CN110263487A - 一种机械产品加速疲劳寿命试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械产品加速疲劳寿命试验方法，属于机械产品可靠性与寿命预测领域。本试验包括：零组件级验证试验、整机加速因子计算、整机级加速试验；本发明通过零组件级试验得到的整机加速因子，比以往的基于寿命模型得到的加速因子更准确、更可信；通过有限元仿真方法得到的寿命预计结果，将有效指导加速疲劳载荷谱的设计，使试验周期更加可控；通过对零组件和整机采用不同的加载方式，能在易于实施的情况下更加有效地模拟零组件在整机上的实际受力情况。在零组件级试验和整机级试验中均引入分布的概念，可以更加合理更加准确地进行寿命描述。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械产品加速疲劳寿命试验方法，属于机械产品可靠性与寿命预测领域。
背景技术
在各种装备或设备中，机械产品一般都承担着对外界输出或传递力(力矩)和位移(转角)的任务，工作时往往承受交变载荷，因此其零部件结构疲劳导致的失效问题一直是相关领域人员研究的重点。因此，若能准确预测机械产品的疲劳寿命，将有效保障各种装备或设备的正常运行。目前的疲劳寿命试验大多对被试机械产品施加常规负载，试验周期长、耗资大，且一般采用定时截尾试验，无法获知机械产品的真实寿命。本发明针对此问题，提出一种机械产品加速疲劳寿命试验方法。
发明内容
针对目前机械产品寿命试验的不足之处，本发明提供一种基于逆幂率加速模型的机械产品加速疲劳寿命试验方法，相对传统的加速寿命试验，由于增加了零组件级验证试验，因此加速因子的计算结果更加可信，也提高了整机级加速试验结果的准确度。
本发明技术方案：一种机械产品加速疲劳寿命试验方法，本试验包括：整机加速因子计算，整机级加速试验；其特征在于，试验前首先进行零组件级验证试验确定整机加速因子。
所述零组件级验证试验包括以下步骤：1)试验参数确定：首先对机械产品受力分析，确定疲劳寿命关键件，经理论分析确定加速应力类型；经仿真确定加速应力限值、加速条件下负载及加速试验载荷谱；利用分布参数估计和加速模型参数估计确定试验样本量；2)被试零组件或整机疲劳试验实施：对被试零组件或整机试验前进行几何尺寸测量、试验中对试验台的控制系统状态进行监测及每隔一定的循环数后，对被试零组件进行拆解测试，试验后对已发生失效的被试件，重新实施试验前检测的项目，对比与试验前检测结果的差别，以确定其失效机理是否为疲劳；3)实验结果评价：被试零组件寿命分布参数评估、被试零组件加速模型参数评估、被试零组件加速因子外推、整机加速因子评估、整机寿命分布参数评估、整机常规寿命分布评估。
所述机械产品受力分析是根据机械产品最常用的实际工况，对其各个零部件进行受力分析；筛选出承受交变结构应力的零组件；确定其交变应力循环特性；确定影响机械产品结构疲劳寿命的零组件。
所述的确定加速试验载荷谱是利用ANSYS Workbench和nCode DesignLife设计。
所述ANSYS Workbench和nCode DesignLife设计方法为：创建待分析的零组件的三维模型，导入ANSYS Workbench中，输入材料的物理性能参数和力学性能参数，进行有限元仿真，得到分析对象的最大结构应力；将力学有限元分析的结果文件导入ANSYS nCodeDesignLife中，进行疲劳寿命预计；综合考虑频率、温度和波形等因素，制定机械产品加速疲劳试验载荷谱。
所述的确定加速试验载荷谱的试验条件包括加载力、频率、波形、温度。
所述零组件加速疲劳试验实施是针对不同受力状况的零组件，选择不同的加载方式。
所述整机加速因子计算是根据整机的零组件试验得到的：
a)收集各个零组件的加速寿命试验结果；
b)根据零组件级的加速寿命试验结果，验证加速模型的正确性，并拟合其未知参数；
c)外推正常应力水平下，零组件的应力水平和疲劳寿命的关系；
d)基于竞争失效原理，确定整机在规定加速应力水平下的加速因子。
所述的整机寿命分布参数评估，是根据零组件级试验确定的寿命分布类型，利用整机的失效数据，得到加速寿命分布参数。
所述整机加速寿命分布参数：
a)根据事先制定的载荷谱，完成整机级加速寿命试验的实施，得到各样件的失效循环数；
