CN108760273B - 一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，属于可靠性设计试验领域。包括以下步骤：首先确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁；之后利用小子样定时截尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件；然后利用可靠性试验条件对某一批次滚动直线导轨副用阻尼器进行可靠性试验，获取每一个阻尼器样本的试验里程和故障模式；最后根据上一步的结果，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，完成对该批次阻尼器的可靠性评价。本发明填补了滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法的空白，为开展阻尼器可靠性试验提供指导，并为评价阻尼器可靠性是否满足所需可靠性指标提供依据。

Description

一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法

技术领域

本发明属于机械零部件可靠性试验及评价领域，特别是一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法。

背景技术

滚动直线导轨副因其摩擦系数小、刚性大、承载能力强、进给速度高、易装配、使用寿命长等诸多优点已经成为数控机床的关键功能部件。但相比于传统滑动直线导轨的面面接触，滚动直线导轨因滚动体与导轨之间是点面接触或线面接触而导致其减振性较差。因此，需要研究合理有效的措施和方法，提高滚动直线导轨系统的抗振特性，从而改善数控机床的整机性能。阻尼器作为一种高性能功能部件安装在导轨上，基于挤压油膜阻尼技术起到抑振作用，能够使滚动直线导轨副在保证其优势的同时兼有滑动直线导轨抑振性能好的优点。

经查阅相关资料发现，滚动直线导轨副用阻尼器作为一种近几年来较新研制的功能部件，其可靠性尚未得到充分验证，全寿命周期试验有待开展，虽有机械类产品的可靠性试验方法，如南京理工大学在专利[201610628073.4]中提出了一种滚珠丝杠副可靠性试验方法，但该方法只能用于滚珠丝杠副可靠性试验，无法应用于其他机械产品；而吉林大学在专利[CN201710122393.7]中提出了一种滚动直线导轨副阻尼器可靠性试验台及试验方法，但该方法只是针对其所研发试验台的使用方法，研究阻尼器减振性能变化规律，没有提出完整的阻尼器可靠性试验方法及步骤。因此目前尚无直接用于阻尼器的完整可行的可靠性试验方法。此外，评价阻尼器是否满足滚动直线导轨副乃至整机的可靠性指标至关重要，而目前国内尚缺乏对阻尼器可靠性进行评价的理论和方法，可以看出，滚动直线导轨用阻尼器可靠性试验及评价方法的研究尚属空白，有待填补。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，填补当前滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法的空白。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，包括以下步骤：

步骤1、确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁；

步骤2、利用小子样定时截尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件；

步骤3、利用步骤2确定的可靠性试验条件对某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本进行可靠性试验，获取每一个滚动直线导轨副用阻尼器样本的试验里程和故障模式；

步骤4、根据步骤3获得的所有阻尼器样本的试验里程和故障模式，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，并完成对该批次滚动直线导轨副用阻尼器的可靠性评价。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提供一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，填补了空白；2)本发明选用平均故障间隔里程(MLBF)刻画滚动直线导轨副的寿命可靠性，弥补了传统方法中一般使用平均故障间隔时间(MTBF)来刻画机械零部件可靠性的不足，更贴近工程实际；3)本发明提出了A+B+C的可靠性试验方案，即给阻尼器施以A(低速重载)、B(中速中载)、C(高速轻载)三种工况相应的速度和载荷，并以一定的时间比例循环加载，真实的模拟了实际工况；4)本发明提出小样本量情况下，阻尼器平均故障间隔里程计算方法，用于对阻尼器可靠性进行评价；5)本发明的方法简单易行，为小样本量情况下开展滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验并对其可靠性进行评价提供指导和依据。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法的流程图。

具体实施方式

结合图1，本发明的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，包括以下步骤：

步骤1、确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁。具体为：利用数控机床平均故障间隔时间确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁，所用公式为：

式中，MTBF为机床平均故障间隔时间，T_m为机床加工某一零件的总时间，v_i为在数控机床平均故障间隔时间MTBF下加工某种零件时直线导轨副用阻尼器的第i种速度，t_i为速度v_i下导轨阻尼装置运行的时间，n为在数控机床平均故障间隔时间MTBF下加工某种零件时直线导轨副用阻尼器速度种类的总数。

步骤2、利用小子样定时结尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件。其中，可靠性试验条件包括试验里程、载荷、速度、样本量、循环周期及其试验时间分配，所述A、B、C代表三种工况，分别为低速重载、中速中载、高速轻载。确定可靠性试验条件具体为：

