滚动直线导轨副性能退化指标的选取*

梁 潇，梁 医，顾清宇，魏一凡

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

0 引言

可靠性是指产品在规定的条件下和规定时间内完成规定功能的能力。它是对产品无故障工作能力的度量[1]。对于滚动直线导轨副这种长寿命产品来说，传统的可靠性分析方法需要进行长周期的可靠性实验来获取大量失效数据。茹诗松[2]、韩明[3]等利用传统的可靠性理论在无失效数据可靠性分析方面做了有益的探索并得出了许多有用的结论,但这些方法都是以试验时间为代价的。故需要寻找更有效的分析方法以满足产品可靠性研究的需求。而通过失效数据分析可靠性可以作为一种新的方式引入导轨副的可靠性分析中。对于性能退化可靠性分析的相关研究，Nair曾指出退化数据对可靠性评估来说是一个丰富的信息源[4]。姚增起研究了系统退化和系统可靠性的相关问题并指出系统退化以及利用退化的观点来研究系统可靠性是一个新课题，它可能会为系统可靠性研究开辟一条新的途径[5]。而Mrrker & Hamada[6]、Lu[7]和赵健印[8]等分析了基于性能退化可靠性分析的适用性问题，但目前还没有学者基于性能退化分析滚动直线导轨副的可靠性。柯楠[9]利用相似的思路对未失效导轨进行可靠性试验品质评价方法，但评价的依据是通过观察而不是通过具体的退化数据。而本文通过设计滚动直线导轨副的退化试验，收集导轨副几项重要的性能参数的退化数据，进而进行分析性能退化的情况是否适合基于此建模分析可靠性，并且通过初期的退化情况分析何种性能参数更加适宜建模。

1 可靠性退化试验1.1 试验设备

1.1.1 滚动直线导轨副精度保持性试验台

试验使用本实验室设计制造的滚动直线导轨副精度保持性试验台，如图1所示。试验台在水平方向对称安装两根滚动直线导轨，通过两端对称加载，一端通过手轮固定加载，另一端通过电机控制梯形丝杠副进行加载。手轮端为辅助加载方式，试验时在手轮加载端安装高精度进口导轨作为陪跑样件，电机加载端安装试验样件并且作为一种新兴的功能部件，具有结构简单、动静摩擦系数小、刚度好、承载能力大、定位精度高、传动平稳、精度保持性好等优点。

图1 滚动直线导轨副精度保持性试验台

1.1.2 滚动直线导轨副综合性能试验台

本试验需要进行的滑块预紧拖动力、滑块的行走平行度需要通过本实验室设计制造的滚动直线导轨副综合性能试验台，如图2所示。试验台为全大理石床身，驱动系统主要由直线电机和气浮控制滑台构成，由直线电机推动测试系统沿滑块运动方向做往复直线运动，可有效保证滑块在运动过程中的平稳性。试验台可测量多种型号导轨的运动精度、加速度、振动、预紧拖动力、噪声和温升6项基本性能。

图2 滚动直线导轨副综合性能试验台

本实验需要用到的预紧拖动力测量是通过力传感器推动滑块慢速匀速直线运行测得，如图3所示。运动精度是通过工装安装在滑块周围的5个位移传感器测得，如图4所示。

图3 摩擦力测试组件

图4 精度测量部分结构简图

1.1.3 滚动直线导轨副刚性试验台

本试验需要进行的导轨副刚性测量需要用到本实验室自主设计制造的滚动直线导轨副静刚度及额定静载荷试验台,如图5所示。直线导轨副刚度测试装置传动原理为伺服电机经行星轮减速器减速后，通过同步带的主动轮将运动同时传递给两个被动轮，进而带动两根加载丝杠转动，实现加载横梁的上下移动，通过工装和夹具实现对被测工件的加载。直线导轨副的静刚度测量过程中，将导轨副固定在导轨夹具上，通过压盘、夹具连接件和滑块夹具对导轨副的滑块施加压力或力矩，位移传感器固定在滑块夹具上，通过测量被测直线导轨副滑块表面上被测位置相对于导轨夹具底面的位移，计算得到导轨副的变形量，从而计算出刚性。

图5 滚动直线导轨副静刚度试验台

1.2 试验样件

筛选境内5根、境外2根，一共7根45滚柱直线导轨。

1.3 试验条件

(1)室温20±2℃，空气湿度50%，将测试导轨放置恒温室中2h以上；

(2)标定力传感器；

(3)擦拭导轨表面，去除杂质对测量的影响；

(4)避免对测试产生影响的环境振动与电磁干扰。

1.4 加载条件

试验加载包含里程占比、当量速度、当量载荷3个因素，两水平精度保持性试验规范见表1。

表1 两水平精度保持性试验规范

1.5 试验过程

试验流程图如图6所示。

图6 退化可靠性试验流程图

2 试验结果

每根导轨经过两应力水平加载跑合后，每根导轨每20km处测量一次性能参数，加上起始点性能参数共收集11处数据。为确保评估准确性，将有保持链导轨与无保持链导轨分开进行比较。

