滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，包括以下步骤：首先对可靠性加速试验中的故障进行障分类，利用确定的加权系数计算故障数；然后利用可靠性加速试验的载荷条件计算加速试验的应力加速因子；接着利用加速因子计算单应力或双应力水平的平均故障间隔转数；最后利用所有样本下的平均故障间隔时间对滚珠丝杠副的可靠性进行评价。本发明的基于加速寿命时间模型的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，可有效解决当前有故障或无故障等的滚珠丝杠副可靠性问题，进而提高可靠性试验结果的准确性。
【专利说明】
滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法
技术领域
[0001] 本发明属于可靠性设计试验领域，特别是一种滚珠丝杠副可靠性加速试评估验方 法。
【背景技术】
[0002] 滚珠丝杠副是数控机床的核心功能部件，滚珠丝杠副的可靠性将直接影响整个数 控系统的可靠性。高档数控机床的可靠性指标平均故障间隔时间(MTBF)已达数千小时，按 照传统的试验技术对滚珠丝杠副进行试验，在投入一根试验样件时就需要数月甚至几年的 时间才能完成试验，而在投入多根试验样件时，高昂的样件费用同样难以承受。因此，传统 的可靠性试验方法已经不能满足滚珠丝杠副的要求，采用加大应力、缩短试验时间的可靠 性加速试验技术已成为可靠性试验验证技术发展的必然趋势。
[0003] 经查阅相关资料发现，国内目前关于滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法的研究 处于空白状态，具体表现为:缺乏有效的滚珠丝杠副可靠性试验方法、滚珠丝杠副故障分类 和加权不清晰、缺乏有效的计算滚珠丝杠副平均故障间隔转数(MRBF)以及平均故障间隔时 间（MTBF)的方法等。
【发明内容】
[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，进 而提高可靠性试验结果的准确性。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法， 包括以下步骤：
[0006] 步骤1、对可靠性加速试验中的故障进行分类，利用加权系数计算故障数；
[0007] 步骤2、利用可靠性加速试验的载荷条件计算加速试验的应力加速因子；
[0008] 步骤3、利用加速因子计算单应力或双应力水平的平均故障间隔转数；
[0009] 步骤4、确定所有样本下的平均故障间隔时间，完成对滚珠丝杠副的可靠性评价。 [0010]本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提供一种滚珠丝杠副可靠性加 速试验评估方法，可有效解决当前有故障或无故障等的滚珠丝杠副加速可靠性试验结果的 评价问题，进而提高可靠性试验结果的准确性;2)本发明对滚珠丝杠副的故障进行了详细 分类并根据故障类别制订了相应的加权系数，保证了评价结果的准确性;3)本发明对于单 应力或双应力水平下的滚珠丝杠副可靠性评价均使用;4)本发明使用平均故障间隔转数以 及平均故障间隔时间两种指标评价滚珠丝杠副的可靠性，简单易行，科学合理。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法流程图。
【具体实施方式】
[0012] 结合图1，本发明的一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1、对可靠性加速试验中的故障进行分类，利用加权系数计算故障数;具体是 按照表1至表3的内容对滚珠丝杠副进行故障分类与加权。对于试验中发现的故障，根据故 障现象，分析故障模式，进行故障分类，按照规定的加权系数计入故障数。不计入故障:对于 误用故障、误操作故障，不得计入正常故障数据中。对于上表未列出的非滚珠丝杠副产品引 发的关联故障不应计入故障数据，例如:联轴器故障、轴承故障、支撑单元故障。对于从属故 障不重复计算。周期故障:对于周期故障在故障排除之前记录为一个故障，将每次试验中被 测样本故障情况记录，对试验运行情况进行记录。判断所出现故障的可维修性，若属于可修 复故障，及时维修后继续试验，记录维修时间、延误时间，修复时间不计入试验时间。若属于 不可维修故障，中止该被测样本的试验，记录试验中止时间。
