程学院工程训练中心，长春130012）摘要在活塞裙部加工仿生孔形结构能够提高活塞裙部的耐磨性能，为研究仿生孔的尺寸、分布和类型对活塞裙部的结构特性的影响，本文采用正交设计方法设计仿生孔形活塞，设计参数包括仿生孔的尺寸、分布和类型，应用有限元分析方法分析仿生孔形活塞结构特性，并通过综合平衡分析法分析仿生孔形活塞结构特性确定具有综合最优结构特性的仿生孔形活塞。关键词内燃机；仿生孔形活塞；正交设计方法；综合平衡分析法APPLICATIONRESEARCHOFFINITEELEMENTMETHODINPISTONDESIGNYANZHEN1,2,WUBO1,3,CONGQIAN11SCHOOLOFBIOLOGICALANDAGRICULTURALENGINEERING,JILINUNIVERSITY,CHANGCHUN1300222SANYHEINTERNATIONALHOLDINGSCO,LTD,SHENYANG1100273ENGINEERINGTRAININGCENTER,CHANGCHUNINSTITUTEOFTECNOLGY,CHANGCHUN130012ABSTRACTPROCESSINGBIONICHOLESINTHEPISTONSKIRTCANIMPROVETHEPISTONSKIRTWEARRESISTINGPERFORMANCEFORRESEARCHINGTHEBIONICHOLESDIAMETER,DISTRIBUTIONANDTYPESINFLUENCETOTHEPISTONSKIRTSSTRUCTURECHARACTERISTICS,THISPAPERDESIGNSBIONICHOLEPISTONSUSINGORTHOGONALDESIGNMETHOD,ANDTHEDESIGNPARAMETERSINCLUDEBIONICHOLEDIAMETER,DISTRIBUTIONANDTYPESAPPLYINGTHEFINITEELEMENTANALYSISMETHOD,THEPAPERANALYZEDTHEBIONICHOLESPISTONSSTRUCTURALCHARACTERISTICS,ANDITDETERMINESTHEOPTIMALSTRUCTURECHARACTERISTICSBIONICPISTONWITHCOMPREHENSIVEBALANCEANALYSISMETHODTHROUGHANALYZINGTHEBIONICHOLESPISTONSSTRUCTURECHARACTERISTICSKEYWORDSINTERNALCOMBUSTIONENGINESBIONICHOLESPISTONSORTHOGONALDESIGNMETHODCOMPREHENSIVEBALANCEANALYSISMETHOD0引言研究证明借鉴蚯蚓体表背孔的生理润滑功能1，在标准活塞裙部加工仿生孔的方法能够较好的提高活塞裙部的耐磨性能2,3，但是仿生孔的结构参数如尺寸、分布和孔的类型等因素对活塞裙部的结构特性的影响需要研究。因此本文采用捷达RSH16L发动机活塞为标准原型活塞，应用正交设计方法设计仿生活塞，运用有限元分析方法4,5分析活塞裙部的结构特性，通过综合最优平衡分析法分析确定最优结构特性的仿生孔形活塞。1仿生孔形活塞结构正交设计4011仿生孔形活塞设计原则活塞裙部侧压力空间分布规律包括两个方面第一、沿活塞裙部横向长度方向成抛物线基金项目高等学校博士学科点专项科研基金（201XXXXXXXXXX2）作者简介闫振，（1985），男，硕士研究生，主要研究方向农业机械动力系统研究。通信联系人丛茜，（1963），女，教授，博士生导师，主要研究方向仿生科学与技术。EMAILCONGQIAN1分布；第二、沿活塞裙部纵向圆周方向成余弦分布。为简化计算本文选择标准活塞裙部最大侧压力工况作为边界计算条件，可以得到活塞裙部最大侧压力分布函数，如公式（1）所示PX,Y,Z149651065635Z2Y4049YX4049YMP（1）式中Y0,4049MM，X4049MM,4049MM，Z1934MM,5365MM。455055根据标准活塞裙部侧压力分布规律，本文设计仿生孔形活塞的特点包括孔的尺寸不同、孔的分布不同和孔的类型不同，具体的设计原则如下（1）孔尺寸根据流体动力学原理可知，短孔和长孔对裙部润滑油膜具有较大的粘滞阻力，可以较大程度的防止油膜高压力作用下进入活塞内腔，因此综合考虑标准活塞裙部厚R度，R为孔径，因此本文选择4MM以下的孔径。按照活塞裙部标准温度区间分布6，从活塞裙部上沿到活塞尾部分别编号为1、2、3和4，在各个温度区间的中间部位加工孔，并且依据活塞裙部润滑油膜为楔形分布的特点，设计不同孔径的仿生孔形活塞，具体的仿生孔径设计原则为从活塞裙部上沿到活塞裙部尾端，孔径依次增大，根据以上孔径的设计规则，本文设计了3种型号，每种型号如表1所示。