針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命的試驗(yàn)研究*

李 雋，韓 軍，歐 屹

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

針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命的試驗(yàn)研究*

李 雋，韓 軍，歐 屹

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

在總結(jié)當(dāng)前滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命研究的現(xiàn)狀及不足的基礎(chǔ)上，分析了疲勞壽命失效機(jī)理，對(duì)市場(chǎng)上主流的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)；對(duì)壽命試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了簡(jiǎn)介，突出了加載機(jī)構(gòu)以及加載控制系統(tǒng)的功能；對(duì)于加速壽命試驗(yàn)的結(jié)果主要進(jìn)行了時(shí)域及頻域分析，并驗(yàn)證了其合理性，為以后進(jìn)行導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)樣本的分析提供了一種思路。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副；壽命試驗(yàn)臺(tái)；加速壽命試驗(yàn)；時(shí)域及頻域分析

0 引言

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副如今已廣泛應(yīng)用于數(shù)控技術(shù)、機(jī)電一體化控制等領(lǐng)域，對(duì)其壽命的研究也引起了廣泛關(guān)注。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的壽命性能是產(chǎn)品選型時(shí)的重要參考因素，它與安全性、可靠性等有著密切的關(guān)系。

國(guó)外對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副與滾動(dòng)軸承壽命影響因素有著大量的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)國(guó)外學(xué)者的一些公開(kāi)的研究資料以及自身的研究與試驗(yàn)也獲得了一定的成果。華中科技大學(xué)的謝峰及南京理工大學(xué)馮虎田老師團(tuán)隊(duì)根據(jù)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副和滾動(dòng)軸承在結(jié)構(gòu)上和使用原理上的類(lèi)似性，提出了導(dǎo)軌副壽命的基本計(jì)算方式，得到導(dǎo)軌副不同承載條件下，壽命計(jì)算也會(huì)有有所不同的結(jié)論[1-3]；江南大學(xué)的姜大志對(duì)一根導(dǎo)軌和兩個(gè)滑塊構(gòu)成的導(dǎo)軌副施加載荷進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明導(dǎo)軌副的額定載荷與使用壽命密切相關(guān)，其大小會(huì)受載荷分布的波動(dòng)狀況、載荷偏心率以及行程的大小等因素所影響[4]。

傳統(tǒng)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)臺(tái)上所進(jìn)行的試驗(yàn)往往不能真實(shí)反映工況下的加載運(yùn)行，施加載荷的范圍不足，調(diào)節(jié)的行程范圍很小[5-7]。由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)裝置性能的不足，我國(guó)還沒(méi)能通過(guò)合理的壽命試驗(yàn)獲得有效、完善的試驗(yàn)結(jié)果，很多對(duì)于導(dǎo)軌副使用壽命性能的研究也只是理論性的，國(guó)內(nèi)導(dǎo)軌副壽命計(jì)算公式一般參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒(méi)有研究者通過(guò)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證這些公式參數(shù)的正確性，因此我國(guó)對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命性能的研究很難有顯著提高。

本文在壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的工程性，可以借鑒應(yīng)用到產(chǎn)生故障的壽命試驗(yàn)結(jié)果分析中去，以區(qū)分不同產(chǎn)品在壽命試驗(yàn)中的質(zhì)量狀況。同時(shí)，隨著滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副功能壽命試驗(yàn)的深入開(kāi)展，試驗(yàn)方案的更加優(yōu)化，可以獲取更多的故障樣本，從而驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，拓寬壽命試驗(yàn)研究的意義。

1 導(dǎo)軌副疲勞壽命失效機(jī)理

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副額定壽命為：在相同的工作條件下，同一批導(dǎo)軌組件分別運(yùn)行，其中90%的導(dǎo)軌組件尚未出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象之前，滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌運(yùn)行距離的總和或一定運(yùn)行速度下的工作小時(shí)數(shù)[8]。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在使用過(guò)程中，其滾道表面在循環(huán)或是交變壓力下發(fā)生變形，滑塊與導(dǎo)軌間相互摩擦后逐漸形成微小裂紋。當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋后，經(jīng)過(guò)反復(fù)摩擦接觸微裂紋不斷擴(kuò)大和延伸，潤(rùn)滑油逐漸充滿這些裂紋的深處，直到有金屬?gòu)膶?dǎo)軌副金屬表面剝落，從而導(dǎo)致滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命失效。