[0014] 对可靠性加速试验中的故障进行分类，具体如表1、表2所示：
[0015] 表1滚珠丝杠副故障分类表
[0018] 表2编号规则
[0021 ]所述加权系数如表3所示：
[0022]表3滚珠丝杠副故障加权表
[0024] 利用确定的加权系数计算故障数所用公式为：
[0025] rj= (2Pj X 1」+1)祉職
[0026] 式中，f为到规定的试验截止前，所有样本累计的第j个失效模式的失效总数;匕为 到规定的试验截止前，所有样本累计的第j个失效模式失效的发生次数；I』为第j个失效模 式的加权系数。
[0027] 步骤2、利用可靠性加速试验的载荷条件计算加速试验的应力加速因子所用公式 为：
[0030] 式中，Lk为滚珠丝杠副的时间寿命，单位为h，η为滚珠丝杠副的转数，单位为r/ min，Ca为滚珠丝杠副的额定动载荷，单位为N，F为滚珠丝杠副承受的轴向载荷，单位为N，F w 为载荷系数，取值范围为1. 〇~2.0，Fal和Lkl为恒定应力加速寿命试验条件下的轴向载荷和 寿命时间，F a2和Lk2为实际工况下的轴向载荷和寿命时间，G为加速因子。
[0031] 步骤3、利用加速因子计算单应力或双应力水平的平均故障间隔转数所用公式为：
[0036] 式中，MRBFj为第j个失效模式的平均无故障工作转数;m为样本数;#为到规定的试 验截止前所有样本累计的相关试验转数;化为第i个样本试验结束时的总转数;^为到规定 的试验截止前，所有样本累计的第j个零件所有失效模式失效总数Γαυ为第i个样本试验结 束时第j个零件所有失效模式失效数;；^,(0为自由度为V的X 2分布的P分位数理论值，可查表 得;Ν'i为第i个样本在第一应力水平试验结束时的总转数，nN%为第i个样本在第二应力水 平试验结束时的总转数，r;，αυ为第i个样本在第一应力水平试验时间内，第j个失效模式 失效数;r〃 ai)为第i个样本在第二应力水平试验时间内，第j个失效模式失效数。
[0037] 步骤4、利用所有样本下的平均故障间隔时间对滚珠丝杠副的可靠性进行评价所 用公式为：
[0040] 式中，MRBF为所有样本下的平均故障间隔时间;Μ为当量转换系数(h/r) ;MTBF为滚 珠丝杠副的平均故障间隔时间。
[0041] 本发明提供一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，可有效解决当前有故障或 无故障等的滚珠丝杠副加速可靠性试验结果的评价问题，进而提高可靠性试验结果的准确 性。
[0042] 下面结合实施例进行更详细的描述：
[0043] 实施例
[0044] 滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法包括以下内容：
[0045] 确定滚珠丝杠副可靠性试验故障分类与终止条件：
[0046] 定时截尾可靠性试验方法，加载力分别为5 % Ca和10 % Ca，设定试验截止转数均为 120万转，转速均为500rpm。故障数据:三个样本故障出现转数(转数/故障编号）：103万转/ F5; 142万转/B5; 158万转/F5; 236万转/F5。所有样品在完成规定转数时均为产生不可修复 故障，总共3个样品，即m = 3。将所有样品故障进行汇总得下表4:
[0047] 表4可靠性加速试验故障统计表
[0049] 1、应力加速因子计算：
[0050] 滚珠丝杠副在一定应力范围内，故障机理不会发生改变。由于试验采用的是恒定 应力加速试验，因此，需要将试验的数据转化成正常条件下的试验结果，以便进行数据进一 步的分析和评估。根据寿命与载荷之间的计算关系，可以进行加速寿命和正常应力水平之 间的转化。在不同应力加载条件下，同一根丝杠副的额定动载荷相同，因在加速寿命和正常 应力条件下滚珠丝杠副运转的速度相同，就可认为载荷系数是相同的。
[0051 ]本次试验使用的5%Ca和10%Ca两种载荷均在滚珠丝杠副疲劳寿命公式规定的载 荷范围内，因此加速应力阶段的加速试验因子为：
[0053] 2、各故障下平均故障间隔转数(MRBF)计算：
