滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)品質(zhì)評(píng)價(jià)*

柯　楠，徐　陽(yáng)，歐　屹，王禹林，馮虎田

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

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滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)品質(zhì)評(píng)價(jià)*

柯楠，徐陽(yáng)，歐屹，王禹林，馮虎田

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

對(duì)市場(chǎng)上主流的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行了功能可靠性定時(shí)截尾試驗(yàn)，同時(shí)，針對(duì)截尾無故障的試驗(yàn)結(jié)果提出了品質(zhì)量的評(píng)價(jià)方案。方案中，參考可靠度計(jì)算原理，定義了品質(zhì)量的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了其取值區(qū)間合理性，最后對(duì)被測(cè)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行了品質(zhì)量計(jì)算，完成了該產(chǎn)品的無故障可靠性評(píng)價(jià)。為機(jī)械產(chǎn)品小子樣可靠性試驗(yàn)中無故障結(jié)果提供新的評(píng)價(jià)方法。

直線導(dǎo)軌；可靠性；無故障；品質(zhì)；評(píng)價(jià)

0　引言

機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，大多來源于電子產(chǎn)品可靠性研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的再發(fā)展。文獻(xiàn)[2]介紹了特征量為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、壽命(服從weibull分布)、功能參數(shù)等三種典型非電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)基本方案，而針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品進(jìn)行功能可靠性試驗(yàn)滿足特征量為功能參數(shù)的非電子產(chǎn)品可靠性基本試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本小，但零故障的試驗(yàn)結(jié)果無法用理論進(jìn)行有效分析。文獻(xiàn)[3]針對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械產(chǎn)品建立了基于威布爾分布的定時(shí)截尾可靠性試驗(yàn)方案，方案中，威布爾分布理論無法應(yīng)用在無故障的截尾導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)結(jié)果內(nèi)。劉濤[4]介紹了基于用戶需求驅(qū)動(dòng)模型和模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)汽車整車品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，將汽車整車分解成多級(jí)進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià)，為客戶提供選擇參考。此文將品質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用于汽車整車產(chǎn)品中對(duì)導(dǎo)軌產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)具有借鑒意義。文獻(xiàn)[5]將噪聲品質(zhì)作為評(píng)價(jià)6缸柴油機(jī)性能的研究指標(biāo)，分析了影響這一指標(biāo)的各參量，通過試驗(yàn)建立了噪聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型，為直線導(dǎo)軌副品質(zhì)評(píng)價(jià)這一方法提供了思路。

針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副這一機(jī)械產(chǎn)品的可靠性研究可以展開為精度可靠性、功能可靠性、壽命可靠性這三個(gè)方面進(jìn)行。其中，功能可靠性中故障表現(xiàn)形式對(duì)照機(jī)械系統(tǒng)典型故障模式舉例[6]可以具體為：滾動(dòng)體壓潰、滑塊卡死、反相器破裂或飛出、密封蓋損壞、滾道面出現(xiàn)坑洼破損等。通過定時(shí)截尾的功能可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在截尾里程相同的情況下，選取的4家市場(chǎng)主流導(dǎo)軌產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果都是無故障。本文在無故障試驗(yàn)結(jié)果中，通過分析試驗(yàn)件之間的普遍區(qū)別，提出了一種滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副無故障下的可靠性評(píng)價(jià)方法——品質(zhì)評(píng)價(jià)，從而來區(qū)分不同滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在功能可靠性試驗(yàn)后的質(zhì)量差異，拓寬了功能可靠性試驗(yàn)的意義。

1　功能可靠性試驗(yàn)

普遍的，機(jī)械產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難以獲取大量子樣容量，費(fèi)資、費(fèi)力，備件費(fèi)用大[7]，因此滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副機(jī)械產(chǎn)品功能可靠性試驗(yàn)是建立在小子樣廣義定時(shí)截尾試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展，廣義定時(shí)截尾試驗(yàn)中的工作時(shí)間t在試驗(yàn)中通過設(shè)定導(dǎo)軌副跑合里程L來代替。在試驗(yàn)設(shè)定的截尾里程L內(nèi)，考察導(dǎo)軌副的故障次數(shù)n。

