滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法研究

陳燁妍，歐屹，韓軍，馮虎田

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法研究

陳燁妍，歐屹，韓軍，馮虎田

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)與定位的首選部件，其可靠性影響著系統(tǒng)的正常工作。通過分析滾珠絲杠副可靠性包含的相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)滾珠絲杠副的主要失效類型，自主設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)，介紹了各影響因素的測(cè)量方法，提出了滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)方法和評(píng)估方法。

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副；可靠性；試驗(yàn)方法；評(píng)估方法

0引言

滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠副作為機(jī)械傳動(dòng)與定位的首選部件，其可靠性影響著系統(tǒng)的正常工作。我國(guó)滾動(dòng)功能部件起步于20世紀(jì)60年代，是伴隨著國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的。經(jīng)過幾十年的不斷改進(jìn)，在產(chǎn)品種類、規(guī)模以及技術(shù)水平上都取得了巨大成就[1,2]。目前，國(guó)內(nèi)外公開的關(guān)于滾珠絲杠副可靠性的相關(guān)研究成果很少，很多技術(shù)與研究成果僅限于在國(guó)外公司內(nèi)部使用，國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍缺少專用的滾珠絲杠副可靠性檢測(cè)與試驗(yàn)設(shè)備。正是由于基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)研究的不足以及生產(chǎn)技術(shù)的差距，國(guó)產(chǎn)高端滾動(dòng)功能部件與NSK，THK等國(guó)外知名企業(yè)的同類產(chǎn)品相比在產(chǎn)品品質(zhì)與可靠性方面還有一定差距。為了提高國(guó)產(chǎn)高端滾動(dòng)功能部件的可靠性水平，研制出高品質(zhì)、高可靠性的滾動(dòng)功能部件，對(duì)試制產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)、分析和改進(jìn)是一種有效的途徑。可靠性試驗(yàn)是研究?jī)?nèi)容較廣、研究深度較深的一類試驗(yàn)，其對(duì)應(yīng)的分析與評(píng)估方法能全面、深入地反映出滾動(dòng)功能部件的精度、性能、疲勞壽命等重要特性，因此，研究滾動(dòng)功能部件可靠性試驗(yàn)、分析與評(píng)估方法，將是滾動(dòng)功能部件產(chǎn)品改進(jìn)與提高的基礎(chǔ)[3]。

在滾珠絲杠副理論和基礎(chǔ)研究方面，雖然國(guó)內(nèi)針對(duì)滾珠絲杠副性能測(cè)試與力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)與受力分析的研究相對(duì)較多[4-7]，且取得了一定的研究成果，但是直接針對(duì)滾珠絲杠副可靠性進(jìn)行試驗(yàn)、分析與評(píng)估方法研究的成果很少，只有GB/T 23568.1《機(jī)床功能部件可靠性評(píng)定總則》概括介紹了功能部件在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)的一般要求、試驗(yàn)方式、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)要求、故障判定準(zhǔn)則、可靠性評(píng)定指標(biāo)以及結(jié)果判定等。針對(duì)該現(xiàn)狀，結(jié)合滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)滾珠絲杠副的可靠性試驗(yàn)方法和評(píng)估方法進(jìn)行研究。

1滾珠絲杠副可靠性概念與體系

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3187-94《可靠性、維修性術(shù)語》，可靠性定義為“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。”滾珠絲杠副主要包括以下幾個(gè)部分：滾珠絲杠、絲杠螺母、滾珠、回珠器、密封件等。滾珠絲杠副的失效模式主要有2種：1) 滾珠與滾道面在工作負(fù)載作用下相互接觸，當(dāng)接觸應(yīng)力超過彈性極限后，就要產(chǎn)生塑性變形，在滾道表面出現(xiàn)永久性印痕；2) 滾珠不斷地從滾道表面某一定點(diǎn)滾過，接觸處承受著重復(fù)接觸應(yīng)力的作用，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，滾道表面就要產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕。任何一種失效形式的產(chǎn)生都會(huì)使傳動(dòng)品質(zhì)下降,最后導(dǎo)致失效[8]。

