滾動直線導軌副可靠性試驗品質評價*

柯　楠，徐　陽，歐　屹，王禹林，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，南京　210094)

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滾動直線導軌副可靠性試驗品質評價*

柯楠，徐陽，歐屹，王禹林，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，南京210094)

對市場上主流的滾動直線導軌副進行了功能可靠性定時截尾試驗，同時，針對截尾無故障的試驗結果提出了品質量的評價方案。方案中，參考可靠度計算原理，定義了品質量的計算方法，并驗證了其取值區間合理性，最后對被測滾動直線導軌副進行了品質量計算，完成了該產品的無故障可靠性評價。為機械產品小子樣可靠性試驗中無故障結果提供新的評價方法。

直線導軌；可靠性；無故障；品質；評價

0　引言

機械可靠性是指機械產品在規定的使用條件下、規定的時間內完成規定功能的能力[1]。對于機械產品的可靠性試驗和評價，大多來源于電子產品可靠性研究經驗基礎上的再發展。文獻[2]介紹了特征量為結構強度、壽命(服從weibull分布)、功能參數等三種典型非電子產品可靠性試驗基本方案，而針對滾動直線導軌副產品進行功能可靠性試驗滿足特征量為功能參數的非電子產品可靠性基本試驗，試驗樣本小，但零故障的試驗結果無法用理論進行有效分析。文獻[3]針對數控機床機械產品建立了基于威布爾分布的定時截尾可靠性試驗方案，方案中，威布爾分布理論無法應用在無故障的截尾導軌副可靠性試驗結果內。劉濤[4]介紹了基于用戶需求驅動模型和模糊綜合評價模型對汽車整車品質評價指標的研究，將汽車整車分解成多級進行品質評價，為客戶提供選擇參考。此文將品質評價應用于汽車整車產品中對導軌產品可靠性試驗具有借鑒意義。文獻[5]將噪聲品質作為評價6缸柴油機性能的研究指標，分析了影響這一指標的各參量，通過試驗建立了噪聲品質預測模型，為直線導軌副品質評價這一方法提供了思路。

針對滾動直線導軌副這一機械產品的可靠性研究可以展開為精度可靠性、功能可靠性、壽命可靠性這三個方面進行。其中，功能可靠性中故障表現形式對照機械系統典型故障模式舉例[6]可以具體為：滾動體壓潰、滑塊卡死、反相器破裂或飛出、密封蓋損壞、滾道面出現坑洼破損等。通過定時截尾的功能可靠性試驗發現，在截尾里程相同的情況下，選取的4家市場主流導軌產品的試驗結果都是無故障。本文在無故障試驗結果中，通過分析試驗件之間的普遍區別，提出了一種滾動直線導軌副無故障下的可靠性評價方法——品質評價，從而來區分不同滾動直線導軌副在功能可靠性試驗后的質量差異，拓寬了功能可靠性試驗的意義。

1　功能可靠性試驗

普遍的，機械產品可靠性試驗周期長，難以獲取大量子樣容量，費資、費力，備件費用大[7]，因此滾動直線導軌副機械產品功能可靠性試驗是建立在小子樣廣義定時截尾試驗基礎上開展，廣義定時截尾試驗中的工作時間t在試驗中通過設定導軌副跑合里程L來代替。在試驗設定的截尾里程L內，考察導軌副的故障次數n。

1.1試驗設備

試驗使用了可提供被測導軌承載向最大5t的持續承載載荷的滾動直線導軌副可靠性試驗臺進行試驗，如圖1。試驗臺一次可同時試驗兩根導軌，采用齒輪齒條驅動龍門往復高速運動，最高速度可達100m/min。龍門兩側安裝有手動加載裝置，對兩側被測導軌進行對稱加載。試驗中，設置了噪聲采集器，捕捉可靠性試驗中滑塊工作異常的噪聲值，供試驗員判斷故障；同時，單根被測導軌滑塊上安裝了兩軸振動傳感器，采集滑塊工作中的振動值，用于故障判斷。

