滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗及方法研究

姬中晴，歐屹，梁醫(yī)，徐陽

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京210094)

摘要：為了解滾動直線導(dǎo)軌副可靠性情況，對滾動直線導(dǎo)軌特性和可靠性試驗特點進行研究。通過對精度保持性、功能可靠性和疲勞壽命可靠性中的可靠性指標(biāo)和影響因素進行分析，提出了滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗設(shè)計。試驗樣本在同一批同種型號導(dǎo)軌中隨機抽取，試驗方案主要考慮試驗條件、失效判據(jù)和評估方法三個方面，從而得出導(dǎo)軌精度保持特性，功能可靠性和使用壽命特征。最后，結(jié)合滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗中實際出現(xiàn)的各種故障形式，進行故障分析。

關(guān)鍵詞：直線導(dǎo)軌；可靠性試驗；評估方法；故障分析

文章編號：1001-2265(2015)09-0034-04

收稿日期：2015-04-25

基金項目：*國家自然科學(xué)基金青年基金(51405233)；國家重大科技專項(2012ZX04002021)

作者簡介：姬中晴(1990—)，女，山東濟寧人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為滾動功能部件可靠性試驗技術(shù)、精密機電測控技術(shù)，(E-mail)804720756@qq.com；通訊作者：歐屹 (1982—)，男，湖南衡陽人，南京理工大學(xué)講師，博士，研究方向為機器人技術(shù)、精密機電測控技術(shù)、可靠性試驗技術(shù)，(E-mail)ouyi3281289@163.com。

中圖分類號：TH166;TG659

Study on the Reliability Test and Experimental Method for Linear Rolling Guide

JI Zhong-qing,OU Yi,LIANG Yi,XU Yang

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：In order to understand the reliability situation of linear rolling guide,characteristics and reliability test were studied.By the analysis on indicators and influencing factors of precision maintenance,function reliability and fatigue life reliability,the linear rolling guide reliability test design was put forward.Test samples was extracted in the same batch of the same types of rails at random.This testing scheme mainly considered from three aspects including test conditions,failure criterion and assessment method;obtained the guide precision characteristics,functional reliability and service life characteristics.Finally, analyzed the various faults of linear rolling guide from the reliability test.

Key words： liner guide;reliability test;assessment method;fault analysis

0引言

滾動直線導(dǎo)軌副具有定位精度高，摩擦磨損小，使用壽命長等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于高速高精度數(shù)控機床和加工中心。世界上的工業(yè)先進國，如日本的THK、美國的TIMKEN公司、德國的NEFF公司、瑞典的SFK公司、中國臺灣的HIWIN公司等具備生產(chǎn)高性能滾動直線導(dǎo)軌副的能力，這些公司在滾動直線導(dǎo)軌副的研究開發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平[1]。而我國在滾動直線導(dǎo)軌副行業(yè)起步較晚，現(xiàn)規(guī)模雖已初步形成，但從全行業(yè)來看，只有少數(shù)企業(yè)具有一定的生產(chǎn)規(guī)模、齊全的工藝裝備和高產(chǎn)量、多種類的產(chǎn)品，而絕大多數(shù)企業(yè)都規(guī)模不大、產(chǎn)量低且品種單一[2]。作為在數(shù)控機床上普遍使用的滾動功能部件，國內(nèi)市場上需要高精度保持性的滾動直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品大多被外資企業(yè)或國外廠家所占領(lǐng)。從促進我國高端數(shù)控裝備的國產(chǎn)化和自主研發(fā)的角度出發(fā)，非常有必要對滾動直線導(dǎo)軌副可靠性進行分析和研究。

1滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗體系

可靠性試驗是指為分析、評價產(chǎn)品的可靠性而進行的各種試驗的總稱[3]。相對于電子產(chǎn)品，機械產(chǎn)品在可靠性試驗技術(shù)及其理論上發(fā)展較為緩慢。對高精度高壽命的直線導(dǎo)軌副來說，由于其試驗周期非常長，人力物力消耗大，很難得到較大子樣容量試驗。并且，機械失效機制具有多樣性和對“環(huán)境因素”的依賴性，外場環(huán)境比試驗環(huán)境更為復(fù)雜、惡劣[4]。所以，國內(nèi)學(xué)者大多從精度檢測、動態(tài)特性、綜合性能和靜剛度研究，而對導(dǎo)軌實際運行過程中的精度保持特性、功能可靠性和疲勞壽命研究較少，大部分可靠性研究偏重于機床或其他一些機械產(chǎn)品[5]。

