CN112067293A - 自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其包括如下步骤：步骤S1，进行失效判据确定试验，并将关节轴承的磨损量作为其失效判据。步骤S2，在关节轴承失效机理不发生变化条件下，确定关节轴承样件的耐受极限载荷。步骤S3，对多个关节轴承样件进行寿命预测模型修正试验，改变关节轴承试验的温度、载荷及摆动频率，得到关节轴承不同试验条件下的使用寿命，实现对寿命预测模型中温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P、滑动速度寿命系数α_v的修正。本发明构建了自润滑层磨损量与关节轴承工程用性能表征参数的映射关系模型，并由此确定了关节轴承能在线检测的自润滑层磨损失效判据，为关节轴承磨损寿命预测模型修正提供依据。

Description

自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法

技术领域

本发明涉及机电产品可靠性与寿命预测领域，具体涉及一种基于关节轴承自润滑层磨损量为试验参数的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法。

背景技术

关节轴承是一种球面滑动轴承，由带有外球面的内圈和内球面的外圈组成，常用于速度较低的转动或摆动运动。关节轴承因具有结构简单紧凑、重量小、承载能力强、耐冲击、抗腐蚀、振动小、维护拆装方便等特性，大量应用于航空飞行器上，包括：飞机的环控系统、舱门、起落架、方向舵、升降舵、襟翼、缝翼、扰流板、副翼、安定面和操纵系统，以及机载设备中一些传递力矩或动力的位置。

自润滑关节轴承是在关节轴承的摩擦面上粘附自润滑衬垫，利用衬垫材料的低摩擦性特点，达到减小摩擦、提高轴承寿命的目的，多用于低速重载、高速轻载、盐雾湿热、高低温等极端环境工况下，易发生多种形式的失效，其中最主要的失效形式为轴承磨损。自润滑关节轴承磨损失效的主要原因在于其在摆动过程中自润滑层不断减薄，使轴承内外圈间隙过大，失去自润滑功能，最终导致轴承严重磨损失效，造成航空飞行器的非正常失效，从而引发灾难性后果。

发明内容

本发明的目的在于对自润滑关节轴承在不同环境工况下进行磨损寿命预测及评价。由于目前自润滑关节轴承寿命预测模型缺乏有效的修正方法指导，本发明提出的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，应用试验数据完成自润滑关节轴承磨损寿命预测模型的修正，为不同工况条件下自润滑关节轴承磨损寿命的预测提供技术支持。而且，在本申请中，在试验中使用的关节轴承均为自润滑关节轴承，且均可以称为待测试关节轴承样件。

针对缺乏自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法的问题，本发明提供的基于自润滑层磨损量表征关节轴承退化规律的、自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，寿命试验包括三部分，分别是失效判据确定试验、耐受极限载荷确定试验以及关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，通过对试验数据的采集、处理，修正关节轴承的磨损寿命预测模型，用于支撑自润滑关节轴承磨损寿命的预测。

为实现上述目的，本发明的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其包括以下步骤：

步骤S1、根据自润滑关节轴承的材料特征和功能特征，进行失效判据确定试验，监测待测试关节轴承样件在预设工作载荷条件下，并且运行时间为第一使用寿命时所对应的自润滑层磨损量，将自润滑关节轴承的磨损量作为其失效判据；

步骤S2，进行待测试关节轴承样件的耐受极限载荷确定试验，耐受极限载荷通过梯度载荷的方式步进施加，选取第一工作载荷的两倍开始试验，若失效机理未发生改变，则继续以第一工作载荷的四倍继续试验；若失效机理发生改变，则取载荷增长量的一半作为增量继续试验，直到确定关节轴承样件的耐受极限载荷为止；

步骤S3，对多个待测试关节轴承样件进行关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，改变关节轴承试验的敏感影响因素参数：温度、载荷以及摆动频率，得到关节轴承在不同试验条件下的使用寿命，实现对寿命预测模型的修正，并获得修正后的寿命预测模型为：

式中：L为关节轴承摆次使用寿命；α_K为载荷特性寿命系数；α₂为轴承质量与润滑寿命系数；K_M是与摩擦副材料有关的系数；C_d为关节轴承额定动载荷，能根据关节轴承的尺寸参数计算得到；P为关节轴承当量动载荷，与关节轴承的所受载荷有关；v为关节轴承滑动速度，通过关节轴承的摆动频率f和摆角β间接计算；根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能计算获得参数l₁、l₂；根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能计算获得参数l₃、l₄和l₅。

