滾珠絲杠副可靠性試驗設備和試驗方法研究

陳燁妍，歐屹，韓軍，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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滾珠絲杠副可靠性試驗設備和試驗方法研究

陳燁妍，歐屹，韓軍，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：滾珠絲杠副作為數控機床機械傳動與定位的首選部件，其可靠性影響著系統的正常工作。通過分析滾珠絲杠副可靠性包含的相關內容，總結滾珠絲杠副的主要失效類型，自主設計了滾珠絲杠副可靠性試驗臺，介紹了各影響因素的測量方法，提出了滾珠絲杠副可靠性試驗方法和評估方法。

關鍵詞：滾珠絲杠副；可靠性；試驗方法；評估方法

0引言

滾珠絲杠副具有傳動效率高、定位精度高、傳動可逆、使用壽命長、同步性能好等優點，在機床行業得到了廣泛的應用。滾珠絲杠副作為機械傳動與定位的首選部件，其可靠性影響著系統的正常工作。我國滾動功能部件起步于20世紀60年代，是伴隨著國產數控機床的發展而逐漸發展起來的。經過幾十年的不斷改進，在產品種類、規模以及技術水平上都取得了巨大成就[1,2]。目前，國內外公開的關于滾珠絲杠副可靠性的相關研究成果很少，很多技術與研究成果僅限于在國外公司內部使用，國內企業普遍缺少專用的滾珠絲杠副可靠性檢測與試驗設備。正是由于基礎理論、試驗研究的不足以及生產技術的差距，國產高端滾動功能部件與NSK，THK等國外知名企業的同類產品相比在產品品質與可靠性方面還有一定差距。為了提高國產高端滾動功能部件的可靠性水平，研制出高品質、高可靠性的滾動功能部件，對試制產品進行試驗、分析和改進是一種有效的途徑。可靠性試驗是研究內容較廣、研究深度較深的一類試驗，其對應的分析與評估方法能全面、深入地反映出滾動功能部件的精度、性能、疲勞壽命等重要特性，因此，研究滾動功能部件可靠性試驗、分析與評估方法，將是滾動功能部件產品改進與提高的基礎[3]。

在滾珠絲杠副理論和基礎研究方面，雖然國內針對滾珠絲杠副性能測試與力學分析、結構與受力分析的研究相對較多[4-7]，且取得了一定的研究成果，但是直接針對滾珠絲杠副可靠性進行試驗、分析與評估方法研究的成果很少，只有GB/T 23568.1《機床功能部件可靠性評定總則》概括介紹了功能部件在進行可靠性試驗時的一般要求、試驗方式、試驗內容、試驗要求、故障判定準則、可靠性評定指標以及結果判定等。針對該現狀，結合滾珠絲杠副可靠性試驗臺對滾珠絲杠副的可靠性試驗方法和評估方法進行研究。

1滾珠絲杠副可靠性概念與體系

根據國家標準GB/T 3187-94《可靠性、維修性術語》，可靠性定義為“產品在規定條件下和規定的時間區間內完成規定功能的能力。”滾珠絲杠副主要包括以下幾個部分：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載作用下相互接觸，當接觸應力超過彈性極限后，就要產生塑性變形，在滾道表面出現永久性印痕；2) 滾珠不斷地從滾道表面某一定點滾過，接觸處承受著重復接觸應力的作用，經過一定的應力循環次數后，滾道表面就要產生疲勞點蝕。任何一種失效形式的產生都會使傳動品質下降,最后導致失效[8]。

當滾珠絲杠副工作過程中出現任何一種失效形式，都會產生振動和噪聲，嚴重的會發生卡死現象。一旦誤差值超過允許值，絲杠副就無法正常工作，要進行維護、修理、更換部件或報廢等相關處理，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方案

可靠性試驗是為了了解、評價、分析和提高產品的可靠性而進行的各種試驗的總稱，其主要因素就是可靠性定義中的“三規定”在試驗過程中的具體體現，其對應關系見圖1[9]。

圖1　可靠性試驗考慮的因素與可靠性“三規定”的關系

滾珠絲杠副有高速、精密、重載三種，對于高速滾珠絲杠副，可靠性試驗以檢驗性能指標為主，其性能參數包括速度、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行評估；對于重載滾珠絲杠副，可靠性試驗以檢驗壽命指標為主，通過測定滾珠絲杠副的反向間隙、摩擦力矩以及觀察疲勞點蝕來判定，其可靠性以疲勞壽命進行評估；對于精密滾珠絲杠副，可靠性以檢驗精度指標為主，通過測定絲杠精度和有效精度保持時間來判定，其可靠性以精度保持性進行評估。

