GBT 40729-2021 精密齒輪傳動裝置疲勞壽命試驗方法

精密齒輪傳動裝置疲勞壽命試驗方法2021-10-11發(fā)布I前言 2規(guī)范性引用文件 13術語和定義 4試驗環(huán)境 25被試件 26試驗臺 27試驗準備 8試驗步驟 59失效預警與評價 610數(shù)據處理 11試驗報告 8附錄A(資料性)精密減速器的潤滑劑 附錄B(規(guī)范性)諧波減速器柔性軸承基本額定壽命計算 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國齒輪標準化技術委員會(SAC/TC52)提出并歸口。本文件起草單位：合肥哈工普利世智能裝備有限公司、江蘇中工高端裝備研究院有限公司、中機生產力促進中心、鄭州機械研究所有限公司、廣東產品質量監(jiān)督檢驗研究院、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司、珠海飛馬傳動機械有限公司、蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司、杭州得潤寶油脂股份有限公司、廣州數(shù)控設備有限公司、埃夫特智能裝備股份有限公司、合肥工業(yè)大學、常熟長城軸承有限公司、浙江環(huán)動機器人關節(jié)科技有限公司、哈工大機器人(合肥)國際創(chuàng)新研究院、南京智匯智能科技有限公司、國家不銹鋼制品質量監(jiān)督檢驗中心、重慶大學、通標標準技術服務有限公司、南京南傳智能技術有限公司、華測檢測認證集團股份有限公司。1精密齒輪傳動裝置疲勞壽命試驗方法本文件規(guī)定了精密齒輪傳動裝置疲勞壽命試驗方法的被試件、試驗臺、試驗環(huán)境、試驗準備、試驗步驟、失效預警與評價、數(shù)據處理和試驗報告。本文件適用于一般工業(yè)環(huán)境下的機器人、精密機床、舵機、自動導引車(AGV)等給出傳動精度要求的精密齒輪傳動裝置(如諧波減速器、擺線針輪減速器、行星擺線針輪減速器、行星減速器等)的疲勞壽命試驗。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T3480.6直齒輪和斜齒輪承載能力計算第6部分：變載荷條件下的使用壽命計算GB/T3481齒輪輪齒磨損和損傷術語GB/T6404.1齒輪裝置的驗收規(guī)范第1部分：空氣傳播噪聲的試驗規(guī)范GB/T6404.2齒輪裝置的驗收規(guī)范第2部分：驗收試驗中齒輪裝置機械振動的測定GB/T24611滾動軸承損傷和失效術語、特征及原因GB/T35089機器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法GB/T36491機器人用擺線針輪行星齒輪傳動裝置通用技術條件3術語和定義GB/T35089和GB/T36491界定的以及下列術語和定義適用于本文件。精密齒輪傳動裝置precisiongeartransmission采用齒輪為重要組件，對角位置精度(如回差、傳動誤差等)有指標要求的傳動裝置。安裝于試驗臺，有目的地被用于試驗和測量的傳動裝置。加載曲線loadcurve被試件輸出端的轉矩、轉速與時間相關的曲線。注：按照預設值和實測值分為目標加載曲線和實際加載曲線。傳動裝置的一個或多個技術指標不可逆地超出了產品的允許值，或組成傳動裝置的零部件(不包括易損件)發(fā)生了物理性損壞。2注：易損件主要指橡膠類密封件，也可包括潤滑劑，但不包括齒輪、軸承、軸、殼體等傳動或支撐件。易損件清單見制造商產品說明書等有關文件。在不改變失效機理的前提下，傳動裝置(含軸承、齒輪等組件)按照非額定的試驗條件(轉速和轉矩)加載運行，等效于額定工況下的運行時長。等效壽命equivalentlife在不改變失效機理的前提下，傳動裝置(含軸承、齒輪等組件)按照非額定的試驗條件(轉速和轉矩)加載運行至失效，等效于額定工況下失效時的運行時長。