基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方法技术

本发明专利技术公开了一种极小子样滚动功能部件加速失效演变实验方法，首先分析功能失效模式和构件损伤与破坏失效模式的失效判据，以及故障判据及故障计数准则，确定加速实验截尾，选择加速模型和加速应力，并确定全周期分段步加实验方案；模拟滚动功能部件服役环境，实验结束后，对每个子段分别取样并离线检测精度和表面完整性，确定是否存在失效及失效类型；基于各子段的长度、等效加载力、等效跑合速度和跑合次数折算出正常应力水平下总的服役时间Ti。本发明专利技术仅用一次实验，即可方便高效地获得滚动功能部件全周期服役过程中不同时间历程下的在线和离线状态监测数据，为深入探索其服役过程中各种失效演变过程、规律及寿命预测提供依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于加速失效演变实验技术，特别是一种基于全周期分段步加策略的极小 子样滚动功能部件加速失效演变实验方法。
技术介绍
滚动功能部件在其服役过程中的各种失效都将影响其服役性能（精度保持性、可 靠性和寿命），严重的可能会导致设备卡死、停机及其它不可预知的故障。对其服役过程中 的失效演变机理及其影响规律的分析研宄，有助于滚动功能部件的维护和保养，提升其全 周期的服役性能，增强可靠性及使用寿命，实现产品的再制造。因此对滚动功能部件的失效 演变机理的研宄，尤其实验研宄至关重要。 传统的可靠性及寿命实验研宄的对象多针对服役周期短，成本低的电子元器件产 品，需要较大的样本量。而滚动功能部件服役周期长、成本高，并且实验台的投入巨大，可 利用的实验台数量非常有限，更关键的是，很难通过少量实验在短时间内获得基于时间历 程的多种在线和离线状态检测数据，这给滚动功能部件失效演变的实验研宄带来了很大困 难。 专利申请基于小样本的大型回转支撑剩余使用寿命预测方法（CN103617364A) 通过施加100%极限设计载荷的一次加速寿命实验，根据载荷大小和分布的对称性将失效 后的回转支撑滚道分成4η段，进而测量每段回转支撑的体积磨损量，对其剩余使用寿命进 行了预测。但是滚动功能部件无论从结构还是功能上与轴承类零件都有着很大差别，无法 将此方法直接应用于滚动功能部件的剩余寿命预测；更关键的是，由于表面完整性（残余 应力，微观组织，表面粗糙度）的测量很难实现在线检测，而且取样时需破坏样件，所以该 方法仅能提供实验完成后每段回转支撑的体积磨损量信息，而无法通过一次加速寿命实验 得到产品服役过程中基于时间历程的多种状态信息，很难对产品的失效演变规律进行实验 研宄。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于全周期分段步加策略的极小子样滚动功能部件 加速失效演变实验方法，仅用一次实验，即可方便高效地获得滚动功能部件全周期服役过 程中不同时间历程下的在线和离线状态监测数据，为深入探索其服役过程中各种失效演变 过程、规律及寿命预测提供依据。 实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种极小子样滚动功能部件加速失效演变实 验方法，步骤如下： 步骤1 :分析功能失效模式和构件损伤与破坏失效模式的失效判据，以及故障判 据及故障计数准则，确定加速实验截尾，选择加速模型和加速应力，最终确定所有j个步加 服役过程中的等效加载力Fj，等效跑合速度V j和跑合次数z j，I < j < η ; 步骤2 :确定全周期分段步加实验方案，即将工件沿轴线方向分成η+1个子段，子 段号为〇，1，*，1，*，11;每个子段长度分别为1^，1^，?1^，*，1^，在子段0上不进行服 役实验，以保留工件的初始精度及表面完整性信息；从子段1开始实施全周期分段步加实 验，即在等效加载力F1作用下以等效速度V i自子段1至子段η往复跑合Z ^欠，第1个步加 服役过程结束，此时子段1跑合了 2Zl+l次或2Zl-l次，子段2至子段η跑合了 2Zl次；接着 继续在等效加载力F2作用下以等效速度V 2自子段2至子段η往复跑合z 2次，依此类推，直 至第η个步加服役过程结束，或出现不可修复性故障而停止；实验完成时，第i个子段共经 历了 i个步加服役过程，其中在第j个步加服役过程中，将在等效加载力h下以等效跑合 速度 '跑合2z ^次，1彡j < i彡η ;而在第i个步加服役过程中，将在等效加载力F i下以 等效跑合速度Vi跑合2z i+Ι或2Zi-l次； 步骤3 :模拟滚动功能部件服役环境，按照步骤2中确定的全周期分段步加实验方 案开始实验，实验过程中，在线采集工件服役的状态数据，收集故障信息； 步骤4 :步骤3的实验结束后，对每个子段分别取样并离线检测精度和表面完整 性，确定是否存在失效及失效类型； 步骤5 :基于各子段的长度、等效加载力、等效跑合速度和跑合次数折算出第i个 子段单位长度上正常应力水平下总的服役时间Ti,则步骤3和步骤4中所测的在线状态数 据、故障信息以及离线检测数据，即为所折算的服役时间1\时的各项数据。