[0054]定数截尾试验或定时截尾试验平均故障间隔转数。使用单边置信区间下界的区间 估计方法。本发明推荐采用90%置信区间。按照这里推荐的置信水平将有90%的概率包含 特征量的真值。
[0055]第一类故障仅发生在加速应力阶段，因此平均故障间隔转数计算如下：
[0057]第二类故障在两种应力水平下均未发生，第三类故障在正常应力和加速应力水平 下均发生，因此平均故障间隔转数计算如下：
[0059] 3、平均故障间隔时间计算(MTBF):
[0060]当所有样本均完成可靠性加速试验后，最终的平均故障间隔转数为：
[0062]当量转换系数Μ取4 X 10-4 (h/r)，则：
[0063] MTBF = 4X10-4X4.4363X106 = 1744.5h
[0064] 因此，本次可靠性加速试验得出的滚珠丝杠副平均故障间隔时间为1744.5h。
[0065] 由上可知，本发明提供一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，可有效解决当 前有故障或无故障等的滚珠丝杠副加速可靠性试验结果的评价问题，进而提高可靠性试验 结果的准确性。
【主权项】
1. 一种滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、对可靠性加速试验中的故障进行分类，利用加权系数计算故障数； 步骤2、利用可靠性加速试验的载荷条件计算加速试验的应力加速因子； 步骤3、利用加速因子计算单应力或双应力水平的平均故障间隔转数； 步骤4、确定所有样本下的平均故障间隔时间，完成对滚珠丝杠副的可靠性评价。2. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，其特征在于，步骤1中 对可靠性加速试验中的故障进行分类，具体如表1、表2所示： 表1滚珠丝杜副故障分类表利用确定的加权系数计算故障数所用公式为： rj = (2PjXIj+l)|iiih職 式中，^为到规定的试验截止前，所有样本累计的第j个失效模式的失效总数;Pj为到规 定的试验截止前，所有样本累计的第j个失效模式失效的发生次数；Ij为第j个失效模式的 加权系数。3. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，其特征在于，步骤2中 利用可靠性加速试验的载荷条件计算加速试验的应力加速因子所用公式为： 式中，Lk为滚珠丝杠副的时间寿命，单位为h，η为滚珠丝杠副的转数，单位为r/min，(^为 滚珠丝杠副的额定动载荷，单位为N，F为滚珠丝杠副承受的轴向载荷，单位为N，FwS载荷系 数，取值范围为1.0~2.0，F al和Lkl为恒定应力加速寿命试验条件下的轴向载荷和寿命时 间，Fa2和L k2为实际工况下的轴向载荷和寿命时间，G为加速因子。4. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，其特征在于，步骤3中 利用加速因子计算单应力或双应力水平的平均故障间隔转数所用公式为：式中，MRBFj为第j个失效模式的平均无故障工作转数;m为样本数;#为到规定的试验截 止前所有样本累计的相关试验转数A1为第i个样本试验结束时的总转数;^为到规定的试 验截止前，所有样本累计的第j个失效模式的失效总数;为第i个样本试验结束时第j个 失效模式的失效数;/；；(「)为自由度为V的X 2分布的P分位数理论值，可查表得;N'i为第i个样 本在第一应力水平试验结束时的总转数，为第i个样本在第二应力水平试验结束时的 总转数，αυ为第i个样本在第一应力水平试验时间内，第j个失效模式失效数;Γ〃αυ 为第i个样本在第二应力水平试验时间内，第j个失效模式失效数。5. 根据权利要求1所述的滚珠丝杠副可靠性加速试验评估方法，其特征在于，步骤4利 用所有样本下的平均故障间隔时间对滚珠丝杠副的可靠性进行评价所用公式为：MTBF=M XMRBF(h) 式中，MRBF为所有样本下的平均故障间隔转数;M为当量转换系数，单位为h/r;MTBF为 滚珠丝杠副的平均故障间隔时间。
【文档编号】G01M13/02GK106017924SQ201610631809
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月3日
【发明人】冯虎田, 周长光, 柯楠, 欧屹, 黄伟
【申请人】南京理工大学