基于田口哲学优化粉煤灰环氧树脂复合材料滑动磨损性能的国际期刊论文

工程科学与技术，国际期刊19（2016）710完整文章基于田口优化Ashutosh Pattanaika，*，Mantra Prasad Satpathyb，Subash Chandra Mishraaa冶金和材料工程系，国家技术学院Rourkela，Pin 769008，Odisha，印度b印度奥里萨邦国家技术学院机械工程系，邮编769008A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：2015年10月9日收到，2015年11月13日收到修订2015年11月17日接受2015年12月10日在线发布保留字：粉煤灰环氧滑动磨损田口哲学采用超声搅拌法制备了粉煤灰颗粒增强环氧树脂基复合材料根据田口实验设计，对复合材料进行销-盘磨损试验并进行比较。用正交试验设计方法考察了灰屑含量、典型载荷、滑动速度和轨迹距离等影响因素。信噪比分析优化了产生最小磨损率、最小摩擦力和最小摩擦系数的参数条件采用多准则决策分析方法TOPSIS法对模型进行优化，并对模型进行了验证性检验。方差分析表明，施加的法向载荷起着至关重要的作用，增加干滑动磨损的环氧树脂复合材料。© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.1. 介绍聚合物基复合材料是一种轻质高强的先进材料特定应用的材料决定取决于材料费用、厚度、质量和工作条件等变量。在滑动条件下使用的聚合物复合材料通常用于低能量传递。磨损率突然增加的可能原因是在载荷条件下摩擦温度达到材料熔化温度[1]。因此，磨损是应该处理的实际问题之一，以提高零件的寿命[2]。这将带来更高的工作温度和磨损的增加，并导致更快的零件更换[3]。轻质聚合物基复合材料是航空航天和汽车工业中对重量敏感的应用最合适的材料。目前的工作集中在废料的利用，产品的开发，作为一个复合材料，从而产生更好的磨损性能。Deuis等人（1996）[3]解释了体积百分比、滑动条件（时间、距离、速度等）以及影响复合材料干滑动磨损的施加载荷。* 通讯作者。联系电话：+91 9437488865。电子邮件地址：ashungr@gmail.com（A.Pattanaik）。 由Karabuk大学负责进行同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.11.0102215-0986/© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.Biswas和Satapathy（2010）[4]得出结论，颗粒填充聚合物复合材料大多是令人鼓舞的建筑材料，因为它们合理地确定了晶格和强化了强分子阶段。它促使复合材料具有比传统金属材料更好的质量模量。聚合物基复合材料已取代传统的金属和陶瓷材料，用于制造高强度、低导电性的泵用耐磨环、衬套、直线轴承、级间衬套和减压衬套等。Laguna-Camacho等人，（2015）[5]认为，未增强的环氧树脂由于其高脆性而不合格。陶瓷填料在聚合物中的商业应用越来越多，它具有良好的美学感和良好的机械性能。二氧化硅在提高材料的粉煤灰是一种工业废物，主要用于火力发电厂，其主要含有二氧化硅和氧化铝。粉煤灰在聚合物材料中作为增强材料已被早期使用，但通过改变销盘滑动磨损的不同参数对材料的摩擦学性能进行了一些研究。Xu等人（2015）[6]描述了滑动主要受接触部件和材料摩擦学行为的影响。为了制备合适的耐磨复合材料，必须评估各种参数与磨损率之间的关系。该技术已有效地在各种聚合物复合材料的不同磨损过程中进行了参数评估[7在我们的调查中，灰绳的摩擦学行为强制环氧树脂聚合物复合材料的测量，和磨损，摩擦出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN（印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestchA. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710711力和摩擦系数列表。应用优化技术，得到最佳组合，使磨损值最小评估每个参数的贡献百分比。2. 实验细节2.1. 基质和填充材料环氧树脂（LY 556），一种密度为1120 gm/cm 3的高粘性半固体材料，被用作基质材料，其化学名称为双酚-A-二缩水甘油基醚。 氨基硬化剂（HY 951）用于硬化材料。环氧树脂和硬化剂均由ATUL Industries Pvt.Ltd，Kolkata.环氧树脂由于其高的耐腐蚀性、高的热稳定性和良好的机械性能而作为良好的基体材料粉煤灰是一种陶瓷填料，用作增强材料。本实验工作中使用的飞灰（C级）收集自奥里萨邦Rourkela钢厂的CPP 2如图1所示的SEM显微照片所示，微灰颗粒的形状是球形的。 1.根据粒度分析仪（MALVERN MASTERIZER）提供的数据，在粒度和灰分的体积百分比之间绘制了曲线图。