b)利用零组件竞争失效原理得到的整机级加速因子，计算各样件的常规寿命结果；
c)采用WeiBayes方法等评估整机常规寿命的分布参数，得到机械产品的寿命分布。
技术效果
本发明提供的机械产品加速疲劳寿命试验方法，对比现有技术，有如下优势：
1.基于零组件级试验得到的整机加速因子，比以往的基于寿命模型得到的加速因子更准确、更可信。
2.基于有限元仿真方法得到的寿命预计结果，将有效指导加速疲劳载荷谱的设计，使试验周期更加可控。
3.针对分析得到的被试零组件分别采用不同的加载方式，能在易于实施的情况下更加有效地模拟零组件在整机上的实际受力情况。
4.在零组件级试验和整机级试验中均引入分布的概念，可以更加合理更加准确地进行寿命描述。
附图说明
图1为机械产品加速疲劳寿命试验技术途径
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现阐述本发明的具体实施方式。
实施例1(作动筒)
本试验方法拟采用的技术路线如附图1所示。
作动筒的主要零组件有：活塞杆、筒体、耳环、关节轴承、连接法兰、力传感器、尾端保护罩、各型密封圈等。液压作动筒工作时，活塞杆承受液压油和负载的共同作用，承受轴向拉伸和压缩作用；筒体主要承受液压油的交变压力；耳环负责推动或拉动负载，一般承受轴向拉压。因此，最容易发生结构疲劳的三种零部件分别为活塞杆、筒体和耳环。下面分别设计针对这三个零组件的加速疲劳试验。
正常工况下，活塞杆和耳环的受载形式均为轴向拉压，筒体的受载形式为内腔交变压力。因此，安排活塞杆和耳环同时进行试验，筒体单独进行试验。
确定疲劳寿命关键件，是通过对作动筒进行受力分析，筛选出作动筒中存在交变结构应力的零组件，并确定其交变应力的循环特性。
确定加速应力类型，是根据拟验证的加速模型，结合作动筒的产品资料、作动筒类产品的历史故障数据和金属材料加速疲劳试验的相关理论，确定本试验的加速应力类型。
确定加速应力限值，是根据加速应力类型，确定一个最大加速应力水平，使作动筒在试验时不产生除疲劳外的其他失效机理。对于本试验方法，需要使作动筒的活塞杆、筒体和耳环处于弹性变形范围内。
确定加速条件下负载，是根据有限元仿真的结果，使被试零组件或整机在某一负载下，可以等效地产生相应的加速应力水平。
确定加速试验载荷谱，是遵守试验周期和加速应力限值约束时，制定出的针对零组件和整机的加载力、频率、波形、温度等试验条件。
确定试验样本量，是根据分布参数估计的要求和加速模型参数估计的要求，合理选择同一技术状态的被试件数量的过程，包括零组件级试验的样本量和整机级试验的样本量。
零组件安装，是利用工装(夹具)将被试零组件或整机安装在试验台上的过程。
试验前检测，是针对被试零组件或整机的几何尺寸进行测量的过程。
试验中检测，包括在线检测和周期性检测两部分，其中在线检测是针对试验台的控制系统状态的检测，包括加载幅值、频率等；周期性检测是每隔一定的循环数后，对被试件进行拆解测试，以确定其失效机理未发生变化。
试验后检测，是针对已发生失效的被试件，重新实施试验前检测的项目，对比与试验前检测结果的差别，以确定其失效机理是否为疲劳。
零组件寿命分布参数评估，是根据事先确定的寿命分布类型(如威布尔分布)，利用试验得到的失效数据，对分布的未知参数进行估计。
零组件加速模型参数评估，是根据拟验证的疲劳加速模型(如逆幂率模型)，利用试验得到的应力水平与失效时间的对应关系，对加速模型的未知参数进行估计。
零组件加速因子外推，是在得到零组件的加速模型后，外推常规应力水平下的寿命，从而计算在某一加速应力水平下的加速因子。
整机加速因子评估，是根据影响疲劳寿命的各个关键零组件在对应加速应力水平下的加速因子，评估出整机在相应加速应力下疲劳寿命的加速因子。
整机寿命分布参数评估，是根据零组件级试验确定的寿命分布类型(如威布尔分布)，利用整机的失效数据，得到整机加速寿命分布参数。
整机常规寿命分布评估，是根据整机加速寿命与事先得到的整机加速寿命分布，评估整机在常规应力水平下的寿命分布。
具体包括如下步骤：
步骤一：对作动筒进行受力分析，确定零组件级试验的被试件。
步骤二：基于有限元仿真结果进行初步寿命预计，制定活塞杆、耳环和筒体的加速疲劳试验载荷谱。
步骤三：零组件级加速疲劳试验的实施，在高频疲劳试验机上进行活塞杆和耳环的加速疲劳寿命试验，在压力脉冲试验机上进行筒体的加速疲劳寿命试验。