可优选的是，在所述步骤S3对寿命预测模型的修正过程中，不同待修正系数与对应参数的关系包括温度寿命系数α_t与温度t的关系、载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系、滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β和关节轴承名义接触应力p的关系；

所述的温度寿命系数α_t与温度t的关系为，

∝_t＝l₁t+l₂

根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能获得参数l₁和l₂；

所述的载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系为，

∝_P＝G/P^b

根据多个不同载荷应力水平下的载荷寿命系数能获得参数G和b；

所述的滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β和关节轴承名义接触应力p的关系为，

根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能获得参数l₃、l₄和l₅；其中所述的关节轴承名义接触应力p为，

式中：k为耐压系数确定关节轴承失效机理不发生改变时的耐受极限载荷。

进一步，在所述步骤S1中，待测试关节轴承样件的第一使用寿命是试验的输入条件，进行定时寿命试验，监测关节轴承的磨损量，并选取至少3个以上关节轴承样本的磨损量的平均值为最终的失效判据；具体步骤如下：

S11、检查并对试验机进行调试，将3个待测试关节轴承样件安装在试验夹具上；

S12、先使3个待测试关节轴承样件在常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S13、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S14、继续试验，试验过程中，试验机保持连续运转；

S15、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次拆下试验件进行性能检测；

S16、在被试关节轴承失效判据确定试验过程中，当试验时间达到关节轴承给定使用寿命时，则终止3个待测试关节轴承样件的失效判据确定试验，并测量记录3个待测试关节轴承样件的自润滑层的最终磨损量；以及

S17、重复步骤S11-S16，直至试验完成。

进一步，在所述步骤S2的耐受极限载荷确定试验中，实时监测关节轴承样件的工作温度和磨损量，并定时对拆解后关节轴承的磨损面进行微观分析，通过设定关节轴承样件的工作温度不超过轴承工作温度极限以及磨损面的微观特征和磨损失效机理特征一致，从而保证试验过程中失效机理的一致性；具体步骤如下：

S21、检查并对试验机进行调试，将第一次试验载荷设定为预设工作载荷的两倍；

S22、将待测试关节轴承样件安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S23、将待测试关节轴承样件的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S24、继续试验，试验过程中，试验机保持连续运转；

S25、在试验过程中利用测量装置对待测试关节轴承样件的温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次对试验数据进行记录，并拆解待测试关节轴承样件对磨损面进行微观分析；

S26、依据关节轴承的轴温、磨损量以及磨损面微观形貌判定关节轴承的失效机理是否发生改变；

S27、当失效机理未发生改变时，则试验载荷在上次载荷的基础上继续翻倍；否则取载荷增长量的一半继续试验，直到确定待测试关节轴承样件的耐受极限载荷为止；以及

S28、重复步骤S21～S27，直至试验完成。

可优选的是，在实时监测待测试关节轴承样件的工作温度中，在轴承内圈内侧钻孔达到关节轴承样件的中心线位置，将热电偶插入到盲孔内，通过热电偶的温度传感器测量轴承内圈温度来监视轴承的温度变化。

可优选的是，在所述步骤S3的关节轴承磨损寿命预测模型修正试验中，选取9组待测试关节轴承样本，改变关节轴承试验的温度、载荷以及摆动频率，实现对寿命预测模型中温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P和滑动速度寿命系数α_v的修正。

进一步，将9组待测试关节轴承样本安装在关节轴承寿命试验机上，在低于关节轴承耐受极限载荷的多组工作载荷下，每组选取数量至少为3个关节轴承样本，循环进行往复摆动，实时监测关节轴承温度及自润滑层的磨损量，直至至少三分之二以上关节轴承样件满足失效判据要求，记录各试验件的磨损使用寿命。

再进一步，所述关节轴承磨损寿命预测模型修正试验具体步骤如下：

S31、检查并确认关节轴承寿命试验机各项功能均正常，并对试验机进行调试；选取27个待测试关节轴承样件，平均分为9组，试验条件中温度、载荷以及摆动频率分别在低于其耐受极限载荷值处取3个不同的值，三种应力水平进行正交试验共有9种试验载荷，因此共9组寿命试验；