(1)设定定时截尾试验里程值为L_s，取L_s>L₁；

(2)所述重载、中载、轻载分别取10％×C_a,7％×C_a,5％×C_a，其中C_a为与阻尼器配套使用的滚动直线导轨副的额定动载荷；

(3)所述低速、中速、高速分别取20％v_max,60％v_max,90％v_max,其中v_max为滚动直线导轨副用阻尼器所能达到的最高速度；

(4)样本容量≥3副；

(5)循环周期的单位为小时，一个循环周期中，A、B、C三种工况的试验运行时间按2:3:5分配。

步骤3、利用步骤2确定的可靠性试验条件对某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本进行可靠性试验，获取每一个滚动直线导轨副用阻尼器样本的试验里程和故障模式。具体为：

步骤3-1、从某一批次滚动直线导轨副用阻尼器中抽取m个样本，对其编号1,2,…,m；用i表示样本编号，并为i赋初值i＝1。

步骤3-2、对第i个阻尼器进行试验前，利用激振器对该阻尼器施加内部激励，并对振动信号进行采集，记录幅值的最大值，将其记为初始值a₀；其中幅值代表滚动直线导轨副用阻尼器垂直方向振动的加速度。

步骤3-3、对第i个阻尼器进行试验，按照每个循环周期2:3:5的时间配额，对第i个阻尼器依次施以A、B、C三种工况相应的载荷和速度。

步骤3-4、再次利用激振器对第i个阻尼器施加内部激励，并对振动信号进行采集，记录幅值最大值a。

步骤3-5、判断是停止对第i个阻尼器的试验还是继续对第i个阻尼器的试验；若判断结果是停止对第i个阻尼器的试验，则停止对第i个阻尼器的试验并执行步骤3-6；若判断结果是继续对第i个阻尼器的试验，则执行步骤3-4。具体为：

判断a是否超过初始值a₀的两倍，

若是，则表示阻尼器发生故障，停止对第i个阻尼器的试验，并记录故障阻尼器样本编号及故障发生时阻尼器运行的里程数、故障模式、故障现象及危害度系数，之后执行步骤3-6；

若否，则判断第i个阻尼器的试验里程是否达到定时截尾试验里程值L_s，若达到，则停止对第i个阻尼器的试验并执行步骤3-6；若未达到，则继续对第i个阻尼器的试验，执行步骤3-4。

所述故障阻尼器编号、故障模式、故障现象及危害度系数如下表1。

表1阻尼器故障模式及危害度系数表

步骤3-6、若i＜m，则将i的值增加1，进行下一个阻尼器样本的试验，返回步骤3-2；若i＝m，则试验完成，获得每一个阻尼器样本的试验里程和故障模式。

步骤4、根据步骤3获得的所有阻尼器样本的试验里程和故障模式，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，并完成对该批次阻尼器的可靠性评价。其中，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，所用公式为：

式中，m为从某一批次滚动直线导轨副用阻尼器中抽取的阻尼器样本个数；N_i为第i个阻尼器样本试验里程值，单位为千米；

为自由度为υ的卡方分布P分位数理论值；r_i为第i个阻尼器样本的危害度系数。

完成对批次滚动直线导轨副用阻尼器的可靠性评价，具体采用的评价准则为：

如果L₂≥L₁，则该批次滚动直线导轨副用阻尼器满足所需的可靠性指标；

如果L₂<L₁，则该批次滚动直线导轨副用阻尼器不满足所需的可靠性指标。

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。

实施例

结合图1，本发明的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法包括以下内容；

1、确定阻尼器所需达到的平均故障间隔里程(MLBF)数值L₁：

某数控机床主机厂加工某一典型零件时，滚动直线导轨副用阻尼器运行的速度及时间如下表2所示。按照数控机床平均无故障间隔时间MTBF＝4000小时，对应滚动直线导轨副用阻尼器运行的里程至少应为：

通过以上分析可知：导轨阻尼装置需要至少运行1240km才能保证数控机床的平均无故障间隔时间MTBF＝4000小时，即阻尼器所需达到的平均故障间隔里程(MLBF)数值L₁＝1240km。从某一批次阻尼器中抽取m个样本，依照滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验方法开展可靠性试验，计算出批次滚动直线导轨副用阻尼器的平均故障间隔里程(MLBF)数值L₂，如果L₂≥L₁，则说明该批次滚动直线导轨副用阻尼器满足所需的可靠性要求，如果L₂<L₁，则说明该批次滚动直线导轨副用阻尼器不满足所需的可靠性要求。