根據上述滾珠絲杠副的主要失效模式和可靠性試驗的主要因素，制定了以下試驗方案：試驗裝置采用模擬加載跑合的方案，能對滾珠絲杠副進行較為全面的試驗。為了盡可能的模擬工作工況，滾珠絲杠副可靠性試驗在恒溫20℃±5℃下進行。為了提高測試效率，可同時測量幾根被測件；用于試驗的樣品來自同一批次并已檢驗合格的產品，每批隨機抽取至少2根，產品公稱直徑在20 mm～63mm之間，長度<2100mm。在試驗過程中，通過聽和看來判斷滾珠絲杠副是否發生噪聲、振動、卡死等故障，予以及時處理。可靠性試驗采用定時截尾試驗，當試驗時間達到5000h時截止試驗，記錄整理數據進行分析和評估。

2.1試驗臺簡介及分析

根據滾珠絲杠副可靠性試驗方案，自主設計了滾珠絲杠副可靠性試驗臺。如圖2、圖3所示，該試驗裝置的總體結構組成，具體表述如下：

1—尾架絲杠支撐單元；2—床身；3—被測絲杠；4—加載機構；5—被測絲杠螺母；6—應變式拉壓力傳感器；7—振動傳感器；8—噪聲傳感器；9—頭架絲杠支撐單元；10—聯軸器；11—動態扭矩傳感器；12—同步帶傳動軸圖2　滾珠絲杠副可靠性試驗臺的結構組成及連接組件示意圖

圖3　滾珠絲杠副可靠性試驗臺三維模型圖

該試驗臺主要由頭架組件、尾架組件、加載組件、傳動組件、測量組件、限位組件和潤滑組件構成。頭架組件采用一體式設計，便于安裝和定位，同時固定了3根被測絲杠副之間的距離，避免了加載組件運行時產生干涉的問題。尾架組件采用分離式設計，單獨定位安裝，便于調節被測絲杠副的同軸度。頭、尾架組件的絲杠支撐單元均采用可更替工裝，通過更換相應的工裝可以滿足φ20mm-φ65mm絲杠的拆裝，并且尾架可以移動，可適應被測絲杠的不同長度，且便于被測絲杠的拆裝。加載組件通過伺服電機帶動，經齒輪傳動和梯形絲杠傳動，可以在較短的長度范圍內達到所需的加載載荷，最大可達2t，并通過拉壓力傳感器實時對載荷大小進行監測，其主要結構如圖4所示。傳動組件采用變頻機驅動，圓弧齒同步帶傳動，可實現零轉速全轉矩、低頻大力矩、高精度轉速控制、位置控制及快速動態響應控制，并準確保證了被測絲杠副的同步度。測量組件包括動態扭矩傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器和應變式拉壓力傳感器。限位組件包括接近開關和限位開關。潤滑組件包括潤滑泵、定量注油器、油管等，主要采用點潤滑，每隔20min潤滑一次。

該試驗臺的工作原理為：被測絲杠兩端采用絲杠支撐單元支撐，并由變頻電機驅動其正、反轉動，從而帶動加載機構進行來回往復運動。變頻機通過同步帶傳動，可同時帶動3根或3根以下被測絲杠進行測試。同步帶傳動軸遠離變頻機端與動態扭矩傳感器相連，動態扭矩傳感器另一端與被測絲杠相連，可測量輸入扭矩。該試驗臺通過滾珠絲杠副螺母軸向加載機構進行內部加載，并采用拉壓力傳感器對加載力進行實時測量。噪聲傳感器安裝在被測絲杠螺母上，測量絲杠運行過程中的噪聲。振動傳感器分別布置在垂直于被測絲杠軸線的水平和豎直方向，來測量這兩個方向的振動。

動態扭矩傳感器、噪聲傳感器、振動傳感器的信號讀入計數卡，計數卡再將電子信號送入工控機。拉壓力傳感器通過放大，濾波后送入計算機進行處理。

圖4　加載機構主要結構示意圖

2.2可靠性試驗方法

采用本試驗裝置進行滾珠絲杠副可靠性的測量，試驗方法步驟如下：

1) 抽取樣本。在已經驗收合格的產品批次中，隨機抽取同工藝、同規格產品，樣本檢驗符合相關標準。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。