剝落現(xiàn)象主要有兩種形式，分為表面疲勞鱗剝和點(diǎn)蝕。鱗剝一般指接觸體因塑性變形形成硬化帶，裂紋根部因裂紋水平擴(kuò)展導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸下降，最后根部斷裂形成鱗剝坑；點(diǎn)蝕是指金屬表面由于剪應(yīng)力的作用產(chǎn)生微裂紋，并從表面以一定角度向內(nèi)擴(kuò)展，最終裂紋以上的材料脫落。

根據(jù)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)規(guī)范，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的滾道或滾動(dòng)體工作表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，并且疲勞點(diǎn)蝕面積超過(guò)0.5mm2和剝落深度超過(guò)0.05mm時(shí)，說(shuō)明其壽命已經(jīng)達(dá)到疲勞失效。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)軌副在試驗(yàn)運(yùn)行中發(fā)生剝落現(xiàn)象時(shí)，由于存在金屬面的剝落，滑塊在導(dǎo)軌上的運(yùn)行將不平穩(wěn)，滑塊與導(dǎo)軌副的接觸面不再完全光滑，同時(shí)會(huì)受到剝落物的影響，導(dǎo)致導(dǎo)軌副運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的振動(dòng)狀態(tài)異常；由于接觸面的損壞，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦力也相應(yīng)的變大，此時(shí)，被測(cè)導(dǎo)軌副運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音量等也將出現(xiàn)異常。

據(jù)此，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命疲勞失效判定方法可以分為直接監(jiān)測(cè)法和間接監(jiān)測(cè)法。直接監(jiān)測(cè)法是通過(guò)拆卸導(dǎo)軌副來(lái)觀察試驗(yàn)樣件滾道或滾動(dòng)體的剝落情況，間接監(jiān)測(cè)法是指通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)件運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、噪音以及溫度等壽命性能參數(shù)的變化狀況來(lái)獲得較準(zhǔn)確的疲勞失效點(diǎn)。在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常拆卸導(dǎo)軌副進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)需要耗費(fèi)一定的時(shí)間并產(chǎn)生裝配誤差，因此滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一般在間接監(jiān)測(cè)到壽命性能參數(shù)變化異樣時(shí)，才對(duì)樣件進(jìn)行拆卸觀察。

2 導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)臺(tái)加速壽命試驗(yàn)

2.1 導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)

加速壽命試驗(yàn)在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)目的是對(duì)導(dǎo)軌副的壽命特征進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)量，并獲得導(dǎo)軌副相關(guān)壽命性能參數(shù)如：載荷、振動(dòng)、噪聲等相對(duì)工作時(shí)間的變化曲線，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣本和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌的壽命做出相應(yīng)測(cè)定或評(píng)估，從而建立完善的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

2.1.1 加載機(jī)構(gòu)

加載部件采用的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠進(jìn)行加載的方式，龍門(mén)頂部并排安裝了三個(gè)伺服電機(jī)，可對(duì)三條被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行同時(shí)或分開(kāi)加載，可以隨時(shí)控制壓力的大小。

試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)的被測(cè)導(dǎo)軌最大加載力可達(dá)25t，中間的被測(cè)導(dǎo)軌最大加載力可達(dá)30t，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同時(shí)加載和隨動(dòng)加載，滿足35-65規(guī)格導(dǎo)軌副的壽命試驗(yàn)。通過(guò)更換滑塊工裝，可以進(jìn)行法向、側(cè)向不同加載力的模擬，適應(yīng)多種規(guī)格型號(hào)導(dǎo)軌副不同的加載形式要求，加載工裝包括上下兩部分，上加載工裝安裝在阻力源下端，下加載工裝安裝在傳感器轉(zhuǎn)接板上，可根據(jù)實(shí)際加載要求更換不同上下加載工裝，改變上下加載工裝接觸斜面角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力源垂直加載力的分解，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)加載源同時(shí)實(shí)施不同水平和豎直方向的加載。

2.1.2 加載控制系統(tǒng)

