基于滚珠丝杠副滚珠载荷分布的摩擦力矩计算方法研究

为了研究丝杠转速、轴向载荷、螺旋升角和滚珠直径对摩擦力矩的影响规律,在综合考虑滚珠载荷分布、实际工况中接触角变化、法向力差异、润滑油黏性阻力、滚珠惯性力和惯性力矩等因素上,建立了一种计算滚珠丝杠副摩擦力矩的方法。结果表明:当丝杠转速或轴向载荷增大时,摩擦力矩越来越大;增大的轴向载荷或者减小的丝杠转速导致摩擦因数越来越小;随着螺旋升角变大时,摩擦因数和摩擦力矩均逐渐减小,且随着螺旋升角的增大,两者的变化率逐渐减小;滚珠直径的变大致使摩擦力矩变大。分析结果可为滚珠丝杠副的设计提供参考,有助于进一步提高滚珠丝杠副的传动性能。

滚珠丝杠副动力学行为仿真及滚珠磨损故障特征信号研究

滚珠丝杠副作为精密机械和数控机床等装置中最常使用的传动元件,其工作状况的优劣直接影响着整套设备能否安全稳定运行。大多数针对滚动功能部件失效形式的研究主要集中于滚动轴承,而对滚珠丝杠副的失效演变机制却鲜有论述。以滚珠丝杠副为研究对象,建立由丝杠、滚珠、螺母等关键部件组成的滚珠丝杠副三维模型,运用ADAMS软件对滚珠丝杠副进行动力学行为仿真分析以及故障特征信号研究,分析滚珠丝杠正常运行及滚珠磨损故障状态下的特征信号变化规律,最后通过对比试验值与理论值验证所提方法的有效性。结果表明:随着滚珠表面擦伤缺陷扩展,丝杠副产生的振动变得更加剧烈,频谱尖峰幅值明显增大;试验所得结果与理论值相对误差为4.67%,证明了仿真分析的准确性。

反向式行星滚柱丝杠副的螺纹牙修形设计

基于反向式行星滚柱丝杠副(Inverted Planetary Roller Screw Mechanism,IPRSM)的螺纹牙载荷分布情况,分析了滚柱修形和丝杠修形对其载荷分布的影响。结果表明,丝杠-滚柱接触侧的载荷不均程度比长螺母-滚柱接触侧严重,对滚柱修形后,最大接触应力以及最大载荷得到了有效降低,螺纹牙上的载荷分布更加均匀;而长螺母-滚柱接触侧对修形量变化较丝杠-滚柱接触侧更加敏感。同样,丝杠修形可有效降低最大载荷。研究对优化IPRSM的载荷分布具有一定的参考意义。

基于综合工艺偏差的滚珠丝杠副静刚度建模

为了建立准确的滚珠丝杠副轴向静刚度理论模型,分析刚度的影响因素和规律,基于综合工艺偏差对滚珠丝杠副全滚珠载荷分布的影响,建立了轴向静刚度模型,提出了一种在综合工艺偏差下符合滚珠丝杠副轴向静刚度的计算公式。以GZ3206T型滚珠丝杠副为例,基于综合工艺偏差,通过Ansys Workbench 2022 R1有限元软件进行分析实验,然后通过轴向静刚度试验台进行对比实验验证,实验结果吻合度为87.85%~98.7%,验证了综合工艺偏差的滚珠丝杠副轴向静刚度模型的准确性,对分析和提高滚珠丝杠副传动精度设计和承载能力评估提供参考依据。

差动式行星滚柱丝杠副的运动特性与动力学分析

差动式行星滚柱丝杠副是一种将环槽传动与螺纹啮合相结合的机械传动机构。为了探究差动式行星滚柱丝杠副的动态特性,研究一种新型的差动式行星滚柱丝杠副的结构组成与运动原理,建立其三维模型,并将模型导入虚拟样机分析软件中,通过设置合适的连接关系,对三维模型进行运动学及动力学仿真分析。结果表明:虚拟样机中差动式行星滚柱丝杠副的运动过程与运动分析相符合,验证了运动分析的合理性;当在螺母上施加负载时,滚柱与螺母之间的环槽设计使接触力波动更规律;随着负载的持续增大,丝杠与滚柱之间、螺母与滚柱之间的接触力波动也持续增大,加剧了机构内部的磨损情况,缩短了机构的运行寿命。