如图2所示，平均粒度为27.26μm。通常，如果颗粒尺寸为纳米级，则其可降低摩擦和磨损[11]。但在这里，颗粒尺寸在微米量级，这增加了磨损速率。详细的化学成分分析结果表明，粉煤灰中的主要成分为46%SiO2和35%Al2O3，是一种优良的陶瓷材料。硅和铝使火山灰更硬，刚性，并作为填料提供更多的可2.2. 复合材料制造将环氧树脂和火山灰以四种不同的重量百分比混合，并置于超声超声波仪下，其中超声超声波仪的喇叭部分地浸入混合器内10分钟，脉冲时间为5秒。 一旦完成，加入10重量%的硬化剂，用手轻轻搅拌以避免捕获气泡，并倒入直径为10 mm、高度为1英寸的塑料管中，并使其在室温下固化24小时。 一旦其硬化，则切割塑料管以移除固化的圆柱形样品，其对于销盘（DUCOM）机器而言尺寸精确。03 The Dog（1990）[12]解释说，温度、压力、应变速率甚至环境都可能对聚合物的机械响应产生巨大影响。因此，在制备样品时保持受控气氛，以确保均匀性。Fig. 1. 灰色灰分颗粒的SEM显微照片。图二. 灰颗粒的粒度分析。2.3. 干滑动磨损试验在销盘试验机上按照ASTM G99标准进行了干滑动磨损试验本ASTM标准适用于聚合物样品。机器的圆盘由不锈钢制成借助样品架和螺钉将样品固定在旋转盘上，并用四个螺钉紧固件垂直于旋转盘，用杠杆附件施加载荷其他参数，如旋转时间，RPM速度和轨道直径必须在每次实验之前手动固定。 图 3显示了具有不同附件的滑动磨损机的示意图。这里，在每次实验之前，必须通过放置所需重量的盘来手动提供负载。交流电机帮助旋转圆盘，而固定的样品表面保持固定不动。实际上，所有的摩擦功最终都表现为热量，并从系统的边界向外传导。然而，在触点附近会有大量的材料，在这些材料中，功最初主要以非弹性变形耗散这些区域将被称为主要能量耗散区[13]。值得注意的是，磨损随着法向施加载荷和滑动距离的增加而增加[14]。2.4. 实验设计Kumar和Dhiman（2013）[15]描述了在考虑任何材料的表征时，磨损如何成为关键参数表1火山灰的化学成分分析。成分10%Fe2O 38.1MgO1.14了al2o324.98的sio255.85P2O 50.15所以31.16K2O0.85曹2.54Na2O0.2的tio21.75CO21.56712A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710图三. 销盘机示意图。质量和耐磨性能是工业生产中使用粉煤灰颗粒增强环氧树脂基复合材料所面临的主要问题。阻碍，填料材料的选择对强度和磨损有巨大影响表2实验中使用的变量水平复合材料的性能是非常重要的，因为它非常影响部件的质量寿命。本研究的目的是利用田口的实验设计方法进行测试，以找出将产生最大干滑动耐磨性的理想参数水平。在这项摩擦学实验工作中，灰的增强百分比、滑动持续时间、速度、轨道直径和载荷被视为五个控制变量，并在不同水平上进行改变，如表2所示。为了找出参数对所需输出的影响，采用了基于田口综合考虑这些控制因素，L32正交聚类法是比较合适的。此外，在本工作中，没有考虑噪声参数。表3所示的L32正交表包含32种不同因素组合的结果。信噪比由实验结果求得。 信噪比不同，类型在这个实验中，目标是最大限度地减少磨损，因此，它是较低的更好的类型特性。尽管性能特点，一个值得注意的信号噪声比类似于更好的性能与最小的变化。信噪比计算如下：10log101nyi2哪里第一章（一）进行的实验数量因此，输入因子的理想水平是各个参数与具有最大信噪比的水平表332个正交表的结果。SL号% FA时间（分钟）转速（RPM）载荷（N）轨道直径（cm）磨损摩擦力（N）COF（μ）相对接近系数（P）110520010401402.770.040.8285621054002050250.7810.170.040.61588331056003060147.0914.790.050.64309141058004070371.3522.180.050.260846510102004040136.1520.170.040.562478610104003050171.5811.20.050.684963710106002060333.526.340.050.56621281010800107060.089.980.040.82614792052001050134.273.830.050.82266610205400204047.9111.430.050.788616112056003070297.0317.130.050.434593122058004060272.1523.030.060.3623691320102004050505.8327.390.063.80E-061420104003040145.4114.010.050.659891520106002070395.769.980.050.4585991620108001060108.992.050.050.85370817305200206060.987.930.040.87354418305400107021.873.840.040