S32、将待测试关节轴承样件安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S33、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S34、继续试验，试验过程中，试验机应该保持连续运转；

S35、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔固定测试周期对试验数据进行记录；

S36、在被试关节轴承寿命试验过程中，当自润滑层磨损量达到失效阈值时终止该件被试品的寿命试验，记录其使用寿命及对应试验条件；以及

S37、重复步骤S32～S36，直至试验完成。

本发明的有益效果在于：

本发明针对缺乏自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法的问题，提供一种基于自润滑层磨损量表征关节轴承退化规律的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，寿命试验包括三部分，分别是失效判据确定试验、耐受极限载荷确定试验以及关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，通过对试验数据的采集、处理，修正关节轴承的磨损寿命预测模型，用于支撑自润滑关节轴承磨损寿命的从试验角度获得的更准确的预测。

附图说明

图1为本发明自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法的细化流程图；

图2为关节轴承失效判据确定试验流程图；

图3为关节轴承寿命预测模型修正试验流程图；以及

图4为本发明自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法的流程图。

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。

针对现有关节轴承寿命试验的不足，本发明提供的基于关节轴承自润滑层磨损量为试验参数的自润滑关节轴承寿命预测模型修正方法，整个寿命试验方案包括三部分，分别是失效判据确定试验、耐受极限载荷确定试验以及关节轴承磨损寿命预测模型修正方法。而且，在本申请中，在试验中使用的关节轴承均为自润滑关节轴承，且均可以称为待测试关节轴承样件。本发明自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法包括如下步骤：

步骤S1，根据自润滑关节轴承产品的材料、功能等特征，进行失效判据确定试验，监测待测试关节轴承样件在预设工作载荷条件下运行时间为第一使用寿命即常规使用寿命时对应的自润滑层磨损量，确定失效判据。

步骤S2，进行关节轴承样件的耐受极限载荷确定试验，在关节轴承失效机理不发生变化的条件下，确定关节轴承的耐受极限载荷。

步骤S3，对大量关节轴承样件进行寿命预测模型修正试验，改变关节轴承试验的温度、载荷以及摆动频率，得到关节轴承不同试验条件下的使用寿命，实现对寿命预测模型中温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P、滑动速度寿命系数α_v的修正。

其中，在步骤S1中，关节轴承失效判据确定试验，其目的在于确定自润滑层关节轴承给定使用寿命下的自润滑层磨损量，为模型修正试验提供失效判据。具体步骤如下：

S11、检查并确认关节轴承寿命试验机各项功能均正常，检查试验工装符合配合尺寸要求，并对试验机进行调试。选取3个待测试关节轴承样件，将试验轴承按照要求安装在试验夹具上；

S12、先使待测试关节轴承的常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S13、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S14、继续试验，试验过程中，试验机应该保持连续运转，不停机；而且通常是不能随意拆卸试验关节轴承；

S15、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次拆下试验件进行性能检测；

S16、在被试关节轴承失效判据确定试验过程中，当试验时间达到关节轴承给定使用寿命时，则终止该件被试品的失效判据确定试验，并测量记录其自润滑层的最终磨损量；

S17、重复步骤S11-S16，直至试验完成。

在步骤S2中，关节轴承耐受极限载荷确定试验，其目的在于确定关节轴承失效机理不发生改变时的耐受极限载荷，具体步骤如下：

S21、检查并确认关节轴承寿命试验机各项功能均正常，检查试验工装符合配合尺寸要求，并对试验机进行调试。将第一次试验载荷设定为预设工作载荷的两倍。

S22、将试验轴承按照要求安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S23、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S24、继续试验，试验过程中，试验机应该保持连续运转，尽量不要停机，更不能随意拆卸试验关节轴承；

S25、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次对试验数据进行记录，并拆解关节轴承对磨损面进行微观分析；

S26、依据关节轴承的轴温、磨损量以及磨损面微观形貌判定关节轴承的失效机理是否发生改变；

S27、当失效机理未发生改变时，则试验载荷在上次载荷的基础上继续翻倍。否则取载荷增长量的一半作为增量继续试验，直到确定关节轴承的耐受极限载荷为止；

S28、重复步骤S21～S27，直至试验完成。

在步骤S3中，针对关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，其目的在于基于不同试验载荷下的寿命数据建立关节轴承的寿命计算模型，修正寿命模型中的温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P、滑动速度寿命系数α_v，从而实现寿命预测。具体步骤如下：

