基于DOE實驗設(shè)計的某型深溝球軸承漏油脂問題的方案解決

金 寧

斯凱孚(大連)軸承與精密技術(shù)產(chǎn)品有限公司 遼寧 大連 116000

深溝球軸承常用的密封解決方案為單側(cè)或兩側(cè)帶有密封件或防塵蓋,不同工作條件適用的解決方案也是不同的。區(qū)別為單側(cè)的密封軸承是不添加油脂等潤滑劑的,而兩側(cè)密封的軸承是在清潔的條件下填充了潤滑脂。兩側(cè)密封軸承的優(yōu)點在于通過在清潔的環(huán)境下填充了足量的高質(zhì)量潤滑脂,可以達到免清洗、免維護、終身潤滑、旋轉(zhuǎn)更順暢,故提高了軸承的使用壽命。

在使用的過程中,如果有過多的油脂外漏甚至?xí)绊戄S承的振動和噪音表現(xiàn)。漏油脂之所以能對振動測量產(chǎn)生較大影響,根本原因在于漏出的油脂往往在軸承移動的過程中流入軸承內(nèi)孔,當油脂接觸到振動測量的芯軸時,就會產(chǎn)生滑動摩擦,使得振動測量值不穩(wěn)定而導(dǎo)致結(jié)果時好時壞,從而影響客戶使用端的振動和噪音監(jiān)測。

本文將通過DOE實驗設(shè)計的方法,找出漏油脂對應(yīng)的因子,并通過建模的形式找出響應(yīng)(漏油脂)和對應(yīng)因子之間的方程式關(guān)系。優(yōu)化求解后,找出最優(yōu)解決和控制方案。

1 DOE 實驗?zāi)繕?/h2>

DOE(Design of Experiments)實驗設(shè)計是一種結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)收集和分析方法,用來擬合經(jīng)驗曲線。

本文設(shè)計DOE實驗,目的是找出深溝球軸承漏脂和其相關(guān)影響因子之間的關(guān)系,從而對各因子進行優(yōu)化和改善。

與軸承振動緊密相關(guān)聯(lián)的前兩道工序為軸承清洗和噴涂防銹油、注脂壓蓋,而漏油脂往往發(fā)生在軸承振動測試的過程中,即隨著軸承高速旋轉(zhuǎn)而外漏出不同程度的油脂。本文要研究的漏油脂Y 和前道工序X1,X2的局部工序流程圖如下圖:

振動工序前、后的局部工序流程圖

軸承噴涂防銹油是振動測試在注脂壓蓋前的一道工序,為了更好的達到軸承旋轉(zhuǎn)時的潤滑效果并測試出振動的真實水平,一般都會在組裝好的軸承滾道處噴涂一定量的防銹油(也稱潤滑油)。噴油量對軸承的旋轉(zhuǎn)潤滑程度直接影響著振動測試的結(jié)果。這里同時還要說明的前提是,根據(jù)化學(xué)實驗室評定的結(jié)果和經(jīng)驗,目前S公司用的防銹油不會和潤滑油脂產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),而少量的防銹油也不會對油脂造成稀釋進而影響振動結(jié)果。

2 因子驗證篩選

2.1 P-Diagram 因子參數(shù)圖

2.2 全因子試驗設(shè)計原則

1)在所有因子水平組合安排試驗；

2)效應(yīng)之間不存在混雜；

3)提供的信息需要包括:所有因子主效應(yīng)&所有因子交互效應(yīng)；

4)篩選后再做全因子試驗以防止實驗次數(shù)過多。

2.3 DOE試驗設(shè)計——全因子分析 一般來說,全因子試驗的交互效應(yīng)為2n,本試驗分析的全因子共4個,即至少安排16次交互效應(yīng)試驗。

按照DOE全析因設(shè)計方案,一一現(xiàn)場收集6312軸承的漏脂Y 的數(shù)據(jù),輸入已經(jīng)設(shè)計好的DOE全因子分析表中,同時輸入對應(yīng)試驗后的漏脂Y 的值:

?

設(shè)置模型中包含的階數(shù)為2(高階不顯著),運行DOE“分析因子設(shè)計”,方差分析和標準化效應(yīng)的Pareto圖生成如下:

P＜0.05為主效應(yīng)因子,A 注脂量g的P=0.016,B單雙面注脂的P=0.026,C防銹油g的P=0.010,除此之外,A 注脂量g和C 防銹油g的交互作用的P=0.016,而油脂類型的P值則為0.076,為不顯著因子。這一點在Pareto圖上也是可以清晰的得出結(jié)論的。

2.4 因子的響應(yīng)曲面優(yōu)化與方程建立 下面需要對DOE 的主效應(yīng)因子進行進一步的優(yōu)化設(shè)計來得到回歸方程,找出主效應(yīng)因子之間的關(guān)系。A,B,C,AC四個主效應(yīng)因子中,A,C和AC為定量變量,因子水平為范圍值,而B為定性變量,其油脂類型的選擇僅為1或2。在下一步的DOE響應(yīng)曲面的優(yōu)化設(shè)計中,需要將定性變量設(shè)計為固定的值來得出唯一方程。根據(jù)上述注脂試驗的漏脂評分情況可以初步得出,雙面注脂的漏脂量與單面注脂相比,漏脂量是較少的,這里設(shè)置主效應(yīng)的定性變量B為2,只進行主效應(yīng)A 注脂量g、C防銹油g、AC注脂量g*防銹油g的進一步響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計。

