直线滚柱导轨副寿命试验研究*

康献民，赵美玲

（1.五邑大学，广东 江门 509020；2.广东高新凯特精密机械股份有限公司，广东 江门 529000）

滚动直线导轨副作为一种滚动功能部件，广泛应用于数控机床、精密仪器等方面，但是对于滚动直线导轨副最重要的性能——负载能力，及在载荷环境下运行的寿命及可靠性的研究还需要进一步的开展。由于按照传统的寿命试验技术，产品的寿命评估难在可行的时间内完成，因而加速寿命试验的研究受到了企业广泛重视。按照试验应力的加载方式，加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验。由于恒定应力试验相对简单，本文根据恒应力试验概念，开发了直线滚动导轨寿命试验系统，并对相关产品进行了检测评价，取得了较好的经济和技术效益。

1 直线滚柱导轨副寿命的基本理论

滚珠直线导轨副寿命的衡量标准为：在允许的环境条件中，在承受负载等于额定动载荷C（kN）的情况下，连续导向行程达到50 km（基准行程寿命）时有95%（基准可靠度）不产生材料疲劳破坏。

滚动直线导轨额定寿命为：在相同的工作条件下，同一批导轨组件分别运行，其中90%的导轨组件尚未出现疲劳剥落现象之前，滑块相对于导轨运行距离的总和或一定运行速度下的工作小时数。根据参考文献可求得直线导轨副疲劳寿命如下。

对于LGR35EA型有：

式中：L为额定寿命（km），C为额定动载荷，Pc为实际载荷， fH为滚道面的硬度系数，fT为温度系数， fC为接触系数， fW为载荷系数。

2 滚柱导轨副加速寿命试验要求

2.1 试验目的

测试重载运行状态下导轨副疲劳寿命、精度保持性、刚度保持性、塑料配件的使用寿命。其精度保持性要求为：试验采用的导轨副精度等级均为D级，要求试验完成后导轨副仍保持有D级精度特性；其刚度保持性要求：试验采用的导轨副均为重预压预加载荷，要求试验完成后导轨副刚性不低于中预压刚性值；其塑料配件的使用寿命要求：要求跑合试验完成后导轨副返向端盖、密封件外观完好，磨损量小，能继续保持正常的使用，未出现疲劳寿命下的崩裂现象。

试验条件：滑块移动速度：30 m/min；跑合行程：900 mm；润滑油脂：采用美孚力士滑脂EP02335LB。

2.2 试验条件

HTSD-LGR35 EA，P3=1×1620 D，滚柱直径:Da=4.503 mm ，刚度：K=157 MPa，自动供油，每60分钟0.4cm3，额定动载荷C=5800 kgf，额定静载荷C0=11200 kgf，外加载荷：压力3000 kg。

HTSD-LGR45 EA，P3=1×1620 D，滚柱直径:Da=4.993 mm，刚度：K=219 MPa，润滑频率：自动供油，每60分钟0.5cm3，额定动载荷C=9200 kgf，额定静载荷C0=18500 kgf，外加载荷：压力4000 kg。

3 试验系统设计及结构

为了本文完成要求的试验任务，开发了一种测试导轨副在受不同载荷下实际的使用寿命及可靠性的，结构合理，实用性强，操作方便，一次可进行两套导轨副同时试验的直线滚动导轨副重载寿命试验机。

图1中，1为加压油缸，2为顶杆，3为压板，4为调整螺钉，5压力传感器，6为被测导轨，7为辅助导轨，8为移动传递系统。

图1 试验系统的结构图

如图1所示，基座上安装有电机，试验系统采用伺服电机连接丝杠实现工作台直线往复运动，电机通过移动传递系统（丝杆与滑台）连接，滑台底部的左右两侧安装有辅助导轨副7与基座相连接，滑台顶部设置有左、右液压缸，左、右液压缸上的顶杆通过压板与设置在基座左右侧部的测试导轨副相连接。采用液压站连接液压缸提供被测导轨副的负载压力，另外通过电脑对试验过程中的运动速度、行程、压力情况进行数字化控制。采用该结构的寿命试验机，被测试导轨副采用两侧面对称安装方式，一次同时进行两组导轨副寿命跑合试验。另外，液压缸以及压板等部件组成的力传递装置均为左右对称结构排布，两液压缸输出的力在基座中互相抵消，以避免辅助导轨副承受过多的测试载荷，延长辅助导轨的使用寿命。

为了便于对加载力的控制，在左右两个导轨副上均安装有压力传感器，可实时测量导轨副受压情况，以方便控制系统通过液压伺服控制系统对左、右液压缸输入的压力进行调节。液压伺服控制系统能够通过检测导轨副上加载的载荷数据，实现反馈调节，保证加载载荷的稳定性。

