直線滾柱導軌副壽命試驗研究*

康獻民，趙美玲

（1.五邑大學，廣東 江門 509020；2.廣東高新凱特精密機械股份有限公司，廣東 江門 529000）

滾動直線導軌副作為一種滾動功能部件，廣泛應用于數控機床、精密儀器等方面，但是對于滾動直線導軌副最重要的性能——負載能力，及在載荷環境下運行的壽命及可靠性的研究還需要進一步的開展。由于按照傳統的壽命試驗技術，產品的壽命評估難在可行的時間內完成，因而加速壽命試驗的研究受到了企業廣泛重視。按照試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗。由于恒定應力試驗相對簡單，本文根據恒應力試驗概念，開發了直線滾動導軌壽命試驗系統，并對相關產品進行了檢測評價，取得了較好的經濟和技術效益。

1 直線滾柱導軌副壽命的基本理論

滾珠直線導軌副壽命的衡量標準為：在允許的環境條件中，在承受負載等于額定動載荷C（kN）的情況下，連續導向行程達到50 km（基準行程壽命）時有95%（基準可靠度）不產生材料疲勞破壞。

滾動直線導軌額定壽命為：在相同的工作條件下，同一批導軌組件分別運行，其中90%的導軌組件尚未出現疲勞剝落現象之前，滑塊相對于導軌運行距離的總和或一定運行速度下的工作小時數。根據參考文獻可求得直線導軌副疲勞壽命如下。

對于LGR35EA型有：

式中：L為額定壽命（km），C為額定動載荷，Pc為實際載荷， fH為滾道面的硬度系數，fT為溫度系數， fC為接觸系數， fW為載荷系數。

2 滾柱導軌副加速壽命試驗要求

2.1 試驗目的

測試重載運行狀態下導軌副疲勞壽命、精度保持性、剛度保持性、塑料配件的使用壽命。其精度保持性要求為：試驗采用的導軌副精度等級均為D級，要求試驗完成后導軌副仍保持有D級精度特性；其剛度保持性要求：試驗采用的導軌副均為重預壓預加載荷，要求試驗完成后導軌副剛性不低于中預壓剛性值；其塑料配件的使用壽命要求：要求跑合試驗完成后導軌副返向端蓋、密封件外觀完好，磨損量小，能繼續保持正常的使用，未出現疲勞壽命下的崩裂現象。

試驗條件：滑塊移動速度：30 m/min；跑合行程：900 mm；潤滑油脂：采用美孚力士滑脂EP02335LB。

2.2 試驗條件

HTSD-LGR35 EA，P3=1×1620 D，滾柱直徑:Da=4.503 mm ，剛度：K=157 MPa，自動供油，每60分鐘0.4cm3，額定動載荷C=5800 kgf，額定靜載荷C0=11200 kgf，外加載荷：壓力3000 kg。

HTSD-LGR45 EA，P3=1×1620 D，滾柱直徑:Da=4.993 mm，剛度：K=219 MPa，潤滑頻率：自動供油，每60分鐘0.5cm3，額定動載荷C=9200 kgf，額定靜載荷C0=18500 kgf，外加載荷：壓力4000 kg。

3 試驗系統設計及結構

為了本文完成要求的試驗任務，開發了一種測試導軌副在受不同載荷下實際的使用壽命及可靠性的，結構合理，實用性強，操作方便，一次可進行兩套導軌副同時試驗的直線滾動導軌副重載壽命試驗機。

圖1中，1為加壓油缸，2為頂桿，3為壓板，4為調整螺釘，5壓力傳感器，6為被測導軌，7為輔助導軌，8為移動傳遞系統。

圖1 試驗系統的結構圖

如圖1所示，基座上安裝有電機，試驗系統采用伺服電機連接絲杠實現工作臺直線往復運動，電機通過移動傳遞系統（絲桿與滑臺）連接，滑臺底部的左右兩側安裝有輔助導軌副7與基座相連接，滑臺頂部設置有左、右液壓缸，左、右液壓缸上的頂桿通過壓板與設置在基座左右側部的測試導軌副相連接。采用液壓站連接液壓缸提供被測導軌副的負載壓力，另外通過電腦對試驗過程中的運動速度、行程、壓力情況進行數字化控制。采用該結構的壽命試驗機，被測試導軌副采用兩側面對稱安裝方式，一次同時進行兩組導軌副壽命跑合試驗。另外，液壓缸以及壓板等部件組成的力傳遞裝置均為左右對稱結構排布，兩液壓缸輸出的力在基座中互相抵消，以避免輔助導軌副承受過多的測試載荷，延長輔助導軌的使用壽命。

為了便于對加載力的控制，在左右兩個導軌副上均安裝有壓力傳感器，可實時測量導軌副受壓情況，以方便控制系統通過液壓伺服控制系統對左、右液壓缸輸入的壓力進行調節。液壓伺服控制系統能夠通過檢測導軌副上加載的載荷數據，實現反饋調節，保證加載載荷的穩定性。