本試驗(yàn)臺(tái)加載控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、固高控制卡(PCI1716)及壓力傳感器等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)固高卡收到工控機(jī)加載的指令時(shí)，加載電機(jī)上電使能。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令將改變脈沖的位置從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。壓力傳感器輸出反映壓力大小的電壓信號(hào)，由PCI1716采集并讀取到工控機(jī)，當(dāng)壓力值達(dá)到設(shè)定值時(shí)軟件發(fā)出停止加載指令使電機(jī)停轉(zhuǎn)[9]。

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同時(shí)加載和隨動(dòng)加載的功能。對(duì)三根導(dǎo)軌進(jìn)行加載時(shí)，在軟件操作界面中，修改載荷設(shè)定值從而對(duì)目標(biāo)加載值進(jìn)行修改，可以進(jìn)行單根加載或多根同時(shí)加載，進(jìn)行多根加載時(shí)，需首先選中需要加載的導(dǎo)軌，否則該導(dǎo)軌不進(jìn)行加載。使用自動(dòng)加載時(shí)，在三根導(dǎo)軌分別到達(dá)加載值后，將提示加載完成，當(dāng)導(dǎo)軌位置改變或壓力變小時(shí)，可繼續(xù)自動(dòng)加載，使載荷重新加至目標(biāo)值。試驗(yàn)前可以打開(kāi)載荷監(jiān)測(cè)選框，從而更加清晰地看出加載情況，方便進(jìn)行操作。在試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)載荷波動(dòng)的情況，實(shí)際加載值不穩(wěn)定，此時(shí)可以選擇隨動(dòng)加載功能，即隨著導(dǎo)軌跑合位置的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)加載電機(jī)，使得實(shí)際載荷與目標(biāo)加載值始終保持一致，這樣做在很大程度上提升了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加可靠。

2.2 基于導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺(tái)的硬件軟件滿足了壽命試驗(yàn)的加載和測(cè)試要求，在試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上制定了壽命試驗(yàn)的方法。對(duì)于同一型號(hào)的導(dǎo)軌副，施加額定動(dòng)載荷大小的加載力，較其他試驗(yàn)方法，可以使導(dǎo)軌副最快的出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，在獲得額定動(dòng)載荷條件下實(shí)際運(yùn)行里程的同時(shí)，也可以標(biāo)定被測(cè)導(dǎo)軌副在出現(xiàn)表現(xiàn)剝落現(xiàn)象時(shí)振動(dòng)、噪音、溫度等參數(shù)是如何變化的[10]，通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌副的觀察，也可以獲得導(dǎo)軌副實(shí)際剝落現(xiàn)象，這可以為試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的其他壽命試驗(yàn)提供一個(gè)標(biāo)定導(dǎo)向的作用，使試驗(yàn)成果更為可靠有效。

該測(cè)定方法是一種加速壽命的試驗(yàn)方法，通過(guò)加大試驗(yàn)應(yīng)力來(lái)縮短試驗(yàn)周期，使得導(dǎo)軌在較短的時(shí)間周期內(nèi)達(dá)到疲勞極限，從而得到導(dǎo)軌壽命的試驗(yàn)值。

根據(jù)已知文獻(xiàn)[4]中給出了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌額定壽命計(jì)算的基本公式進(jìn)行分析，

(1)

考慮到被測(cè)導(dǎo)軌副在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中滾道表面的硬度，載荷的平穩(wěn)性，以及導(dǎo)軌副內(nèi)部的溫度等對(duì)使用壽命的影響，可將滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的額定壽命計(jì)算公式(1)轉(zhuǎn)換為：

(2)

式中：L—額定壽命(km)；C—額定動(dòng)載荷(kN)；F—計(jì)算載荷(kN)；ft—溫度系數(shù)；fc—接觸系數(shù)；fw—載荷系數(shù)；fh—硬度系數(shù)。

額定動(dòng)載荷C可以通過(guò)查找產(chǎn)品手冊(cè)獲得；計(jì)算載荷根據(jù)所受加載力類(lèi)型決定，當(dāng)導(dǎo)軌副的滾動(dòng)體為鋼球時(shí)

(3)