S31、检查并确认关节轴承寿命试验机各项功能均正常，检查试验工装符合配合尺寸要求，并对试验机进行调试。选取27个关节轴承样件，平均分为9组，试验条件中温度、载荷以及摆动频率分别在低于其耐受极限载荷值处取3个不同的值，三种应力水平进行正交试验共有9种试验载荷，因此共9组寿命试验；

S32、将试验轴承按照要求安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S33、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S34、继续试验，试验过程中，试验机应该保持连续运转，尽量不要停机；

S35、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔固定测试周期对试验数据进行记录；

S36、在被试关节轴承寿命试验过程中，当自润滑层磨损量达到失效阈值时终止该件被试品的寿命试验，记录其使用寿命及对应试验条件。同时为了节省时间、人力成本，设定最大试验次数，当达到最大试验次数时，无论该被试件是否满足失效条件，均停止该次试验；

S37、重复步骤S32～S36，直至试验完成。

如图4所示，本发明提供的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、根据自润滑关节轴承的材料特征和功能特征，进行失效判据确定试验，监测关节轴承在预设工作载荷条件下，并且运行时间为第一使用寿命时所对应的自润滑层磨损量，将关节轴承的磨损量作为其失效判据；

步骤S2，进行关节轴承样件的耐受极限载荷确定试验，耐受极限载荷通过梯度载荷的方式步进施加，选取第一工作载荷的两倍开始试验，若失效机理未发生改变，则继续以第一工作载荷的四倍继续试验；若失效机理发生改变，则取载荷增长量的一半作为增量继续试验，例如在一个优选实施方式中，第一工作载荷为10Pa，选取第一工作载荷的两倍即20Pa开始试验，若失效机理未发生改变，则继续以第一工作载荷的四倍即40Pa继续试验；若失效机理发生改变，则取载荷增长量的一半，即以(40-20)/2Pa作为增量、以20+(40-20)/2即30Pa继续试验，直到确定关节轴承样件的耐受极限载荷为止；

步骤S3，对多个关节轴承样件进行关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，改变关节轴承试验的敏感影响因素参数：温度、载荷以及摆动频率，得到关节轴承在不同试验条件下的使用寿命，实现对寿命预测模型的修正，并获得修正后的寿命预测模型为：

式中：L为关节轴承摆次使用寿命；α_K为载荷特性寿命系数；α_Z为轴承质量与润滑寿命系数；K_M是与摩擦副材料有关的系数；C_d为关节轴承额定动载荷，能根据关节轴承的尺寸参数计算得到；P为关节轴承当量动载荷，与关节轴承的所受载荷有关；v为关节轴承滑动速度，通过关节轴承的摆动频率f和摆角β间接计算；根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能计算获得参数l₁、l₂；根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能计算获得参数l₃、l₄和l₅。

在本发明中，将关节轴承的磨损量作为其失效判据，样件的第一使用寿命即常规使用寿命是试验的输入条件，进行定时寿命试验，监测关节轴承的磨损量，确定失效判据。

在进行失效判据确定试验中，将多个关节轴承样件安装在关节轴承寿命试验机上进行试验，试验条件如载荷、环境温度、摆动频率、摆动幅度等设置为第一工作载荷下的参数值，试验时间为样件的第一使用寿命，试验过程中实时监测样件的自润滑层磨损量，定期拆下试验件进行性能检测。以关节轴承运动性能退化超过使用要求的自润滑层磨损量为关节轴承磨损寿命的失效判据。考虑到关节轴承磨损寿命的分散性影响，建议选取至少3个以上关节轴承样本的磨损量的平均值为最终的失效判据。的试验条件，是将关节轴承样件安装在关节轴承寿命试验机上，通过设置试验机的参数来进行设定。的样件第一工作载荷参数值和第一使用寿命，是关节轴承样件出厂时标定的使用寿命及其对应的工作载荷。

在检测自润滑层磨损量，磨损量是评估关节轴承耐磨性能最常用的参数，是两个有着相对运动物体的表面材料质量、形状等参数变化的综合反映。摆动过程中自润滑关节轴承的内外圈之间为滑动接触，固定在关节轴承外圈内球面的纤维编织衬垫层会持续磨损，造成了微小的位移量，即外圈的径向线位移。通过激光位移传感器测量内外圈的相对位移变化量来确定径向磨损量。