步骤四：根据零组件级加速寿命试验的结果，拟合各零组件的加速模型，基于竞争失效原理，计算作动筒整机的加速因子。
步骤五：利用低频疲劳试验机，进行作动筒整机级的加速寿命试验，得到整机的加速寿命后利用加速因子得到作动筒整机的常规寿命分布。
所述的基于零组件加速疲劳试验的方法在于关注疲劳机理，将分析对象下探到零组件级。
a)根据作动筒最常用的实际工况，对其各个零部件进行受力分析；
b)筛选出承受交变结构应力的零组件；
c)确定其交变应力循环特性；
d)确定影响作动筒结构疲劳寿命的零组件。
所述的基于有限元仿真结果的初步寿命预计，在于利用ANSYS Workbench和nCodeDesignLife设计加速疲劳试验载荷谱。
a)创建待分析的零组件的三维模型，导入ANSYS Workbench中，输入材料的物理性能参数和力学性能参数，进行有限元仿真，得到分析对象的最大结构应力。
b)将力学有限元分析的结果文件导入ANSYS nCode DesignLife中，进行疲劳寿命预计。
c)综合考虑频率、温度和波形等因素，制定作动筒零组件的加速疲劳试验载荷谱。
所述的零组件级加速疲劳试验的实施，在于针对不同受力状况的零组件，选择不同的加载方式。
a)针对正常工况下受到轴向拉压的零组件：活塞杆和耳环，采用高频疲劳试验机加载，按照设计的加速载荷谱，直至被试件出现规定的失效，并记录试验结束时的加载循环数；
b)针对正常工况下主要受到油压的零组件筒体，采用压力脉冲试验机加载，按照设计的加速载荷谱，直至筒体出现疲劳失效，记录试验结束时的加载循环数。
所述的计算作动筒整机加速因子，在于加速因子不是完全通过理论模型计算得到的，而是根据整机的零组件试验得到的，因此其准确性将大大提高。
a)收集各个零组件的加速寿命试验结果；
b)根据零组件级的加速寿命试验结果，验证加速模型的正确性，并拟合其未知参数；
c)外推正常应力水平下，零组件的应力水平和疲劳寿命的关系；
d)基于竞争失效原理，确定作动筒整机在规定加速应力水平下的加速因子。
所述的作动筒整机级的加速寿命试验，其特征在于不仅考虑常规寿命的得出，还考虑了寿命的分布问题。
a)根据事先制定的载荷谱，完成作动筒整机级加速寿命试验的实施，得到各样件的失效循环数；
b)利用零组件竞争失效原理得到的整机级加速因子，计算各样件的常规寿命结果；
c)采用WeiBayes方法等评估常规寿命的分布参数，得到作动筒的寿命分布。
实施例2(柱塞式液压马达)
柱塞式液压马达的主要零组件有：柱塞、滑靴、缸体、斜盘、压盘、配油盘、滚动轴承、弹簧、输出轴(花键)、变量机构、壳体等。柱塞式液压马达工作时，柱塞承受液压油和负载的共同作用，承受轴向拉伸和压缩作用；缸体和壳体主要承受液压油的交变压力；斜盘和压盘承受滑靴的拉压作用；变量机构工作时，弹簧承受轴向拉压；滚动轴承和输出轴(花键)承受径向交变力以及扭转交变力。因此，最容易发生结构疲劳的零部件分别为柱塞、缸体和壳体、斜盘和压盘、弹簧、滚动轴承和输出轴(花键)。下面分别设计针对这些零组件的加速疲劳试验。
正常工况下，柱塞、斜盘、压盘、弹簧的受载形式均为轴向拉压，缸体和筒体的受载形式为内腔交变压力，输出轴(花键)的受载形式为扭转，滚动轴承的受载形式为径向交变力。
确定疲劳寿命关键件，是通过对柱塞式液压马达进行受力分析，筛选出柱塞式液压马达中存在交变结构应力的零组件，并确定其交变应力的循环特性。
确定加速应力类型，是根据拟验证的加速模型，结合柱塞式液压马达的产品资料、柱塞式液压马达类产品的历史故障数据和金属材料加速疲劳试验的相关理论，确定本试验的加速应力类型。
确定加速应力限值，是根据加速应力类型，确定一个最大加速应力水平，使柱塞式液压马达在试验时不产生除疲劳外的其他失效机理。对于本试验方法，需要使柱塞式液压马达的各个零件处于弹性变形范围内。
确定加速条件下负载，是根据有限元仿真的结果，使被试零组件或整机在某一负载下，可以等效地产生相应的加速应力水平。
确定加速试验载荷谱，是遵守试验周期和加速应力限值约束时，制定出的针对零组件和整机的加载力、频率、波形、温度等试验条件。
确定试验样本量，是根据分布参数估计的要求和加速模型参数估计的要求，合理选择同一技术状态的被试件数量的过程，包括零组件级试验的样本量和整机级试验的样本量。
