CN106017923A - 滚珠丝杠副可靠性加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，首先利用平均故障间隔转数评价方法对滚珠丝杠副的可靠性进行评价；然后利用可靠性加速模型对滚珠丝杠副进行可靠性建模；利用小子样定时截尾可靠性试验方法，确定试验的时间、载荷、转速以及样本量；接着利用滚珠丝杠副寿命计算公式，计算试验的应力加速因子和当量加速试验转数，检验试验条件（时间、载荷和转速）的合理性；最终利用确定的试验条件对滚珠丝杠副进行可靠性加速试验。本发明的基于加速时间模型的滚珠丝杠副可靠性试验方法，解决当前滚珠丝杠副可靠性试验时间过长、费用过高或者短时试验样本量不足等问题，提高了试验效率。

Description

滚珠丝杠副可靠性加速试验方法

技术领域

本发明属于可靠性设计试验领域，特别是一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法。

背景技术

滚珠丝杠副是数控机床的核心功能部件，滚珠丝杠副的可靠性将直接影响整个数控系统的可靠性。高档数控机床的可靠性指标平均故障间隔时间(MTBF)已达数千小时，按照传统的试验技术对滚珠丝杠副进行试验，在投入一根试验样件时就需要数月甚至几年的时间才能完成试验，而在投入多根试验样件时，高昂的样件费用同样难以承受。因此，传统的可靠性试验方法已经不能满足滚珠丝杠副的要求，采用加大应力、缩短试验时间的可靠性加速试验技术已成为可靠性试验验证技术发展的必然趋势。

经查阅相关资料发现，国内目前关于滚珠丝杠副可靠性试验方法的研究处于空白状态，缺乏相应的滚珠丝杠副可靠性指标体系，各厂家产品出厂前不能完整准确地回答相关滚珠丝杠副的可靠性问题，突出表现在没有确切给出针对产品可靠性定义的五要素，指标笼统，缺乏针对性，无法进行量化考核。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，解决当前滚珠丝杠副可靠性试验时间过长、费用过高或者短时试验样本量不足等问题，进而提高试验效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，包括以下步骤：

步骤1、利用平均故障间隔转数评价方法对滚珠丝杠副可靠性进行评价，确定该类丝杠的平均故障间隔转数；

步骤2、构建滚珠丝杠副可靠性加速模型；

步骤3、利用小子样定时截尾A+A可靠性试验方法选取可靠性加速试验的时间、载荷、转速以及样本量；

步骤4、确定试验的应力加速因子和当量加速试验转数，检验步骤3中时间、载荷、转速的合理性；

步骤5、利用上述确定的试验条件对滚珠丝杠副进行可靠性加速试验。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提供一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，填补了滚珠丝杠副可靠性试验方法的空白；2)本发明利用平均故障间隔转数评价滚珠丝杠副的寿命可靠性，弥补了传统方法中使用平局故障间隔时间评价滚珠丝杠副寿命可靠性的不足；3)本发明将可靠性试验划分为正常应力以及加速应力两个阶段，试验时间可根据实际情况具体调节，可有效解决当前滚珠丝杠副可靠性试验时间过长的问题，进而提高试验效率；4)本发明的方法简单易行，能够有效解决试验费用过高或者短时试验样本量不足等问题。

附图说明

图1为本发明的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法流程图。

具体实施方式

本发明的一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，包括以下步骤：

步骤1、利用平均故障间隔转数评价方法对滚珠丝杠副可靠性进行评价所用公式为：

$MRBF=\frac{MTBF}{T}\×\underset{i=1}{\overset{W}{\Σ}}{N}_i{t}_i$

式中，MRBF为平均故障间隔转数，MTBF为数控机床平均故障间隔时间，T为数控机床加工某一零件的总时间，N_i为数控机床平均故障间隔时间MTBF下滚珠丝杠副的第i种转速，t_i为N_i转速下运行的时间，W为转速的个数。