當(dāng)滾珠絲杠副工作過程中出現(xiàn)任何一種失效形式，都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。一旦誤差值超過允許值，絲杠副就無法正常工作，要進(jìn)行維護(hù)、修理、更換部件或報(bào)廢等相關(guān)處理，這些情況都很大程度上降低了滾珠絲杠副的可靠性水平。

2滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)方案

可靠性試驗(yàn)是為了了解、評(píng)價(jià)、分析和提高產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的各種試驗(yàn)的總稱，其主要因素就是可靠性定義中的“三規(guī)定”在試驗(yàn)過程中的具體體現(xiàn)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1[9]。

圖1　可靠性試驗(yàn)考慮的因素與可靠性“三規(guī)定”的關(guān)系

滾珠絲杠副有高速、精密、重載三種，對(duì)于高速滾珠絲杠副，可靠性試驗(yàn)以檢驗(yàn)性能指標(biāo)為主，其性能參數(shù)包括速度、加速度、定位精度、噪聲、溫升、溫位移等，其可靠性以性能可靠性進(jìn)行評(píng)估；對(duì)于重載滾珠絲杠副，可靠性試驗(yàn)以檢驗(yàn)壽命指標(biāo)為主，通過測(cè)定滾珠絲杠副的反向間隙、摩擦力矩以及觀察疲勞點(diǎn)蝕來判定，其可靠性以疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估；對(duì)于精密滾珠絲杠副，可靠性以檢驗(yàn)精度指標(biāo)為主，通過測(cè)定絲杠精度和有效精度保持時(shí)間來判定，其可靠性以精度保持性進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)上述滾珠絲杠副的主要失效模式和可靠性試驗(yàn)的主要因素，制定了以下試驗(yàn)方案：試驗(yàn)裝置采用模擬加載跑合的方案，能對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行較為全面的試驗(yàn)。為了盡可能的模擬工作工況，滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)在恒溫20℃±5℃下進(jìn)行。為了提高測(cè)試效率，可同時(shí)測(cè)量幾根被測(cè)件；用于試驗(yàn)的樣品來自同一批次并已檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，每批隨機(jī)抽取至少2根，產(chǎn)品公稱直徑在20 mm～63mm之間，長(zhǎng)度<2100mm。在試驗(yàn)過程中，通過聽和看來判斷滾珠絲杠副是否發(fā)生噪聲、振動(dòng)、卡死等故障，予以及時(shí)處理。可靠性試驗(yàn)采用定時(shí)截尾試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到5000h時(shí)截止試驗(yàn)，記錄整理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估。

2.1試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介及分析

根據(jù)滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)方案，自主設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)。如圖2、圖3所示，該試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)組成，具體表述如下：

1—尾架絲杠支撐單元；2—床身；3—被測(cè)絲杠；4—加載機(jī)構(gòu)；5—被測(cè)絲杠螺母；6—應(yīng)變式拉壓力傳感器；7—振動(dòng)傳感器；8—噪聲傳感器；9—頭架絲杠支撐單元；10—聯(lián)軸器；11—?jiǎng)討B(tài)扭矩傳感器；12—同步帶傳動(dòng)軸圖2　滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成及連接組件示意圖

圖3　滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)三維模型圖

該試驗(yàn)臺(tái)主要由頭架組件、尾架組件、加載組件、傳動(dòng)組件、測(cè)量組件、限位組件和潤(rùn)滑組件構(gòu)成。頭架組件采用一體式設(shè)計(jì)，便于安裝和定位，同時(shí)固定了3根被測(cè)絲杠副之間的距離，避免了加載組件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生干涉的問題。尾架組件采用分離式設(shè)計(jì)，單獨(dú)定位安裝，便于調(diào)節(jié)被測(cè)絲杠副的同軸度。頭、尾架組件的絲杠支撐單元均采用可更替工裝，通過更換相應(yīng)的工裝可以滿足φ20mm-φ65mm絲杠的拆裝，并且尾架可以移動(dòng)，可適應(yīng)被測(cè)絲杠的不同長(zhǎng)度，且便于被測(cè)絲杠的拆裝。加載組件通過伺服電機(jī)帶動(dòng)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)和梯形絲杠傳動(dòng)，可以在較短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)達(dá)到所需的加載載荷，最大可達(dá)2t，并通過拉壓力傳感器實(shí)時(shí)對(duì)載荷大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。傳動(dòng)組件采用變頻機(jī)驅(qū)動(dòng)，圓弧齒同步帶傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩、高精度轉(zhuǎn)速控制、位置控制及快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制，并準(zhǔn)確保證了被測(cè)絲杠副的同步度。測(cè)量組件包括動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器和應(yīng)變式拉壓力傳感器。限位組件包括接近開關(guān)和限位開關(guān)。潤(rùn)滑組件包括潤(rùn)滑泵、定量注油器、油管等，主要采用點(diǎn)潤(rùn)滑，每隔20min潤(rùn)滑一次。