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用了可提供被測(cè)導(dǎo)軌承載向最大5t的持續(xù)承載載荷的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1。試驗(yàn)臺(tái)一次可同時(shí)試驗(yàn)兩根導(dǎo)軌，采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)龍門往復(fù)高速運(yùn)動(dòng)，最高速度可達(dá)100m/min。龍門兩側(cè)安裝有手動(dòng)加載裝置，對(duì)兩側(cè)被測(cè)導(dǎo)軌進(jìn)行對(duì)稱加載。試驗(yàn)中，設(shè)置了噪聲采集器，捕捉可靠性試驗(yàn)中滑塊工作異常的噪聲值，供試驗(yàn)員判斷故障；同時(shí)，單根被測(cè)導(dǎo)軌滑塊上安裝了兩軸振動(dòng)傳感器，采集滑塊工作中的振動(dòng)值，用于故障判斷。

圖1　滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性試驗(yàn)臺(tái)

1.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)試件選取四家市場(chǎng)主流導(dǎo)軌產(chǎn)品，具體型號(hào)數(shù)量如表1(鑒于試驗(yàn)處于研究所設(shè)定的條件中進(jìn)行，結(jié)果僅具有科研意義，故將被測(cè)件廠家與型號(hào)進(jìn)行處理)：

表1　被測(cè)試驗(yàn)件型號(hào)與數(shù)量

試驗(yàn)被測(cè)導(dǎo)軌采用步進(jìn)加載方式，加載載荷與工作速度、工作里程按表2分配。

表2　被測(cè)件試驗(yàn)條件

基于步進(jìn)加載試驗(yàn)當(dāng)量載荷[8]

(1)

其中：P為重載滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的全程等效額定載荷，L為重載滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的全部行程，n為分段跑合次數(shù)，qk(1≤k≤n)為對(duì)應(yīng)行程lk的加載載荷，lk為分段的跑合行程。參照公式(1)計(jì)算得試驗(yàn)當(dāng)量載荷P=11.6%C，其中，C為額定動(dòng)載荷。

1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前，以及開始后每運(yùn)行50km進(jìn)行一次振動(dòng)和噪聲的測(cè)試，并打印報(bào)表輸出，測(cè)試在50m/min的運(yùn)行速度以及10%C的負(fù)載條件下進(jìn)行。試驗(yàn)中，試驗(yàn)員每日參照滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性試驗(yàn)故障評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行功能可靠性狀況的記錄，被測(cè)件及試驗(yàn)設(shè)備的潤(rùn)滑及維護(hù)通過試驗(yàn)員試驗(yàn)值班過程中保證，如圖2。

圖2　可靠性摸底試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性的故障表現(xiàn)形式通過測(cè)試振動(dòng)與噪聲表現(xiàn)，定期測(cè)得振動(dòng)與噪聲值與初始值進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)出的異常振動(dòng)幅值與噪聲分貝值作為故障在試驗(yàn)記錄表中記錄。

1.4試驗(yàn)結(jié)果

在以上試驗(yàn)計(jì)劃安排下，對(duì)行業(yè)內(nèi)四家廠家進(jìn)行了功能可靠性的摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　可靠性摸底試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)，可以初步得出判斷，市場(chǎng)上主流導(dǎo)軌廠家的主流滾動(dòng)直線導(dǎo)軌產(chǎn)品都能通過至少300km截尾的功能可靠性試驗(yàn)(當(dāng)量載荷P=11.6%C)。

可是，通過試驗(yàn)過程中對(duì)被測(cè)件的細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)，不同廠家的導(dǎo)軌產(chǎn)品在相同的試驗(yàn)條件試驗(yàn)過程中，雖然功能可靠性結(jié)果是一致的，但導(dǎo)軌面、滾動(dòng)體、潤(rùn)滑溢出物等一些方面卻有本質(zhì)的區(qū)別：廠家一的產(chǎn)品500km后溢出物清亮、滾道無壓痕；廠家二的產(chǎn)品1320km后滾道無壓痕、溢出物含有黑色雜質(zhì)；廠家三的產(chǎn)品400km后溢出紅黑色物體、滾動(dòng)體有紅褐色斑痕；廠家四的產(chǎn)品溢出紅黑色物體、滾道有輕微壓痕；如圖3。