式中，Pn—對(duì)應(yīng)行程Ln內(nèi)的載荷(kN)；Ln—分段行程(km)，L—全行程(km)，L=L1+L2…+Ln。

單次加速壽命試驗(yàn)存在一定誤差，因此在試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)多組樣本進(jìn)行試驗(yàn)，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到相應(yīng)應(yīng)力水平下的壽命估計(jì)值。若同一類(lèi)型的試驗(yàn)樣品的數(shù)量不少于10套，本試驗(yàn)臺(tái)每次可對(duì)三根被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行試驗(yàn)，所以選取12套該導(dǎo)軌副，并平均分為四組進(jìn)行試驗(yàn)。

3 加速壽命試驗(yàn)過(guò)程及分析

基于上文介紹的加速試驗(yàn)的方法，選取國(guó)內(nèi)某廠家的45直線導(dǎo)軌進(jìn)行了一組試驗(yàn)。

(1)根據(jù)導(dǎo)軌副的安裝要求，將三根被測(cè)導(dǎo)軌副安裝在壽命試驗(yàn)臺(tái)上，接通電源，開(kāi)啟軟件控制系統(tǒng)，輸入試驗(yàn)參數(shù)；

(2)啟動(dòng)加載系統(tǒng)對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行加載，先進(jìn)行空載，然后再逐步加載，最終保持載荷穩(wěn)定在試驗(yàn)允許范圍之內(nèi)；啟動(dòng)振動(dòng)、噪音及載荷等信號(hào)采集系統(tǒng)，主要在線監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的變化情況，輔監(jiān)測(cè)噪音等信號(hào)的變化情況；

(3)啟動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，先低速運(yùn)行觀察運(yùn)行是否正常，若無(wú)運(yùn)行故障，則按照試驗(yàn)要求的速度驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)面往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

(4)監(jiān)測(cè)、記錄振動(dòng)信號(hào)變化狀況，試驗(yàn)前期(L≤30km)每運(yùn)行2km記錄一個(gè)來(lái)回的數(shù)據(jù)點(diǎn)，試驗(yàn)中期(30km

(5)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)振動(dòng)量的變化狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常變化時(shí)(振動(dòng)頻率突然變高或振幅值接近甚至超過(guò)疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的振幅值)，記錄下此時(shí)運(yùn)行一個(gè)來(lái)回的振動(dòng)、噪音等信號(hào)的變化狀況，然后暫停變頻電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)停止加載，停止?jié)櫥瑢惓?dǎo)軌副取下，對(duì)該導(dǎo)軌副的滑塊和導(dǎo)軌表面進(jìn)行剝落檢測(cè)；

(6)使用導(dǎo)軌副表面剝落檢測(cè)裝置，檢測(cè)產(chǎn)品疲勞點(diǎn)蝕面積是否超過(guò)0.5mm2，其深度是否超過(guò)0.05mm，若超過(guò)則該異樣導(dǎo)軌副進(jìn)入下一步，若未超過(guò)或沒(méi)有剝落現(xiàn)象則將該導(dǎo)軌副安裝回試驗(yàn)臺(tái)面上繼續(xù)試驗(yàn)，其他導(dǎo)軌副也繼續(xù)進(jìn)行加載運(yùn)行；

(7)認(rèn)為該被測(cè)導(dǎo)軌副達(dá)到運(yùn)行失效，結(jié)合對(duì)所記錄的振動(dòng)量、噪音量及溫度量的變化值分析，獲得較準(zhǔn)確的失效里程點(diǎn)，并記錄運(yùn)行里程為L(zhǎng)c1、Lc2、…Lcb(b≤12)；

(8)通過(guò)(1)～(7)完成單根導(dǎo)軌副的試驗(yàn)，當(dāng)同一次試驗(yàn)中三根導(dǎo)軌副都運(yùn)行到表面剝落現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，更換被測(cè)導(dǎo)軌副進(jìn)行下一組試驗(yàn)，試驗(yàn)完成。對(duì)于試驗(yàn)載荷不適當(dāng)?shù)仍蛩斐傻氖罚挥?jì)入正常失效數(shù)據(jù)中，并且在試驗(yàn)結(jié)束后被測(cè)樣品應(yīng)妥善保存。