.99999919305600404019716.920.050.55209720305800305091.4813.360.050.7201552130102003060222.2312.770.040.6072812230104004070248.919.450.050.4506082330106001040281.173.310.050.6486742430108002050408.767.480.050.484069254052002070110.655.130.050.84588626405400106054.782.210.050.909899274056004050297.2113.220.050.50407728405800304046.839.710.050.8271622940102003070144.348.810.050.7572463040104004060120.2711.850.050.726858314010600105031.023.310.050.931367324010800204043.889.850.050.825404控制因素单元水平1234时间（A）min510FA %（B）10203040速度（C）RPM200400600800轨道直径（D）mm40506070负载（E）N10203040A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710713221 2n ij1 2n ij2.5. TOPSIS法的基本原理传统的TOPSIS策略是考虑到表4相对接近系数的平均响应表水平时间%FA速度负载轨道直径最好的选择应该是积极的完美安排和最好的分离，12-3.764-10.229-4.529-17.476-15.742-2.961-1.445-3.573-3.067-16.644负的完美安排。 TOPSIS模型显示，3-3.813-4.784-3.652-3.508归一化数据和测量与平均位置的距离的有效方法TOPSIS法在评价方法的适应性和评价结果的TOPSIS方法包括以下步骤：a. 规范化决策矩阵X4-2.168-4.499-19.316-4.767三角洲6.46515.30812.78217.87113.576秩52413Delta =最大力和摩擦系数。这些审判是根据里吉河，i，m;j，n（二）L32正交表显示，结果见表3。由于它是一个多目标优化问题，主要目标-使之成为一个单一的目标问题。应用TOPSIS法，将三个输出响应转化为一个响应。将归一化矩阵的列乘以关联的权重这里，类似的权重已被分配给每个参数，即0.33。（3）第一次见面b. 确定正理想解和负理想解，响应优化情况与目标函数的总体相对接近值。然后评估最优参数组合，其将产生最值得注意的最大化该单一响应的最佳因子设置可以通过田口策略来执行。表4显示了不同水平的选定参数的平均磨损值。从这里可以理解，当时间处于水平时，1（5 min）时，平均磨损率值高于磨损率A，，maxvA，，minvjbminvijKcjbmaxvijKc（四）（五）在时间水平2（10分钟）获得。所以在这三个等级的时间中，等级1是最好的。这是预期的，因为随着时间的增加，复合材料的磨损率降低。在可比生产线上，FA为4级（40%），速度为2级（400RPM），1级（10 N）其中，Kb =收益标准集Kc =成本标准从正理想和负理想解获得现有备选方案的距离，每个备选方案的两个距离分别计算如下：对于负载和轨道直径选择1级（40 cm）。 图4显示了从软件中获得的信噪比的主效应图，单位为dB，证实了从表4中得出的结论。此外，还通过检验差异定量地揭示n吉夫年月日，（六）策略（ANOVA）。它是一个可测量的系统，可以解释i1圣恩吉夫国际新闻报年月日，（七）一些重要结论以成记录审查测试信息。这一程序在很大程度上有助于揭示因素对一个i1国际新闻报特殊反应。它隐藏了反应的总的可变性c. 计算与理想方案的相对接近度（关于均值的平方偏差的总和）转化为由每个参数和错误呈现的承诺[17]。RCSSiii1，2分。M0RC1（八）相对接近系数的方差分析见表5（所有符号均表示其典型含义）。根据P值，因子对相对d. 根据方案与理想方案的相对接近程度对方案进行排序，RC i越大，Ai越好。2.6. 微观结构已经进行了显微镜观察，以便更好地观察环氧树脂基质中不同变量组合的轴承增强所产生的磨损表面在JEOL 6480LV扫描电子显微镜中检查经受磨损试验的样品在100倍和200倍放大条件下，以15 Ω的加速电压放大样本，以显示滑动磨损造成的磨损痕迹和变形[16]。3. 结果和讨论3.1. 统计分析本文通过32组试验，分析了不同参数对摩擦副的磨损、摩擦磨损和摩擦磨损的影响，IJX2kjkM714A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710可以看出接近系数。表5还揭示了对相对接近系数的重要性没有直接影响但相对重要性最高的因素 对于负载和%FA，同时对于时间，它是最低的。在表5中，P值表示每个参数的贡献百分比。