4試驗環(huán)境4.1環(huán)境溫度：10℃~35℃;環(huán)境相對濕度：≤75%。4.2環(huán)境應無振動、磁場、腐蝕等影響試驗準確性的干擾因素。5被試件5.1主要零件的材料、熱處理、加工尺寸和精度應符合產品設計要求，并有檢查記錄。5.2裝配規(guī)范，并應按照要求加注了指定潤滑劑(潤滑劑的選擇見附錄A)。5.3本試驗前應已完成了空載、精度性能等測試，并有記錄，便于本試驗后的比對。6試驗臺6.1通用要求6.1.1應能在被試件輸入端處于任意相位角度位置時啟動，并具備正、反轉功能。6.1.2測量儀器儀表應檢定或校準合格并處于有效期內；其技術指標(轉速、轉矩、溫度要求、量程、精度等)應與試驗要求相適應，應能量值溯源，并具有自動記錄功能。6.1.3試驗臺的檢測條件應適時進行量值標定，標定周期宜遵從試驗臺制造商的建議。6.1.4各組件(含被試件)應連接可靠，保證剛度。6.1.5應能自由設置加載曲線(例如小波動運轉曲線、交變運轉曲線等)。6.1.6相對于目標加載曲線，轉速波動應不超過±1.5r/min,轉矩波動應不超過額定值的±1.5%6.1.7應具備報警和急停功能，宜具備一定的預警功能。6.1.8應具備長期連續(xù)運轉、無人值守功能。6.2往復運轉型試驗臺6.2.1應能模擬被試件輸出端在一定角度范圍內作往復運動的工作狀態(tài)。6.2.2應能實時檢測輸出端轉矩和轉速，或通過其他物理量檢測經過實時計算得到輸出端轉矩和轉速。6.2.3當采用慣量加載時，分為臥式和立式兩種安裝方式，分別適用于被試件在實際應用中軸線為水平(結構示意見圖1)和軸線為豎直(結構示意見圖2)兩種工況。3標引序號說明：1——基座；2——驅動單元及轉速傳感器；3——被試件及其支撐；4——輸出端轉矩傳感器(或可以通過計算得到輸出端轉矩的其他物理量檢測傳感器);5——慣量負載。圖1兩種臥式往復運轉型試驗臺示意標引序號說明：1——基座；2——驅動單元及轉速傳感器；3——被試件及其支撐；4——輸出端轉矩傳感器(或可以通過計算得到輸出端轉矩的其他物理量檢測傳感器);5——慣量負載。圖2立式往復運轉型試驗臺示意6.3單向運轉型試驗臺6.3.1應能模擬被試件的單向、連續(xù)運轉工況，并能實時檢測并記錄加載轉矩和轉速。46.3.2可在被試件的輸入端和輸出端分別安裝一套轉速轉矩傳感器，也可只在輸出端或輸入端安裝一套轉速轉矩傳感器。結構示意見圖3。標引序號說明：1——驅動單元；2——被試件輸入端轉速轉矩傳感器(需要時);3——被試件及安裝支承單元；4——被試件輸出端轉速轉矩傳感器；5—-加載單元；6——基座。圖3單向運轉型試驗臺示意7試驗準備7.1試驗類型和安裝方式7.1.1應根據被試件的使用工況選擇試驗類型，見表1。表1試驗類型選擇與先期失效部件預估產品形式典型工況試驗類型推薦預估先期失效部件諧波減速器工業(yè)機器人、舵機等往復運轉柔性軸承擺線針輪減速器工業(yè)機器人、舵機等往復運轉曲柄軸軸承行星擺線針輪減速器工業(yè)機器人、舵機等往復運轉曲柄軸軸承自動引導車、精密機床等單向運轉曲柄軸軸承行星減速器工業(yè)機器人、舵機等往復運轉齒輪自動引導車、精密機床等單向運轉齒輪7.1.2宜進一步選擇試驗臺安裝方式。a)往復運轉型試驗臺安裝方式可選擇：——臥式(見圖1):被試件主軸線水平，負載由慣量負載和重力偏心負載兩部分組成，其中重力偏心負載可能為零；——立式(見圖2):被試件主軸線豎直，負載僅為慣量負載。b)單向運轉型試驗臺安裝方式見圖3。57.2其他要求7.2.1被試件和試驗臺宜預先在4.1規(guī)定的環(huán)境內靜置10h以上。7.2.2被試件在試驗臺上的安裝精度應達到產品使用時的安裝要求。7.2.3被試件的溫度(殼體、油脂等)檢測宜采用接觸式。7.2.4檢查被試件和試驗臺的完好性，傳感器等儀器、儀表的檢定或校準應在有效期內。7.2.5壽命試驗前應先進行回差、傳動誤差、扭轉和彎曲剛度等性能檢測并記錄數(shù)據，同時記錄被試件對應的角度相位。