针对耐受极限载荷确定试验，是为之后寿命预测模型修正试验中不同试验条件载荷水平的确定提供参考。这里提及的极限载荷，是指保持关节轴承磨损失效机理不发生改变的最大耐受极限载荷。将关节轴承样件分组，分别在试验机上进行具有梯度载荷特性的试验。

在试验过程中为确保轴承失效机理不发生改变，需要实时监测关节轴承的工作温度和磨损量，并定时对拆解后关节轴承的磨损面进行微观分析。通过观察工作温度不超过轴承工作温度极限以及磨损面的微观特征和磨损失效机理特征一致，从而保证试验过程中失效机理的一致性。

本发明梯度载荷通过步进施加的方式实现，即选取第一工作载荷的两倍开始试验，若失效机理未发生改变，则继续翻倍。否则取载荷增长量的一半继续试验，直到确定关节轴承的耐受极限载荷为止。

本发明测量轴承工作温度，是在轴承内圈内侧钻孔达到关节轴承的中心线位置，将热电偶插入到盲孔内，通过热电偶温度传感器测量轴承内圈温度来监视轴承的温度变化。温度增加最大值以不改变关节轴承润滑条件为准。

在关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，选取9组试验关节轴承，改变关节轴承试验的温度、载荷以及摆动频率，实现对寿命预测模型中温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P、滑动速度寿命系数α_v的修正。

进一步，在本发明的关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，将9组被试品按照试验要求安装在关节轴承寿命试验机上，在低于关节轴承耐受极限载荷的多组工作载荷下，考虑到试验成本和关节轴承磨损寿命分散性的影响，一般每组选取数量至少为3个，循环进行往复摆动，实时监测关节轴承温度及自润滑层的磨损量，直至至少三分之二以上关节轴承样件满足失效判据要求，记录各试验件的磨损使用寿命。

其中，关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，以自润滑层磨损量作为失效判据，在不同试验载荷条件下进行试验并记录其使用寿命，对各组关节轴承的寿命数据进行处理，修正寿命预测模型中不同系数与相应参数的关系，建立不同试验载荷下的寿命计算模型，从而预测自润滑关节轴承的使用寿命。

其中的寿命计算模型为：

式中：L为关节轴承摆次使用寿命；α_K为载荷特性寿命系数；α_t为温度寿命系数；α_P为载荷寿命系数；α_v为滑动速度寿命系数；α_Z为轴承质量与润滑寿命系数；K_M是与摩擦副材料有关的系数；C_d为关节轴承额定动载荷，能根据关节轴承的具体尺寸参数计算得到；P为关节轴承当量动载荷，与关节轴承的所受载荷有关；v为关节轴承滑动速度，通过关节轴承的摆动频率和摆角可间接计算；根据不同试验载荷下的寿命数据，建立待修正系数的关系方程，进而预测关节轴承寿命。

寿命计算模型中的系数，考虑到自润滑关节轴承的摩擦副材料、轴承质量与润滑以及载荷特性等特征不会发生改变，因此式中摩擦副材料相关系数K_M、载荷特性寿命系数α_K、轴承质量与润滑寿命系数α_Z为定值，本方法中将K_M、α_K、α_Z三者的乘积视为一个常量并通过试验得到。

试验数据处理，每组试验载荷下至少有3件被试轴承，根据轴承的使用寿命可计算得到同一待修正系数的不同数值，将计算得到的多个数据进行双参数韦布尔分布拟合，得到给定置信度下的数值，将其作为该试验载荷下的关节轴承系数值。

不同待修正系数与相应参数的关系，为温度寿命系数α_t与温度t的关系、载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系、滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β、关节轴承名义接触应力p的关系。

温度寿命系数α_t与温度t的关系为，

∝_t＝l₁t+l₂

根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能获得参数l₁、l₂。

载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系为，

∝_P＝G/P^b

根据多个不同载荷应力水平下的载荷寿命系数能获得参数G、b。

滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β、关节轴承名义接触应力p的关系为，

根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能获得参数l₃、l₄、l₅。

关节轴承名义接触应力p为，

式中：k为耐压系数确定关节轴承失效机理不发生改变时的耐受极限载荷。

则修正的模型可表述为：

式中：L为关节轴承摆次使用寿命；α_K为载荷特性寿命系数；α_Z为轴承质量与润滑寿命系数；K_M是与摩擦副材料有关的系数；C_d为关节轴承额定动载荷，能根据关节轴承的尺寸参数计算得到；P为关节轴承当量动载荷，与关节轴承的所受载荷有关；v为关节轴承滑动速度，通过关节轴承的摆动频率f和摆角β间接计算；根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能计算获得参数l₁、l₂；根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能计算获得参数l₃、l₄、l₅。

