利用六西格玛技术改进发动机冷却风扇设计
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利用六西格玛设计技术改进发动机冷却风扇的设计,一般会遵循流行的定义、测量、分析、改进和控制(DMAIC)六西格玛方法,使用设计工具为matlab、统计工具箱、曲线拟合工具箱和优化工具箱。
定义问题 我们有一个发动机冷却风扇设计,它无法通过散热器吸入足够的气流,从而在困难的条件下(交通堵塞、天气炎热)保持发动机冷却。根据系统级分析,我们估计需要至少875 ft^3/min的气流,以便在困难条件下保持发动机冷却,我们需要评估当前的设计,开发一种替代设计,以实现我们的目标气流。 测量冷却风扇性能 我们有一个10000个现有冷却风扇性能测量(历史生产数据)的数据库,评估数据,了解当前风扇的性能。
上面的图表显示,数据似乎集中在842 ft^3/min左右,并且有4-6 ft^3/min的变化。虽然这个图很有启发性,但它并没有告诉我们很多关于底层数据的信息;具体来说,它是否遵循正态分布,过程是否处于控制之中(高质量数据)?让我们更详细地研究一下数,“OriginalFan”中的数据是每天进行的一系列测量。在50天的时间内测试了200个风扇/天。我们可以使用统计过程控制(SPC)方法检查数据是否有异常,一种常见的技术是使用Xbar和S图表评估数据。
Xbar图表显示了相对于控制限值的日平均值(Cl=平均值,UCL/UCL为 /-3标准偏差)。S图显示了每天的可变性(标准偏差),控制限的定义类似于Xbar图。对于控制图中考虑的过程,每1000个样本中只有3个超出了每个控制范围。只有一天超出了控制范围(第20天,在S图上)。对第20天的数据进行审查后,未发现异常情况,我们得出结论,该过程处于控制状态(异常值被认为是10000次可能发生事件中的3次中的一次)。 在使用Xbar/S图表时,假设数据遵循正态分布,让我们验证一下情况。使用图形工具Dfittool将正态分布拟合到原始风扇数据集。在(数据>选择原始数据,设置bin规则)下将bin值设置为100,创建与数据匹配的分布(新匹配——>匹配名称:正态分布,应用)。注:可以使用“historical_data.dfit”文件加载用于生成下面图片。
同时,我们可以在与此m文件相同的位置找到它;或者,我们可以在matlab命令行执行与dfittool中相同的操作。
通过看上边的数据的分布,不会接近我们想要的875ft^3/min, 因此,我们需要改进我们的设计。 影响风机性能的因素分析 我们将使用DOE方法来设计并评估冷却风扇,可以修改和控制的因素有:
根据以往的经验,我们知道对一个或多个因素会有一个非线性响应,响应为冷却风扇气流速度(ft^3/min),列是因子,行是测试点。因此,我们将使用响应面设计来解释这种非线性,Box-Behnken以编码(规范化)变量[-1,0, 1]来设计生成实验运行。
下图为按指定的顺序执行实验,随机化运行顺序,以实际单位显示。
实验得到了以下结果:
从实验测试结果中,我们发现气流速度对我们改变的因素非常敏感,我们还注意到,上面有四次实验数据达到或超过我们的目标气流速度875 ft^3/min(运行1、4、7和13)。然而,我们不知道这些运行中哪一个(如果有的话)是最佳的。此外,我们不知道对各种因素的变化设计有多强大。我们将根据迄今为止的实验数据创建一个模型,并使用该模型来估计最佳设置下气流对预期因素变化的敏感性。 提高冷却风扇性能 Box-Behnken设计允许我们测试非线性(二次)效应。我们的二次模型的形式是: 我们可以使用regstats来估计和比较系数,并在条形图中直观地显示系数的大小(对于规范化值)。
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