7.2.6應根據試驗目的、試驗類型和被試件參數(shù)確定試驗時的目標加載曲線、操作步驟、數(shù)據監(jiān)測與記7.2.7試驗時應驅動被試件按照設定的目標加載曲線做往復或單向旋轉(往復型加載設置見10.1),實時檢測(或計算)并記錄各時間段(t;)內的被試件輸出轉矩(即加載轉矩)(T;)和輸出轉速(n;),輸出轉矩的檢測精度應不低于滿量程的1%。8試驗步驟8.1將被試件安裝到壽命試驗臺，記錄安裝相位角、安裝精度、傳感器位置等初始信息，并按照被試件生產廠家的要求(無要求時見附錄A)加注潤滑劑。8.2如果試驗臺是往復運轉型，則應先空載運行2h;如果試驗臺是單向運轉型，則應先正、反轉空載運行各1h。空載運行期間，適時檢測被試件的溫度、振動和噪聲，應無異常，并做記錄。振動和噪聲的檢測方法應分別符合GB/T6404.2和GB/T6404.1的規(guī)定。8.3往復運轉型試驗加載步驟如下：a)按照目標加載曲線設定轉速，加載轉矩宜按目標最大輸出轉矩的25%逐級遞增，每級加載時間應不少于15min;b)加載至目標轉矩后，宜不停機連續(xù)運行。8.4單向運轉型試驗加載步驟如下：a)在額定轉速下，加載轉矩宜按照額定輸出轉矩的25%逐級加載，每級加載運行時間應不少于b)加載至額定輸出轉矩后，宜不停機連續(xù)運行；c)也可按不大于最大輸出轉矩的原則設定加載轉矩(此種情況下，加載試驗時間應等效轉化為額定工況下的運轉時間)。8.5加載過程中，應適時檢測并記錄溫度、振動、噪聲等試驗數(shù)據。8.6加載過程中，應實時檢測(或計算)并記錄轉矩、轉速等試驗數(shù)據，作為被試件等效壽命的計算依據。數(shù)據采集頻率應不低于1kHz。8.7試驗過程中，可在不超過被試件最大輸出轉矩和最大輸出轉速的范圍內調整參數(shù)，但不應頻繁調整。8.8試驗過程中，如果停機時間超過2h,或被試件經過拆卸、重裝、更換潤滑劑，宜先按照目標最大輸出轉矩的25%逐級加載15min,再恢復試驗。8.9如果加載試驗過程中出現(xiàn)失效預警(見9.1),應立即停機，檢查、判斷被試件是否失效，必要時應將被試件轉移安裝到精度試驗臺進行全面精度檢測，并與出廠指標逐項對比。8.10試驗時還應觀察有無連接松動。6GB/T40729—20219失效預警與評價9.1失效預警試驗過程中，在測試環(huán)境及工況不變的情況下，被試件如果出現(xiàn)下列情況之一，即視為失效預警。a)溫升異常——被試件熱平衡后的溫升值(檢測溫度與環(huán)境溫度的差值)高于正常經驗值5℃以上時。b)噪聲異常——當檢測結果大于運行的噪聲值5dB,且存在鐵粉濃度超過0.2%、磨斑直徑大于0.50mm或氧化誘導期(180℃)低于20min三種情況之一時。c)轉矩異?！谳敵鲛D矩(加載轉矩)目標曲線不變的情況下，輸入轉矩的誤差超出目標曲線的允許波動范圍時(被試件不同，允許波動范圍也不同。當經驗值不充分時，允許的波動范圍宜取同時刻輸入轉矩值的±5%)。9.2失效評價9.2.1軸承等效額定工況下運轉時間的計算9.2.1.1對于表1中預估先期失效部件為軸承的被試件，其等效壽命(L)取軸承的疲勞失效時間(軸承疲勞失效類型應按照GB/T24611進行判斷)。9.2.1.2滾動軸承在試驗工況下的等效運轉時間應按照軸承疲勞壽命的等效公式進行計算，見公式L——被試件的等效壽命，單位為小時(h);t?——額定轉矩下軸承的設計壽命，單位為小時(h);n?——輸出端額定轉速，單位為轉每分(r/min);T?！敵龆祟~定轉矩，單位為牛頓米(N·m);t;——第i段的時長，單位為秒(s);n;——第i段的轉速，單位為米每秒(m/s);T;——第i段的轉矩，單位為牛頓米(N·m);9.2.1.3諧波減速器柔性軸承的結構及使用工況與一般減速器軸承不同，其等效運轉時間和等效壽命的計算方法應符合附錄B的規(guī)定。