全因子試驗設計在變速箱 輸出軸密封組件試驗中的應用

摘要：為了以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果和正確的結論，需要應用正確的試驗設計方法。全因子試驗設計是一種常用的試驗設計方法，在因子數(shù)≤4和因子水平數(shù)≤2的情況經常使用。文章以柳工批量使用的一款變速箱的輸出軸密封組件試驗為例，應用Minitab軟件分析全因子試驗設計在產品性能試驗中的應用。

關鍵詞：全因子試驗；試驗設計；變速箱Minitab軟件

中圖分類號：TU623.9 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）18-0019-02

試驗設計（design of experiment，簡稱DOE），也稱為實驗設計。試驗設計是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎，經濟地、科學地安排試驗的一項技術，它以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果和正確的結論。從20世紀30年代費希爾（R.A.Fisher）在農業(yè)生產中使用試驗設計方法以來，試驗設計方法已經農業(yè)、工業(yè)、軍工、科研等方面得到廣泛的應用。統(tǒng)計學家們發(fā)現(xiàn)了很多非常有效的試驗設計方法，全因子試驗設計是眾多試驗設計方法中常用的一種，它能獲得的信息量很多，可以準確地估計各試驗因素的主效應的大小，還可估計因素之間各級交互作用效應的大小，在因子數(shù)≤4和因子水平數(shù)≤2的情況經常使用。全因子設計是指在一次完全試驗中，系統(tǒng)所有因素的所有水平可能的組合都要被研究到的一種試驗設計方法。全因子試驗設計的基本步驟如圖1所示。

1試驗目的和輸出變量分析

行星齒輪變速箱是工程機械裝載機上應用最廣泛的變速箱，從20世紀60年代一直到現(xiàn)在，國內的所有工程機械廠家都在大量使用。但是該變速箱輸出軸的密封組件是個薄弱環(huán)節(jié)，在三包期內就出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。為了解決這個問題，柳工對使用多年的該變速箱輸出軸的密封組件進行改進，新的結構簡圖如圖2所示。

為了獲得的信息量很多，準確地估計各試驗因素的主效應的大小，驗證改進后的密封組件的密封性能，使用全因子試驗設計方法對該密封組件進行試驗驗證。

試驗目的：分析影響變速箱輸出軸的密封組件性能的關鍵因素，找到各個因素的最佳取值并加以控制，使得密封組件的密封性能最好。

輸出變量：變速箱輸出軸的密封組件的密封性，在相同的環(huán)境溫度和試驗時間內，測量輸出軸的滲油情況。

2因子及因子水平分析，試驗設計及試驗實施

因子和水平數(shù)：應用主動式穩(wěn)健性設計理論，把噪音因子作為可控因子，讓噪音因子和其它可控因子取2個水平值，見表1。

應用Minitab軟件輔助進行試驗設計，并收集相應的試驗數(shù)據(jù)，見表2。

3試驗結果分析

對試驗數(shù)據(jù)進行分析，找出影響輸出特性的關鍵因子如圖3所示。

由圖3可以看出，影響漏油量的關鍵因子包括D、B、A、C、ABC、AD、BD，這說明四個因子都是輸出特性的關鍵因子，為了控制輸出特性，需要對四個因子都進行控制。

由圖4的主效應圖可知，漏油量與轉速是正相關的關系，與其余因素表現(xiàn)為負相關。為了使漏油量最小，軸套密封面直徑應該為70 mm，油封座外徑應為130 mm，O型圈規(guī)格（截面直徑）應為3.55 mm，轉速控制在1 000 r/min。

如圖5所示，R-Sq（預測）=84.54%；R-Sq（調整）=92.75%說明運用該試驗測試的數(shù)據(jù)建立的模型充分可用，使用未編碼單位的數(shù)據(jù)建立的模型為：

Y=509.805-3.839 A-1.833B-92.413 C+0.3 D-0.002 AD-0.002 BD+0.01 ABC

使用優(yōu)化器對建立的模型進行優(yōu)化，如圖6所示，為使漏油量最小，軸套密封面直徑應該為70 mm，油封座外徑應為130 mm，O型圈規(guī)格（截面直徑）應為3.55 mm，轉速控制在1 000 r/min，這與通過主效應圖得出的結論一致。

4結語

通過該試驗設計方案測試的數(shù)據(jù)，找出了影響漏油量的關鍵因子，建立了優(yōu)化模型，并求出了優(yōu)化后的取值，使得在有噪音因子存在的情況下，漏油量的波動最小。

全因子試驗需要的試驗次數(shù)為Nk，即以水平數(shù)為底，以因子個數(shù)為冪的指數(shù)，當因子數(shù)和水平數(shù)較大的時候，需要進行大量的試驗。但是，全因子試驗是所有因子和水平的完全組合，因為試驗是完全組合，其結論是最真實可靠的，可以準確地估計各試驗因子的主效應的大小，還可估計因子之間各級交互作用的大小，在試驗條件允許的情況下，運用該試驗方法有利于找出充分的試驗數(shù)據(jù)和得出正確的結論。

參考文獻：

[1] 張慧梅，田科.運用DOE分析降低波峰疵點率的方案設計[J].硅谷，2011，(1).

[2] 楊德.試驗設計與分析[M].北京:中國農業(yè)出版社，2003.

[3] 李波，徐澤民.試驗設計與分析[J].中國皮革，2003，(1).

[4] 欒軍.現(xiàn)代試驗設計優(yōu)化方法[M].上海:上海交通大學出版社，2003.

[5] 王嵌，楊濟匡.轎車車門防撞桿結構優(yōu)化的研究[J].汽車工程，2010，(32).