廠家一試驗(yàn)500km后溢出物與滾道狀態(tài)

廠家二試驗(yàn)1320km后滾道與滑塊狀態(tài)

廠家三試驗(yàn)400km后溢出物與滾動(dòng)體狀態(tài)

廠家四試驗(yàn)300km后溢出物與滾道狀態(tài)

2　無故障評(píng)價(jià)

針對(duì)傳統(tǒng)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性試驗(yàn)，不同廠家、不同型號(hào)、不同性能的被測(cè)導(dǎo)軌，長(zhǎng)期跑和只能得出在截尾里程試驗(yàn)內(nèi)各種功能故障發(fā)生的次數(shù)，然而初步試驗(yàn)反映了滿足主機(jī)使用里程要求內(nèi)各廠家導(dǎo)軌功能故障次數(shù)為零。這些區(qū)別目前看，在設(shè)定的試驗(yàn)截尾里程內(nèi)暫不影響導(dǎo)軌功能可靠性，并不排除截尾里程拉長(zhǎng)后對(duì)功能可靠性故障指標(biāo)的影響。同時(shí)，這些區(qū)別反映了不同廠家的導(dǎo)軌用料質(zhì)量、熱處理工藝、加工工序等生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)內(nèi)的差異，也是不同廠家導(dǎo)軌生產(chǎn)制造經(jīng)濟(jì)成本的差異，尤其能反映出滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品國(guó)內(nèi)與國(guó)外先進(jìn)水平質(zhì)量的差異[9]，為了在同樣無故障試驗(yàn)結(jié)果下區(qū)別這些差異，引入品質(zhì)量Q(quality)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

品質(zhì)量Q的定義是：以合格出廠的全新導(dǎo)軌賦予品質(zhì)量Q=1.0(全新出廠工作里程L=0)，工作δ里程后，品質(zhì)量Q為a，即Q(L=δ)=a(00)。

目前通過試驗(yàn)不同廠家的導(dǎo)軌產(chǎn)品進(jìn)行觀察比對(duì)，可以將品質(zhì)量Q拆分成4個(gè)部分，各部分引入品質(zhì)分量qi作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，品質(zhì)分量qi的定義是：以合格出廠的全新導(dǎo)軌在i方面表現(xiàn)賦予品質(zhì)量qi=1.0(全新出廠工作里程L=0)，工作δ里程后，品質(zhì)分量qi為b，即q(L=δ)=b(0.60)。這4個(gè)品質(zhì)分量為滾道品質(zhì)分量q1、滾動(dòng)體品質(zhì)分量q2、溢出物品質(zhì)分量q3、其他品質(zhì)分量qx。每項(xiàng)品質(zhì)分量的取值需對(duì)照品質(zhì)分量表，查表確定。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)運(yùn)算

在進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)模型建立之前，先做兩個(gè)假設(shè)[10]：

(1)單元與系統(tǒng)只可能有兩個(gè)狀態(tài)——正常和故障，而沒有中間狀態(tài)。

(2)各單元的失效與否是相互獨(dú)立的，即任一單元的失效不會(huì)引起其他單元的失效。

可靠性理論中關(guān)于可靠度的計(jì)算，首先對(duì)系統(tǒng)中各單元進(jìn)行串并聯(lián)判斷。如果組成系統(tǒng)的所有單元中任何一個(gè)失效就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，則稱為串聯(lián)系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)要能正常工作，組成它的所有單元必須都能正常工作，因此串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為[11]：

Rs(t)=R1(t)R2(t)…Rn(t)

(2)