极限工况下滚珠丝杠副疲劳失效研究分析

滚珠丝杠副被广泛应用于航空航天领域,常规工况下的失效机理在航空航天极限工况下不再适用。因此,针对极限载荷下滚珠丝杠副失效机理,提出了基于裂纹萌生和扩展的失效机理研究方法。通过电镜、金相、粗糙度仪和显微硬度等方法进行分析。结果表明,切向表面与次表面裂纹均是垂直于切向力的方向萌生,表面裂纹背离切向力扩展,次表面裂纹沿塑性变形方向扩展;轴向表面产生的疲劳裂纹角度在50°~85°;剥落坑形貌沿切向力方向由深到浅,剥落坑前侧区域比后侧区域更容易受疲劳影响,但后侧区域更容易受磨损影响;国外滚珠丝杠副寿命高于国内,提高滚珠丝杠副接触表面精度和组织均匀度,预计可以提升50%使用寿命。

考虑滚动体变径的滚珠丝杠副滚珠载荷计算模型及其仿真研究

滚珠丝杠副是数控机床传动系统的核心部件之一,在外部轴向载荷的作用下,其内部滚珠所承受的接触载荷分布不均,滚珠与滚道之间接触载荷的变化将对滚珠丝杠副的刚度和寿命产生重要影响。目前现有的滚珠与滚道之间的接触载荷分析计算方法基本是将所有滚珠看作相同直径滚动体,承受载荷按照载荷均布来处理,这和实际滚珠承受载荷情况是不一致的。为了改善滚珠丝杠副内滚珠接触载荷的均匀性,在现有滚珠丝杠副载荷模型的基础上,建立了一种考虑各列滚珠直径可以变化的滚珠与滚道接触载荷模型,并通过该模型研究装配直径尺寸变化的滚珠来实现滚珠丝杠副内所有滚珠载荷分布均匀一致,最终达到提高滚珠丝杠副的刚度和寿命的目的。

基于滚珠丝杠副进给系统受载响应研究

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和循环系统等组成。其主要作用是将旋转运动转换为直线运动,如车床中的刀架移动。目前在机床、航天、航空、核工业等领域广泛应用。通过建立滚珠丝杠进给系统的动力学方程,来研究系统受到不同冲击情况下的振动响应是十分有意义的。本文首先通过Lagrange第二类方程建立了进给系统的动力学方程,再利用有限元法对方程进行求解,实现了对不同载荷冲击下的滚珠丝杠螺母振动响应仿真。

基于改进分类器动态选择算法的滚珠丝杠副状态识别

为提升滚珠丝杠副的性能状态识别精度,提出一种改进的分类器动态选择算法。该算法借助邻域成分分析(NCA),准确并自适应地定义测试样本的邻域,无需选择距离度量方式,从而更加准确地衡量多分类器系统中各子分类器对于测试样本进行正确分类的潜力,解决了传统分类器动态选择算法精度受限于距离度量方式选择是否合适的问题。将所提出的分类器动态选择算法应用于滚珠丝杠副状态识别中,首先利用AdaBoost算法离线训练反向传播(BP)神经网络集合,然后依据实时信号特征,采用改进的分类器动态选择算法从分类器集合中选取最合适的子分类器进行状态鉴定,从而实现更好的识别效果。实验结果表明,提出方法的状态识别准确率能够达到97.22%,高于BP神经网络、AdaBoost与传统分类器动态选择算法,且对于不同的性能状态均有较高的识别精度。

