基于DOE實驗設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)軸承與精密技術產品有限公司 遼寧 大連 116000

深溝球軸承常用的密封解決方案為單側或兩側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。區別為單側的密封軸承是不添加油脂等潤滑劑的,而兩側密封的軸承是在清潔的條件下填充了潤滑脂。兩側密封軸承的優點在于通過在清潔的環境下填充了足量的高質量潤滑脂,可以達到免清洗、免維護、終身潤滑、旋轉更順暢,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會影響軸承的振動和噪音表現。漏油脂之所以能對振動測量產生較大影響,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孔,當油脂接觸到振動測量的芯軸時,就會產生滑動摩擦,使得振動測量值不穩定而導致結果時好時壞,從而影響客戶使用端的振動和噪音監測。

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

1 DOE 實驗目標

DOE(Design of Experiments)實驗設計是一種結構化的數據收集和分析方法,用來擬合經驗曲線。

本文設計DOE實驗,目的是找出深溝球軸承漏脂和其相關影響因子之間的關系,從而對各因子進行優化和改善。

與軸承振動緊密相關聯的前兩道工序為軸承清洗和噴涂防銹油、注脂壓蓋,而漏油脂往往發生在軸承振動測試的過程中,即隨著軸承高速旋轉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潤滑程度直接影響著振動測試的結果。這里同時還要說明的前提是,根據化學實驗室評定的結果和經驗,目前S公司用的防銹油不會和潤滑油脂產生化學反應,而少量的防銹油也不會對油脂造成稀釋進而影響振動結果。

2 因子驗證篩選

2.1 P-Diagram 因子參數圖

2.2 全因子試驗設計原則

1)在所有因子水平組合安排試驗；

2)效應之間不存在混雜；

3)提供的信息需要包括:所有因子主效應&所有因子交互效應；

4)篩選后再做全因子試驗以防止實驗次數過多。

2.3 DOE試驗設計——全因子分析 一般來說,全因子試驗的交互效應為2n,本試驗分析的全因子共4個,即至少安排16次交互效應試驗。

按照DOE全析因設計方案,一一現場收集6312軸承的漏脂Y 的數據,輸入已經設計好的DOE全因子分析表中,同時輸入對應試驗后的漏脂Y 的值:

?

設置模型中包含的階數為2(高階不顯著),運行DOE“分析因子設計”,方差分析和標準化效應的Pareto圖生成如下:

P＜0.05為主效應因子,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論的。

2.4 因子的響應曲面優化與方程建立 下面需要對DOE 的主效應因子進行進一步的優化設計來得到回歸方程,找出主效應因子之間的關系。A,B,C,AC四個主效應因子中,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響應曲面的優化設計中,需要將定性變量設計為固定的值來得出唯一方程。根據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,這里設置主效應的定性變量B為2,只進行主效應A 注脂量g、C防銹油g、AC注脂量g*防銹油g的進一步響應曲面優化設計。

創建響應曲面設計(中心復合型),連續因子設置為2(A 和C),設計按照全因子進行分析。在響應曲面分析時,主要模型有三種:CCF中心復合表面,CCC中心復合序貫,CCI中心復合有界。

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

選擇創建響應曲面設計,輸入A 注脂量g和C防銹油g的水平設置,對得到的模型設計進行漏脂量Y 的測量和評估,得到Y 的實際測量結果。分析響應曲面設計,選擇響應“漏脂Y”,按照上述因子設計得出的結論,圖形設置為“正態”,看四合一圖形分析。運行程序,得到模型設計匯總如下:

模型匯總

其中,R-sq(調整)＜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,應該增加試驗次數來進一步排噪聲因子的影響。在原有設計方案的基礎上,復制響應Y 的最小值0和最大值0.5的試驗設計方案并重新測試。得到的漏脂Y 數據和模型匯總信息如下表和下圖:

標準序 運行序 點類型 區組 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上經過DOE響應曲面優化設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因子的分別關系,同時也得到Y 和A*C的交互因子的關系圖,如下:

在DOE的響應曲面分析中,等線圖可以幫我們在識別出主要因子后,根據優化后的模型和回歸方程找出因子的優化區間。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,用優化響應器求最優解,得到的優化圖如下:

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 響應最優,滿意度為1。

3 結論

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”和“因子”之間的關系方程,利用Minitab中的DOE 相應優化器求解,得出了某型兩側密封軸承的注脂量為16.7g,防銹油為0.09g時,其達到了最優工作狀態。即實際定量因子(注脂量、防銹油)的工藝公差設置為設計公差的下差的時候,漏脂量最少,有利于預防和控制軸承旋轉后油脂的泄露。其它型兩側密封軸承也可通過本文的DOE試驗設計方法來尋求實際加工或裝配過程中的工藝公差優化,找到產品的設計公差和實際的工藝公差之間的關系。