1.1滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗構(gòu)架

滾動直線導(dǎo)軌副可靠性是指導(dǎo)軌副在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定的條件有導(dǎo)軌副在設(shè)備上的安裝形式、跑合速度、加載情況和工作環(huán)境等。規(guī)定的時間即是導(dǎo)軌副在使用過程中的跑合里程或者跑合的總時間；規(guī)定的功能是指滾動直線導(dǎo)軌副在跑合的過程中性能良好，精度、噪聲和振動在可接受范圍內(nèi)，而且沒有卡死、剝落和點蝕等情況出現(xiàn)[6]。

滾動直線導(dǎo)軌副的可靠性研究包括精度保持性，功能可靠性和疲勞壽命。失效模式為精度失效時的可靠性稱為精度可靠性；失效模式表現(xiàn)為部件壞損，振動、噪聲異常，不能正常運行時的可靠性稱為功能可靠性；失效模式為疲勞剝落或疲勞點蝕時的可靠性稱為疲勞壽命可靠性。

從直線導(dǎo)軌整個試驗體系來看，精度保持性試驗是功能可靠性試驗中的第一部分，但由于精度保持性是導(dǎo)軌性能及其重要的一部分，并且在導(dǎo)軌運行初期，振動和噪聲變化并不顯著，因此將其歸于一個試驗階段?？煽啃栽囼烍w系及其監(jiān)測的性能如圖1所示。

圖1　可靠性與試驗體系

1.2可靠性指標(biāo)及其影響因素

(1)滾動直線導(dǎo)軌副精度保持性是指導(dǎo)軌在規(guī)定的時間和條件下，導(dǎo)軌精度保持在精度等級內(nèi)所能運行的時間。精度測量導(dǎo)軌滑塊相對于導(dǎo)軌底面和側(cè)面的平行度，以及滑塊的偏轉(zhuǎn)角。精度保持性指標(biāo)，用有效精度保持時間或磨損壽命表示。

對于精度保持性試驗，主要側(cè)重于監(jiān)測導(dǎo)軌在運行不同里程下的精度和預(yù)緊力。在模擬實際工況加載的情況下，對精度保持特性和摩擦力變化特性進行分析研究。滾動直線導(dǎo)軌副的精度指標(biāo)是衡量滾動直線導(dǎo)軌副精度等級的標(biāo)準，主要取決于耐磨性、預(yù)緊力和尺寸穩(wěn)定性[7]。滾動直線導(dǎo)軌副摩擦主要包括：滾珠和導(dǎo)軌滾道之間的滾動摩擦和滑動摩擦；鋼球于反向器中的運動阻力摩擦；鋼球進入承載區(qū)的阻力；潤滑劑的黏性摩擦力等。摩擦引起磨損，磨損導(dǎo)致振動和噪聲，長時間磨損導(dǎo)致精度丟失和可靠性喪失，最終引起疲勞點蝕，壽命終結(jié)。

(2)滾動直線導(dǎo)軌副功能可靠性是指在滿足使用與安裝條件下，導(dǎo)軌發(fā)生功能故障前完成要求功能的能力。功能可靠性指標(biāo)為導(dǎo)軌正常運行下振動和噪聲在合理范圍內(nèi)。滾動直線導(dǎo)軌副傳動元件較多，在受載運動時各聯(lián)動件之間便不可避免的產(chǎn)生振動。當(dāng)滾動體在承受負荷下滾動時，滾動面和滾動體不斷受到交變應(yīng)力的作用，滾動體與滾道的剛度變化引起相關(guān)參數(shù)的變動。當(dāng)導(dǎo)軌副中保持器變形或者斷裂、滑塊滾道或者導(dǎo)軌滾道出現(xiàn)點蝕或劃傷時，導(dǎo)軌副的振動和噪聲往往會加劇，加速導(dǎo)軌副故障的產(chǎn)生與功能的破壞。導(dǎo)軌副的運動速度和預(yù)加載荷變化也會引起振動頻率的變化[8]。對滾動直線導(dǎo)軌副的整體振動和噪聲測定分析，可以為在研發(fā)設(shè)計過程中對導(dǎo)軌副的減振降噪設(shè)計，提高導(dǎo)軌副的綜合性能提供理論基礎(chǔ)。

(3)疲勞壽命可靠性是指導(dǎo)軌在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)不發(fā)生疲勞剝落和疲勞點蝕的能力。這一階段主要監(jiān)測導(dǎo)軌的疲勞點蝕為主振動為輔。疲勞壽命可靠性指標(biāo)，對于滾動功能部件個體，用疲勞壽命表示；對于一批產(chǎn)品用疲勞壽命可靠度表示[6]。當(dāng)直線導(dǎo)軌承受負荷并作運動時，滾珠與滾道表面不斷地受到循環(huán)應(yīng)力的作用，一旦達到滾動疲勞臨界值，導(dǎo)軌接觸面就會產(chǎn)生疲勞磨損，在表面的一些部分會發(fā)生魚鱗狀薄片的剝離現(xiàn)象，稱為表面剝離[9]。