圖1　滾動直線導軌副可靠性試驗臺

1.2試驗條件

試驗試件選取四家市場主流導軌產品，具體型號數量如表1(鑒于試驗處于研究所設定的條件中進行，結果僅具有科研意義，故將被測件廠家與型號進行處理)：

表1　被測試驗件型號與數量

試驗被測導軌采用步進加載方式，加載載荷與工作速度、工作里程按表2分配。

表2　被測件試驗條件

基于步進加載試驗當量載荷[8]

(1)

其中：P為重載滾動直線導軌副的全程等效額定載荷，L為重載滾動直線導軌副的全部行程，n為分段跑合次數，qk(1≤k≤n)為對應行程lk的加載載荷，lk為分段的跑合行程。參照公式(1)計算得試驗當量載荷P=11.6%C，其中，C為額定動載荷。

1.3試驗過程

試驗開始前，以及開始后每運行50km進行一次振動和噪聲的測試，并打印報表輸出，測試在50m/min的運行速度以及10%C的負載條件下進行。試驗中，試驗員每日參照滾動直線導軌副功能可靠性試驗故障評價指標對被測件進行功能可靠性狀況的記錄，被測件及試驗設備的潤滑及維護通過試驗員試驗值班過程中保證，如圖2。

圖2　可靠性摸底試驗結果

試驗中，滾動直線導軌副功能可靠性的故障表現形式通過測試振動與噪聲表現，定期測得振動與噪聲值與初始值進行比對，比對出的異常振動幅值與噪聲分貝值作為故障在試驗記錄表中記錄。

1.4試驗結果

在以上試驗計劃安排下，對行業內四家廠家進行了功能可靠性的摸底試驗，試驗結果如表3所示。

表3　可靠性摸底試驗結果

通過試驗，可以初步得出判斷，市場上主流導軌廠家的主流滾動直線導軌產品都能通過至少300km截尾的功能可靠性試驗(當量載荷P=11.6%C)。

可是，通過試驗過程中對被測件的細致觀察發現，不同廠家的導軌產品在相同的試驗條件試驗過程中，雖然功能可靠性結果是一致的，但導軌面、滾動體、潤滑溢出物等一些方面卻有本質的區別：廠家一的產品500km后溢出物清亮、滾道無壓痕；廠家二的產品1320km后滾道無壓痕、溢出物含有黑色雜質；廠家三的產品400km后溢出紅黑色物體、滾動體有紅褐色斑痕；廠家四的產品溢出紅黑色物體、滾道有輕微壓痕；如圖3。

廠家一試驗500km后溢出物與滾道狀態

廠家二試驗1320km后滾道與滑塊狀態

廠家三試驗400km后溢出物與滾動體狀態

廠家四試驗300km后溢出物與滾道狀態

2　無故障評價

針對傳統的滾動直線導軌副功能可靠性試驗，不同廠家、不同型號、不同性能的被測導軌，長期跑和只能得出在截尾里程試驗內各種功能故障發生的次數，然而初步試驗反映了滿足主機使用里程要求內各廠家導軌功能故障次數為零。這些區別目前看，在設定的試驗截尾里程內暫不影響導軌功能可靠性，并不排除截尾里程拉長后對功能可靠性故障指標的影響。同時，這些區別反映了不同廠家的導軌用料質量、熱處理工藝、加工工序等生產制造環節內的差異，也是不同廠家導軌生產制造經濟成本的差異，尤其能反映出滾動直線導軌副產品國內與國外先進水平質量的差異[9]，為了在同樣無故障試驗結果下區別這些差異，引入品質量Q(quality)作為評價指標。

2.1評價指標定義

品質量Q的定義是：以合格出廠的全新導軌賦予品質量Q=1.0(全新出廠工作里程L=0)，工作δ里程后，品質量Q為a，即Q(L=δ)=a(00)。

目前通過試驗不同廠家的導軌產品進行觀察比對，可以將品質量Q拆分成4個部分，各部分引入品質分量qi作為評價指標，品質分量qi的定義是：以合格出廠的全新導軌在i方面表現賦予品質量qi=1.0(全新出廠工作里程L=0)，工作δ里程后，品質分量qi為b，即q(L=δ)=b(0.60)。這4個品質分量為滾道品質分量q1、滾動體品質分量q2、溢出物品質分量q3、其他品質分量qx。每項品質分量的取值需對照品質分量表，查表確定。