表2某数控机床主机厂加工某一零件滚动直线导轨副用阻尼器运行速度及时间

滚动直线导轨副用阻尼器运行速度(m/min)	时间(min)
		6	30
12	20
		20	10
0(上下料及间歇时间)	60

2、利用小子样定时截尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件：

可靠性试验按照方法可分为定时截尾和定数截尾试验，对于滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验来说，定时截尾方式是设定试验里程L_s，当以下两种情况中任意一种发生时则停止试验：1)当试验里程数达到L_s之前出现失效，2)试验里程数达到L_s但仍未出现失效。定数截尾是从总体中抽取若干个样本进行试验，当样本失效数达到试验规定数量时即停止试验。定时截尾具有时间可控，易于实施的优势，本试验采用定时截尾试验。

综合考虑试验效率与检测准确度，选取运行循环周期为600分钟，A、B、C三种工况的试验运行时间按2:3:5分配：A工况运行120分钟，B工况运行180分钟，C工况运行300分钟。

设定单个阻尼器试验里程L_s＝3000km，每天运转两个循环周期即1200分钟。阻尼器可靠性试验及评价是对某个批次的阻尼器可靠性进行评价，理论上需要大量样本来估计该批次的总体可靠性，但是考虑到可靠性试验耗时耗资巨大，因此使用小子样试验的方法进行试验以提高效率：在已验收合格的产品批次中，随机抽取同工艺、同规格产品，样本检验需符合有关标准的规定，在被测样本的非工作表面上编号，编号清晰、唯一。从某批次阻尼器中抽取三个样本，即m＝3，三个阻尼器依次开展可靠性试验。施加在阻尼器上的载荷、阻尼器运行速度、运行时间按下表3进行。根据表3给定的速度可得，一个循环周期(600分钟)阻尼器运行约13km。

表3可靠性试验条件

3、按照表3规定的试验条件开展可靠性试验，获取每一个阻尼器样本的试验里程和故障模式。

对选取的三个样本进行编号：样本1、样本2、样本3。

首先对样本1阻尼器进行试验，在阻尼器未开始试验处于初始状态时，使用激振器对阻尼器施加内部激励，采集振动信号，记录幅值最大值。

阻尼器每跑合完成一个循环周期(即600分钟)，使用激振器对阻尼器施加内部激励，采集振动信号，找出并记录幅值(加速度)最大值。

绘制幅值(加速度)最大值随里程数变化曲线。若幅值最大值达到或超过初始值的两倍，视为故障发生，停止样本1阻尼器试验，记录样本编号及故障发生时阻尼器运行的里程数、故障模式及危害度系数；若运行里程达到定时截尾的设定里程L_s但仍未发生故障，则停止样本1阻尼器试验；若阻尼器运行里程未超L_s且幅值最大值未达到初始值的两倍，则进行下一个循环周期；

样本1阻尼器试验结束后，按照同样的试验步骤进行样本2和样本3阻尼器的试验。

4、计算批次阻尼器的平均无故障间隔里程L₂，并对该批次阻尼器可靠性做出评价。以下通过两个情况对L₂的计算以及最终对批次阻尼器的可靠性评价进行说明。

情况1

从某批次抽取的m＝3个样本中，第一个样本在2808公里处出现5号故障即连接松脱，则试验终止，取N₁＝2808，第二个和第三个样本在完成规定里程L_s时未出现故障，即N₂＝N₃＝3000。将所有样本故障进行汇总，得到表4。

表2故障处理一览表

对应90％置信水平的平均无故障里程数L₂计算如下：

因为L₂>L₁，因此对于这一批次阻尼器可靠性的评价结果为：满足所要求的可靠性指标。

情况2

从某批次抽取的m＝3个样本中，第一个样本在2600公里处出现2号故障即阻尼器塑料层脱落，则试验终止，取N₁＝2600，第二个样本在2288公里处出现7号故障阻尼器塑料层磨损，则试验终止，取N₂＝2288，第三个样本在2912公里处出现6号故障即自动润滑泵故障，则试验终止，取N₃＝2912，将所有样本故障进行汇总，得到表5。

表3故障处理一览表

对应90％置信水平的平均无故障里程数L₂计算如下：

因为L₂<L₁，因此对于这一批次阻尼器可靠性的评价结果为：不满足所要求的可靠性指标。

本发明填补了滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法的空白，为开展阻尼器可靠性试验提供指导，并为评价阻尼器可靠性是否满足所需可靠性指标提供依据。

Claims (9)

1.一种滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁；

步骤2、利用小子样定时截尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件；

步骤3、利用步骤2确定的可靠性试验条件对某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本进行可靠性试验，获取每一个滚动直线导轨副用阻尼器样本的试验里程和故障模式；

步骤4、根据步骤3获得的所有阻尼器样本的试验里程和故障模式，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，并完成对该批次滚动直线导轨副用阻尼器的可靠性评价。

