周期性载荷作用下的滚珠丝杠相邻滚珠间热弹流数值计算

滚珠丝杠相邻滚珠之间存在零卷吸速度接触,与常见的纯滚动或滚滑接触相比工况更恶劣,周期性载荷作用下相邻滚珠之间的接触则更为复杂。建立零卷吸工况下正弦波载荷作用的滚珠丝杠相邻滚珠间热弹流数值计算模型,采用多重网格法求解压力,多重网格积分法求解弹性变形,逐列扫描技术求解温度场,实现对线接触热弹流润滑的数值模拟。并以R100-25Y2型滚珠丝杠为研究对象,分析其油膜特性以及载荷幅值和表面波纹度对油膜特性的影响,结果表明:在加载过程中,由于挤压效应增强,“温度-黏度楔”效应增强,油膜凹陷深度及中心膜厚增大,最小膜厚减小,接触区最大温升增大,摩擦系数减小,卸载过程则相反;由于载荷变化的时变效应,油膜变化相比载荷变化存在一定的滞后性,而载荷波动幅值的增大进一步增强了该滞后性;表面波纹度的存在造成油膜压力和膜厚曲线的波动,特定的波纹度长度可导致中心膜厚和最大温升增大,而最小膜厚和摩擦系数减小。

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.

精密滚珠丝杠副丝杠滚道磨损异常的原因分析

实践中发现,精密滚珠丝杠副丝杠轴滚道的磨损明显大于螺母滚道,本文从弹性接触和润滑状态两方面分析了产生这一现象的原因。研究表明,滚珠与丝杠轴滚道的接触应力高于滚珠与螺母滚道的接触应力,而滚珠与螺母滚道接触面的润滑状态优于滚珠与丝杠轴滚道接触面。该研究结果为滚珠丝杠副的合理设计和适当润滑提供了理论依据。

滚珠丝杠副中滚珠与返向器的碰撞研究

根据赫兹接触模型和经典碰撞理论,并考虑返向器与螺母的固连关系,建立了滚珠与返向器碰撞接触的力学模型,导出了碰撞力公式,并在考虑弹性恢复系数的基础上推导出了碰撞接触时间公式。设计专门的试验装置对碰撞接触的时间进行了测试,测试结果表明,新建立的模型比现有文献的模型更符合实际情况。在试验的基础上,利用数值模拟方法分析了碰撞角度、结构参数和材料参数等因素对碰撞力的影响。

考虑热弹性变形的角接触球轴承微观热弹流分析

运用点接触热弹性流体动压润滑理论,考虑了润滑油膜温升变化引起的角接触球轴承中滚珠和内圈接触表面的热弹性变形和表面随机粗糙度的影响,提出了一种计入热弹性变形和随机粗糙度影响的角接触球轴承热弹性流体动压润滑分析方法.该方法通过将热弹性变形进行热力转换,得到了滚珠和内圈接触表面的材料线热膨胀系数,计算修正了滚珠和内圈表面因油膜温度场变化引起的热弹性变形,求得了计入热弹性变形和表面粗糙度后的油膜压力、油膜厚度、油膜温升以及热弹性变形等主要润滑特性,研究了内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和油膜压力的影响规律,结果表明:最大热弹性变形量与最小油膜厚度处在同一量级,并且内圈转速、滑滚比和滚珠数量的变化对油膜厚度和压力会产生明显的影响.进一步对比分析了几种算法下的最小膜厚,验证了计入热弹性变形的数值算法的可行性.

高负荷滚珠丝杠副弹塑性变形与失效的理论与试验研究

为探索高负荷下滚珠丝杠副的失效机理,根据精密滚珠丝杠副在高负载工作条件下滚珠与滚道面接触变形的特点,建立了精密滚珠丝杠副的接触变形弹塑性线性强化分析模型。依据Hertz接触理论,提出了高负载情况下滚珠与滚道面接触弹塑性变形的计算方法,并据此分析了丝杠副滚道面接触处的弹塑性变形。通过对高负载条件下滚道面摩擦和金属材料塑性流动特点的分析,得出了高负载情况下滚珠丝杠副可能的失效形式和失效破坏机理。最后通过试验验证了理论计算和分析的合理性。为深入开展高承载条件下滚珠丝杠副的失效机理及设计理论研究提供了理论和试验基础。

考虑径向间隙的非理想双圆弧滚道滚珠丝杠副接触角建模和分析

双圆弧(哥特式)滚道可以使滚珠丝杠副的承载能力、刚度和传动精度更加稳定,在精密型滚珠丝杠副结构中广泛采用,但是双圆弧滚道的制造和测量都比较困难,往往得到非理想滚道。由于滚道误差、径向间隙与滚珠丝杠副的主要性能指标-弹性变形接触角之间存在非线性关系,导致精密滚珠丝杠副装配后的性能不易控制。为了优化滚珠丝杠副的装配质量,考虑初始游隙和接触角变化等因素,基于赫兹弹性接触理论和变形协调原理建立了非理想滚道截形的滚珠丝杠副弹性变形接触角的计算模型,并通过对比双半内圈球轴承初始接触角的计算公式,验证了提出的计算模型的通用性和正确性。以精密滚珠丝杠副3210为例,分析了内外滚道误差、径向间隙及滚珠大小对弹性接触角的影响规律。研究结果可为滚珠丝杠副的装配方法和优化设计等提供理论参考和依据。