表1仿生孔形活塞裙部各个温度区间设计孔径直径R,MMTAB1BIONICHOLESDIAMETEROFPISTONSKIRTSEACHTEMPERATURERANGEDIAMETERR,MM温度区间尺寸型号甲乙丙1R111522R2152253R322534R425335A仿生孔形活塞的仿生孔分布B通孔形60ATHEBIONICHOLESDISTRIBUTIONOFBIONICHOLESPISTONBTHROUGHBIONICHOLESPISTON通孔盲孔盲孔C通孔与盲孔组合形D盲孔形CTHROUGHHOLESANDBLINDHOLESPISTONDBLINDHOLESPISTON图1仿生孔形活塞设计结构示意图65FIG1BIONICHOLESPISTONDESIGNINGSTRUCTURE2（2）孔分布依据标准原型活塞裙部尺寸参数，选择加工孔的部位为裙部中线两侧60的范围。孔在每个温度分区均匀分布，所有温度区内孔的数量相同，本文选择纵向相邻孔的中心线之间的角度（图1所示）为10、12和15。70（3）孔类型采用通孔形、盲孔形、通孔与盲孔组合形等三类孔形，其中通孔形仿生活塞采用通孔，如图1（B）所示；盲孔与通孔组合形，考虑到活塞运动稳定性的要求，组合形活塞的设计原则是盲孔与通孔以裙部中线为中心成对称分布，如图1C（示意图的分布角度为15）所示；盲孔形仿生活塞采用盲孔，孔深度为1MM，如图1（D）所示。7512仿生孔形活塞正交设计方案根据仿生孔形活塞的设计原则，采用了三因素三水平的设计方案，因此本文采用三水平四因素正交表7L934编制模拟实验方案,如表2所示。表2仿生孔形活塞模拟试验TAB2BIONICHOLESPISTONSIMULAITIONTESTMODEL试验模型123456789因素A纵向相邻孔轴线间角度110110110212212212315315315B孔尺寸型号1甲2乙3丙1甲2乙3丙1甲2乙3丙C孔组合类型1B2C3D2C3D1B3D1B2C802仿生孔形活塞有限元结构分析21仿生孔形活塞侧压力载荷函数建立根据仿生孔形活塞的结构设计方案，活塞裙部加工孔之后，其承载油膜压力作用的面积将会减小，会使裙部表面压强增大，承载面积减小部分主要是通孔部位；另外，活塞在气缸85内做高速往复运动，润滑油膜压力较大，依据短孔的节流作用原理，润滑油膜在流经裙部加工的通孔时，会受到较大的阻力，活塞裙部外侧油膜压力会减小，但是为了验证仿生孔形活塞结构特性的变化，采用与标准活塞裙部相同的侧压力函数进行受力分析。依据仿生孔形活塞的设计方案，在对仿生活塞进行结构分析时，需要对作用在活塞裙部的压强载荷做出调整，其调整表达式如公式（2）所示。90PIPX,Y,ZS0/SI（2）式中，I仿生孔形活塞型号I1、2、9）；PI裙部加工孔之后的侧压力载荷压强；PX,Y,Z标准原型活塞裙部侧压力载荷压强；S0标准原型活塞裙部承载压力面积；SI仿生孔形活塞裙部承载压力面积。根据仿生孔形活塞结构参数及活塞裙部侧压力调整函数可知本文设计的9个仿生孔形95活塞模型裙部侧压力载荷函数分别如公式（3）（11）所示。1号仿生活塞P1153511065635Z2Y4049YX4049Y3（3）2号仿生活塞P215041065635Z2Y4049YX4049Y（4）3号仿生活塞P3149651065635Z2Y4049YX4049Y（5）62（6）100626号仿生活塞P6156531065635Z2Y4049YX4049Y626262（7）（8）（9）（10）（11）10522式中Y0,4049MM；X4049MM,4049MM；Z1934MM,5365MM仿生孔形活塞有限元结构分析根据仿生孔形活塞结构参数建立各个仿生孔形活塞的结构分析有限元模型，采用各个仿生孔形活塞的侧压力函数作为边界条件，对各个仿生孔形活塞的结构分析有限元模型进行有限元结构分析，获得各个仿生孔形活塞的结构特性参数。为全面研究活塞裙部的结构特性，110115选择了活塞裙部最大应力、最大变形和回油孔处的应力作为目标变量。选择上述三个参变量的原因是研究证明活塞裙部最大应力位置是活塞易磨损位置，对应力的分析可以反映活塞裙部的耐磨性能；侧压力作用下，活塞裙部的变形体现活塞裙部的整体结构刚度；活塞回油孔位于活塞裙部上沿的活塞环槽内，虽然位于活塞裙部以外，但是属于活塞易疲劳失效的位置，回油孔处的应力反映活塞的抗疲劳性能8。根据仿生孔形活塞有限元结构分析结果可以得到三个目标变量的数据如表3所示。