9.2.2齒輪等效額定工況下運轉時間的計算對于表1中預估先期失效部件為齒輪的被試件，應按照以下方式處理：——當需要確定齒輪的失效類型時，根據GB/T3481進行判斷；——當需要計算齒輪在試驗工況下等效額定工況的運行時間時，等效應力循環(huán)次數(shù)按照GB/T3480.6進行計算，計算結果可以換算為被試件的等效運轉時間；如果加載試驗做到被試件失效，則齒輪的等效運轉時間就是被試件的等效壽命。9.2.3被試件失效的最終判據9.2.3.1當被試件當前的傳動精度(傳動誤差、回差等)、溫升、振動、噪聲、效率等主要技術指標中有一7項或多項超出產品的允許值時應視為被試件失效。這里的主要技術指標及允許值應由制造商確定，或由制造商和用戶協(xié)商確定。9.2.3.2被試件在試驗過程中需要進行精度檢測時，采用以下方法：——如果需要對被試件做全面的精度測量，應將其轉移安裝到精度測試臺上，按照GB/T35089的要求進行檢測和評價；——如果僅需要對被試件的傳動誤差、回差等進行檢測，可直接在具備相應功能的壽命試驗臺上按照GB/T35089規(guī)定的方法完成而免于拆裝。10數(shù)據處理10.1往復運轉型試驗的輸入條件10.1.1根據被試件技術參數(shù)確定恰當?shù)妮敵鲛D速和轉矩值，然后設定目標加載曲線的波形(波形并不唯一)。試驗過程中，應實時檢測(或計算)獲得實際加載曲線。10.1.2以機器人用精密減速器無質量偏心慣量加載為例，此處目標加載曲線選擇正弦函數(shù)曲線(見圖4)。令輸出端角速度，w=asin(bt),則輸出端角加速度(e)按公式(2)計算：a——振幅系數(shù)；b——周期系數(shù)；t——時間。通過調整系數(shù)a和系數(shù)b,即調整輸出轉矩和輸出轉速，可實現(xiàn)不同條件的疲勞壽命試驗。標引序號說明：1——輸出端速度曲線；;輸出轉矩曲線。圖4加載疲勞壽命試驗的加載曲線(正弦)示例10.2往復運轉型試驗的輸出轉矩10.2.1實際加載曲線的輸出(負載)轉矩(T)與被試件的安裝方向、慣量特性和輸出軸角加速度有關，可以直接檢測，也可以做如下計算：a)當采用臥式安裝方式時，周期性輸出轉矩(T)按公式(3)計算：T=Je+mgrcos(φ+φ) (3)8GB/T40729—2021式中：T——輸出端轉矩，單位為牛頓米(N·m);J——輸出端有效負載繞回轉中心的轉動慣量，單位為千克二次方米(kg·m2);e——輸出端角加速度，單位為弧度每二次方秒(rad/s2);m——輸出端有效負載質量，單位為千克(kg);g——重力加速度，單位為米每二次方秒(m/s2);r——輸出端有效負載質心回轉半徑，單位為米(m);φ——輸出端有效負載的擺動角度，單位為度(°);φ——輸出端有效負載質心與其回轉中心的連線與水平面的起始夾角，單位為度(°)特殊情況，如果負載的質量偏心為零，則輸出轉矩(T)按公式(4)計算。b)當采用立式安裝方式時(負載的質量偏心為零，示例目標加載曲線見圖4),周期性變動的輸出轉矩(T)按公式(4)計算：式中：T——輸出端轉矩，單位為牛頓米(N·m);J——輸出軸上有效負載的轉動慣量，單位為千克二次方米(kg·m2);e——輸出軸角加速度，單位為弧度每二次方秒(rad/s2)。10.2.2對應時間線的輸出轉矩(T)構成了實際加載曲線。10.2.3將實時的輸出轉矩(T)代入9.2.1或9.2.2可以計算出軸承或齒輪的等效運轉時間。如果加載試驗做到被試件失效，則該等效運轉時間即為被試件的等效壽命。10.3單向運轉型試驗的數(shù)據處理變載荷條件下的齒輪的等效壽命計算應符合GB/T3480.6。11試驗報告11.1試驗報告應包含試驗目的、試驗條件、試驗記錄、試驗結果(或結論)等內容。11.2試驗目的分為：——驗證性試驗：在設定工況下，驗證被試件正常的運行時間(或等效值)是否滿足產品要求；——失效性試驗：在設定工況下，檢測被試件失效時的運行時間(或等效壽命)。