从前述分析可知，本发明提供的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，对比现有的技术，有如下的有益技术效果：

构建了自润滑层磨损量与关节轴承工程用性能表征参数的映射关系模型，并由此确定了关节轴承实验室条件下能在线检测的自润滑层磨损失效判据，为关节轴承磨损寿命预测模型修正试验提供了依据。

关节轴承耐受极限载荷确定试验中，提出通过实时监测关节轴承的工作温度和磨损量以及拆解后磨损面的微观分析，来确保其失效机理不发生改变。

关节轴承耐受极限载荷确定试验中，通过步进施加梯度载荷的方式进行试验，能快速准确的确定关节轴承的耐受极限载荷。

关节轴承磨损寿命预测模型修正试验中，提出影响关节轴承磨损寿命的敏感影响因素，即温度、载荷以及摆动频率。结合影响因素分析的结果设计了针对性的参数修正试验方案，应用试验数据构建了精确的关节轴承磨损寿命预测模型。

关节轴承磨损寿命预测模型修正试验中，应用试验数据建立了温度寿命系数、载荷寿命系数、滑动速度寿命系数与关节轴承性能表征参数即磨损量的关系模型，提高了关节轴承磨损寿命预测模型的准确性和适应性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1、根据自润滑关节轴承的材料特征和功能特征，进行失效判据确定试验，监测待测试关节轴承样件在预设工作载荷条件下，并且运行时间为第一使用寿命时所对应的自润滑层磨损量，将自润滑关节轴承的磨损量作为其失效判据；

步骤S2，进行待测试关节轴承样件的耐受极限载荷确定试验，耐受极限载荷通过梯度载荷的方式步进施加，选取第一工作载荷的两倍开始试验，若失效机理未发生改变，则继续以第一工作载荷的四倍继续试验；若失效机理发生改变，则取载荷增长量的一半作为增量继续试验，直到确定关节轴承样件的耐受极限载荷为止；

步骤S3，对多个待测试关节轴承样件进行关节轴承磨损寿命预测模型修正试验，改变关节轴承试验的敏感影响因素参数：温度、载荷以及摆动频率，得到关节轴承在不同试验条件下的使用寿命，实现对寿命预测模型的修正，并获得修正后的寿命预测模型为：

式中：L为关节轴承摆次使用寿命；α_K为载荷特性寿命系数；α_Z为轴承质量与润滑寿命系数；K_M是与摩擦副材料有关的系数；C_d为关节轴承额定动载荷，能根据关节轴承的尺寸参数计算得到；P为关节轴承当量动载荷，与关节轴承的所受载荷有关；v为关节轴承滑动速度，通过关节轴承的摆动频率f和摆角β间接计算；根据多个不同温度t载荷下的温度寿命系数能计算获得参数l₁、l₂；根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能计算获得参数l₃、l₄和l₅；根据多个不同载荷应力水平下的载荷寿命系数能获得参数G和b。

2.根据权利要求1所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，在所述步骤S3对寿命预测模型的修正过程中，不同待修正系数与对应参数的关系包括温度寿命系数α_t与温度t的关系、载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系、滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β和关节轴承名义接触应力p的关系；

所述的温度寿命系数α_t与温度t的关系为，

∝_t＝l₁t+l₂

根据多个不同温度载荷下的温度寿命系数能获得参数l₁和l₂；

所述的载荷寿命系数α_P与当量动载荷P的关系为，

∝_P＝G/P^b

根据多个不同载荷应力水平下的载荷寿命系数能获得参数G和b；

所述的滑动速度寿命系数α_v与关节轴承滑动速度v、摆动频率f、摆角β和关节轴承名义接触应力p的关系为，

根据多个不同摆动频率应力水平下的滑动速度寿命系数能获得参数l₃、l₄和l₅；其中所述的关节轴承名义接触应力p为，

式中：k为耐压系数确定关节轴承失效机理不发生改变时的耐受极限载荷。

3.根据权利要求1中所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，在所述步骤S1中，关节轴承样件的第一使用寿命是试验的输入条件，进行定时寿命试验，监测关节轴承的磨损量，并选取至少3个以上关节轴承样本的磨损量的平均值为最终的失效判据；具体步骤如下：