2.1 滚动直线导轨副预紧拖动力数据及分析

有保持链导轨共有不同厂家3根，预紧拖动力测量数据见下图，其中每个数据点为3次测量正反向预紧拖动力均值，预紧拖动力变动量=初始点预紧拖动力-截尾处预紧拖动力。

图7 预紧拖动力退化数据

可以明显看出对于有无保持链导轨副预紧拖动力在加载运行过程中均有明显退化且退化路径较为平滑，尤其是无保持链导轨副。可以看出导轨副在运行经过100km后退化情况有明显趋于平缓的趋势。

2.2 滚动直线导轨副刚性数据及分析

所有样件刚性数据如图8所示。

图8 刚性退化数据

可以看出对于滚动直线导轨副而言，在经过加载运行之后，刚性数据有退化趋势，但更多的是在一定数值范围内波动下降。

对于有保持链导轨副而言刚性数据退化并不明显。对于无保持链导轨副而言刚性数据有波动下降的趋势。

2.3 滚动直线导轨副运动平行度数据及分析

所有样件顶面平行度退化数据如图9所示，侧面平行度退化数据如图10所示。

图9 顶面平行度退化数据

滚动直线导轨副经过磨损后接触面粗糙度将会变化：在最开始的磨合期阶段，导轨运行会逐渐变得平稳，而后随着磨损持续发生，导轨滚道接触面以及钢球将会变得粗糙，会导致滑块运行不稳定，使得滑块顶面平行度变大。通过图9可以看出，滚动直线导轨副顶面平行度数据整体呈退化上升趋势。在20～80km里程磨合阶段顶面平行度有个波动下降趋势，而后则是呈上升趋势。

图10 侧面平行度退化数据

而通过图10可以看出，滚动直线导轨副侧面平行度在磨合期阶段有一些波动，在磨合期过后侧面平行度数据整体趋于平缓，没有明显退化情况。这种情况可能是导轨磨损程度不够导致侧面平行度并未达到开始退化，后续试验需要增加导轨的磨损里程来综合分析。

3 退化可靠性数据处理

3.1 退化数据分析

根据文献[10]中对退化数据的建模分析，在样品中随机抽取m个样品，经过退化试验可取得相应的退化数据。在已进行的退化试验中，在若干个时间点，对产品的性能参数进行测量并记录，得到每个时间点的性能退化数据，按照如下形式记录：

{xar;a∈A,t∈T}

(1)

其中，A标示一个下标集，表示受试样品的序号；T表示时间。由于本试验中所用测量方式均为非破坏性测量，而在对所有样件均进行非破坏性测量的情况下，针对第i(i=1,2,….,m)个样品，每段行程后，分别记为在tl1

{xij;i=1,2,...mj,j=1,2,...n}

(2)

对于相邻的两个时间点：t1

E[xat1]≤E[xat2]

(3)

3.2 退化量的统计模型

在应用中，由于存在包括测量等因素导致的一些误差，退化量的实际测量值z(t)会与真实值x(t)存在差异，可以得到测量方程如下：

z(t)=x(t)+ε

(4)

其中，ε为测量误差，当测量无法忽略时，一般假设E[ε]=0，Var[ε]=σ2，且ε与x(t)独立。

xaj=x(taj)+εaj
a∈A;j∈T
εaj～(0,σ2)

(5)

称模型(5)为退化量的统计模型，其中σ2为误差方差，对该模型进行统计推断的目的是确定产品的退化规律x(t)。

退化量的统计模型是处理退化失效问题的统计推断基础，而统计推断的最终目标是建立导轨的退化失效的统计规律。通过确定导轨的退化规律并利用退化数据对该模型进行统计推断以确定产品的退化量统计模型，然后基于该模型确定产品的退化失效模型。

根据退化失效的定义，导轨退化失效模型与退化量分布函数的关系。当退化量呈上升趋势时有：

F(t;l)=P{T(l)≤t}=P{x(t)≥l}=1-G(l;t)

(6)

记产品的寿命分布密度函数为f(t;l) ，产品寿命分布于退化量分布件的关系可用图11说明。

图11 寿命分布于退化量分布的关系

由上可以看出，适用于基于性能退化的可靠性分析的退化数据需要具备的属性。通过本次试验收集到的退化数据进行对比，初步分析是否适用于该退化模型。

4 结论

本文通过对性能退化可靠性分析中对退化指标进行分析，进而进行实验设计、分析，研究滚动直线导轨副中适合该分析方法的参数指标。结合试验结果分析可知：

(1)滚动直线导轨磨损会导致导轨副性能退化,通过收集数据证明该类型退化可以用于建模分析滚动直线导轨副可靠性。

(2)滚动直线导轨副的摩擦力数据退化较规则，记算测量误差于模型中更适于分析该数据。对于摩擦力数据中，无保持链导轨表现更佳，由于无保持链导轨中滚动体数量更多，使得摩擦更加均匀。在后期选取试验样件时可更多考虑无保持链导轨。

(3)刚性数据退化不够明显，但是表现较均匀。可能是里程数还不够导轨刚性发生明显退化，需在后续试验中继续监测刚性数据。故刚性数据不适合短期性能退化分析。

(4)行走平行度数据需分开分析，顶面平行度数据退化比较规律，综合看符合退化量模型预期，但对于侧面平行度而言，并无明显退化规律。