2.2評價指標運算

在進行評價指標模型建立之前，先做兩個假設[10]：

(1)單元與系統只可能有兩個狀態——正常和故障，而沒有中間狀態。

(2)各單元的失效與否是相互獨立的，即任一單元的失效不會引起其他單元的失效。

可靠性理論中關于可靠度的計算，首先對系統中各單元進行串并聯判斷。如果組成系統的所有單元中任何一個失效就會導致系統失效，則稱為串聯系統。串聯系統要能正常工作，組成它的所有單元必須都能正常工作，因此串聯系統的可靠度為[11]：

Rs(t)=R1(t)R2(t)…Rn(t)

(2)

式中，Ri(t)——單元i的可靠度，i=1,2，…n

滾動直線導軌副作為一個承載導向機械裝置，包含了導軌、滾動體、滑塊三個元件組成，該系統三個元件必須同時正常工作才能保證整體正常工作，任一元件故障都會導致系統故障，是一個典型的串聯系統，其可靠性框圖如圖3所示。

圖4　滾動直線導軌副可靠度系統框圖

滾動直線導軌副中，滾道、滾動體、溢出物都屬于導軌、滾動體、滑塊三元件中的各個部分，都能獨立導致導軌失效，之間也符合串聯關系。參照公式(2)得出品質量表達式為：Q(L=δ)=q1(L=δ)·q2(L=δ)·q3(L=δ)·qx(L=δ)(δ>0)。依據品質分量qi的定義，品質分量q1、q2、q3、qx的取值區間為0.6～1。則品質量極限：

2.3關于評價指標的說明

①品質量Q是評價滾動直線導軌副功能可靠性試驗中無故障結論下的一項指標，滾動直線導軌副在無故障L的定時截尾試驗內才有確定值。

②滾動直線導軌副功能可靠性試驗條件對品質量Q結果影響巨大，因此，試驗過程需嚴格按照制定的試驗條件進行，制定加載載荷、速度、里程比、潤滑等統一試驗標準是進行功能可靠性試驗以及品質量Q計算的前提。

③原則上，不同導軌副產品的品質量Q的相互比較需要在相同的試驗里程L與相同的試驗條件下才有意義；但明顯的，相同試驗條件下，不同產品試驗不同里程后，大里程產品計算的品質量值若大于小里程產品計算的品質量值則說明大里程產品品質優于小里程產品。

④品質分量qi以0.6為下極限值，低于0.6的試驗現象都歸結為壽命與故障的表現形式，不加入品質量的計算之中。

⑤品質分量qx作為試驗觀察中的擴充量，觀察到的各項區別可拆分為q4,q5, q6…qr進行細化，沒有區別則視為1.0進行計算。

⑥品質分量得分值通過查閱品質分量表(如表4)確定，品質分量表僅適用于滾動直線導軌副截尾試驗后的性能評價，隨著更大量的截尾試驗展開，內容將更加完善。

2.4滾動直線導軌品質量計算與比較舉例：

基于步進加載試驗當量載荷P =11.3%C下，試驗L=500km中廠家一 35V1SSC0的導軌品質量Q(L=500)的計算如下：

對被測樣件500km試驗后遵照品質分量q1、q2、q3、qx進行觀察。

導軌滾道面光照下幾乎無痕跡，

q1 (L = 500)= 0.99；

滑塊拆出，光照下滾珠光亮如新，

q2 (L= 500) = 0.99；

導軌兩端滑塊運動截止處溢出物為清亮油脂與發黑油脂混合狀，q3 (L = 500)= 0.95；

其他品質分量未發現，qx (L = 500)= 1.00；

故，此被測導軌品質量評價值

Q(L=500)=q1(L=500)·q2(L=500)·q3(L=500)·qx(L=500)=

0.99·0.99·0.95·1.00=0.93;

