Lifetime prediction of self-lubricating spherical plain bearings based on physics-of-failure model and accelerated degradation test

• Autorzy: Wang Y. , Fang X. , Zhang C. , Chen X. , Lu J.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2016.4.7

Warianty tytułu

PL

Prognozowanie czasu pracy samosmarujących łożysk ślizgowych w oparciu o model fizyki uszkodzeń oraz przyspieszone badania degradacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Due to small friction coefficient and no need for lubrication during operation, self-lubricating spherical plain bearings (SSPBs) have been widely used in operation and transmission systems in aerospace, nuclear power plants, and ship equipment and they are key components of these systems. SSPBs failure will directly affect the operational reliability and safety of the equipment; therefore, it is necessary to accurately predict the service life of SSPBs to define reasonable maintenance plans and replacement cycles and to ensure reliability and safety of vital equipment. So far, lifetime prediction of SSPB has been primarily based on empirical formulae established by most important bearing manufacturers. However, these formulae are lack of strong theoretical basis; the correction coefficients are difficult to determine, resulting in low accuracy of lifetime prediction. In an accelerated degradation test (ADT), the load is increased to accelerate the SSPB wear process. ADT provides a feasible way for accurate lifetime prediction of SSPB in a short period. In this paper, wear patterns are studied and methods of wear analysis are presented. Then, physics-offailure model which considers SSPB wear characteristics, structure parameters and operation parameters is established. Moreover, ADT method for SSPB is studied. Finally, lifetime prediction method of SSPBs based on physics-of-failure model and ADT is established to provide a theoretical method for quick and accurate lifetime prediction of SSPBs.

PL

W związku z niskim współczynnikiem tarcia oraz brakiem konieczności smarowania podczas pracy,samosmarujące łożyska ślizgowe (self-lubricating spherical bearings, SSPB) znajdują szerokie zastosowanie w układach pracy oraz układach przełożeń urządzeń w przemyśle lotniczym, elektrowniach jądrowych, oraz na statkach, stanowiąc kluczowe elementy tych układów. Uszkodzenie łożyska SSPB ma bezpośredni wpływ na niezawodność eksploatacyjną oraz bezpieczeństwo sprzętu; dlatego też istnieje konieczność precyzyjnego prognozowania resursu łożysk SSPB, pozwalającego na odpowiednie planowanie konserwacji oraz cykli wymiany , które ma na celu zapewnienie niezawodności i bezpieczeństwa kluczowego sprzętu. Dotychczas czas pracy łożysk SSPB prognozowano przede wszystkim w oparciu o wzory empiryczne podawane przez największych producentów łożysk. Wzory te, jednak, nie mają solidnej podstawy teoretycznej; trudno jest dla nich określić współczynniki korygujące, co zmniejsza trafność prognozowania czasu pracy. W przyspieszonych badaniach degradacji zwiększa się obciążenie celem przyspieszenia procesu zużycia łożysk SSPB. Badania przyspieszone umożliwiają trafne przewidywanie czasu pracy łożysk SSPB w krótkim okresie czasu. W przedstawionej pracy analizowano wzorce zużycia badanych łożysk oraz przedstawiono metody analizy zużycia. Następnie opracowano model fizyki uszkodzeń, który uwzględnia charakterystyki zużycia, parametry konstrukcyjne oraz parametry eksploatacyjne omawianych łożysk ślizgowych. Ponadto rozpatrywano możliwość zastosowania badań przyspieszonych dla tego typu łożysk. W wyniku przeprowadzonych badań, opracowano metodę prognozowania czasu pracy łożysk SSPB opartą na modelu fizyki uszkodzeń oraz badaniach przyspieszonych, która pozwala na szybkie i trafne prognozowanie czasu pracy samosmarujących łożysk ślizgowych.

Słowa kluczowe

EN

accelerated degradation test; self-lubricating spherical plain bearing; lifetime prediction; physicsof-failure model

PL

przyspieszone badanie degradacji; samosmarujące łożysko ślizgowe; prognozowanie czasu pracy; model fizyki uszkodzeń

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 18, no. 4
• Strony: 528--538
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wang Y.

• Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support College of Mechatronics and Automation National University of Defense Technology Yanwachi str., 47 Changsha, 410073, China

autor

Fang X.

• Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support College of Mechatronics and Automation National University of Defense Technology Yanwachi str., 47 Changsha, 410073, China

autor

Zhang C.

• School of Electronic Information Hunan Institute Of Information Technology Mao Tang Industrial Park,Changsha (Xingsha) Economic and Technological Development Zone, Changsha, 410151, China

autor

Chen X.

• Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support College of Mechatronics and Automation National University of Defense Technology Yanwachi str., 47 Changsha, 410073, China

autor

Lu J.

• Fujian Longxi Bearing (Group) Corporation Limited No.388,Tengfei Road, Zhangzhou 363000, Fujian, China