2) 檢驗被測件。對被測滾珠絲杠副進行檢驗，確定其精度，摩擦力矩等性能參數并進行記錄，檢測其預緊力是否達到要求，確定支撐軸承的安裝是否達到試驗所需的要求。

3) 安裝被測件。將被測滾珠絲杠副正確安裝在試驗臺上，并確認各傳感器可以測量出摩擦阻力矩、噪聲、振動等信號；根據需求，確定是否進行預拉伸，如需預拉伸，在被測件尾端進行加載實施預拉伸，預拉伸量根據拉壓力傳感器進行監測。

4) 調試試驗臺。檢查傳動鏈，確保其正確、無阻礙、無異常，對加載電機和減速器及其齒輪傳動進行試驗，確保試驗臺施加載荷誤差控制在±5%范圍內。對拖動電機和減速器進行試驗，確保轉速誤差控制在±2%范圍內。檢驗電氣系統，確保其安全可靠，檢查冷卻、潤滑等輔助系統，確保其安全可靠。

5) 進行試驗并采集數據。先啟動潤滑、冷卻等輔助系統；然后啟動加載伺服電機，對被測滾珠絲杠副進行軸向加載，通過控制系統將載荷加至試驗指定值，并保持載荷不變；啟動拖動變頻電機，并通過變頻器控制其進行正反轉帶動滾珠絲杠螺母往復運動。在試驗過程中對摩擦力矩，噪聲，振動等性能參數進行實時監測和記錄。在試驗過程中，若滾珠絲杠副出現超過允許值的噪聲或振動，則判定為故障，更換受損部件并記錄時間后繼續試驗。若經過維修、更換部件后仍無法正常工作，則視為失效，停止試驗。停機時，先關閉拖動伺服電機，再關閉加載伺服電機，最后關閉潤滑、冷卻等輔助系統，并對其相關的性能參數進行檢測和記錄。

6) 重復試驗。重復步驟2)~5)，對抽取樣本的其他滾珠絲杠副進行可靠性試驗，記錄試驗過程中出現的故障和各項性能參數。

7) 分析結果并撰寫試驗報告。試驗過程中，由于載荷不適當，轉速異常，供油欠缺及燒傷卡死等原因所造成的失效品，不得計入正常失效數據中。有要求時，可按有

關規定，對典型失效品進行失效分析。對記錄的試驗數據進行可靠性分析，繪制相關曲線圖。

3滾珠絲杠副可靠性評估方法

通過對試驗過程中的觀察、記錄和試驗結束以后測得的數據進行分析，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，同時可獲得產品的可靠性水平。通過對試驗過程中產品精度和性能的檢測、記錄與分析，可以得到滾動功能部件精度和性能的變化情況。通過環境應力試驗暴露產品的問題以后，要針對問題進行改進，改進后仍需再試驗，如有必要還需通過可靠性增長試驗進一步改進產品，最終要使滾珠絲杠副的可靠性水平達到或超過指標的要求。

4結語

滾珠絲杠副是高檔數控機床的重要元件之一，國內在對滾動功能部件的研究方面與國外還存在較大的差距。文中針對滾珠絲杠副，總結了其主要的失效模式和故障，提出了對應的可靠性試驗臺設計方案，設計了試驗裝置，給出了可靠性試驗方法與步驟，并對相應的評價過程進行了簡要敘述。該試驗臺對常用型號和類型的滾珠絲杠副均可進行可靠性測試，能很好地反應出滾珠絲杠副運行過程中出現的各種故障，并及時記錄發生故障時的相關數據，為以后滾珠絲杠副的可靠性研究提供依據。在后期的試驗過程中，還要繼續對可靠性試驗方法和評估方法進行不斷地完善，確保試驗的精確性。

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Study of Testing Equipment and Methods for Reliability of Ball Screw

CHEN Ye-yan，OU Yi，HAN Jun，FENG 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

基金項目：遼寧省自然科學基金航空聯合開放基金資助項目(2014028024)

收稿日期：2014-12-02

中圖分類號：TH131

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0021-03

作者簡介：陳燁妍(1988-)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向為滾動功能部件試驗技術，機械設計、制造。