圖2 導軌副壽命試驗裝置

4 試驗結果分析

4.1 試驗結果

（1）LGR35導軌副跑合試驗結果

導軌副疲勞壽命：本導軌副跑合了450 km，超過了理論壽命440 km，導軌、滑塊溝槽表面及滾柱滾子表面出現磨痕、亮帶，表面未見麻點，未發生魚鱗狀薄片的剝落，導軌副未達到疲勞壽命。

精度保持性：試驗前后滾柱直徑精度變化，試驗前Da=4.503 mm，試驗后Da=4.502～4.503 mm最大精度變化1μm；試驗前導軌副綜合精度等級為D級，試驗后導軌副仍滿足D級精度要求，如表1。

表1 LGR35導軌副精度表

導軌副剛度保持性：試驗前導軌副剛度K=157kgf/μm，試驗后K=139kgf/μm，剛度相對減少18kgf/μm，對比剛度表如表2，導軌副試驗后剛度不低于中預壓剛性值，滿足試驗目標。

表2 LGR35導軌副剛度表

塑料配件的使用情況：密封端蓋有輕微磨損，導致外部密封不夠嚴密，導軌表面上有少量油污；內部密封件外觀正常沒有損壞，滑塊內部密封性能良好；返向端蓋外觀正常，沒有損壞，能繼續使用。

（2）LGR45導軌副跑合試驗結果

導軌副疲勞壽命：本導軌副跑合了800 km，超過了理論壽命（781 km），導軌、滑塊溝槽表面及滾子表面出現磨痕、亮帶，表面未見麻點，未發生魚鱗狀薄片的剝落，導軌副未達到疲勞壽命。

圖3 LGR35導軌副試驗前后剛性值

精度保持性：試驗前后滾子直徑精度變化，試驗前 Da=4.993 mm，試驗后Da=4.991～4.992 mm，最大精度變化2μm；試驗前導軌副綜合精度等級為D級，試驗后導軌副仍滿足D級精度要求，如表3。

表3 LGR45導軌副精度表

導軌副剛度保持性：試驗前導軌副剛度K=219 MPa，試驗后K=204 MPa，剛度相對減少15 MPa。對比剛度表，導軌副實驗后剛度不低于中預壓剛性值。

塑料配件的使用情況：密封端蓋有輕微磨損，導致外部密封不夠嚴密，導軌表面上有少量油污；內部密封件外觀正常沒有損壞，滑塊內部密封性能良好；返向端蓋外觀正常，沒有損壞，能繼續使用。

表4 LGR45剛度表

圖4 LGR45導軌副試驗前后剛性值

4.2 試驗結果分析

LGR35導軌副，加載壓力3000 kg，理論壽命440 km，已跑合行程450 km，現跑合試驗超過理論壽命。導軌、滑塊溝槽出現磨痕、亮帶，并未發生魚鱗狀薄片的剝落現象；滾子發生磨損，直徑減少1μm，導軌副剛性有所下降但仍滿足P2預緊力要求；這表明導軌的滑塊溝槽表面粗糙度、淬火層硬度和深度均滿足實際使用要求，滾柱性能滿足產品使用；密封端蓋有輕微磨損。

LGR45導軌副，加載壓力4000 kg，理論壽命780 km，已跑合行程800 km，現跑合試驗超過理論壽命。導軌、滑塊溝槽出現磨痕、亮帶，并未發生魚鱗狀薄片的剝落現象。滾子發生磨損，直徑減少2 μm，導軌副剛性有所下降但仍滿足P2預緊力要求。這表明導軌的滑塊溝槽表面粗糙度、淬火層硬度和深度均滿足實際使用要求，滾柱性能滿足產品使用。密封端蓋有輕微磨損。

5 結論

通過本試驗，在給定的試驗條件下，兩種直線導軌的滑塊溝槽表面粗糙度、淬火層硬度和深度、滾柱均能夠滿足實際使用壽命的要求。

采用加速壽命試驗能夠縮短試驗時間和節約試驗經費，有明顯的經濟效益。本項目由于試驗時間與載荷設定有限，因此測試參數的代表性不夠完善，有待今后繼續進一步試驗完善。

［1］徐起賀，孫健利.滾動直線導軌副一般載荷下額定壽命的計算［J］.現代機械，2002（1）：24-28.

［2］徐起賀.滾動直線導軌系統額定壽命計算的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2000（12）：21-23.

［3］GB2689.1-81.恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則［S］.

［4］王堅永，莊中華.滾動軸承可靠性加速壽命試驗研究［J］.軸承，1996（3）：23-28.

［5］陳循，張春華.加速試驗技術的研究、應用與發展［J］.機械工程學報，2009，45（8）：130-136.

［6］張仕念，趙韶平，常波，等.加速壽命試驗的數學模型［A］.中國電子學會可靠性分會第十三屆學術年會論文選［C］.2006.

［7］張春華，溫熙森，陳循.加速壽命試驗技術綜述［J］.兵工學報，2004（7）：485-489.

［8］闞樹林，樊迅·邊瀟，等.非恒定應力加速壽命試驗模型及應用［A］.2010年全國機械行業可靠性技術學術交流會暨第四屆可靠性工程分會第二次全體委員大會論文集［C］.2010.