滚动直线导轨副性能退化指标的选取(3)23863.pdf

摘要：为了深入分析滚动直线导轨副的可靠性，采用更加有效的长寿命产品性能退化失效分析方法。通过导轨关键性能参数的退化数据分析导轨的可靠性，产品退化信息的主要手段，通常退化试验是为了：提供产品退化的物理机理信息，得到用于评估每一受测产品在应力作用下的退化特性参数信息，提供同类产品在使用条件下的退化共性信息等。一个优良的退化试验方案无论是对最终分析结果还是对经济、时间等约束的最优化来说，都意义重大。实验中包含着大量性能退化数据，而且这些数据中包含着产品可靠性信息。引言 传统的可靠性研究方法是通过收集产品的寿命数据，通过大量失效数据来计算平均故障间隔时间，从而得出产品的可靠性指标。但对于滚动直线导轨副这种长寿命产品，失效数据难获取，可靠性试验周期长。针对这类产品，通过性能退化分析可靠性就是一种更加可行的方法。在产品运行过程中，找到一类能够反映产品性能的指标，这类指标会随着产品的可靠性水平不断发生变化。通过这一类指标在运行中的退化来建模分析产品的可靠性，并对产品的寿命进行预测。对于滚动直线导轨副而言，可供测量的指标有很多，包括滑块预紧拖动力、滑块水平方向行走平行度、滑块垂直方向行走平行度、滑块的刚性等，具体选用哪项或哪些指标进行跟踪分析就需要通过实验进行筛选。2.1 试验设备 滚动直线导轨副精度保持性试验台 试验使用本实验室设计制造的滚动直线导轨副精度保持性试验台（图一）。试验台在水平方向对称安装两根滚动直线导轨，通过两端对称加载，一端通过手轮固定加载，另一端通过电机控制梯形丝杠副进行加载。手轮端为辅助加载方式，试验时在手轮加载端安装高精度进口导轨作为陪跑样件，电机加载端安装试验样件。图一 滚动直线导轨副精度保持性试验台 滚动直线导轨副综合性能试验台 本试验需要进行的滑块预紧拖动力、滑块的行走平行度需要通过本实验室设计制造的滚动直线导轨副综合性能试验台（图二）。试验台为全大理石床身，驱动系统主要由直线电机和气浮控制滑台构成，由直线电机推动测试系统沿滑块运动方向做往复直线运动，可有效保证滑块在运动过程中的平稳性。试验台可测量多种型号导轨的运动精度、加速度、振动、预紧拖动力、噪声和温升六项基本性能。本实验需要用到的预紧拖动力测量是通过力传感器推动滑块慢速匀速直线运行测得，运动精度是通过工装安装在滑块周围的五个位移传感器测得。被测样件 陪跑样件 图二 滚动直线导轨副综合性能试验台 图三 摩擦力测试组件 图四 精度测量部分结构简图 滚动直线导轨副刚性试验台 本试验需要进行的导轨副刚性测量需要用到本实验室自主设计制造的滚动直线导轨副静刚度及额定静载荷试验台（图五）。直线导轨副刚度测试装置传动原理为伺服电机经行星轮减速器减速后，通过同步带的主动轮将运动同时传递给两个被动轮，进而带动两根加载丝杠转力传感器 被测滑块 球头 连接块 动，实现加载横梁的上下移动，通过工装和夹具实现对被测工件的加载。直线导轨副的静刚度测量过程中，将导轨副固定在导轨夹具上，通过压盘、夹具连接件和滑块夹具对导轨副的滑块施加压力或力矩，位移传感器固定在滑块夹具上，通过测量被测直线导轨副滑块表面上被测位置相对于导轨夹具底面的位移，计算得到导轨副的变形量，从而计算出刚性。2.2 试验样件 筛选境内 5 根境外 2 根共 7 根 45 滚柱导轨 2.3 试验条件 1）室温 202，空气湿度 50%，将测试导轨放置恒温室中2 小时；2）标定力传感器；3）擦拭导轨表面，去除杂质对测量的影响；4）避免对测试产生影响的环境振动与电磁干扰。2.4 加载条件 试验加载包含里程占比、当量速度、当量载荷三个因素，两水平精度保持性试验规范见下表。表 1 两水平精度保持性试验规范 试验阶段 工作状态 重载 中载 轻载 第 1 应力水平 试验运行里程占设定目标里程百分比（%）15%55%30%速度 Vm,i（m/min）15 30 50 动载荷 Pi，带保持链（KN）C=123.2kN 18.5(15%C)12.3(10%C)6.2(5%C)动载荷 Pi，不带保持链（KN）C=92.6kN 14(15%C)9.3(10%C)4.6(5%C)第 2 应力水平 试验运行里程占设定目标里程百分比（%）15%55%30%速度 Vm,i（m/min）15 30 50 动载荷 Pi，带保持链（KN）C=123.2kN 24.7(15%C4/3)16.4(10%C4/3）8.3(5%C4/3）动载荷 Pi，不带保持链（KN）C=92.6kN 18.6(15%C4/3)12.4(10%C4/3 6.2(5%C4/3)注 1：以 20km 为一个加载循环周期。注 2：对于 45 滚柱导轨副，带保持链的型式，额定动载荷 C=123.2kN，不带保持链的型式，额定动载荷 C=92.6kN 流程图 试验结果 每根导轨经过两应力水平加载跑合后，每根导轨每 20km 处测量一次性能参数，加上起始点性能参数共收集 11 处数据。