Bibliografia

• 1. Boulanger M., Escobar L. A. Experimental design for a class of accelerated degradation tests. Technometrics 1994; 36(3): 260-272, http://dx.doi.org/10.1080/00401706.1994.10485803.
• 2. Fang X., Zhang C., Chen X., Wang Y., Tan Y. A new universal approximate model for conformal contact and non-conformal contact of spherical surfaces. Acta Mech 2015; 226(6): 1657-1672, http://dx.doi.org/10.1007/s00707-014-1277-z.
• 3. Fang X., Zhang C., Chen X., Wang Y., Tan Y. Newly developed theoretical solution and numerical model for conformal contact pressure distribution and free-edge effect in spherical plain bearings. Tribology International 2015; 84: 48-60, http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2014.11.020.
• 4. Ge Z., Li X., Jiang T, Huang T. Optimal design for step-stress accelerated degradation testing based on D-optimality. Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium 2011; 1: 1-6, http://dx.doi.org/10.1109/rams.2011.5754481.
• 5. Hu C-H., Lee M-Y., Tang J. Optimum step-stress accelerated degradation test for Wiener degradation process under constraints. European Journal of Operational Research 2015; 241(2): 412-421, http://dx.doi.org/10.1016/j.ejor.2014.09.003.
• 6. Liao C-M., Tseng S-T. Optimal design for step-stress accelerated degradation tests. Reliability, IEEE Transactions on Reliability 2006; 55(1): 59-66, http://dx.doi.org/10.1109/TR.2005.863811.
• 7. Lim H. Optimum Accelerated Degradation Tests for the Gamma Degradation Process Case under the Constraint of Total Cost. Entropy 2015; 17(5): 2556-2572, http://dx.doi.org/10.3390/e17052556.
• 8. Lu C. J., Meekera W. O. Using Degradation Measures to Estimate a Time-to-Failure Distribution. Technometrics 1993; 35(2): 161-174, http://dx.doi.org/10.1080/00401706.1993.10485038.
• 9. LuValle M J. An approximate kinetic theory for accelerated testing. IIE Transactions 1999; 31(12): 1147-1156, http://dx.doi.org/10.1080/07408179908969915.
• 10. Meeker W. Q., Escobar L. A., Lu C. J. Accelerated degradation tests: modeling and analysis. Technometrics 1998; 40(2): 89-99, http://dx.doi.org/10.1080/00401706.1998.10485191.
• 11. Meneghesso G., Crosato C., Garat F., Martines G., Paccagnella A., Zanoni E. Failure mechanisms of Schottky gate contact degradation and deep traps creation in AlGaAs/InGaAs PM-HEMTs submitted to accelerated life tests. Microelectronics Reliability 1998; 38: 1227-1232, http://dx.doi.org/10.1016/S0026-2714(98)00092-4.
• 12. Nelson W. Accelerated testing: statistical models, test plans, and data analysis. New York: John Wiley & Sons, 1990, http://dx.doi.org/10.1002/9780470316795.
• 13. Park S-J., Yum B-J., Balamurali S. Optimal design of step-stress degradation tests in the case of destructive measurement. Quality Technology & Quantitative Management 2004; 1(1): 105-124, http://dx.doi.org/10.1080/16843703.2004.11673067.
• 14. Polavarapu I., Okogbaa G. An interval estimate of mean-time-to-failure for a product with reciprocal Weibull degradation failure rate. Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium 2005; 1: 261-265, http://dx.doi.org/10.1109/rams.2005.1408372.
• 15. Rabinowicz E. Friction and Wear of Materials. Second ed., New York: John Wiley & Sons, 1995.
• 16. Tang L-C., Yang G., Xie M. Planning of step-stress accelerated degradation test. Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium 2004; 1: 287-292, http://dx.doi.org/10.1109/rams.2004.1285462.
• 17. Tsai T-R., Lio Y., Jiang N. Optimal decisions on the accelerated degradation test plan under the Wiener process. Quality Technology & Quantitative Management 2014; 11(4): 461-470, http://dx.doi.org/10.1080/16843703.2014.11673357.
• 18. Tsai T-R., Sung W-Y., Lio Y. L., Chang S. I., Lu J-C. Optimal Two-Variable Accelerated Degradation Test Plan for Gamma Degradation Processes. IEEE Transactions on Reliability 2015; PP(99): 1-10.
• 19. Wang Y., Zhang C., Chen X., Tan Y. Lifetime prediction method for electron multiplier based on accelerated degradation test. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2014; 16(3): 484-490.
• 20. Wen S., Huang P. Principles of Tribology. Fourth ed., Beijing: Tsinghua University Press, 2012.
• 21. Yang G., Yang K. Accelerated degradation-tests with tightened critical values. IEEE Transactions on Reliability 2002; 51(4): 463-468, http://dx.doi.org/10.1109/TR.2002.804490.
• 22. Ye Z-S., Chen L-P., Tang L. C., Xie M. Accelerated Degradation Test Planning Using the Inverse Gaussian Process. IEEE Transactions on Reliability 2014; 63(3): 750-763, http://dx.doi.org/10.1109/TR.2014.2315773.
• 23. Yu H-F. - Designing an accelerated degradation experiment by optimizing the estimation of the percentile. Quality and Reliability Engineering International 2003; 19(3): 197-214, http://dx.doi.org/10.1002/qre.518.
• 24. Yu H-F. Designing an accelerated degradation experiment with a reciprocal Weibull degradation rate. Journal of statistical planning and inference 2006; 136(1): 282-297, http://dx.doi.org/10.1016/j.jspi.2004.06.030.
• 25. Yu H-F., Chiao C-H. Designing an accelerated degradation experiment by optimizing the interval estimation of the mean-time-to-failure. Journal of the Chinese Institute of Industrial Engineers 2002; 19(5): 23-33, http://dx.doi.org/10.1080/10170660209509355.
• 26. Yu H-F., Tseng S-T. On-line procedure for terminating an accelerated degradation test. Statistica Sinica 1998; 8(1): 207-220.
• 27. Zhang C., Lu X., Tan Y., Yashun W. Reliability demonstration methodology for products with Gamma Process by optimal accelerated degradation testing. Reliability Engineering and System Safety 2015; 142: 369-377, http://dx.doi.org/10.1016/j.ress.2015.05.011.
• 28. Zhang J-R., Jiang T-M., Li X-Y., Wang L-Z. Optimization of step stress accelerated degradation test plans. IEEE 17th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, 2010; 947-951, http://dx.doi.org/10.1109/icieem.2010.5646470.