式中，Ri(t)——單元i的可靠度，i=1,2，…n

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副作為一個(gè)承載導(dǎo)向機(jī)械裝置，包含了導(dǎo)軌、滾動(dòng)體、滑塊三個(gè)元件組成，該系統(tǒng)三個(gè)元件必須同時(shí)正常工作才能保證整體正常工作，任一元件故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障，是一個(gè)典型的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性框圖如圖3所示。

圖4　滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠度系統(tǒng)框圖

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副中，滾道、滾動(dòng)體、溢出物都屬于導(dǎo)軌、滾動(dòng)體、滑塊三元件中的各個(gè)部分，都能獨(dú)立導(dǎo)致導(dǎo)軌失效，之間也符合串聯(lián)關(guān)系。參照公式(2)得出品質(zhì)量表達(dá)式為：Q(L=δ)=q1(L=δ)·q2(L=δ)·q3(L=δ)·qx(L=δ)(δ>0)。依據(jù)品質(zhì)分量qi的定義，品質(zhì)分量q1、q2、q3、qx的取值區(qū)間為0.6～1。則品質(zhì)量極限：

2.3關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的說明

①品質(zhì)量Q是評(píng)價(jià)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性試驗(yàn)中無故障結(jié)論下的一項(xiàng)指標(biāo)，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在無故障L的定時(shí)截尾試驗(yàn)內(nèi)才有確定值。

②滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性試驗(yàn)條件對(duì)品質(zhì)量Q結(jié)果影響巨大，因此，試驗(yàn)過程需嚴(yán)格按照制定的試驗(yàn)條件進(jìn)行，制定加載載荷、速度、里程比、潤(rùn)滑等統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行功能可靠性試驗(yàn)以及品質(zhì)量Q計(jì)算的前提。

③原則上，不同導(dǎo)軌副產(chǎn)品的品質(zhì)量Q的相互比較需要在相同的試驗(yàn)里程L與相同的試驗(yàn)條件下才有意義；但明顯的，相同試驗(yàn)條件下，不同產(chǎn)品試驗(yàn)不同里程后，大里程產(chǎn)品計(jì)算的品質(zhì)量值若大于小里程產(chǎn)品計(jì)算的品質(zhì)量值則說明大里程產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)于小里程產(chǎn)品。

④品質(zhì)分量qi以0.6為下極限值，低于0.6的試驗(yàn)現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為壽命與故障的表現(xiàn)形式，不加入品質(zhì)量的計(jì)算之中。

⑤品質(zhì)分量qx作為試驗(yàn)觀察中的擴(kuò)充量，觀察到的各項(xiàng)區(qū)別可拆分為q4,q5, q6…qr進(jìn)行細(xì)化，沒有區(qū)別則視為1.0進(jìn)行計(jì)算。

⑥品質(zhì)分量得分值通過查閱品質(zhì)分量表(如表4)確定，品質(zhì)分量表僅適用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副截尾試驗(yàn)后的性能評(píng)價(jià)，隨著更大量的截尾試驗(yàn)展開，內(nèi)容將更加完善。

2.4滾動(dòng)直線導(dǎo)軌品質(zhì)量計(jì)算與比較舉例：

基于步進(jìn)加載試驗(yàn)當(dāng)量載荷P =11.3%C下，試驗(yàn)L=500km中廠家一 35V1SSC0的導(dǎo)軌品質(zhì)量Q(L=500)的計(jì)算如下：

對(duì)被測(cè)樣件500km試驗(yàn)后遵照品質(zhì)分量q1、q2、q3、qx進(jìn)行觀察。

導(dǎo)軌滾道面光照下幾乎無痕跡，

q1 (L = 500)= 0.99；

滑塊拆出，光照下滾珠光亮如新，

q2 (L= 500) = 0.99；

導(dǎo)軌兩端滑塊運(yùn)動(dòng)截止處溢出物為清亮油脂與發(fā)黑油脂混合狀，q3 (L = 500)= 0.95；

其他品質(zhì)分量未發(fā)現(xiàn)，qx (L = 500)= 1.00；

故，此被測(cè)導(dǎo)軌品質(zhì)量評(píng)價(jià)值

Q(L=500)=q1(L=500)·q2(L=500)·q3(L=500)·qx(L=500)=

0.99·0.99·0.95·1.00=0.93;