表3仿生孔形活塞裙部应力及应变TAB3BIONICHOLESPISTONSKIRTSSTRESSANDDEFORMATION活塞模型裙部最大应力MPA裙部最大变形MM回油孔处应力MPA12345678921699000772372321044000744470221693500068456452010200072996701177940006941593222113000812173711990200072096634226220007838754121405000748471351203仿生孔形活塞结构特性综合平衡分析31综合平衡分析方法本文衡量活塞结构特性的目标变量有三个，仿生孔形活塞的参数自变量为三因素三水平的正交组合，即仿生孔形活塞结构参数的可行域为有限集；各个目标变量的指标结果为越小越好，而不同的因素及其水平对目标变量的影响程度不同，因此为统筹兼顾各个目标变量的125较好水平，本文采用综合平衡分析法。该方法的分析过程包括以下两个步骤（1）分析各个因素对单个目标变量影响程度的主次顺序和优水平，即确定构成仿生孔形活塞的三个结构因素对活塞结构特性目标变量的影响程度的主次顺序和优水平。4（2）分析各个目标变量对模型试验的重要程度，即确定活塞结构特性的三个目标变量对模型试验的重要程度。13032仿生孔形活塞最优结构确定根据仿生孔形活塞的三个结构特性目标变量参数，分别进行极差分析和方差分析，分析结果如表4所示。由表4中的方差和极差结果可以确定各个因素的主次顺序及各个因素的优水平，如表5所示。因此由表5对各个因素主次顺序及优水平的评定可知仿生孔形活塞各个因素及水平的选择具有以下三个特点135140（1）A因素（纵向相邻孔轴线间角度）的1水平A1（10）被选中3次，因此A因素的优水平为A1。（2）B因素（孔尺寸型号）的2水平B2（尺寸型号乙）被选中2次，3水平B3（尺寸型号丙）被选中1次，而且3水平B3被选中的目标变量为回油孔应力，属于较低重要程度的目标变量，因此B因素的优水平为B2（尺寸型号乙）。（3）C因素（孔组合类型）的3水平C3（盲孔形）被选中3次，因此通过对比目标变量的重要程度可以选定C因素的优水平为C2（盲孔形）。表4仿生孔形活塞裙部应力及应变特性参数分析结果TAB4BIONICHOLESPISTONSKIRTSSTRESSANDDEFORMATIONPARAMETERSANALYSISRESULT目标变量因素A纵向相邻孔轴线间角度B孔尺寸型号C孔组合类型1水平均值198927205677221447裙部最大应力MPA裙部最大变形103MM回油孔处应力MPA2水平均值3水平均值极差显著性水平11水平均值2水平均值3水平均值极差显著性水平21水平均值2水平均值3水平均值极差显著性水平3200030213097141700346273356677453667751033301746670711366323666807103304710035012048672015100416708708741033374076677481667007409174685506831767170013800871620850318210339343007567894740969966670897333008847380769527607031310300766145综上所述，三因素的主次顺序为C（孔组合类型）、B（孔尺寸型号）、A（纵向相邻孔轴线间角度）；三个因素的优水平分别为C3（盲孔形）、B2（尺寸型号乙）、A1（纵向相邻孔轴线间角度10），其中尺寸型号乙在活塞裙部四个温度区间的孔径分别为R115MM,R22MM,R325MM,R43MM。150表5各因素主次顺序及优水平TAB5THEORDEROFTHEPRIMARYFACTORSANDOPTIMALLEVEL模型试验目标变量指标因素主次顺序优水平最大侧压力下裙部最大应力最大侧压力下裙部最大变形回油孔应力CABA1CABA1CABA1B2B2B3C3C3C354结论本文采用正交设计方法设计的仿生孔形活塞包括了孔的尺寸、分布和孔的类型，通过对155160165170175侧压力作用下活塞裙部最大应力、最大变形和回油孔应力等三个结构特性目标变量的分析，确定仿生孔形活塞的三个结构因素对活塞结构特性的影响程度的主次顺序为C（孔组合类型）、B（孔尺寸型号）、A（纵向相邻孔轴线间角度）；各个因素的优水平分别为C3（盲孔形）、B2（尺寸型号乙）、A1（纵向相邻孔轴线间角度10）。参考文献REFERENCES1邓宝清,任露泉,陈庆海等仿生非光活塞缸套系统耐磨机理分析A农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集C北京2003113411362JFJIN,MCAO,QCONG,BQDENGTESTFORWEARRESISTANTCHARACTERISTICSOFTHROUGHHOLESTRUCTUREANDITSAPPLICATIONININTERNALCOMBUSTIONENGINEPISTONNAPROCEEDINGSOFTHE2NDINTERNATIONALC