基于SSA-VMD和SVM的滚珠丝杠副故障诊断

针对滚珠丝杠副故障特征提取困难的问题,提出一种基于麻雀搜索算法优化变分模态分解算法(SSA-VMD)结合支持向量机(SVM)的滚珠丝杠副故障诊断方法。以最小包络熵作为SSA的适应度函数,对VMD参数进行自主寻优;运用IMF能量值对分解信号进行筛选重构,去除噪声和无关成分的干扰;最后提取重构信号的8类时域特征参数和5类频域特征参数作为特征向量集,导入SVM进行故障识别模型的训练。通过搭建滚珠丝杠副故障诊断实验平台采集振动信号,分别采用SSA-VMD、VMD、EMD方法进行信号分解提取故障特征。实验结果表明:与VMD和EMD相比,SSA-VMD能针对不同的信号自主选择最优的VMD参数进行信号分解,能准确识别滚珠丝杠副故障类型,证明了基于SSA-VMD的滚珠丝杠副故障诊断的可行性和准确性。

精密梯形丝杠副传动技术研究

梯形丝杠副的径向配作间隙影响其配合性质,其中,梯形丝杠副用来存储润滑油和提供热膨胀余量的侧隙,直接影响了梯形丝杠副传动的连续平稳性。针对径向配作间隙,提出了基于齿厚数显卡尺控制内、外梯形螺纹中径处法向齿厚值,间接实现控制内、外梯形螺纹中径值,并开发了Visual Basic径向间隙控制程序,实现梯形丝杠副的最佳径向间隙要求。研究了梯形丝杠副径向配作间隙和梯形螺纹牙型半角对传动啮合的影响,总结出牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律。通过试验进行验证,该磨损规律可实现梯形丝杠副最佳的牙型半角啮合,有效解决了梯形丝杠副磨损严重、自锁性差等问题,提高了梯形丝杠副传动的平稳性。

基于Morris法的滚珠丝杠副传动效率多因素分析

滚珠丝杠副的传动效率受到多种因素的耦合影响,包括导程等结构参数及轴向负载、预紧力等工况参数。对滚珠丝杠副的摩擦力矩进行了研究,完成多因素耦合作用下的滚珠丝杠副传动效率建模,提出基于Morris法的滚珠丝杠副传动效率多因素分析,得知当量摩擦系数对传动效率影响较大,选取当量摩擦系数在内的参数进行多因素耦合变化对传动效率的影响分析,得到传动效率较高的取值范围,方便后续进一步对滚珠丝杠副传动效率影响参数优化范围取值。

基于等温弹流润滑理论的滚珠丝杠副摩擦机理研究

针对滚珠丝杠副在低转速状态存在混合润滑导致丝杠滚道加速磨损的问题,基于等温弹流润滑理论建立了滚珠丝杠副弹流润滑接触模型研究滚珠与滚道间的摩擦机理和磨损形式.首先基于Frenet-Serret坐标转换方法建立丝杠与螺母的滚道曲面几何模型.其次基于Reynolds方程建立了滚珠丝杠副弹流润滑接触模型,求解了润滑油膜接触压力分布、油膜厚度分布和微凸体接触压力分布.最后从微观角度阐明了滚珠丝杠副的摩擦机理,其摩擦因数由微凸体接触摩擦因数和油膜润滑摩擦因数组成.实验结果表明:在低转速阶段丝杠滚道的磨损方式为黏着磨损和磨粒磨损,且模拟的摩擦因数曲线趋势和经典的Stribeck摩擦曲线趋势吻合较好,根据实测摩擦力矩准确识别了不同转速下滚珠丝杠副的摩擦因数和润滑状态.

滚珠丝杠副传动效率的模型建立及试验研究

传动效率是衡量滚珠丝杠副的传动性能的重要指标,目前传动效率的研究对接触面的摩擦润滑情况缺少深入分析,试验研究较少且多是针对某型号样件。为了得到更符合实际情况的传动效率模型并对传动效率影响因素进行分析,基于载荷分布理论,分析考虑工艺误差的滚珠丝杠副承载运动情况,再结合弹流润滑理论得到滚珠丝杠副在不同工况下的摩擦系数变化规律,从而得到新的传动效率模型,再对传动效率影响因素进行计算和分析,最终设计试验验证传动效率模型并分析不同轴向负载、转速、预紧力、润滑粘度对传动效率的影响。试验结果表明新模型的计算值与试验值的相对误差最大为6.42%,验证了新模型的有效性与合理性。

