滾動直線導(dǎo)軌副性能退化指標(biāo)的選取*

梁 瀟，梁 醫(yī)，顧清宇，魏一凡

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它是對產(chǎn)品無故障工作能力的度量[1]。對于滾動直線導(dǎo)軌副這種長壽命產(chǎn)品來說，傳統(tǒng)的可靠性分析方法需要進(jìn)行長周期的可靠性實驗來獲取大量失效數(shù)據(jù)。茹詩松[2]、韓明[3]等利用傳統(tǒng)的可靠性理論在無失效數(shù)據(jù)可靠性分析方面做了有益的探索并得出了許多有用的結(jié)論,但這些方法都是以試驗時間為代價的。故需要尋找更有效的分析方法以滿足產(chǎn)品可靠性研究的需求。而通過失效數(shù)據(jù)分析可靠性可以作為一種新的方式引入導(dǎo)軌副的可靠性分析中。對于性能退化可靠性分析的相關(guān)研究，Nair曾指出退化數(shù)據(jù)對可靠性評估來說是一個豐富的信息源[4]。姚增起研究了系統(tǒng)退化和系統(tǒng)可靠性的相關(guān)問題并指出系統(tǒng)退化以及利用退化的觀點來研究系統(tǒng)可靠性是一個新課題，它可能會為系統(tǒng)可靠性研究開辟一條新的途徑[5]。而Mrrker & Hamada[6]、Lu[7]和趙健印[8]等分析了基于性能退化可靠性分析的適用性問題，但目前還沒有學(xué)者基于性能退化分析滾動直線導(dǎo)軌副的可靠性。柯楠[9]利用相似的思路對未失效導(dǎo)軌進(jìn)行可靠性試驗品質(zhì)評價方法，但評價的依據(jù)是通過觀察而不是通過具體的退化數(shù)據(jù)。而本文通過設(shè)計滾動直線導(dǎo)軌副的退化試驗，收集導(dǎo)軌副幾項重要的性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行分析性能退化的情況是否適合基于此建模分析可靠性，并且通過初期的退化情況分析何種性能參數(shù)更加適宜建模。

1 可靠性退化試驗1.1 試驗設(shè)備

1.1.1 滾動直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗臺

試驗使用本實驗室設(shè)計制造的滾動直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗臺，如圖1所示。試驗臺在水平方向?qū)ΨQ安裝兩根滾動直線導(dǎo)軌，通過兩端對稱加載，一端通過手輪固定加載，另一端通過電機(jī)控制梯形絲杠副進(jìn)行加載。手輪端為輔助加載方式，試驗時在手輪加載端安裝高精度進(jìn)口導(dǎo)軌作為陪跑樣件，電機(jī)加載端安裝試驗樣件并且作為一種新興的功能部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、動靜摩擦系數(shù)小、剛度好、承載能力大、定位精度高、傳動平穩(wěn)、精度保持性好等優(yōu)點。

圖1 滾動直線導(dǎo)軌副精度保持性試驗臺

1.1.2 滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗臺

本試驗需要進(jìn)行的滑塊預(yù)緊拖動力、滑塊的行走平行度需要通過本實驗室設(shè)計制造的滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗臺，如圖2所示。試驗臺為全大理石床身，驅(qū)動系統(tǒng)主要由直線電機(jī)和氣浮控制滑臺構(gòu)成，由直線電機(jī)推動測試系統(tǒng)沿滑塊運動方向做往復(fù)直線運動，可有效保證滑塊在運動過程中的平穩(wěn)性。試驗臺可測量多種型號導(dǎo)軌的運動精度、加速度、振動、預(yù)緊拖動力、噪聲和溫升6項基本性能。

圖2 滾動直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗臺

本實驗需要用到的預(yù)緊拖動力測量是通過力傳感器推動滑塊慢速勻速直線運行測得，如圖3所示。運動精度是通過工裝安裝在滑塊周圍的5個位移傳感器測得，如圖4所示。

圖3 摩擦力測試組件

圖4 精度測量部分結(jié)構(gòu)簡圖

1.1.3 滾動直線導(dǎo)軌副剛性試驗臺

本試驗需要進(jìn)行的導(dǎo)軌副剛性測量需要用到本實驗室自主設(shè)計制造的滾動直線導(dǎo)軌副靜剛度及額定靜載荷試驗臺,如圖5所示。直線導(dǎo)軌副剛度測試裝置傳動原理為伺服電機(jī)經(jīng)行星輪減速器減速后，通過同步帶的主動輪將運動同時傳遞給兩個被動輪，進(jìn)而帶動兩根加載絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)加載橫梁的上下移動，通過工裝和夾具實現(xiàn)對被測工件的加載。直線導(dǎo)軌副的靜剛度測量過程中，將導(dǎo)軌副固定在導(dǎo)軌夾具上，通過壓盤、夾具連接件和滑塊夾具對導(dǎo)軌副的滑塊施加壓力或力矩，位移傳感器固定在滑塊夾具上，通過測量被測直線導(dǎo)軌副滑塊表面上被測位置相對于導(dǎo)軌夾具底面的位移，計算得到導(dǎo)軌副的變形量，從而計算出剛性。

