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机车车钩支架的六西格玛设计项目分析与设计优化阶段内容

摘要:机车车钩支架的设计中,运用了六西格玛设计理念、工具与方法。借助这一系统方法,研究了车钩支架尺寸、结构、材料等控制因子与安装、使用环境等噪音因子之间的关系,通过优化控制因子来提升设计的稳健性.实现产品的可靠性。上周机车车钩支架的六西格玛设计项目介绍。这周分享机车车钩支架的六西格玛设计项目分析阶段与设计优化阶段内容。

机车车钩支架的六西格玛设计项目阶段内容

项目设计中,应用到的六西格玛设计工具和方法主要包括:

①定义阶段的质量功能展开;

②测量阶段的质量关键点细分;

③分析阶段的皮尤矩阵、记分卡、设计失效模式及效果分析;

④设计与优化阶段的实验设计分析(Mini.ab )、水晶球;

⑤验证阶段的记分卡(更新)、设计失效模式及效果分析(更新)、设计裕度计算器等。

1.机车车钩支架的六西格玛设计项目质量关键点

使用质量功能展开QDF工具,分析确定项目的质量关键点,如表1所列。据此表分析,静载应力、焊接应力为设计重点。




根据企业标准及EN12663-1 ( 2010),定义出质量关键点:

①车钩支架母材的静载应力应小于461.95 MPa;

②车钩支架焊缝的疲劳应力应小于91. 02 MPa;

③设计目标为六西格玛过程能力指数Zst>6。

2.机车车钩支架的六西格玛设计项目关键点细分及测量系统

(1)通过质量关键点的细分,把影响因子细分为支架的板厚、板宽、板长(常数)、材料强度(常数)、焊缝高度和焊缝长度,如表2所列。




(2)使用有限元分析软件,进行车钩支架受力情况仿真。为确保仿真的准确性,本项目中采用4节点的壳单元进行建模,如图2所示。




3.机车车钩支架的六西格玛设计项目分析阶段

3-1概念设计与选择

在满足使用功能的前提下,我们构造出4种概念设计,如图3所示。通过皮尤矩阵(表3)选定方案D为最佳设计方案。







3-2六西格玛记分卡

根据设定的质量关键点,初步建立六西格玛设计记分卡,如表4所列。







3-3项目产品系统参数图

根据车钩支架的功能以及控制因子,噪音因子之间的关系建立系统参数图,如图4所示。

3-4失效模式及效果分析

失效模式及效果分析如表5所列,风险优先级( RPN)最高为失效模式1和模式2。据此,车钩材料选定后,将其几何尺寸和焊接尺寸定义为主要控制因子。










4机车车钩支架的六西格玛设计项目设计及优化阶段

4-1设计参数模型

车钩支架设计参数模型如图7所示,T,H,L分别为支架厚度、高度、宽度;焊缝高度为Z,长度等于支架高度为H。参数中,L为常数,Z=0. 75 x T(双侧焊接)。

4-2实验设计及优化

前面分析确定了支架静载强度和焊缝疲劳强度的2个主要影响因素为T(或Z)和H。

(1)对于质量关键点1,静载情况下满足应力值<461.95 MPa。

①针对控制因子中的厚度、高度,分别选择了4个和S个水平,通过有限元软件进行应力分析,所得结果如表6所列。




②通过回归分析得到应力值与控制因子之间的函数关系式:S1=121 O11一’73 294 x T -- 3 552rxH

③使用Minitab软件进行描述性统计一分析,计算得p为0. 423>0. O5(原假设概率值),95%残差自信度条件下,函数呈正态分布,从而确认了函数关系式的有效性,如图6所示。




④按照应力小、重量轻和成本低原则,选定一组厚度T=8 mm,高度H = 264 mtn ,静载应力为396. 5 MPa ( < 461. 95 MPa )。此时,依据公司内部设计标准,T和H的标准偏差分别为0. 013和0. 033,用Crystal ball软件算得应力均值和标准偏差分别为420. 4 MPa ( 60 979. 13 Psi)和6. 627 MPa(961. 21 Psi)。




(2)对于质量关键点2,焊缝处承载满足应力值<91.02 MPa。

①针对控制因子中的厚度、高度,分别选择了3个和5个水平,通过有限元软件进行应力分析,所得结果如表7所列。

②通过回归分析得到应力值与控制因子之间的函数关系式:S2 = 41 382一18 763 x Z一3 556xH+108 x H

③使用Minitab软件进行描述性统计分析,计算得P为0. 516>0. 05(原假设概率值),95%残差自信度条件下,函数呈正态分布,从而确认了函数关系式的有效性,如图7所示。

④按照应力小、重量轻和成本低原则并考虑设计余量,选定一组厚度Z = 6 mm,高度H=264mm,焊缝最大疲劳应力为88 MPa ( < 91. 2 MPa ) 。此时,依据公司内部设计标准,Z和N的标准偏差分别为0. 013和0. 033,用Crystal ball软件算得应力均值和标准偏差分别为80. 369 MPa (11 656. 58Psi)和1.575 MPa(254.84 Psi)。


好了,有关机车车钩支架的六西格玛设计项目分析阶段与设计优化阶段就分享到这里,下周四将继续分享机车车钩支架的六西格玛设计项目验证阶段内容。

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