零组件安装，是利用工装(夹具)将被试零组件或整机安装在试验台上的过程。
试验前检测，是针对被试零组件或整机的几何尺寸进行测量的过程。
试验中检测，包括在线检测和周期性检测两部分，其中在线检测是针对试验台的控制系统状态的检测，包括加载幅值、频率等；周期性检测是每隔一定的循环数后，对被试件进行拆解测试，以确定其失效机理未发生变化。
试验后检测，是针对已发生失效的被试件，重新实施试验前检测的项目，对比与试验前检测结果的差别，以确定其失效机理是否为疲劳。
零组件寿命分布参数评估，是根据事先确定的寿命分布类型(如威布尔分布)，利用试验得到的失效数据，对分布的未知参数进行估计。
零组件加速模型参数评估，是根据拟验证的疲劳加速模型(如逆幂率模型)，利用试验得到的应力水平与失效时间的对应关系，对加速模型的未知参数进行估计。
零组件加速因子外推，是在得到零组件的加速模型后，外推常规应力水平下的寿命，从而计算在某一加速应力水平下的加速因子。
整机加速因子评估，是根据影响疲劳寿命的各个关键零组件在对应加速应力水平下的加速因子，评估出整机在相应加速应力下疲劳寿命的加速因子。
整机寿命分布参数评估，是根据零组件级试验确定的寿命分布类型(如威布尔分布)，利用整机的失效数据，得到整机加速寿命分布参数。
整机常规寿命分布评估，是根据整机加速寿命与事先得到的整机加速寿命分布，评估整机在常规应力水平下的寿命分布。
具体包括如下步骤：
步骤一：对柱塞式液压马达进行受力分析，确定零组件级试验的被试件。
步骤二：基于有限元仿真结果进行初步寿命预计，制定制定柱塞、斜盘、压盘、弹簧、缸体、筒体、输出轴(花键)、滚动轴承柱的加速疲劳试验载荷谱。
步骤三：零组件级加速疲劳试验的实施，在高频疲劳试验机上进行柱塞、斜盘、压盘、弹簧、输出轴(花键)的加速疲劳寿命试验，在压力脉冲试验机上进行缸体和壳体的加速疲劳寿命试验、在滚动轴承疲劳试验机上进行滚动轴承的加速疲劳寿命试验。
步骤四：根据零组件级加速寿命试验的结果，拟合各零组件的加速模型，基于竞争失效原理，计算柱塞式液压马达整机的加速因子。
步骤五：利用低频疲劳试验机，进行柱塞式液压马达整机级的加速寿命试验，得到整机的加速寿命后利用加速因子得到柱塞式液压马达整机的常规寿命分布。
柱塞式液压马达受力分析，是关注疲劳机理，将分析对象下探到零组件级。
a)根据柱塞式液压马达最常用的实际工况，对其各个零部件进行受力分析；
b)筛选出承受交变结构应力的零组件；
c)确定其交变应力循环特性；
d)确定影响柱塞式液压马达结构疲劳寿命的零组件。
所述基于有限元仿真结果的初步寿命预计，其特征在于利用ANSYS Workbench和nCode DesignLife设计加速疲劳试验载荷谱。
a)创建待分析的零组件的三维模型，导入ANSYS Workbench中，输入材料的物理性能参数和力学性能参数，进行有限元仿真，得到分析对象的最大结构应力。
b)将力学有限元分析的结果文件导入ANSYS nCode DesignLife中，进行疲劳寿命预计。
c)综合考虑频率、温度和波形等因素，制定柱塞式液压马达零组件的加速疲劳试验载荷谱。
所述的零组件级加速疲劳试验的实施，是针对不同受力状况的零组件，选择不同的加载方式。
a)针对正常工况下受到交变力或力矩的零组件：柱塞、斜盘、压盘、弹簧、输出轴(花键)，采用高频疲劳试验机加载，按照设计的加速载荷谱，直至被试件出现规定的失效，并记录试验结束时的加载循环数；
b)针对正常工况下主要受到油压的零组件：缸体和壳体，采用压力脉冲试验机加载，按照设计的加速载荷谱，直至壳体出现疲劳失效，记录试验结束时的加载循环数。
c)针对正常工况下承受交变载荷的标准件：滚动轴承，采用滚动轴承疲劳试验机加载，按照设计的加速载荷谱，直至滚动轴承出现疲劳失效，记录试验结束时的加载循环数。
所述的计算柱塞式液压马达整机加速因子，是加速因子不是完全通过理论模型计算得到的，而是根据整机的零组件试验得到的，因此其准确性将大大提高。
a)收集各个零组件的加速寿命试验结果；
b)根据零组件级的加速寿命试验结果，验证加速模型的正确性，并拟合其未知参数；
c)外推正常应力水平下，零组件的应力水平和疲劳寿命的关系；
d)基于竞争失效原理，确定柱塞式液压马达整机在规定加速应力水平下的加速因子。
所述的柱塞式液压马达整机级的加速寿命试验，是不仅考虑常规寿命的得出，还考虑了寿命的分布问题。