圖5 滾動直線導(dǎo)軌副靜剛度試驗臺

1.2 試驗樣件

篩選境內(nèi)5根、境外2根，一共7根45滾柱直線導(dǎo)軌。

1.3 試驗條件

(1)室溫20±2℃，空氣濕度50%，將測試導(dǎo)軌放置恒溫室中2h以上；

(2)標(biāo)定力傳感器；

(3)擦拭導(dǎo)軌表面，去除雜質(zhì)對測量的影響；

(4)避免對測試產(chǎn)生影響的環(huán)境振動與電磁干擾。

1.4 加載條件

試驗加載包含里程占比、當(dāng)量速度、當(dāng)量載荷3個因素，兩水平精度保持性試驗規(guī)范見表1。

表1 兩水平精度保持性試驗規(guī)范

1.5 試驗過程

試驗流程圖如圖6所示。

圖6 退化可靠性試驗流程圖

2 試驗結(jié)果

每根導(dǎo)軌經(jīng)過兩應(yīng)力水平加載跑合后，每根導(dǎo)軌每20km處測量一次性能參數(shù)，加上起始點性能參數(shù)共收集11處數(shù)據(jù)。為確保評估準(zhǔn)確性，將有保持鏈導(dǎo)軌與無保持鏈導(dǎo)軌分開進(jìn)行比較。

2.1 滾動直線導(dǎo)軌副預(yù)緊拖動力數(shù)據(jù)及分析

有保持鏈導(dǎo)軌共有不同廠家3根，預(yù)緊拖動力測量數(shù)據(jù)見下圖，其中每個數(shù)據(jù)點為3次測量正反向預(yù)緊拖動力均值，預(yù)緊拖動力變動量=初始點預(yù)緊拖動力-截尾處預(yù)緊拖動力。

圖7 預(yù)緊拖動力退化數(shù)據(jù)

可以明顯看出對于有無保持鏈導(dǎo)軌副預(yù)緊拖動力在加載運行過程中均有明顯退化且退化路徑較為平滑，尤其是無保持鏈導(dǎo)軌副。可以看出導(dǎo)軌副在運行經(jīng)過100km后退化情況有明顯趨于平緩的趨勢。

2.2 滾動直線導(dǎo)軌副剛性數(shù)據(jù)及分析

所有樣件剛性數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 剛性退化數(shù)據(jù)

可以看出對于滾動直線導(dǎo)軌副而言，在經(jīng)過加載運行之后，剛性數(shù)據(jù)有退化趨勢，但更多的是在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動下降。

對于有保持鏈導(dǎo)軌副而言剛性數(shù)據(jù)退化并不明顯。對于無保持鏈導(dǎo)軌副而言剛性數(shù)據(jù)有波動下降的趨勢。

2.3 滾動直線導(dǎo)軌副運動平行度數(shù)據(jù)及分析

所有樣件頂面平行度退化數(shù)據(jù)如圖9所示，側(cè)面平行度退化數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 頂面平行度退化數(shù)據(jù)

滾動直線導(dǎo)軌副經(jīng)過磨損后接觸面粗糙度將會變化：在最開始的磨合期階段，導(dǎo)軌運行會逐漸變得平穩(wěn)，而后隨著磨損持續(xù)發(fā)生，導(dǎo)軌滾道接觸面以及鋼球?qū)兊么植?，會?dǎo)致滑塊運行不穩(wěn)定，使得滑塊頂面平行度變大。通過圖9可以看出，滾動直線導(dǎo)軌副頂面平行度數(shù)據(jù)整體呈退化上升趨勢。在20～80km里程磨合階段頂面平行度有個波動下降趨勢，而后則是呈上升趨勢。

圖10 側(cè)面平行度退化數(shù)據(jù)

而通過圖10可以看出，滾動直線導(dǎo)軌副側(cè)面平行度在磨合期階段有一些波動，在磨合期過后側(cè)面平行度數(shù)據(jù)整體趨于平緩，沒有明顯退化情況。這種情況可能是導(dǎo)軌磨損程度不夠?qū)е聜?cè)面平行度并未達(dá)到開始退化，后續(xù)試驗需要增加導(dǎo)軌的磨損里程來綜合分析。