3.1 加速實(shí)驗(yàn)記錄

試驗(yàn)采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，查的該導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷C=55kN，根據(jù)公式(2)計(jì)算里程，取硬度系數(shù)fh=1、溫度系數(shù)ft=1、接觸系數(shù)fc=1、載荷系數(shù)fw=1， 取恒加速應(yīng)力值：P1=0.6C=33.0kN、P2=0.7C=38.5kN、P3=0.8C=44.0kN、P4=0.9C=49.5kN，速度分別取0.70m/s，0.56m/s，0.42m/s，0.28m/s。

當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)行至10km,30km，50km時(shí)截取振動(dòng)圖樣進(jìn)行分析，圖像采集如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)運(yùn)行振動(dòng)圖像

根據(jù)公式計(jì)算10km、30km、50km時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)的平均值、峰值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表1所示。

峰值主要體現(xiàn)所采集的數(shù)據(jù)中的波峰的值，可用于分析高值振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原因；標(biāo)準(zhǔn)偏差用于分析采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)的分布狀況、離散程度等，判斷所獲得數(shù)據(jù)與均值之間差異大小。

從圖1中可以直觀看出：隨著運(yùn)行里程增加，被測(cè)導(dǎo)軌副的振動(dòng)值逐漸增大，峰值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化也說(shuō)明了振動(dòng)信號(hào)變化幅度將增大。導(dǎo)軌副在運(yùn)行到失效前是逐漸磨損的，振動(dòng)值及其變化幅度將隨著里程的增加而變大。在導(dǎo)軌副磨損較小的階段，信號(hào)起伏度較大，這是由于試驗(yàn)臺(tái)剛開(kāi)始運(yùn)行不平穩(wěn)造成的，在30km開(kāi)始試驗(yàn)臺(tái)面的運(yùn)行趨于平穩(wěn)，波動(dòng)幅度逐漸減??；在50km處，信號(hào)波動(dòng)變大，試驗(yàn)臺(tái)面的運(yùn)行逐漸不平穩(wěn)，此時(shí)導(dǎo)軌副磨損量較30km有明顯增大，從而與實(shí)際現(xiàn)象相符。

表1 時(shí)域分析表

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，滑塊兩端逐漸有油脂流出，噪聲值出現(xiàn)了由低到高的變化，在試驗(yàn)后期，由于運(yùn)行造成的摩擦力引起導(dǎo)軌發(fā)熱；在試驗(yàn)過(guò)程中潤(rùn)滑條件不佳或滑塊中進(jìn)入外界雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致摩擦磨損加劇導(dǎo)致溫升異常；運(yùn)行速度過(guò)快、導(dǎo)軌頻繁反向也會(huì)使滑塊發(fā)熱過(guò)快以及散熱不及時(shí)使得磨損加劇。為進(jìn)一步分析確認(rèn)該導(dǎo)軌樣件的狀態(tài)，在試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)滑塊以及導(dǎo)軌平面進(jìn)行觀察，如圖2，發(fā)現(xiàn)有一定的磨損情況但并未出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，通過(guò)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以直觀反映出導(dǎo)軌的壽命性能。

圖2 試驗(yàn)后的導(dǎo)軌及滑塊

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于上述試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用時(shí)域及頻域分析法進(jìn)行評(píng)估。

在時(shí)域分析角度，導(dǎo)軌副樣件在開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺(tái)面不夠平穩(wěn)，隨后將慢慢趨于平穩(wěn)，但由于滾珠與導(dǎo)軌和滑塊之間不斷摩擦，導(dǎo)軌副磨損加劇，但在試驗(yàn)進(jìn)行至30km處時(shí)仍未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。由試驗(yàn)結(jié)果推斷，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到某處，振動(dòng)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差將超過(guò)正常范圍，該里程點(diǎn)便可能是導(dǎo)軌副的失效點(diǎn)，導(dǎo)軌副即將發(fā)生剝落前為正常范圍，這樣可以方便判斷導(dǎo)軌副的壽命性能。

由頻域分析法，繪出振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜圖，振動(dòng)采樣時(shí)間間隔為100ms，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)頻譜圖以Fs/2為對(duì)稱(chēng)軸，只需分析0～5Hz頻率范圍內(nèi)的幅頻特性。