2可靠性試驗設(shè)計

滾動直線導(dǎo)軌副摩擦阻力小，使用壽命高，進行一次試驗所需的人力物力非常大，國內(nèi)導(dǎo)軌進行一次精度保持性試驗大概需要三個月的時間(平均每天工作15h)才能完成。為了節(jié)約時間和試驗成本，需對試驗進行合理的設(shè)計和簡單優(yōu)化。由于精度也是導(dǎo)軌性能的一種，且功能可靠性試驗則屬于壽命試驗周期中的一部分，所以，研究在一根導(dǎo)軌上依次進行三個試驗，并試驗評估。導(dǎo)軌可靠性試驗流程如圖2所示。

圖2　導(dǎo)軌可靠性試驗流程

3滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗方法

滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗方案主要考慮試驗條件、失效判據(jù)和評估方法三個因素。導(dǎo)軌副可靠性試驗是在模擬導(dǎo)軌副正常工作環(huán)境下，將導(dǎo)軌副的工序要求和受力狀態(tài)按照相應(yīng)的時間和次序施加到被測導(dǎo)軌上；在試驗過程中統(tǒng)計分析導(dǎo)軌副運行過程中出現(xiàn)的精度磨損、摩擦力變化、振動以及故障發(fā)生時間、現(xiàn)象、影響和處理措施；對記錄的故障數(shù)據(jù)和試驗信息進行分析找出影響精度保持性、功能可靠性和壽命的因素和故障產(chǎn)生機理，為改進滾動直線導(dǎo)軌副提供依據(jù)。

樣本的選擇：對于同一批同規(guī)格導(dǎo)軌，從總體中隨機抽取部分樣本進行試驗。對于滾動直線導(dǎo)軌副，樣本大約控制在4~8根。

3.1精度保持性試驗方法

精度保持性是直線導(dǎo)軌副最重要的功能，精度保持時間的長短是衡量導(dǎo)軌在機床使用壽命的重要指標(biāo)。目前，還沒有對于導(dǎo)軌精度保持時間有明確評定和預(yù)測估計。所以試驗采取精度保持性摸底試驗和測定試驗檢測直線導(dǎo)軌副精度喪失及預(yù)緊力喪失時的數(shù)據(jù)，提取精度喪失特征。滾動直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗速度與加載條件如圖3所示。

圖3　精度保持性試驗速度與加載條件

精度儲備量Ec是指被測滾動直線導(dǎo)軌副樣品的標(biāo)稱精度允許值與離線測量實際值的差值，隨著導(dǎo)軌在運行過程中磨損增加，精度損失也變大。在精度保持性摸底試驗中，當(dāng)被測樣品的運動平行度損失值≥80%Ec時，應(yīng)停止試驗。若精度未失效，則計算出新的儲備量并繼續(xù)進行試驗，最后記錄精度保持性失效時間，并作為測定試驗的截尾時間。

3.2功能可靠性試驗方法

功能可靠性試驗采用可靠性摸底試驗和增長試驗，該方法通過對產(chǎn)品施加模擬實際使用環(huán)境的綜合環(huán)境應(yīng)力，暴露出產(chǎn)品的潛在缺陷并采取相應(yīng)的糾正措施，使產(chǎn)品的可靠性達到規(guī)定的可靠性要求，是一個“試驗-分析-改進”的過程。滾動直線導(dǎo)軌副功能可靠性速度與加載條件如圖4所示。

圖4　可靠性試驗速度與加載條件

故障及試驗終止條件：當(dāng)滾動直線導(dǎo)軌副出現(xiàn)故障時，判斷故障的可維修性，若屬于可修復(fù)故障，及時維修后繼續(xù)試驗，記錄修復(fù)時間，修復(fù)時間不計入試驗時間。若屬于不可維修故障，則中止該被測樣品的試驗，記錄試驗中止時間。由前期功能可靠性摸底試驗提供后階段截尾時間。

3.3壽命試驗方法

壽命試驗：試驗速度不高于15m/min。加載力的大小為標(biāo)稱額定動載荷的100%。加載力需穩(wěn)定在±2%的范圍內(nèi)。將滾動直線導(dǎo)軌副正確安裝在對應(yīng)的工裝之上。安裝精度應(yīng)確保試驗過程中不產(chǎn)生影響試驗結(jié)果的附加載荷。