随着P值的降低，贡献增加。当P值小于0.5时，这意味着该参数在确定材料的磨损特性方面更重要。3.2. 最小磨损率的确认实验验证性实验得出结论，先前推导的最佳在评估最佳参数设置之后，接下来的步骤是利用最佳参数组合来预测和检查估计的相对贴近系数A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710715见图4。相对接近系数的S/N比图。使用设计参数的最佳水平的计算可计算为：观察到的0.93的差异表明预测值和实际值的变化最小。nˆmm第一章1（九）3.3. 磨损表面形貌式中，总灰关联度为平均灰关联度，最优灰关联度为平均灰关联度，n为影响质量特性的主要设计参数个数。表6给出了输入参数的预测值与使用最佳条件的实际值的比较。计算误差以确定实际结果与预测值的变化。两人之间的良好协议一直是表5用于检验的具有调整平方和的ANOVA表源DF序列SS调整SS调整MSFP时间10.0185070.0185070.0185072.650.121% FA30.2629530.2629530.08765112.570.000速度30.0936770.0936770.0312264.480.016负载30.7858230.7858230.26194137.560.000轨径30.0787320.0787320.0262443.760.029误差180.1255420.1255420.006975总311.365234图5所示为20%FA增强体在20 N和40 N载荷下磨损表面的SEM分析，显示了良好的磨损痕迹和材料的塑性变形。这表明颗粒增强体在增加磨损率方面起着重要作用。白色斑块显示了材料的塑性流动，这是由于滑动表面产生的摩擦热。图5（b）和（c）显示了较低法向载荷条件下的较光滑表面。在这些图中，我们可以发现磨损痕迹的高度差异，这可能是由于增强材料与制动盘直接接触造成的。图5（a）和（d），在较高的法向载荷下，显示了材料的一些变形和更多的塑性流动。塑料的流动和材料的重叠用圆圈标记表示。直线显示了磨损的方向路径。这可能是由于在界面处这可能是由于在高温和摩擦下释放出填料的灰分颗粒，最终导致仅形成基质材料（即环氧树脂）随着基体材料的塑性流动开始，表6确认性试验结果。初始参数最优参数条件设置预测值实验值因素水平A2B3C1E3D2A1B4C2D1E1A1B4C2D1E1时间105% FA3040速度200400负载3010轨径5040相对系数值0.9999相对系数值信噪比（dB）14.581114.4461相对系数值提高= 0.93%。716A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710图五. 磨损表面的SEM显微照片。火山灰颗粒出来，帮助形成陨石坑和磨损痕迹。4. 结论在摩擦学中，摩擦功被完成，并且该功的一部分在聚合物基体和陶瓷增强物内消散实际上，所有的摩擦功都表现为系统中产生的磨损和热量。然而，在触点附近会有大量的材料，在这些材料中，功最初主要以非弹性变形耗散。通过实验设计和分析，得出以下结论：a. 飞灰是一种危险的现代废物，可用作填料，并可用于商业应用。b. TOPSIS法可将多目标优化转化为单目标优化，田口正交表法可减少试验次数，得到最优结果。c. 显著性和非显著性参数见ANOVA表。施加法向载荷对磨损、摩擦力和摩擦系数的增加影响最大。摩擦力，其次是%钢筋，轨道直径，速度和时间。d. 由于误差的百分比是最小的，我们可以得出结论，田口正交表给出了最准确的结果，尽可能少的实验次数。e. SEM显微照片显示 形成 的 圆形 在样品中留下痕迹，并且可以清楚地看到，当灰颗粒与旋转板接触时，灰颗粒被腐蚀掉。f. 由于表面侵蚀的颗粒被夹在板和样品之间，可能会出现二次磨损g. 由于在滑动表面处产生的热量，存在侵蚀的基质材料的聚集h. 今后，田口优化方法可以用于确定其他类型磨损试验方法中参数的影响，或者同样的方法可以用于其他聚合物复合材料。引用[1] K. Mao，P. Langlois，Z. Hu，K.阿尔哈比角Xu，M. Milson等人，机切聚合物齿 轮 的 磨 损 和 热 机 械 接 触 行 为 ， 磨 损 333 （ 2015 ） 822-826 ， doi ：10.1016/j.wear.2015.01.084。A. Pattanaik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）710717[2] A. Alzheimer，A.Satapathy，使用实验设计和ANN分析稻壳填充环氧复合材料的干 滑 动 磨 损 行 为 ， Procedia Eng.38 （ 2012 ） 1218-1232 ， doi ：10.1016/j.proeng.2012.06.153。[3] L.德伊斯角萨勃拉曼尼亚，M。Yellup，铝复合材料的磨料磨损–[4] S. Biswas，A. 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