步骤2、利用可靠性加速模型对滚珠丝杠副进行可靠性建模所用公式为：

$L_k=60n{\[\frac{C_a}{F_w{F}_a}\]}^3\×{10}^6$

$\frac{L_{k2}}{L_{k1}}={\[\frac{F_{a1}}{F_{a2}}\]}^3$

式中，L_k为滚珠丝杠副的时间寿命，单位为h，n为滚珠丝杠副的转数，单位为r/min,C_a为滚珠丝杠副的额定动载荷，单位为N，F为滚珠丝杠副承受的轴向载荷，单位为N，F_w为载荷系数，取值范围为1.0～2.0；F_a1和L_k1为恒定应力加速寿命试验条件下的轴向载荷和寿命时间；F_a2和L_k2为实际工况下的轴向载荷和寿命时间。

步骤3、利用小子样定时截尾A+A可靠性试验方法选取可靠性加速试验的时间、载荷、转速以及样本量具体为：试验中滚珠丝杠副的试验时间为A天+A天，转速参照滚珠丝杠副的正常转速，载荷在轻载、中载和重载下分别取5％×C_a×S、10％×C_a×S和15％×C_a×S，样本容量≥3副，S为负载系数，对于定位型滚珠丝杠副：1≤S≤2；对于传动型滚珠丝杠副：1≤S≤10/3。A的取值范围为5～15。

步骤4、利用滚珠丝杠副寿命计算公式，计算试验的应力加速因子和当量加速试验转数，检验试验条件(时间、载荷以及转速等)的合理性所用公式为：

$G={\[\frac{F_{a1}}{F_{a2}}\]}^3$

MRBF_当量＝N₁t₁+G·N₂t₂

式中，G为可靠性加速试验的加速因子，MRBF_当量为可靠性加速试验的当量转数，N₁和t₁分别为第一应力水平下的转速和时间，N₂和t₂分别为第二应力水平下的转速和时间；

检验步骤3中时间、载荷、转速的合理性具体是判断公式MRBF_当量≥MRBF是否成立，若成立则小子样定时截尾A+A可靠性加速试验中的试验时间、载荷和转速选取合理，否则应调整步骤3中的相应参数直至公式MRBF_当量≥MRBF成立。

步骤5、利用确定的试验条件对滚珠丝杠副进行可靠性加速试验具体为：整个批次的试验开始前，先将试验样件分别装在行程误差测量仪器和摩擦力矩测量仪器上，测得初始的行程误差和摩擦力矩；

正式试验开始后，每隔8个小时测试试验样件的温度、噪声、振动、扭矩、同轴度参数；在每个阶段结束时添加润滑脂，一般添加润滑脂为美孚力士滑脂EP2；若试验样件出现故障则及时停机，并记录故障时间、故障部位、故障原因；

试验完成后，若试验样件出现故障，对具体故障进行分析记录；若没有出现故障，再次测试试验样件的行程误差以及摩擦力矩，整理先前试验中的各项数据，进行存档，并将试验样件标号入库。

本发明利用平均故障间隔转数评价滚珠丝杠副的寿命可靠性，弥补了传统方法中使用平局故障间隔时间评价滚珠丝杠副寿命可靠性的不足；本发明将可靠性试验划分为正常应力以及加速应力两个阶段，试验时间可根据实际情况具体调节，可有效解决当前滚珠丝杠副可靠性试验时间过长的问题，进而提高试验效率。

下面结合实施例进行具体描述：

实施例

滚珠丝杠副可靠性加速试验方法包括以下内容：

1、确定滚珠丝杠副的MRBF：

表1某叶片厂加工典型叶片零件所用时间

转速(RPM)	时间(min)
		100	25
200	5
		400	3
0(上下料及间歇时间)	90

按照数控机床MTBF＝4000小时计算，对应滚珠丝杠副的转数至少为：

表1为某叶片厂加工典型叶片零件所用时间。通过对以上加工中心加工典型工件案例分析可知：数控机床MTBF＝4000小时的情况下，对应的丝杠转数为917万转。滚珠丝杠副可靠性测定试验，需要将丝杠在滚珠丝杠副可靠性测试装置上进行跑合，跑合转数至少为917万转，不发生故障，如此能满足滚珠丝杠副MTBF＝4000小时的规范。

2、确定加速试验模型：

加速寿命试验是用加大应力(包括机械应力和热应力等)的方法，在相对较短的时间内，通过试验，检测出试验样件的故障信息。目前常用的加速模型包括与温度有关的阿伦尼斯模型和艾林模型，描述热应力与机械应力加速的逆幂律模型、多应力同时加速的广义对数-线性模型、累计损伤指数模型等。滚珠丝杠副的主要失效模式一摩擦磨损和疲劳点蚀为主，这一类故障主要和载荷有关，即滚珠与滚道之间的机械应力。因此，滚珠丝杠副加速模型使用加速时间模型。