高过载精密滚珠丝杠副弹塑性接触变形研究

根据短时高过载精密滚珠丝杠副的载荷和工作特点,将赫兹点接触理论和弹塑性变形理论相结合,探讨了高承载工况下单螺母滚珠丝杠副弹塑性接触变形的理论计算方法,并基于ABAQUS软件建立了考虑各圈滚珠受力不均情况的丝杠副多滚珠非线性接触有限元分析模型,对丝杆副的接触应力和弹塑性接触变形情况进行了理论计算和有限元分析。结果表明,丝杆副的塑性变形量远小于弹性变形量。丝杠的弹塑性接触变形的有限元分析较好地印证了理论计算结果。

考虑弹流润滑效应的高速角接触球轴承刚度特性研究

高速角接触球轴承的刚度特性对航空发动机转子系统的动态特性有着重要影响。为获得油润滑条件下角接触球轴承刚度特性,需要考虑弹流润滑效应对轴承刚度的影响。基于Jones拟静力学模型,建立了考虑弹流润滑影响的耦合滚动体/套圈接触刚度和油膜刚度的滚动轴承刚度计算模型。应用滚动轴承刚度计算模型分析了弹流润滑效应对角接触球轴承刚度的影响规律。研究结果表明:与不考虑弹流润滑效应的情况相比,考虑弹流润滑效应的角接触球轴承刚度有较明显的降低;较之轴承轴向刚度,轴承径向刚度对弹流润滑效应更为敏感;在考虑弹流润滑效应的情况下,润滑油动力黏度和黏压系数的增大均使得轴承刚度减小,黏温系数的增大仅使得轴承径向刚度增大,但对轴向刚度几乎没有影响;随着转子转速的升高,弹流润滑效应对轴承径向刚度的影响愈加明显,但对轴向刚度的影响逐渐弱化;随着轴向载荷的增加,弹流润滑效应对轴承刚度的影响缓慢增大;随着径向载荷的增加,弹流润滑效应对轴向刚度的影响缓慢减小,而对径向刚度的影响则几乎保持不变。

弹流润滑对球轴承滚动体与滚道接触刚度的影响

弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)对球轴承滚动体与滚道的接触刚度有重要的影响.基于弹性流体动力润滑点接触问题的数值求解方法,对深沟球轴承滚动体与滚道在纯滚动条件下的润滑问题进行了分析,讨论了载荷和滚动速度的变化对滚动体与滚道接触中心油膜厚度和弹性变形的影响.依据数值结果,建立了润滑状态下滚动体与滚道接触力与刚体中心位移的关系,计算了两种滚动条件下滚动体与滚道的润滑接触刚度,并与干接触状态下的结果进行了对比.

双金属复合弹性体摩擦副接触性能

针对单一材料高副构件接触应力大的问题,提出一种弹性模量外高内低的双金属复合高副机构设计思路,以增大构件的接触变形,便于润滑油膜存在,利于减摩.基于赫兹接触理论建立有限元模型,在相同载荷条件下,分析单一材料和双金属复合弹性体的接触压力和接触变形,并进行平行圆柱体接触摩擦试验.结果表明:与单一材料高副构件相比,双金属复合弹性体有相对较大的实际接触面积,可以有效降低接触应力.

基于滚珠丝杠副滚道磨损的摩擦力矩计算与试验

为了反映滚珠丝杠副滚道磨损情况,综合考虑接触角、螺旋升角以及滚道磨损量对摩擦力矩的影响,基于滚珠与滚道之间的变形量,通过计算磨损量,建立新的摩擦力矩计算公式,并在滚珠丝杠副摩擦力矩试验台上对4010型和4016型双螺母滚珠丝杠副开展摩擦力矩试验。结果表明:摩擦力矩试验值与计算值之间的相对误差小于4.976%,验证了该研究摩擦力矩计算公式的准确性,并且随着运转时间增加,滚动体承载会越来越均匀,试验值与计算值相对误差越来越小,摩擦力矩计算公式的精确性逐步提高,进一步验证计算公式的实用性。

面向双圆弧滚珠丝杠副装配的计算机辅助设计

滚珠丝杠零件的选配必须依据最优接触角理论,即使装配后的滚珠丝杠副内的滚珠与滚道的接触角达到最优值。目前的接触角计算模型限定条件太窄,且需要试算方法,计算量大且计算效率低,针对这一问题,结合实际的滚珠丝杠副装配工艺,考虑滚珠丝杠副滚道的截型磨削误差等因素,基于通用的滚珠丝杠副弹性接触角的计算模型,使用MATLAB GUI设计了滚珠丝杠副辅助装配软件,能够根据不同的装配方式及所提供的参数给出选配后滚珠丝杠副的弹性接触角值,并直接选配相应的丝杠、螺母或滚珠,极大地提高了滚珠丝杠副的装配精确度和效率。