該試驗(yàn)臺(tái)的工作原理為：被測(cè)絲杠兩端采用絲杠支撐單元支撐，并由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)其正、反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。變頻機(jī)通過同步帶傳動(dòng)，可同時(shí)帶動(dòng)3根或3根以下被測(cè)絲杠進(jìn)行測(cè)試。同步帶傳動(dòng)軸遠(yuǎn)離變頻機(jī)端與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器相連，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器另一端與被測(cè)絲杠相連，可測(cè)量輸入扭矩。該試驗(yàn)臺(tái)通過滾珠絲杠副螺母軸向加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部加載，并采用拉壓力傳感器對(duì)加載力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。噪聲傳感器安裝在被測(cè)絲杠螺母上，測(cè)量絲杠運(yùn)行過程中的噪聲。振動(dòng)傳感器分別布置在垂直于被測(cè)絲杠軸線的水平和豎直方向，來測(cè)量這兩個(gè)方向的振動(dòng)。

動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、噪聲傳感器、振動(dòng)傳感器的信號(hào)讀入計(jì)數(shù)卡，計(jì)數(shù)卡再將電子信號(hào)送入工控機(jī)。拉壓力傳感器通過放大，濾波后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖4　加載機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)示意圖

2.2可靠性試驗(yàn)方法

采用本試驗(yàn)裝置進(jìn)行滾珠絲杠副可靠性的測(cè)量，試驗(yàn)方法步驟如下：

1) 抽取樣本。在已經(jīng)驗(yàn)收合格的產(chǎn)品批次中，隨機(jī)抽取同工藝、同規(guī)格產(chǎn)品，樣本檢驗(yàn)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同一類型的滾珠絲杠副至少抽取兩根，并在滾珠絲杠副的非工作表面上編號(hào)。

2) 檢驗(yàn)被測(cè)件。對(duì)被測(cè)滾珠絲杠副進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其精度，摩擦力矩等性能參數(shù)并進(jìn)行記錄，檢測(cè)其預(yù)緊力是否達(dá)到要求，確定支撐軸承的安裝是否達(dá)到試驗(yàn)所需的要求。

3) 安裝被測(cè)件。將被測(cè)滾珠絲杠副正確安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，并確認(rèn)各傳感器可以測(cè)量出摩擦阻力矩、噪聲、振動(dòng)等信號(hào)；根據(jù)需求，確定是否進(jìn)行預(yù)拉伸，如需預(yù)拉伸，在被測(cè)件尾端進(jìn)行加載實(shí)施預(yù)拉伸，預(yù)拉伸量根據(jù)拉壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4) 調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)。檢查傳動(dòng)鏈，確保其正確、無阻礙、無異常，對(duì)加載電機(jī)和減速器及其齒輪傳動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，確保試驗(yàn)臺(tái)施加載荷誤差控制在±5%范圍內(nèi)。對(duì)拖動(dòng)電機(jī)和減速器進(jìn)行試驗(yàn)，確保轉(zhuǎn)速誤差控制在±2%范圍內(nèi)。檢驗(yàn)電氣系統(tǒng)，確保其安全可靠，檢查冷卻、潤(rùn)滑等輔助系統(tǒng)，確保其安全可靠。