失效判據(jù)：額定動載荷與疲勞壽命試驗失效的判定依據(jù)為疲勞失效。疲勞失效，指樣品的滾道或滾動體工作表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。剝落深≥0.05mm；剝落面積：滾珠直線導(dǎo)軌≥0.5mm2，滾柱直線導(dǎo)軌≥1.0mm2。在滾動直線導(dǎo)軌副疲勞壽命試驗期間，進行振動檢測，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)停止試驗，并對導(dǎo)軌、滑塊、滾動體表面進行剝落檢測。

4預(yù)期試驗數(shù)據(jù)處理

(1)導(dǎo)軌精度保持性的評定方法

TMK——導(dǎo)軌副保持規(guī)定精度等級的運行里程，單位m；

KA——精度保持性系數(shù)；

Tki——為同一型號的第i個被測導(dǎo)軌副的精度保持累計里程，單位m；

n——為同一型號被測導(dǎo)軌副的數(shù)量。

(2)導(dǎo)軌功能可靠性評定方法

1)平均故障間隔時間

根據(jù)試驗結(jié)果，按照可修復(fù)產(chǎn)品平均故障間隔時間計算方法進行該批次被測樣品的平均故障間隔時間。

2)可靠度依據(jù)

二參數(shù)威布爾(Weibull)分布函數(shù)進行該批次被測樣品的可靠度計算。

(3)導(dǎo)軌壽命可靠性評定方法

評定方法：數(shù)據(jù)處理依據(jù)二參數(shù)威布爾(Weibull)分布函數(shù)進行分析處理，其中包括圖估計和參數(shù)估計，一般可優(yōu)先采用圖估計。

5故障及其分析

滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗采用國內(nèi)廠家生產(chǎn)的二級導(dǎo)軌進行試驗，在同一批次同一型號導(dǎo)軌中隨機抽取樣本，樣本量為4，根據(jù)上述試驗方法進行可靠性試驗。到目前為止，試驗中出現(xiàn)的故障有：

(1)潤滑不當(dāng)引起的磨損。如圖5。因?qū)к壥莻?cè)向安裝加載，潤滑油加入滑塊后由于重力向下流動，所以滑塊上滾道和滾珠得不到有效潤滑，長時間加載運動導(dǎo)致滾道和滾珠磨損出現(xiàn)干摩擦磨損，甚至出現(xiàn)了紅褐色粉末。

圖5　干摩擦磨損

(2)回珠器和滑塊滾道磨損。如圖6和圖7。導(dǎo)軌運行到后期，噪聲出現(xiàn)異常，拆開滑塊，發(fā)現(xiàn)黑色回珠器出現(xiàn)磨損，滑塊滾道上布有黑色粉末。這些黑色粉末增加了滾珠與滾道間的摩擦，將滾珠的滾動運動變?yōu)榛瑒舆\動，導(dǎo)致滑塊滾道的嚴重磨損與剝落，進一步導(dǎo)致了回球器和滾道交接部分出現(xiàn)變形，使得滾珠循環(huán)運動受到阻礙。長期磨損使滑塊滾道與回球器交界處出現(xiàn)變形，滾珠不能進行正常的循環(huán)往復(fù)運動，以致卡在滑塊滾道之間進行滑動摩擦。

圖6　回珠器磨損

圖7　滑塊滾道磨損

(3)導(dǎo)軌滾道型面磨損剝落。如圖8。導(dǎo)軌副長期運行過程中，滾道與滾珠在法向和切向交變應(yīng)力的作用下，其表面會出現(xiàn)微裂紋和金屬磨粒，由于滾動體運動時將潤滑油楔入裂紋中，使得潤滑油產(chǎn)生的壓力將裂紋擴展，使接觸面形成扇形疲勞坑，導(dǎo)致表面疲勞磨損的出現(xiàn)。在磨粒磨損和表面交變應(yīng)力磨損的共同作用下，使得滾動直線導(dǎo)軌副磨損故障程度不斷加深；后期由于回球器出現(xiàn)故障，使得滾珠不能正常循環(huán)往復(fù)運動，使得滾珠和滑塊、導(dǎo)軌滾道表面之間相互咬嚙，在表面出現(xiàn)咬裂痕跡。

圖8　滑塊滾道磨損

6結(jié)論

對滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗進行分析研究，設(shè)計制定了可靠性試驗，將精度保持性試驗，功能可靠性試驗和壽命試驗按順序在一次試驗中開展和評估，節(jié)約時間和成本。對于各個試驗中需要重點監(jiān)測的性能及其影響因素進行分析，從而判定試驗截尾和故障模式。最后對試驗中實際出現(xiàn)的故障特征及故障原因分析介紹。通過滾動直線導(dǎo)軌副可靠性試驗，進行導(dǎo)軌性能特征分析，從而為設(shè)計和改進導(dǎo)軌參數(shù)提供依據(jù)，促進我國滾動功能部件的發(fā)展。

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(編輯李秀敏)