S11、检查并对试验机进行调试，将3个待测试关节轴承样件安装在试验夹具上；

S12、先使3个待测试关节轴承样件在常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S13、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S14、继续试验，试验过程中，试验机保持连续运转；

S15、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次拆下试验件进行性能检测；

S16、在被试关节轴承失效判据确定试验过程中，当试验时间达到关节轴承给定使用寿命时，则终止3个待测试关节轴承样件的失效判据确定试验，并测量记录3个待测试关节轴承样件的自润滑层的最终磨损量；以及

S17、重复步骤S11-S16，直至试验完成。

4.根据权利要求1所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，在所述步骤S2的耐受极限载荷确定试验中，实时监测关节轴承样件的工作温度和磨损量，并定时对拆解后关节轴承的磨损面进行微观分析，通过设定关节轴承样件的工作温度不超过轴承工作温度极限以及磨损面的微观特征和磨损失效机理特征一致，从而保证试验过程中失效机理的一致性；具体步骤如下：

S21、检查并对试验机进行调试，将第一次试验载荷设定为预设工作载荷的两倍；

S22、将待测试关节轴承样件安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S23、将待测试关节轴承样件的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S24、继续试验，试验过程中，试验机保持连续运转；

S25、在试验过程中利用测量装置对待测试关节轴承样件的温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔200次对试验数据进行记录，并拆解待测试关节轴承样件对磨损面进行微观分析；

S26、依据关节轴承的轴温、磨损量以及磨损面微观形貌判定关节轴承的失效机理是否发生改变；

S27、当失效机理未发生改变时，则试验载荷在上次载荷的基础上继续翻倍；否则取载荷增长量的一半继续试验，直到确定待测试关节轴承样件的耐受极限载荷为止；以及

S28、重复步骤S21～S27，直至试验完成。

5.根据权利要求4所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，在实时监测待测试关节轴承样件的工作温度中，在轴承内圈内侧钻孔达到关节轴承样件的中心线位置，将热电偶插入到盲孔内，通过热电偶的温度传感器测量轴承内圈温度来监视轴承的温度变化。

6.根据权利要求1所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，在所述步骤S3的关节轴承磨损寿命预测模型修正试验中，选取9组待测试关节轴承样本，改变关节轴承试验的温度、载荷以及摆动频率，实现对寿命预测模型中温度寿命系数α_t、载荷寿命系数α_P和滑动速度寿命系数α_v的修正。

7.根据权利要求6所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，将9组待测试关节轴承样本安装在关节轴承寿命试验机上，在低于关节轴承耐受极限载荷的多组工作载荷下，每组选取数量至少为3个关节轴承样本，循环进行往复摆动，实时监测关节轴承温度及自润滑层的磨损量，直至至少三分之二以上关节轴承样件满足失效判据要求，记录各试验件的磨损使用寿命。

8.根据权利要求6所述的自润滑关节轴承磨损寿命预测模型修正方法，其特征在于，所述关节轴承磨损寿命预测模型修正试验具体步骤如下：

S31、检查并确认关节轴承寿命试验机各项功能均正常，并对试验机进行调试；选取27个待测试关节轴承样件，平均分为9组，试验条件中温度、载荷以及摆动频率分别在低于其耐受极限载荷值处取3个不同的值，三种应力水平进行正交试验共有9种试验载荷，因此共9组寿命试验；

S32、将待测试关节轴承样件安装在试验夹具上，先使被试品常温摆动1000次，然后暂停试验，将环境温度调整至规定的试验环境温度值，并保温30min；

S33、将关节轴承的径向载荷、摆动幅度和摆动频率分别调整至试验应力水平；

S34、继续试验，试验过程中，试验机应该保持连续运转；

S35、在试验过程中利用测量装置对轴承温度以及自润滑层磨损值进行测量，同时每间隔固定测试周期对试验数据进行记录；

S36、在被试关节轴承寿命试验过程中，当自润滑层磨损量达到失效阈值时终止该件被试品的寿命试验，记录其使用寿命及对应试验条件；以及

S37、重复步骤S32～S36，直至试验完成。

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