a)根据事先制定的载荷谱，完成柱塞式液压马达整机级加速寿命试验的实施，得到各样件的失效循环数；
b)利用零组件竞争失效原理得到的整机级加速因子，计算各样件的常规寿命结果；
c)采用WeiBayes方法等评估常规寿命的分布参数，得到柱塞式液压马达的寿命分布。
Claims (10)
1.一种机械产品加速疲劳寿命试验方法，本试验包括：整机加速因子计算，整机级加速试验；其特征在于，试验前首先进行零组件级验证试验确定整机加速因子。
2.如权利要求1所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，1)试验参数确定：首先对机械产品受力分析，确定疲劳寿命关键件，经理论分析确定加速应力类型；经仿真确定加速应力限值、加速条件下负载及加速试验载荷谱；利用分布参数估计和加速模型参数估计确定试验样本量；2)被试零组件或整机疲劳试验实施：对被试零组件或整机试验前进行几何尺寸测量、试验中对试验台的控制系统状态进行监测及每隔一定的循环数后，对被试零组件进行拆解测试，试验后对已发生失效的被试件，重新实施试验前检测的项目，对比与试验前检测结果的差别，确定其失效机理是否为疲劳；3)实验结果评价：被试零组件寿命分布参数评估、被试零组件加速模型参数评估、被试零组件加速因子外推、整机加速因子评估、整机寿命分布参数评估、整机常规寿命分布评估。
3.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述机械产品受力分析是根据机械产品最常用的实际工况，对其各个零部件进行受力分析；筛选出承受交变结构应力的零组件；确定其交变应力循环特性；确定影响机械产品结构疲劳寿命的零组件。
4.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述的确定加速试验载荷谱是基于ANSYS Workbench和nCode DesignLife进行设计。
5.如权利要求4所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述基于ANSYSWorkbench和nCode DesignLife设计的方法为：创建待分析的零组件的三维模型，导入ANSYS Workbench中，输入材料的物理性能参数和力学性能参数，进行有限元仿真，得到分析对象的最大结构应力；将力学有限元分析的结果文件导入ANSYS nCode DesignLife中，进行疲劳寿命预计；综合考虑频率、温度和波形等因素，制定机械产品加速疲劳试验载荷谱。
6.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述的确定加速试验载荷谱的试验条件包括加载力、频率、波形、温度。
7.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述零组件加速疲劳试验实施是针对不同受力状况的零组件，选择不同的加载方式。
8.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述整机加速因子计算是根据零组件试验得到的：
a)收集各个零组件的加速寿命试验结果；
b)根据零组件级的加速寿命试验结果，验证加速模型的正确性，并拟合其未知参数；
c)外推正常应力水平下，零组件的应力水平和疲劳寿命的关系；
d)基于竞争失效原理，确定整机在规定加速应力水平下的加速因子。
9.如权利要求2所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述的整机寿命分布参数评估，是根据零组件级试验确定的寿命分布类型，利用整机的失效数据，得到整机加速寿命分布参数。
10.如权利要求9所述的机械产品加速疲劳寿命试验方法，其特征在于，所述整机加速寿命分布参数：
a)根据事先制定的载荷谱，完成整机级加速寿命试验的实施，得到各样件的失效循环数；
b)利用零组件竞争失效原理得到的整机级加速因子，计算各样件的常规寿命结果；
c)采用WeiBayes方法评估整机常规寿命的分布参数，得到机械产品的寿命分布。
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