3、小子样定时截尾A+A快速试验方法：

对于完全寿命试验，应将所有的样本试验至出现故障为止。但对于加速寿命试验，试验样件不一定会全部出现故障。因此，可以采用截尾寿命试验。截尾方式主要有三种：定时、定数和随机方式。定时截尾方式是规定试验时间t，当试验时间达到t时，即停止试验，统计试验样本中失效样本数；定数截尾是从总体样本中抽出n个样本进行试验，当失效数达到试验规定时，即停止试验，此时试验时间是不定的；随机结尾是随机抽取试验样本，当试验样本都出现故障时，即停止试验，不能控制时间和样本数。因此，可靠性测定试验中，选用定时截尾的方式，来进行加速寿命试验。

本次试验采用小子样定时截尾的加速寿命试验方法进行。单根丝杠试验总周期10天，每天运转8小时为一个阶段。丝杠可靠性测定试验是对一批丝杠进行统计试验，理论上需要大量的样本。但是由于滚珠丝杠副可靠性水平比较高，试验费时费力，因此使用小子样试验的方法进行试验可提高试验效率：在已经验收合格的产品批次中，应随机抽取同工艺、同规格产品，样本检验应符合有关标准的规定，在被测样本的非工作表面上编号，编号应清晰、唯一，选用三根滚珠丝杠副作为试验样件，三根丝杠的转速、轴向载荷和运转时间按表2进行(前40小时加5％的额定动载荷,后40小时加10％的额定动载荷)。达到设定转数或出现不可修复故障时试验停止。

表2滚珠丝杠副可靠性试验条件

试验转速(rpm)	500	500
			轴向载荷(KN)	5％Ca	10％Ca
运转时间(h)	40	40
			运行转数(r)	1.2×106r	9.6×106r

4、计算加速试验转数

滚珠丝杠副在一定应力范围内，故障机理不会发生改变。由于试验采用的是恒定应力加速试验，因此，需要将试验的数据转化成正常条件下的试验结果，以便进行数据进一步的分析和评估。根据寿命与载荷之间的计算关系，可以进行加速寿命和正常应力水平之间的转化。在不同应力加载条件下，同一根丝杠副的额定动载荷相同，因在加速寿命和正常应力条件下滚珠丝杠副运转的速度相同，就可认为载荷系数是相同的。

本次可靠性加速试验的加速因子为：

$G={\[\frac{10\%}{5\%}\]}^3=8$

按照统计滚珠丝杠副MTBF＝4000小时时，对应的丝杠转数应至少为917万转，按试验要求，取整为1000万转。前40小时跑合转数为：

N₁＝40×60×500＝1.2×10⁶r。

后40小时，加载载荷为正常载荷的两倍，后40小时跑合转数为：

$N_2=40\×{\left(\frac{10\%}{5\%}\right)}^3\×60\×500=9.6\×{10}^{6}r$

整个试验过程结束后，丝杠跑合总转数为：

MRBF_当量＝N₁+N₂＝1.08×10⁷r

由于1.08×10⁷r>9.17×10⁶r，所以试验方案合理。

5、试验实施

整个批次的试验开始前，应该先将试验样件分别装在三米激光行程误差测量仪器和摩擦力矩测量仪器上，测得初始的行程误差和摩擦力矩。正式试验开始后，每隔8个小时测试试验样件的温度、噪声、振动、扭矩、同轴度等参数；为保证良好的润滑工况，应在每个阶段结束时添加润滑脂，一般添加润滑脂为美孚力士滑脂EP2；若是出现故障应及时停机，并记录故障时间、故障部位、故障原因等。试验完成后，若试验样件出现故障，需要对具体故障进行分析记录；若没有出现故障，再次测试试验样件的行程误差以及摩擦力矩，整理先前试验中的各项数据，进行存档，并将试验样件标号入库。

本发明利用平均故障间隔转数评价滚珠丝杠副的寿命可靠性，弥补了传统方法中使用平局故障间隔时间评价滚珠丝杠副寿命可靠性的不足；本发明将可靠性试验划分为正常应力以及加速应力两个阶段，试验时间可根据实际情况具体调节，可有效解决当前滚珠丝杠副可靠性试验时间过长的问题，进而提高试验效率。