2.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤1所述确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁具体为：利用数控机床平均故障间隔时间确定滚动直线导轨副用阻尼器所需达到的平均故障间隔里程数值L₁，所用公式为：

式中，MTBF为机床平均故障间隔时间，T_m为机床加工某一零件的总时间，v_i为在数控机床平均故障间隔时间MTBF下加工某种零件时直线导轨副用阻尼器的第i种速度，t_i为速度v_i下导轨阻尼装置运行的时间，n为在数控机床平均故障间隔时间MTBF下加工某种零件时直线导轨副用阻尼器速度种类的总数。

3.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤2中所述可靠性试验条件包括试验里程、载荷、速度、样本量、循环周期及其试验运行时间分配；所述A、B、C代表三种工况，分别为低速重载、中速中载、高速轻载。

4.根据权利要求1或3所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤2所述利用小子样定时截尾A+B+C可靠性试验方法确定可靠性试验条件具体为：

(1)设定定时截尾试验里程值为L_s，取L_s>L₁；

(2)所述重载、中载、轻载分别取10％×C_a,7％×C_a,5％×C_a，其中C_a为与阻尼器配套使用的滚动直线导轨副的额定动载荷；

(3)所述低速、中速、高速分别取20％v_max,60％v_max,90％v_max,其中v_max为滚动直线导轨副用阻尼器所能达到的最高速度；

(4)样本容量≥3副；

(5)循环周期的单位为小时，一个循环周期中，A、B、C三种工况的试验运行时间按2:3:5分配。

5.根据权利要求4所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤3所述利用步骤2确定的试验条件对某一批次滚动直线导轨副用阻尼器进行可靠性试验具体为：

步骤3-1、从某一批次滚动直线导轨副用阻尼器中抽取m个样本，对其编号1,2,…,m；用i表示样本编号，并为i赋初值i＝1；

步骤3-2、对第i个阻尼器进行试验前，利用激振器对该阻尼器施加内部激励，并对振动信号进行采集，记录幅值的最大值，将其记为初始值a₀；其中幅值代表滚动直线导轨副用阻尼器垂直方向振动的加速度；

步骤3-3、对第i个阻尼器进行试验，按照每个循环周期2:3:5的时间配额，对第i个阻尼器依次施以A、B、C三种工况相应的载荷和速度；

步骤3-4、再次利用激振器对第i个阻尼器施加内部激励，并对振动信号进行采集，记录幅值最大值a；

步骤3-5、判断是停止对第i个阻尼器的试验还是继续对第i个阻尼器的试验；若判断结果是停止对第i个阻尼器的试验，则停止对第i个阻尼器的试验并执行步骤3-6；若判断结果是继续对第i个阻尼器的试验，则执行步骤3-4；

步骤3-6、若i＜m，则将i的值增加1，进行下一个阻尼器样本的试验，返回步骤3-2；若i＝m，则试验完成，获得每一个阻尼器样本的试验里程和故障模式。

6.根据权利要求5所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤3-5具体为：

判断a是否超过初始值a₀的两倍，

若是，则表示阻尼器发生故障，停止对第i个阻尼器的试验，并记录故障阻尼器样本编号及故障发生时阻尼器运行的里程数、故障模式、故障现象及危害度系数，之后执行步骤3-6；

若否，则判断第i个阻尼器的试验里程是否达到定时截尾试验里程值L_s，若达到，则停止对第i个阻尼器的试验并执行步骤3-6；若未达到，则继续对第i个阻尼器的试验，执行步骤3-4。

7.根据权利要求6所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，所述故障阻尼器编号、故障模式、故障现象及危害度系数如下表1：

表1 阻尼器故障模式及危害度系数表

8.根据权利要求1或6或7所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤4中所述根据步骤3获得的所有阻尼器样本的试验里程和故障模式，求取所述某一批次滚动直线导轨副用阻尼器样本的平均故障间隔里程数值L₂，所用公式为：

式中，m为从某一批次滚动直线导轨副用阻尼器中抽取的阻尼器样本个数；N_i为第i个阻尼器样本试验里程值，单位为千米；

为自由度为υ的卡方分布P分位数理论值；r_i为第i个阻尼器样本的危害度系数。

9.根据权利要求1所述的滚动直线导轨副用阻尼器可靠性试验及评价方法，其特征在于，步骤4中所述完成对批次滚动直线导轨副用阻尼器的可靠性评价，具体采用的评价准则为：

如果L₂≥L₁，则该批次滚动直线导轨副用阻尼器满足所需的可靠性指标；

如果L₂<L₁，则该批次滚动直线导轨副用阻尼器不满足所需的可靠性指标。

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