CRH3车窗粘接强度试验工作车升降系统设计分析

为检测CRH3车窗粘接强度,设计了车窗粘接强度试验工作车,并借助ANSYS软件对升降系统关键部件的滚珠丝杠副进行受力分析.结果表明,滚珠丝杠副最大应力188.042MPa,小于所用材料许用应力值,满足强度要求;最大应变0.329,为弹性变形,满足刚度要求;丝杠丝母采用Gothic Arch式无间隙沟槽,刚度增强,最大接触应力12.66MPa,与理论计算值相当,接触应力沿滚道呈环形分布,满足接触强度要求;滚珠丝杠副三阶屈曲系数均大于2,试验工作车升降系统稳定性良好.

高承载滚珠丝杠接触变形与磨损的研究

基于Hertz接触理论和Archard黏着磨损模型,分别分析和计算了高承载滚珠丝杠副的接触变形和磨损量;在此基础上,为了进一步研究高承载滚珠丝杠副的变形情况,提出了一种综合考虑高承载滚珠丝杠副弹性接触变形、弹塑性接触变形和Archard黏着磨损这几种影响因素的分析和计算方法;结果表明:利用这种方法可以更加全面地分析与计算出滚珠丝杠副在受载时及卸载后的总变形量。研究结果为深入开展高承载滚珠丝杠副的接触变形和磨损理论的相关研究提供了理论依据。

数控机床滚珠丝杠副织构化减摩设计及仿真

针对数控机床进给系统滚珠丝杠副高速运行时润滑不良、磨损较大的情况,基于Hertz接触理论对滚珠丝杠副的接触应力进行计算并确定了织构的加工位置,建立了有、无织构的滚珠丝杠副分析模型,对滚珠丝杠副的接触应力和润滑特性进行有限元分析,并对比分析了有、无织构时滚珠丝杠副的接触与润滑性能。结果表明,有织构时虽会增大滚珠丝杠副的接触应力,但在织构两侧产生的流体动压可使滚珠丝杠副形成流体摩擦,极大改善其润滑性能,从而起到很好的减摩效果。

考虑热弹流润滑作用的滚珠丝杠副摩擦力矩建模与分析

针对以往研究中滚珠丝杠副摩擦力矩计算方法中未考虑润滑作用对其影响,或未考虑接触弹性滞后效应以及滑移摩擦效应对其影响的情况。首先基于单个滚珠接触效应建立其热弹流润滑方程;然后在考虑润滑效应的基础上建立其黏性摩擦力、弹性滞后摩擦力及滑移摩擦力方程;最后提出一种基于全滚珠载荷分布与热弹流润滑耦合的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型,建立了预紧力、转速与摩擦力矩之间的耦合关系。试验结果表明,当预紧力从1 kN变化到6 kN,在滚珠丝杠低转速(100 r/min)时,摩擦因数变化范围为0.0056~0.0065。随转速的提高摩擦因数升高且变化量逐渐增大,说明国际标准DIN ISO3408-3:2006中将滚珠丝杠副空载摩擦力矩测量速度定为100 r/min具有合理性,验证了所提出的摩擦力矩计算方法的准确性。

考虑不对中误差的滚珠丝杠副接触与摩擦特性

首先求解了弹性梅花联轴器在平行不对中误差作用下所产生的附加载荷;再利用静力学分析方法,推导出不对中误差引起丝杠螺母副处附加力计算公式;结合全滚珠载荷分布模型,通过数值计算探究了平行不对中误差对滚珠丝杠副接触载荷分布的影响机理,并以此为基础,研究了考虑不对中误差的滚珠丝杠副摩擦特性。分析发现,联轴器平行不对中误差导致摩擦力呈现以一个导程为周期的波动,且在靠近电机端产生的波动幅值最大,而随着工作台从电机端移动到另一端的过程中,波动的幅值呈现出先减小后增大的趋势,并通过无外置传感器法的数控车床滚珠丝杠传动系统的摩擦力提取方法,提取并分析了进给系统的摩擦力,通过试验验证了这一理论的准确性。

轴向载荷作用下滚珠丝杠副接触变形分析

依据弹塑性接触理论,考虑塑性变形对滚珠丝杠副接触变形的影响,对双螺母预紧的滚珠丝杠副进行了接触受力分析,利用赫兹接触理论、Mises屈服准则建立了滚珠丝杠副弹塑性接触变形的数学模型。以某一型号的滚珠丝杠副为例,分析了轴向工作载荷、螺旋升角及接触角对滚珠丝杠副接触特性的影响。分析结果表明,适当增大螺旋升角、接触角可以有效改善滚珠丝杠副传动性能,为新型滚珠丝杠副的高精度合理设计提供理论支撑。