5) 進(jìn)行試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。先啟動(dòng)潤(rùn)滑、冷卻等輔助系統(tǒng)；然后啟動(dòng)加載伺服電機(jī)，對(duì)被測(cè)滾珠絲杠副進(jìn)行軸向加載，通過控制系統(tǒng)將載荷加至試驗(yàn)指定值，并保持載荷不變；啟動(dòng)拖動(dòng)變頻電機(jī)，并通過變頻器控制其進(jìn)行正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠螺母往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)過程中對(duì)摩擦力矩，噪聲，振動(dòng)等性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。在試驗(yàn)過程中，若滾珠絲杠副出現(xiàn)超過允許值的噪聲或振動(dòng)，則判定為故障，更換受損部件并記錄時(shí)間后繼續(xù)試驗(yàn)。若經(jīng)過維修、更換部件后仍無法正常工作，則視為失效，停止試驗(yàn)。停機(jī)時(shí)，先關(guān)閉拖動(dòng)伺服電機(jī)，再關(guān)閉加載伺服電機(jī)，最后關(guān)閉潤(rùn)滑、冷卻等輔助系統(tǒng)，并對(duì)其相關(guān)的性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和記錄。

6) 重復(fù)試驗(yàn)。重復(fù)步驟2)~5)，對(duì)抽取樣本的其他滾珠絲杠副進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障和各項(xiàng)性能參數(shù)。

7) 分析結(jié)果并撰寫試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)過程中，由于載荷不適當(dāng)，轉(zhuǎn)速異常，供油欠缺及燒傷卡死等原因所造成的失效品，不得計(jì)入正常失效數(shù)據(jù)中。有要求時(shí)，可按有

關(guān)規(guī)定，對(duì)典型失效品進(jìn)行失效分析。對(duì)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，繪制相關(guān)曲線圖。

3滾珠絲杠副可靠性評(píng)估方法

通過對(duì)試驗(yàn)過程中的觀察、記錄和試驗(yàn)結(jié)束以后測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得知各系列滾珠絲杠副故障信息，并建立失效模式與失效影響分析檔案，同時(shí)可獲得產(chǎn)品的可靠性水平。通過對(duì)試驗(yàn)過程中產(chǎn)品精度和性能的檢測(cè)、記錄與分析，可以得到滾動(dòng)功能部件精度和性能的變化情況。通過環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)暴露產(chǎn)品的問題以后，要針對(duì)問題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后仍需再試驗(yàn)，如有必要還需通過可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品，最終要使?jié)L珠絲杠副的可靠性水平達(dá)到或超過指標(biāo)的要求。

4結(jié)語

滾珠絲杠副是高檔數(shù)控機(jī)床的重要元件之一，國(guó)內(nèi)在對(duì)滾動(dòng)功能部件的研究方面與國(guó)外還存在較大的差距。文中針對(duì)滾珠絲杠副，總結(jié)了其主要的失效模式和故障，提出了對(duì)應(yīng)的可靠性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，給出了可靠性試驗(yàn)方法與步驟，并對(duì)相應(yīng)的評(píng)價(jià)過程進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述。該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)常用型號(hào)和類型的滾珠絲杠副均可進(jìn)行可靠性測(cè)試，能很好地反應(yīng)出滾珠絲杠副運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障，并及時(shí)記錄發(fā)生故障時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，為以后滾珠絲杠副的可靠性研究提供依據(jù)。在后期的試驗(yàn)過程中，還要繼續(xù)對(duì)可靠性試驗(yàn)方法和評(píng)估方法進(jìn)行不斷地完善，確保試驗(yàn)的精確性。

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Study of Testing Equipment and Methods for Reliability of Ball Screw

CHEN Ye-yan，OU Yi，HAN Jun，F(xiàn)ENG Hu-tian

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Abstract:Ball screw is used as the preferred component of mechanical transmission and location, its reliability may have influence on the system running. This paper generalizey the main failure type of the ball screw from the relevant conditions of its reliability, designs a test bench for the reliability of the ball screw independently, describes the measurement of under methods each factor and puts forward its reliability test and assessment methods.

Keywords:ball screw; reliability; testing methods; assessment methods

基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金航空聯(lián)合開放基金資助項(xiàng)目(2014028024)

收稿日期：2014-12-02

中圖分類號(hào)：TH131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0021-03

作者簡(jiǎn)介：陳燁妍(1988-)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闈L動(dòng)功能部件試驗(yàn)技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)、制造。