11.3試驗條件應包含：——試驗時間；——試驗地點；——試驗人員；——被試件主要技術參數(shù)；——試驗臺環(huán)境溫度；——試驗臺原理圖(試驗類型選擇);——試驗臺主要儀器儀表清單，以及相關檢定或校準日期和有效期；——被試件輸出軸上有效負載繞回轉中心的轉動慣量；——潤滑劑(包括品牌、型號，或重要理化指標)。11.4試驗記錄應包含：a)目標加載曲線；9b)預測失效形式；d)分級加載試驗；(或可計算輸出轉矩的其他物理量，如輸出角加速度等)、異常情況及處置等內容。11.5數(shù)據處理應按照第9章選擇適當?shù)牡刃в嬎惴椒ā?資料性)精密減速器的潤滑劑潤滑劑的性能是影響減速器壽命的關鍵因素。表A.1～表A.5中列出了幾種典型精密減速器潤滑劑的指標及使用要求。表A.1潤滑劑的指標及使用要求序號減速器類型潤滑劑要求使用要求1行星擺線針輪減速器如表A.2、表A.3根據設計或制造商要求加注；壽命試驗前宜空載運行2h以上2擺線針輪減速器如表A.2、表A.3同上3諧波減速器如表A.4同上4行星減速器如表A.5同上表A.2行星擺線針輪減速器用潤滑脂的性能要求技術要求試驗方法00號不工作錐入度/0.1mm400～430蒸發(fā)損失(99℃,22h)≤1.5%(質量分數(shù))氧化安定性(氧化誘導期法)(180℃)腐蝕(T2銅，100℃,24h)銅片無黑色或綠色變化GB/T7326中乙法防腐蝕性(合成海水)(52℃,48h)合格相似黏度(-30℃,10s-1)極壓性能(四球機法)表A.3行星擺線針輪減速器用潤滑油的性能要求技術要求試驗方法運動黏度135mm2/s～165mm2/sGB/T265傾點GB/T3535閃點(開口)GB/T3536液相銹蝕實試驗(合成海水)無銹腐蝕試驗(銅片，100℃,3h)≤1級SH/T0331極壓性能(四球機法)P?GB/T3142技術要求試驗方法2號工作錐入度/0.1mmGB/T269蒸發(fā)損失(99℃,22h)≤1.5%(質量分數(shù))GB/T7325氧化安定性(氧化誘導期法)(180℃)SH/T0790腐蝕(T2銅，100℃,24h)無黑色或綠色變化GB/T7326中乙法防腐蝕性(52℃,48h,合成海水)合格GB/T5018相似黏度(-30℃,10s-1)SH/T0048極壓性能(四球機法)PBSH/T0202技術要求試驗方法1號2號工作錐入度/0.1mm295～310265～295蒸發(fā)損失(99℃,22h)≤1.0%(質量分數(shù))氧化安定性(氧化誘導期法)(180℃)腐蝕(T2銅，100℃,24h)無黑色或綠色變化GB/T7326中乙法防腐蝕性(合成海水)(52℃,48h)合格相似黏度(-20℃,10s-1)極壓性能(四球機法)P?PGB/T40729—2021(規(guī)范性)諧波減速器柔性軸承基本額定壽命計算B.1柔性軸承是諧波減速器的主要先期失效部件，其疲勞失效類型見GB/T24611。B.2諧波減速器用柔性軸承的壽命，可按一般滾動軸承的理論，按公式(B.1)計算：Lh——軸承壽命，單位為小時(h);n——軸承轉速，即波發(fā)生器的轉速，單位為轉每分(r/min);C——額定動載荷，單位為牛頓(N),按公式(B.2)或公式(B.3)計算：C=f.(icosa?)≈b23d.l?…………(B.2)C=3.647f.(icosaa)??≈b2/3dgl.4………(B.3)式中：f.——取決于軸承零件的幾何關系，宜采用GB/Z得到；32332.1—2015的4.1中相關公式計算i——球列數(shù)，對于柔性軸承i=1;xb——球數(shù)，取23;dg——球直徑，單位為毫米(mm);e——指數(shù)，對于球軸承ε=3;對于滾子軸承ε=10/3;P——當量載荷，單位為牛頓(N),按公式(B.4)計算：P=(XVF,+YF?)fpfi…………(B.4)式中：V——座圈轉動系數(shù)，對于波發(fā)生器的軸承，因外座圈旋轉，故取V=1.2;F——為柔性軸承上的徑向載荷，單位為牛頓(N);X、Y——分別為徑向載荷