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点：（1)由于表面完整性主要指标（残余应力， 微观组织，表面粗糙度）为有损检测，样件无法进行二次实验，因此要在小样本条件下获得 不同时间历程下的各种表面完整性信息尤其困难，而本实验方法可在小子样的限制下，通 过一次全周期分段步加实验，即可获得滚动功能部件在正常应力水平下服役的时间历程信 息和各时间点下的在线及离线状态检测数据。这些数据可用于分析其失效演变机理和规 律，进行精度保持性，可靠性和寿命预测。通过小子样加速实验，有效地减少了实验所需样 本量，缩减了实验时间，降低了实验成本。（2)对于简单分段跑合，即第1段在加载力匕作 用下以速度V 1跑合z :次，然后第2段再以加载力F2、速度V2跑合z 2次，这种方法存在着每 一小段均需频繁加减速，当长度较短时很难实现的问题；同时，也会加重跑合过程中各段磨 损不均匀的问题。而本专利技术的全周期分段步加实验的第j个步加服役过程中，将从第j子 段至第η子段连续往复跑和，有效避免了简单分段跑合导致的频繁加减速的问题，同时减 小了各段磨损的不均匀性。（3)本专利技术亦可应用于其它类似细长工件或环形工件的加速失 效演变实验研宄。 下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。 【附图说明】 图1是全周期分段步加实验流程图。 图2是全周期分段步加实验方案一示意图。 图3是全周期分段步加实验方案二示意图。 【具体实施方式】 结合图1，本专利技术基于全周期分段步加策略的小子样滚动功能部件加速失效演变 实验方法，步骤如下： 步骤I :分析工件精度丧失、性能退变等功能失效模式和疲劳点蚀、材料胶合、变 形损伤和断裂等构件损伤与破坏失效模式的失效判据，以及故障判据及故障计数准则，确 定合理的加速实验截尾，选择合适的加速模型和加速应力，最终确定所有j个步加服役过 程中的等效加载力Fj，等效跑合速度V j和跑合次数z j，I < j < η。其中关于失效模式及判 据，加速试验技术等理论研宄相对完善，可查阅国内外相关文献，如[1]徐令令，高过载工 况下滚珠丝杠副的失效分析与性能试验研宄[D]，南京理工，2014。[2]陈循等，加速试验技 术的研宄、应用与发展[J]，机械工程学报，2009,45 (8) : 130-136。 步骤1中所述的截尾方式，主要有定时截尾和定数截尾，由于滚动功能部件在其 服役过程中故障的出现以及失效具有偶然性和不可控性，为方便统计故障信息，采用定时 截尾方式较方便；所述的加速模型为逆幂率模型或Coffin-Mansion模型；所述的加速应力 为在等效加载力h，等效跑合速度^作用下产生的振动平均值或最大值，推荐采用振动平 均值。 步骤2 :确定全周期分段步加实验方案，即如图2、图3所示，将工件沿轴线方向分 成n+1个子段，子段号为0，1，···，;[，···，]!;每个子段长度分别为L cr L1,Ln，在 子段〇上不进行服役实验，以保留工件的初始精度及表面完整性信息；从子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方法，其特征在于步骤如下：步骤1：分析功能失效模式和构件损伤与破坏失效模式的失效判据，以及故障判据及故障计数准则，确定加速实验截尾，选择加速模型和加速应力，最终确定所有j个步加服役过程中的等效加载力Fj，等效跑合速度vj和跑合次数zj，1≤j≤n；步骤2：确定全周期分段步加实验方案，即将工件沿轴线方向分成n+1个子段，子段号为0，1，...，i，...，n；每个子段长度分别为L0，L1，...Li，...，Ln，在子段0上不进行服役实验，以保留工件的初始精度及表面完整性信息；从子段1开始实施全周期分段步加实验，即在等效加载力F1作用下以等效速度v1自子段1至子段n往复跑合z1次，第1个步加服役过程结束，此时子段1跑合了2z1+1次或2z1‑1次，子段2至子段n跑合了2z1次；接着继续在等效加载力F2作用下以等效速度v2自子段2至子段n往复跑合z2次，依此类推，直至第n个步加服役过程结束，或出现不可修复性故障而停止；实验完成时，第i个子段共经历了i个步加服役过程，其中在第j个步加服役过程中，将在等效加载力Fj下以等效跑合速度vj跑合2zj次，1≤j＜i≤n；而在第i个步加服役过程中，将在等效加载力fi下以等效跑合速度vi跑合2zi+1或2zi‑1次；步骤3：模拟滚动功能部件服役环境，按照步骤2中确定的全周期分段步加实验方案开始实验，实验过程中，在线采集工件服役的状态数据，收集故障信息；步骤4：步骤3的实验结束后，对每个子段分别取样并离线检测精度和表面完整性，确定是否存在失效及失效类型；步骤5：基于各子段的长度、等效加载力、等效跑合速度和跑合次数折算出第i个子段单位长度上正常应力水平下总的服役时间Ti，则步骤3和步骤4中所测的在线状态数据、故障信息以及离线检测数据，即为所折算的服役时间Ti时的各项数据。...