圖3 壽命試驗(yàn)振動(dòng)頻譜圖

由圖3頻譜圖可以看出，3.8～4.2Hz附近振幅達(dá)到最大，振幅值隨著運(yùn)行里程的增加而出現(xiàn)增大趨勢(shì)，變化幅度也更加明顯，這一現(xiàn)象與時(shí)域分析中導(dǎo)軌副的逐漸磨損現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，可以確定振幅最大的頻率點(diǎn)應(yīng)該主要由導(dǎo)軌疲勞磨損引起。這一發(fā)現(xiàn)可以為后續(xù)導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜分析提供了主要觀測(cè)頻率點(diǎn)[10]，即當(dāng)該頻率點(diǎn)的振幅超過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的正常范圍值時(shí)，導(dǎo)軌副有可能發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，可結(jié)合具體情況得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖中2.2～2.4Hz振幅較大，考慮到試驗(yàn)中變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速為150r/min，可知電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為2.5Hz，與該頻率范圍接近，可以看出變頻電機(jī)的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)也是影響振動(dòng)信號(hào)的主要因素之一，因此建議在后續(xù)試驗(yàn)中為變頻電機(jī)加裝減振緩沖的材料；圖中還有其他峰值點(diǎn)，這些可能與試驗(yàn)臺(tái)面的穩(wěn)定性、測(cè)控系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)、導(dǎo)軌副及試驗(yàn)裝置的加工裝配誤差、導(dǎo)向?qū)к壐钡恼駝?dòng)狀況等因素有關(guān)，隨著試驗(yàn)的深入會(huì)進(jìn)行更加深入的探討。

由于時(shí)間限制，還沒(méi)有得到被測(cè)導(dǎo)軌副發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕的樣本，但基于上述振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域分析和頻域分析結(jié)果可以看出，這兩種方法可用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)、噪音、溫度等壽命性能參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果有助于獲得較為準(zhǔn)確的疲勞失效里程點(diǎn)，后續(xù)需要繼續(xù)進(jìn)行大量試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)結(jié)論的驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)目前滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，在分析疲勞機(jī)理的基礎(chǔ)上，使用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命性能測(cè)試試驗(yàn)裝置進(jìn)行了壽命試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了時(shí)域分析法和頻域分析法適用于壽命試驗(yàn)的合理性，可以借鑒應(yīng)用到無(wú)故障的壽命試驗(yàn)結(jié)果分析中去，對(duì)不同廠家的產(chǎn)品在壽命試驗(yàn)中的質(zhì)量狀況進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，隨著試驗(yàn)的深入開(kāi)展，對(duì)于當(dāng)前壽命和額定動(dòng)載荷的理論計(jì)算方法的局限性，可以嘗試提出基于試驗(yàn)的公式修正方法，為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命的分析提供基礎(chǔ)。

考慮到廠家及實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)缺乏已發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕的樣本，在后續(xù)的工作中首先要獲得失效導(dǎo)軌副，并對(duì)即將發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象時(shí)的振動(dòng)、噪音等信號(hào)變化狀況進(jìn)行記錄分析，為以后的壽命試驗(yàn)疲勞失效點(diǎn)提供合理可靠的失效振動(dòng)值、失效噪音值的記錄。

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(編輯 李秀敏)

Research on the Life of Roller Linear Guide

LI Jun, HAN Jun ,OU Yi

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

Introduce the research status and existing shortcomings of life of linear rolling guide and analyze the failure mechanism of fatigue life. Introduce the test bed, including the loading mechanism and the system of loading control and conduct the tests of some mainstream products. Then put forward the accelerated life test method and analysis of a product with Time-Domain and Frequency-Domain Analysis and provide a way to analyze the samples for life tests.

roller linear guide；life test bed；accelerated life testing；time-domain and frequency-domain analysis

1001-2265(2017)02-0026-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.007

2016-04-16；

2016-05-05

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2014ZX04011031)

李雋(1991—)，男，江蘇徐州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闈L動(dòng)直線導(dǎo)軌副可靠性與壽命的研究，(E-mail)409962647@qq.com;通訊作者：韓軍(1963—)女，南京人，南京理工大學(xué)副研究員，研究方向?yàn)榫軝C(jī)械測(cè)控系統(tǒng)，(E-mail)hanjun7045@163.com。

TH16;TG506

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