創(chuàng)建響應(yīng)曲面設(shè)計(中心復(fù)合型),連續(xù)因子設(shè)置為2(A 和C),設(shè)計按照全因子進行分析。在響應(yīng)曲面分析時,主要模型有三種:CCF中心復(fù)合表面,CCC中心復(fù)合序貫,CCI中心復(fù)合有界。

因為A 和C主效應(yīng)因子均為角點限制型水平設(shè)置,即選擇CCI中心復(fù)合有界模型,通過增加軸點進行控制。

選擇創(chuàng)建響應(yīng)曲面設(shè)計,輸入A 注脂量g和C防銹油g的水平設(shè)置,對得到的模型設(shè)計進行漏脂量Y 的測量和評估,得到Y(jié) 的實際測量結(jié)果。分析響應(yīng)曲面設(shè)計,選擇響應(yīng)“漏脂Y”,按照上述因子設(shè)計得出的結(jié)論,圖形設(shè)置為“正態(tài)”,看四合一圖形分析。運行程序,得到模型設(shè)計匯總?cè)缦?

模型匯總

其中,R-sq(調(diào)整)＜80%,離理想的模型還有一定的差距,即噪聲因子還是存在較大干擾。此時,應(yīng)該增加試驗次數(shù)來進一步排噪聲因子的影響。在原有設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,復(fù)制響應(yīng)Y 的最小值0和最大值0.5的試驗設(shè)計方案并重新測試。得到的漏脂Y 數(shù)據(jù)和模型匯總信息如下表和下圖:

標準序 運行序 點類型 區(qū)組 注脂量g 防銹油g 漏脂Y 5 1 -1 1 16.7 0.135 0.1 13 2 0 1 18.45 0.135 0.5 6 3 -1 1 20.2 0.135 0.2 4 4 1 1 19.68744 0.16682 0.2 1 5 1 1 17.21256 0.10318 0 9 6 0 1 18.45 0.135 0.1 12 7 0 1 18.45 0.135 0 2 8 1 1 19.68744 0.10318 0.2 10 9 0 1 18.45 0.135 0.1 7 10 -1 1 18.45 0.09 0.3 8 11 -1 1 18.45 0.18 0.2 3 12 1 1 17.21256 0.16682 0.2 11 13 0 1 18.45 0.135 0.2 1 5 1 1 17.21256 0.10318 0 13 2 0 1 18.45 0.135 0.5

模型匯總

其中,R-sq(調(diào)整)=86.57%＞80%,是較為可信的模型。而從P=0的方差分析中可以看出,A 注脂量g才是影響漏脂Y 的真正的最主要因子。

從Minitab上經(jīng)過DOE響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計得到的回歸方程為:

即回歸方程為:

Y=4.47-0.658*A+8.8*C+0.0209*A2-29.9*C2+0.034*A*C

從回歸方程可以看出,響應(yīng)Y 雖然受顯著因子A 注脂量g的影響占主要因素,但同時也受不顯著因子C防銹油g的影響,這里需要進一步做因子交互作用分析來辨別其交互作用。擬合DOE 響應(yīng)曲面的因子圖,得出Y 和A 注脂量g,Y 和C防銹油g因子的分別關(guān)系,同時也得到Y(jié) 和A*C的交互因子的關(guān)系圖,如下:

在DOE的響應(yīng)曲面分析中,等線圖可以幫我們在識別出主要因子后,根據(jù)優(yōu)化后的模型和回歸方程找出因子的優(yōu)化區(qū)間。做漏脂Y 和A 注脂量g,C防銹油g的等線圖分析如下:

從漏脂Y 的等線圖可以看出,當16.7g ＜A 注脂量＜17.8g且0.09g＜C防銹油＜0.115g時可以有效的減少漏脂。

同時,用優(yōu)化響應(yīng)器求最優(yōu)解,得到的優(yōu)化圖如下:

當A 注脂量=16.7g,C防銹油=0.09g,即A 和C均取因子水平下限時漏脂量Y 響應(yīng)最優(yōu),滿意度為1。

3 結(jié)論

本文通過漏脂量和其定量因子(注脂量、防銹油)的DOE實驗,得到了“響應(yīng)”和“因子”之間的關(guān)系方程,利用Minitab中的DOE 相應(yīng)優(yōu)化器求解,得出了某型兩側(cè)密封軸承的注脂量為16.7g,防銹油為0.09g時,其達到了最優(yōu)工作狀態(tài)。即實際定量因子(注脂量、防銹油)的工藝公差設(shè)置為設(shè)計公差的下差的時候,漏脂量最少,有利于預(yù)防和控制軸承旋轉(zhuǎn)后油脂的泄露。其它型兩側(cè)密封軸承也可通過本文的DOE試驗設(shè)計方法來尋求實際加工或裝配過程中的工藝公差優(yōu)化,找到產(chǎn)品的設(shè)計公差和實際的工藝公差之間的關(guān)系。