基于步進加載試驗當量載荷P =11.3%C下，試驗L=400km中廠家三45P1的導軌品質量Q(L=400)的計算如下：

對被測樣件400km試驗后遵照品質分量q1、q2、q3、qx進行觀察。

導軌滾道面光照下整條有輕微亮色壓痕，q1 (L = 400)= 0.90；

滑塊拆出，光照下滾珠有紅褐色斑痕，喪失光澤，

q2 (L = 400)= 0.85；

其他品質分量未發現，

qx (L = 400) = 1.00；

故，此被測導軌品質量評價值

Q(L=400)=q1(L=400)·q2(L=400)·q3(L=400)·qx(L=400)=

0.90·0.85·0.80·1.00=0.61;

對比兩家產品試驗后計算結果，可以認為，廠家一SHS35V1SSC0在使用過程中產品品質上是優于廠家三LGS-45P1的。

試驗中4種被測導軌無故障可靠性評價的品質量Q值如表5所示：

表5　試驗無故障可靠性評價計算表

3　總結

基于滾動直線導軌副定時截尾可靠性試驗結果中無故障的普遍性以及不同品牌被測導軌的表征顯著差異性，提出了品質量Q(quality)的概念；從滾道、滾動體、溢出物、其他品質等四個方面來定性推出Q的值；為滾動直線導軌副無故障結果下的可靠性試驗提供評價指標，用于從可靠性試驗方向來區分不同導軌廠家的直線導軌產品質量；同時，為研究滾動直線導軌副的科研人員提供一些提高滾動直線導軌副產品質量的研究方向。

滾動直線導軌副品質量Q評價思路可以借鑒應用到其他產品的可靠性試驗結果分析中去，以區分不同產品在功能可靠性試驗中的質量狀況。同時，隨著滾動直線導軌副功能可靠性試驗的深入開展，試驗方案的更加優化，對于其無故障下的評價品質量Q還將更加定量化，從滾道的疲勞損傷深淺、溢出物的金屬雜質含量、滾珠表面粗糙度等多重量化角度去研究與分類，更加完善這一品質量定義，讓評價結果更加精準。

[1] 張義民. 機械可靠性漫談[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[2] 汪曉洋.小樣本下可靠性試驗方法與數據處理的研究[D].成都:電子科技大學,2012.

[3] 陳炳琨.數控機床可靠性試驗設計及評估方法研究[D].長春:吉林大學,2011.

[4] 劉濤, 畢傳興, 張永斌.基于模糊綜合評判的汽車整車品質評價指標的研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2011,34(10):1457-1460.

[5] 張俊紅, 何文運, 劉海, 等.基于支持向量機的柴油機噪聲品質客觀評價參量權重分析[J].振動與沖擊,2013(11):112-116.

[6] 謝里陽, 王正, 周金宇, 等. 機械可靠性基本理論與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[7] 喻天翔, 宋筆鋒, 萬方義, 等.機械可靠性試驗技術研究現狀和展望[J].機械強度,2007,29(2):256-263.

[8] 屠國俊, 陶衛軍, 馮虎田, 等.基于步進加載的重載滾動直線導軌副可靠性試驗方法[J].機床與液壓,2012,40(5):4-7.

[9] 趙仲琪.淺談我國滾動功能部件的現狀及發展對策[J].功能部件,2006,4(4):75-77.

[10] 馮虎田. 滾珠絲杠副綜合性能測量方法與技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

[11] 牟致忠. 機械可靠性(理論·方法·應用)[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

(編輯趙蓉)

Quality Evaluation of the Linear Guide in Reliability Tests

KE Nan，XU Yang，OU Yi，WANG Yu-lin，FENG Hu-tian

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

This paper presented some mainstream products of linear guideways based on functional reliability tests at fixed time censoring. Based on the none trouble testing result, one kind of quality evaluation assessment was put forward. In this assessment, quality-value was defined according to the calculating method of the degree of reliability. And the bounds of the quality-value was proved to be reasonable. Finally, all the testing linear guideways were evaluated by the way of quality evaluation assessment. So a new evaluation methodology was provided for the small sample mechanical reliability test.

linear guideways；reliability；failure-free；quality；assessment

1001-2265(2016)07-0150-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.042

2015-07-29；

2015-08-27

國家科技重大專項(2012ZX04002021)

柯楠(1990—)，男，江蘇常州人，南京理工大學博士研究生，研究方向為滾動直線導軌副可靠性與精度保持性研究，(E-mail)kenan_njust@outlook.com。

TH166;TG506

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