图2 导轨副寿命试验装置

4 试验结果分析

4.1 试验结果

（1）LGR35导轨副跑合试验结果

导轨副疲劳寿命：本导轨副跑合了450 km，超过了理论寿命440 km，导轨、滑块沟槽表面及滚柱滚子表面出现磨痕、亮带，表面未见麻点，未发生鱼鳞状薄片的剥落，导轨副未达到疲劳寿命。

精度保持性：试验前后滚柱直径精度变化，试验前Da=4.503 mm，试验后Da=4.502～4.503 mm最大精度变化1μm；试验前导轨副综合精度等级为D级，试验后导轨副仍满足D级精度要求，如表1。

表1 LGR35导轨副精度表

导轨副刚度保持性：试验前导轨副刚度K=157kgf/μm，试验后K=139kgf/μm，刚度相对减少18kgf/μm，对比刚度表如表2，导轨副试验后刚度不低于中预压刚性值，满足试验目标。

表2 LGR35导轨副刚度表

塑料配件的使用情况：密封端盖有轻微磨损，导致外部密封不够严密，导轨表面上有少量油污；内部密封件外观正常没有损坏，滑块内部密封性能良好；返向端盖外观正常，没有损坏，能继续使用。

（2）LGR45导轨副跑合试验结果

导轨副疲劳寿命：本导轨副跑合了800 km，超过了理论寿命（781 km），导轨、滑块沟槽表面及滚子表面出现磨痕、亮带，表面未见麻点，未发生鱼鳞状薄片的剥落，导轨副未达到疲劳寿命。

图3 LGR35导轨副试验前后刚性值

精度保持性：试验前后滚子直径精度变化，试验前 Da=4.993 mm，试验后Da=4.991～4.992 mm，最大精度变化2μm；试验前导轨副综合精度等级为D级，试验后导轨副仍满足D级精度要求，如表3。

表3 LGR45导轨副精度表

导轨副刚度保持性：试验前导轨副刚度K=219 MPa，试验后K=204 MPa，刚度相对减少15 MPa。对比刚度表，导轨副实验后刚度不低于中预压刚性值。

塑料配件的使用情况：密封端盖有轻微磨损，导致外部密封不够严密，导轨表面上有少量油污；内部密封件外观正常没有损坏，滑块内部密封性能良好；返向端盖外观正常，没有损坏，能继续使用。

表4 LGR45刚度表

图4 LGR45导轨副试验前后刚性值

4.2 试验结果分析

LGR35导轨副，加载压力3000 kg，理论寿命440 km，已跑合行程450 km，现跑合试验超过理论寿命。导轨、滑块沟槽出现磨痕、亮带，并未发生鱼鳞状薄片的剥落现象；滚子发生磨损，直径减少1μm，导轨副刚性有所下降但仍满足P2预紧力要求；这表明导轨的滑块沟槽表面粗糙度、淬火层硬度和深度均满足实际使用要求，滚柱性能满足产品使用；密封端盖有轻微磨损。

LGR45导轨副，加载压力4000 kg，理论寿命780 km，已跑合行程800 km，现跑合试验超过理论寿命。导轨、滑块沟槽出现磨痕、亮带，并未发生鱼鳞状薄片的剥落现象。滚子发生磨损，直径减少2 μm，导轨副刚性有所下降但仍满足P2预紧力要求。这表明导轨的滑块沟槽表面粗糙度、淬火层硬度和深度均满足实际使用要求，滚柱性能满足产品使用。密封端盖有轻微磨损。

5 结论

通过本试验，在给定的试验条件下，两种直线导轨的滑块沟槽表面粗糙度、淬火层硬度和深度、滚柱均能够满足实际使用寿命的要求。

采用加速寿命试验能够缩短试验时间和节约试验经费，有明显的经济效益。本项目由于试验时间与载荷设定有限，因此测试参数的代表性不够完善，有待今后继续进一步试验完善。

［1］徐起贺，孙健利.滚动直线导轨副一般载荷下额定寿命的计算［J］.现代机械，2002（1）：24-28.

［2］徐起贺.滚动直线导轨系统额定寿命计算的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2000（12）：21-23.

［3］GB2689.1-81.恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则［S］.

［4］王坚永，庄中华.滚动轴承可靠性加速寿命试验研究［J］.轴承，1996（3）：23-28.

［5］陈循，张春华.加速试验技术的研究、应用与发展［J］.机械工程学报，2009，45（8）：130-136.

［6］张仕念，赵韶平，常波，等.加速寿命试验的数学模型［A］.中国电子学会可靠性分会第十三届学术年会论文选［C］.2006.

［7］张春华，温熙森，陈循.加速寿命试验技术综述［J］.兵工学报，2004（7）：485-489.

［8］阚树林，樊迅·边潇，等.非恒定应力加速寿命试验模型及应用［A］.2010年全国机械行业可靠性技术学术交流会暨第四届可靠性工程分会第二次全体委员大会论文集［C］.2010.