【技术特征摘要】
1. 一种基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方法，其特征在于步骤如 下： 步骤1 :分析功能失效模式和构件损伤与破坏失效模式的失效判据，以及故障判据及 故障计数准则，确定加速实验截尾，选择加速模型和加速应力，最终确定所有j个步加服役 过程中的等效加载力Fj，等效跑合速度Vj和跑合次数Zj，I<j<η; 步骤2 :确定全周期分段步加实验方案，即将工件沿轴线方向分成η+1个子段，子段号 为0,1，. . .，i，. ..，η;每个子段长度分别为Lci,L1, . . .Li, . . .，Ln，在子段O上不进行服役 实验，以保留工件的初始精度及表面完整性信息；从子段1开始实施全周期分段步加实验， 即在等效加载力F1作用下以等效速度Vi自子段1至子段η往复跑合ζ^欠，第1个步加服 役过程结束，此时子段1跑合了 2Zl+l次或2Zl-l次，子段2至子段η跑合了 2Zl次；接着继 续在等效加载力F2作用下以等效速度V2自子段2至子段η往复跑合z2次，依此类推，直至 第η个步加服役过程结束，或出现不可修复性故障而停止；实验完成时，第i个子段共经历 了i个步加服役过程，其中在第j个步加服役过程中，将在等效加载力h下以等效跑合速 度 '跑合2z^欠，1彡j<i彡η;而在第i个步加服役过程中，将在等效加载力fi下以等 效跑合速度Vi跑合2zi+Ι或2Zi-l次； 步骤3 :模拟滚动功能部件服役环境，按照步骤2中确定的全周期分段步加实验方案开 始实验，实验过程中，在线采集工件服役的状态数据，收集故障信息； 步骤4 :步骤3的实验结束后，对每个子段分别取样并离线检测精度和表面完整性，确 定是否存在失效及失效类型； 步骤5 :基于各子段的长度、等效加载力、等效跑合速度和跑合次数折算出第i个子段 单位长度上正常应力水平下总的服役时间Ti,则步骤3和步骤4中所测的在线状态数据、故 障信息以及离线检测数据，即为所折算的服役时间1\时的各项数据。2. 根据权利要求1所述的基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方法， 其特征在于在步骤1中，所述的截尾方式为定时截尾或定数截尾；所述的加速模型为逆幂 率模型或Coffin-Mansion模型；所述的加速应力为在等效加载力、等效跑合速度作用下产 生的振动平均值或最大值。3. 根据权利要求1所述的基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方 法，其特征在于在步骤2中，所述的分段数n+1，取η多3,所述的各子段i的长度Li满足 L1SLn;为重点考察后期的失效演变，所述的所有步加服役过程中，跑合次数应 满足Z1Sz2彡...彡zZ/n，z为正常应力水平下总的理论跑合次数。4. 根据权利要求1所述的基于全周期分段步加策略的小子样加速失效演变实验方 法，其特征在于在步骤2中所述的所有步加服役过程中的等效加载力FjS恒定力或为周 期力，并且各步加服役过程中的等效加载力Fj满足FF2彡...彡Fn，且FeSFF_， 其中^为额定载荷，Fmax为工件所能承受的极限载荷；所述的等效跑合速度为恒定速度 或为周期跑合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王禹林，欧屹，冯虎田，周斌，祖莉，周长光，曹勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32