Claims (7)

1.一种滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用平均故障间隔转数评价方法对滚珠丝杠副可靠性进行评价，确定该类丝杠的平均故障间隔转数；

步骤2、构建滚珠丝杠副可靠性加速模型；

步骤3、利用小子样定时截尾A+A可靠性试验方法选取可靠性加速试验的时间、载荷、转速以及样本量；

步骤4、确定试验的应力加速因子和当量加速试验转数，检验步骤3中时间、载荷、转速的合理性；

步骤5、利用上述确定的试验条件对滚珠丝杠副进行可靠性加速试验。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，步骤1中利用平均故障间隔转数评价方法对滚珠丝杠副可靠性进行评价所用公式为：

$MRBF=\frac{MTBF}{T}\×\underset{i=1}{\overset{W}{\Σ}}{N}_i{t}_i$

式中，MRBF为平均故障间隔转数，MTBF为数控机床平均故障间隔时间，T为数控机床加工某一零件的总时间，N_i为数控机床平均故障间隔时间MTBF下滚珠丝杠副的第i种转速，t_i为N_i转速下运行的时间，W为转速的个数。

3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，步骤2中构建滚珠丝杠副可靠性加速模型为：

$L_k=60n{\[\frac{C_a}{F_w{F}_a}\]}^3\×{10}^6$

$\frac{L_{k2}}{L_{k1}}={\[\frac{F_{a1}}{F_{a2}}\]}^3$

式中，L_k为滚珠丝杠副的时间寿命，单位为h，n为滚珠丝杠副的转数，单位为r/min,C_a为滚珠丝杠副的额定动载荷，单位为N，F为滚珠丝杠副承受的轴向载荷，单位为N，F_w为载荷系数，取值范围为1.0～2.0；F_a1和L_k1为恒定应力加速寿命试验条件下的轴向载荷和寿命时间；F_a2和L_k2为实际工况下的轴向载荷和寿命时间。

4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，步骤3中利用小子样定时截尾A+A可靠性试验方法选取可靠性加速试验的时间、载荷、转速以及样本量具体为：

试验中滚珠丝杠副的试验时间为A天+A天，转速参照滚珠丝杠副的正常转速，载荷在轻载、中载和重载下分别取5％×C_a×S、10％×C_a×S和15％×C_a×S，样本容量≥3副，S为负载系数，对于定位型滚珠丝杠副：1≤S≤2；对于传动型滚珠丝杠副：1≤S≤10/3，A的取值范围为5～15。

5.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，步骤4中确定试验的应力加速因子和当量加速试验转数所用公式为：

$G={\[\frac{F_{a1}}{F_{a2}}\]}^3$

MRBF_当量＝N₁t₁+G·N₂t₂

式中，G为可靠性加速试验的加速因子，MRBF_当量为可靠性加速试验的当量转数，N₁和t₁分别为第一应力水平下的转速和时间，N₂和t₂分别为第二应力水平下的转速和时间；

检验步骤3中时间、载荷、转速的合理性具体是判断公式MRBF_当量≥MRBF是否成立，若成立则小子样定时截尾A+A可靠性加速试验中的试验时间、载荷和转速选取合理，否则调整步骤3中的相应参数直至公式MRBF_当量≥MRBF成立。

6.根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，步骤5中利用确定的试验条件对滚珠丝杠副进行可靠性加速试验具体为：

整个批次的试验开始前，先将试验样件分别装在行程误差测量仪器和摩擦力矩测量仪器上，测得初始的行程误差和摩擦力矩；

正式试验开始后，每隔8个小时测试试验样件的温度、噪声、振动、扭矩、同轴度参数；在每个阶段结束时添加润滑脂；若试验样件出现故障则及时停机，并记录故障时间、故障部位、故障原因；

试验完成后，若试验样件出现故障，对具体故障进行分析记录；若没有出现故障，再次测试试验样件的行程误差以及摩擦力矩，整理先前试验中的各项数据，进行存档，并将试验样件标号入库。

7.根据权利要求6所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验方法，其特征在于，每个阶段结束时添加润滑脂为美孚力士滑脂EP2。