基于步進(jìn)加載試驗(yàn)當(dāng)量載荷P =11.3%C下，試驗(yàn)L=400km中廠家三45P1的導(dǎo)軌品質(zhì)量Q(L=400)的計(jì)算如下：

對(duì)被測(cè)樣件400km試驗(yàn)后遵照品質(zhì)分量q1、q2、q3、qx進(jìn)行觀察。

導(dǎo)軌滾道面光照下整條有輕微亮色壓痕，q1 (L = 400)= 0.90；

滑塊拆出，光照下滾珠有紅褐色斑痕，喪失光澤，

q2 (L = 400)= 0.85；

其他品質(zhì)分量未發(fā)現(xiàn)，

qx (L = 400) = 1.00；

故，此被測(cè)導(dǎo)軌品質(zhì)量評(píng)價(jià)值

Q(L=400)=q1(L=400)·q2(L=400)·q3(L=400)·qx(L=400)=

0.90·0.85·0.80·1.00=0.61;

對(duì)比兩家產(chǎn)品試驗(yàn)后計(jì)算結(jié)果，可以認(rèn)為，廠家一SHS35V1SSC0在使用過程中產(chǎn)品品質(zhì)上是優(yōu)于廠家三LGS-45P1的。

試驗(yàn)中4種被測(cè)導(dǎo)軌無故障可靠性評(píng)價(jià)的品質(zhì)量Q值如表5所示：

表5　試驗(yàn)無故障可靠性評(píng)價(jià)計(jì)算表

3　總結(jié)

基于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副定時(shí)截尾可靠性試驗(yàn)結(jié)果中無故障的普遍性以及不同品牌被測(cè)導(dǎo)軌的表征顯著差異性，提出了品質(zhì)量Q(quality)的概念；從滾道、滾動(dòng)體、溢出物、其他品質(zhì)等四個(gè)方面來定性推出Q的值；為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副無故障結(jié)果下的可靠性試驗(yàn)提供評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于從可靠性試驗(yàn)方向來區(qū)分不同導(dǎo)軌廠家的直線導(dǎo)軌產(chǎn)品質(zhì)量；同時(shí)，為研究滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的科研人員提供一些提高滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副產(chǎn)品質(zhì)量的研究方向。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副品質(zhì)量Q評(píng)價(jià)思路可以借鑒應(yīng)用到其他產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)結(jié)果分析中去，以區(qū)分不同產(chǎn)品在功能可靠性試驗(yàn)中的質(zhì)量狀況。同時(shí)，隨著滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能可靠性試驗(yàn)的深入開展，試驗(yàn)方案的更加優(yōu)化，對(duì)于其無故障下的評(píng)價(jià)品質(zhì)量Q還將更加定量化，從滾道的疲勞損傷深淺、溢出物的金屬雜質(zhì)含量、滾珠表面粗糙度等多重量化角度去研究與分類，更加完善這一品質(zhì)量定義，讓評(píng)價(jià)結(jié)果更加精準(zhǔn)。

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(編輯趙蓉)

Quality Evaluation of the Linear Guide in Reliability Tests

KE Nan，XU Yang，OU Yi，WANG Yu-lin，F(xiàn)ENG Hu-tian

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

This paper presented some mainstream products of linear guideways based on functional reliability tests at fixed time censoring. Based on the none trouble testing result, one kind of quality evaluation assessment was put forward. In this assessment, quality-value was defined according to the calculating method of the degree of reliability. And the bounds of the quality-value was proved to be reasonable. Finally, all the testing linear guideways were evaluated by the way of quality evaluation assessment. So a new evaluation methodology was provided for the small sample mechanical reliability test.

linear guideways；reliability；failure-free；quality；assessment

1001-2265(2016)07-0150-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.042

2015-07-29；

2015-08-27

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04002021)

柯楠(1990—)，男，江蘇常州人，南京理工大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)闈L動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性與精度保持性研究，(E-mail)kenan_njust@outlook.com。

TH166;TG506

A