为确保评估准确性，将有保持链导轨与无保持链导轨分开进行比较。滚动直线导轨副预紧拖动力数据及分析 有保持链导轨共有不同厂家 3 根，预紧拖动力测量数据见下图，其中每个数据点为三次测量正反向预紧拖动力均值，预紧拖动力变动量=初始点预紧拖动力-截尾处预紧拖动力 开始 安装被测件至精度保持性试验台 20km 后 卸载取下样件 检查样件运行情况 于刚性试验台上测量刚性 于综合性能试验台上测量平行度、预紧拖动力 达到截尾里程 否 试验结束 是 图 1 预紧拖动力退化数据 结论：可以明显看出对于有无保持链导轨副预紧拖动力在加载运行过程中均有明显退化且退化路径较为平滑，尤其是无保持链导轨副。可以看出导轨副在运行经过 100km 后退化情况有明显趋于平缓的趋势。滚动直线导轨副刚性数据及分析 所有样件刚性数据见下表：图 2 刚性退化数据 结论：可以看出对于滚动直线导轨副而言，在经过加载运行之后，刚性数据有退化趋势，但更多的是在一定数值范围内波动下降。对于有保持连导轨副而言刚性数据退化并不明显。对于无保持链导轨副而言刚性数据有波动下降的趋势。滚动直线导轨副运动平行度数据及分析 010020030040018001900200021002200230024002500260027002800刚性运行距离(km)有保持连 无保持链 综合 图 3 顶面平行度退化数据 图 4 侧面平行度退化数据 结论：对于滚动直线导轨副而言平行度数据也是在波动上升的。大多数样件均有退化 41 退化数据分析 在产品总体中随机抽取 m 个样品，通过退化试验可取得退化数据。在退化试验中，一般在若干个时间点，按时间顺序对产品的退化量进行测量并记录，获得具有如下形式的退化数据。;,arxaA tT （4.1）其中 A 标示一个下标集，表示受试样品序号；T 表示时间。根据不同类型的产品，退化量的测量分为非破坏性连续测量和破坏性测量，在本试验中所用测量方式均为非破坏性测量。在非破坏性测量的情况下，对第1,2,.,i im个样品分别在12.llnlttt 时刻进行了 nl次测量，则退化数据为;1,2,.,1,2,.ijjx im jn （4.2）对于两个时间点 t1t2，用 E表示期望，则当产品退化量变化呈上升趋势时，从数据上看，表示产品性能退化的条件为 12atatE xE x （4.3）4.2 退化量的统计模型 在实际问题中，由于测量等因素导致的误差，退化量的实际测量值 z(t)往往与真实值 x(t)存在一定差异，既有如下测量方程：()()z tx t (4.4)其中 为测量误差，当测量无法忽略时，一般假设 E=0，Var=2，且 与 x(t)独立。称模型 0100200300400468101214顶面精度（m）里程(km)有保持连 无保持链 综合0100200300400468101214161820侧面精度（m）里程(km)有保持连 无保持链 综合2();(0,)ajajajajxx taA jT (4.5)为退化量的统计模型，其中 2为误差方差，对该模型进行统计推断的目的是确定产品的退化规律 x(t)。退化量的统计模型是处理退化失效问题的统计推断基础，然而并不是统计推断的最终目标，在退化问题中进行统计推断的最终目标是建立产品总体退化失效的统计规律。通过确定产品的退化规律并利用退化数据对该模型进行统计推断以确定产品的退化量统计模型，然后基于该模型确定产品的退化失效模型。根据退化失效的定义，可以导出退化失效模型与退化量分布函数的关系，当退化量呈上升趋势时有：(;)()()1(;)F t lP T ltP x tlG l t (4.6)记产品的寿命分布密度函数为(;)f t l，产品寿命分布于退化量分布件的关系可用下图说明：图 xx 寿命分布于退化量分布的关系 由上可以看出，适用于基于性能退化的可靠性分析的退化数据需要具备的属性。通过本次试验收集到的退化数据，进行对比，初步分析是否适用于该退化模型。5.结论 本文通过对性能退化可靠性分析中对退化指标进行分析，进而设计实验分析、研究滚动直线导轨副中适合该分析方法的参数指标。结合试验结果分析可知：（1）滚动直线导轨副的摩擦力数据退化较规则，记得测量误差于模型中更适于分析。对于摩擦力数据中，无保持链导轨表现更佳，可能由于无保持链导轨中滚动体数量更多，使得摩擦更加均匀。在后期选取试验样件时可考虑更多无保持链导轨。（2）刚性数据退化不够明显，但是表现较均匀。可能是里程数还不够导轨刚性发生明显退化，需在后续试验中继续监测刚性数据。故刚性数据不适合短期性能退化分析。（3）行走平行度数据需分开分析，顶面平行度数据退化比较规律，综合看符合退化量模型的预期，但对于侧面平行度而言，并无明显退化规律。