3 退化可靠性數(shù)據(jù)處理

3.1 退化數(shù)據(jù)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中對退化數(shù)據(jù)的建模分析，在樣品中隨機(jī)抽取m個樣品，經(jīng)過退化試驗可取得相應(yīng)的退化數(shù)據(jù)。在已進(jìn)行的退化試驗中，在若干個時間點，對產(chǎn)品的性能參數(shù)進(jìn)行測量并記錄，得到每個時間點的性能退化數(shù)據(jù)，按照如下形式記錄：

{xar;a∈A,t∈T}

(1)

其中，A標(biāo)示一個下標(biāo)集，表示受試樣品的序號；T表示時間。由于本試驗中所用測量方式均為非破壞性測量，而在對所有樣件均進(jìn)行非破壞性測量的情況下，針對第i(i=1,2,….,m)個樣品，每段行程后，分別記為在tl1

{xij;i=1,2,...mj,j=1,2,...n}

(2)

對于相鄰的兩個時間點：t1

E[xat1]≤E[xat2]

(3)

3.2 退化量的統(tǒng)計模型

在應(yīng)用中，由于存在包括測量等因素導(dǎo)致的一些誤差，退化量的實際測量值z(t)會與真實值x(t)存在差異，可以得到測量方程如下：

z(t)=x(t)+ε

(4)

其中，ε為測量誤差，當(dāng)測量無法忽略時，一般假設(shè)E[ε]=0，Var[ε]=σ2，且ε與x(t)獨立。

xaj=x(taj)+εaj
a∈A;j∈T
εaj～(0,σ2)

(5)

稱模型(5)為退化量的統(tǒng)計模型，其中σ2為誤差方差，對該模型進(jìn)行統(tǒng)計推斷的目的是確定產(chǎn)品的退化規(guī)律x(t)。

退化量的統(tǒng)計模型是處理退化失效問題的統(tǒng)計推斷基礎(chǔ)，而統(tǒng)計推斷的最終目標(biāo)是建立導(dǎo)軌的退化失效的統(tǒng)計規(guī)律。通過確定導(dǎo)軌的退化規(guī)律并利用退化數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行統(tǒng)計推斷以確定產(chǎn)品的退化量統(tǒng)計模型，然后基于該模型確定產(chǎn)品的退化失效模型。

根據(jù)退化失效的定義，導(dǎo)軌退化失效模型與退化量分布函數(shù)的關(guān)系。當(dāng)退化量呈上升趨勢時有：

F(t;l)=P{T(l)≤t}=P{x(t)≥l}=1-G(l;t)

(6)

記產(chǎn)品的壽命分布密度函數(shù)為f(t;l) ，產(chǎn)品壽命分布于退化量分布件的關(guān)系可用圖11說明。

圖11 壽命分布于退化量分布的關(guān)系

由上可以看出，適用于基于性能退化的可靠性分析的退化數(shù)據(jù)需要具備的屬性。通過本次試驗收集到的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，初步分析是否適用于該退化模型。

4 結(jié)論

本文通過對性能退化可靠性分析中對退化指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行實驗設(shè)計、分析，研究滾動直線導(dǎo)軌副中適合該分析方法的參數(shù)指標(biāo)。結(jié)合試驗結(jié)果分析可知：

(1)滾動直線導(dǎo)軌磨損會導(dǎo)致導(dǎo)軌副性能退化,通過收集數(shù)據(jù)證明該類型退化可以用于建模分析滾動直線導(dǎo)軌副可靠性。

(2)滾動直線導(dǎo)軌副的摩擦力數(shù)據(jù)退化較規(guī)則，記算測量誤差于模型中更適于分析該數(shù)據(jù)。對于摩擦力數(shù)據(jù)中，無保持鏈導(dǎo)軌表現(xiàn)更佳，由于無保持鏈導(dǎo)軌中滾動體數(shù)量更多，使得摩擦更加均勻。在后期選取試驗樣件時可更多考慮無保持鏈導(dǎo)軌。

(3)剛性數(shù)據(jù)退化不夠明顯，但是表現(xiàn)較均勻?？赡苁抢锍虜?shù)還不夠?qū)к墑傂园l(fā)生明顯退化，需在后續(xù)試驗中繼續(xù)監(jiān)測剛性數(shù)據(jù)。故剛性數(shù)據(jù)不適合短期性能退化分析。

(4)行走平行度數(shù)據(jù)需分開分析，頂面平行度數(shù)據(jù)退化比較規(guī)律，綜合看符合退化量模型預(yù)期，但對于側(cè)面平行度而言，并無明顯退化規(guī)律。