循环式行星滚柱丝杠副的疲劳分析与寿命预测

循环式行星滚柱丝杠副作为行星滚柱丝杠副的衍生机构,是一种通过多个沟槽状滚柱与丝杠、螺母螺纹啮合的传动机构。为了研究循环式行星滚柱丝杠副的随机振动疲劳特性,文中基于疲劳失效理论,建立了该传动机构的有限元模型,并进行了动力学分析和疲劳寿命预测。首先,根据材料应力-循环寿命(S-N)曲线和Miner线性疲劳累积损伤理论,利用疲劳分析软件对循环式行星滚柱丝杠副进行疲劳分析,得到了接触区域的疲劳结果云图和各节点的损伤值;然后,基于建立的4种疲劳寿命预测模型,将得到的解析解与仿真损伤值进行对比。结果表明:循环式行星滚柱丝杠副在3960Hz下引发的共振对其结构造成的损伤最大;循环式行星滚柱丝杠副在相同激励频率条件下的最大接触应力和最小疲劳寿命的区域相同;循环式行星滚柱丝杠副谐响应分析应力峰值和疲劳分析功率谱密度峰值的对应频率相同。该研究可为循环式行星滚柱丝杠副设计与抗疲劳优化提供理论指导。

基于流形距离的滚珠丝杠副性能评估

滚珠丝杠副的正常运行对于保持数控机床稳定性和加工性能具有重要意义。因此,滚珠丝杠副的性能衰退过程评估在健康管理工作中显得尤为必要。考虑到滚珠丝杠副运动的往复性,振动信号的非平稳性和非线性,常规特征提取方法难以直接提取其准确特征。研究了利用数据分段,模糊熵、典型时域特征流形距离进行滚珠丝杠副健康评估的方法。首先,针对原始振动信号进行数据分段处理,区分出滚珠丝杠副滑块正反向运行数据。其次,对分段后同一方向数据提取原始信号的模糊熵和典型时域特征进行多特征融合,构建特征空间。再次,将提取特征归一化计算正常数据与样本数据的流形距离。最后,将流形距离转换成置信值,从而得到滚珠丝杠副的健康程度。试验结果表明,所采用评估方法能够有效评估滚珠丝杠副的性能,为其视情维修提供依据。

基于Pro/E和ANSYS Workbench的梯形丝杠副建模与有限元分析

基于Pro/E和ANSYS Workbench研究梯形丝杠副的运动性能,首先详细阐述了基于三针测量思想推算梯形螺纹的法向牙形尺寸和梯形丝杠副的精确建模,提出了装配体的装配注意事项,为实现有限元分析奠定模型基础。

高频高载工况下滚珠丝杠副温升特性分析

针对航空航天环境下滚珠丝杠副经常工作于高频、高载工况中,存在摩擦温升过高导致润滑脂性能退化及热变形等问题,建立摩擦温升模型。讨论热变形对滚珠丝杠副结构参数的影响;结合热变形并引入惯性载荷,求解滚珠丝杠副发热量与对流换热系数;对稳态温度理论值进行求解;采用Workbench进行了温度仿真,得到不同频率、振幅与载荷条件下的滚珠丝杠副的稳态温度云图。理论计算结果表明:振幅对温升的影响最为显著,载荷对温升的影响大于频率对温升的影响。

应变片植入式滚珠丝杠副预紧力测量系统设计

传统的滚珠丝杠副预紧力值是通过计算测量摩擦力矩或采集机床振动信号,属于间接测量,其操作烦琐、无法在线测量,且数值不够准确。本文提出一种在线测量预紧力产生应变方法,通过微处理器控制,实现数据测量及检测数据的本地存储,并将数据无线传输至云端服务器。实验表明:该系统能较好地测量预紧力,并通过无线传输发送至云端,为滚珠丝杆副预紧力的在线测量提供了一种新的方法。

举升电动缸用梯形丝杠副胶合现象分析

针对某举升电动缸用梯形丝杠副在实际使用过程中发生的胶合现象,从载荷、速度、润滑和使用频率等方面分析,寻找造成该现象的原因。基于所述因素的分析,采取对应整改措施,以改善甚至消除丝杠副胶合现象。研究内容对于类似梯形丝杠副的设计、使用及维护具有一定的参考意义。