基于滚珠丝杠副流畅性的滚珠返向器型线优化设计

滚珠与返向器的撞击不仅是滚珠丝杠副产生低频噪声的主要原因,也是影响滚珠丝杠副寿命的主要因素。为了减少滚珠冲击对滚珠丝杠副性能的有害影响,文章首先建立了滚珠与返向器的碰撞接触模型,提出了滚珠在返向器内循环流畅性的评价指标,并提出了一种双圆弧滚道型线和优化设计方法。利用多体动力学仿真软件ADAMS对滚珠运行状态进行了仿真,仿真结果表明优化后的返向器滚道使得滚珠与返向器之间的碰撞接触力显著低,同时使得滚珠在返向器中循环流畅性更好。将双圆弧滚道型线和优化方法应用于滚珠丝杠副的滚珠返向器滚道型线的设计,具有实际工程意义     

高速滚珠丝杠副的碰撞噪声控制

滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件,返向器是提供滚珠循环的通道,滚珠进入返向器时的碰撞力会引起较大的噪声。通过分析影响滚珠丝杠副中滚珠与返向器碰撞力的因素,寻找降低该碰撞力的方法,对返向器结构进行改进,并对两种结构丝杠副进行噪声对比试验。研究表明通过减小返向器滚道与丝杠滚道切线的夹角,采用弹性模量较小的工程塑料制作返向器,可以达到降低滚珠与返向器的碰撞力,进而降低滚珠丝杠副噪声的目的。     

双螺母预紧滚珠丝杠副摩擦力矩与接触刚度波动关系研究

目前,滚珠丝杠副刚性的一次测量只能测得一个位置处刚度,需进行多次测量才能获得有效行程内的刚度波动情况,且每次测量需要拆卸和调整测量装置,耗时耗力。由于滚珠丝杠副摩擦力矩测量是空载扭矩,在测量行程中,螺旋升角和接触角是基本没有什么变化,同时在刚性测量中,轴向载荷的加载对螺旋升角和接触角的影响非常小,可以简单、快速获得双螺母预紧滚珠丝杠副不同位置处接触刚度值波动情况,对双螺母预紧滚珠丝杠副的滚珠进行动力学分析,建立预紧力与接触刚度的关系式,结合滚珠丝杠副预紧力与摩擦力矩平衡方程,建立关于摩擦力矩的接触刚度数学模型;使用滚珠丝杠副摩擦力矩试验台对两种不同型号的双螺母预紧滚珠丝杠副进行摩擦力矩测量;在滚珠丝杠副静刚度试验台上对以上两件滚珠丝杠副进行静刚度测量。试验结果表明:当双螺母预紧滚珠丝杠副的轴向载荷23/2倍预紧力时,双螺母预紧滚珠丝杠副的接触刚度与摩擦力矩的1/3次方成正比;可通过测量双螺母预紧滚珠丝杠副行程内的摩擦力矩来反映不同位置处接触刚度的波动情况。     

滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析

考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响,提出一种有限元建模方法,用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型。基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式,采用多单元混合的方法划分网格,建立整个进给系统的有限元模型,仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率;采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态试验,试验结果表明仿真和试验得到的模态振型基本一致,固有频率的最大误差为8.9%;基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。所提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有参考价值。     

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。     

轴向载荷对滚珠丝杠副摩擦力矩波动的影响及测试

根据赫兹接触理论分析预紧力及轴向作用力与丝杠接触刚度的关系,根据滚动丝杆摩擦力矩波动的滚珠进入滚道阻力影响法,分析在轴向载荷下滚动丝杆副摩擦力矩波动影响参数;通过对轴向力作用下的丝杠系统摩擦力矩实验测试,表明预紧力对摩擦力矩的波动起主导作用,轴向载荷下的丝杠系统以单向预紧力的方式加剧了摩擦力矩的波动量。     

基于多重调谐质量阻尼器的滚珠丝杠副横向振动控制

为克服滚珠丝杠副动态特性随螺母沿丝杠运动不断变化,导致丝杠振动难以控制问题,提出采用多重调谐质量阻尼器对滚珠丝杠副横向振动进行控制。建立含多重调谐质量阻尼器的滚珠丝杠副在螺母及两端轴承处弹性支撑条件的动力学模型,获得不同螺母运动、受动态工作负载激励时丝杠横向振动频率响应函数。以不同螺母位置丝杠横向振动频率响应函数幅值最大值最小化为优化目标,获得多重调谐质量阻尼器最佳动力参数。仿真计算结果表明,采用多重调谐质量阻尼器进行丝杠横向振动控制,其效果及鲁棒性显著。     

滚珠丝杠副刚度的影响因素及其试验研究

为了提高滚珠丝杠副静态和动态分析的精度,利用滚珠丝杠副中丝杠滚道的力和力矩平衡方程,并考虑变化的接触角和接触变形的影响,建立了联合载荷作用下精确的滚珠丝杠副刚度的数学模型,利用模型分析了滚珠丝杠副刚度的影响因素和规律,结果发现：滚珠丝杠副的刚度随轴向和径向载荷的增大,随之变大,而随倾覆力矩的增加,随之减小;增大导程和减小滚道曲率比可提高滚珠丝杠副的刚度;轴向刚度随轴向载荷、导程和滚道曲率比的改变所受影响最大,角刚度主要受径向载荷和倾覆力矩的影响,径向刚度受载荷和结构参数的影响都较小。通过与滚珠丝杠副轴向静刚度测试平台上测量的结果比较表明,建立的模型是合理和可靠的。     

基于模态综合法与动态凝聚的滚珠丝杠进给系统状态空间建模与实验验证

以往研究中为便于机械传动环节与控制系统的集成建模,常将滚珠丝杠进给系统简化为简单机械模型,其在动态性能精确求解等方面存在不足。针对这一问题,充分考虑滚珠丝杠进给系统的结构柔性以及丝杠螺母副的耦合特性,构建滚珠丝杠进给系统多柔体动力学模型;在此基础上,综合模态综合法和动态凝聚法,对进给系统有效简化动力学信息准确提取,加快模型降阶收敛和凝聚自由度响应求解速度,推导得到滚珠丝杠进给系统的状态空间缩聚模型。基于内置传感器信号的动态性能试验测试,对模型的正确性进行验证,其一阶固有频率计算误差为5.54%,实验和仿真计算得到的输入扭矩与输出转速间的频响曲线在一阶频率处极点坐标分别为32.83 d B和35.16 d B。该研究为实现滚珠丝杠进给系统与伺服控制系统的高效高精度集成建模提供了重要的理论基础和方法指导。     

滚珠丝杠副热变形计算分析及可视化

以传热学原理为基础,探讨温升对滚珠丝杠副的影响.首先确定热流密度系数及对流换热系数,然后借助有限元分析软件ANSYS,建立滚珠丝杠副的有限元模型,计算求解温度场及热变形.仿真云图显示:滚珠丝杠以1350r/min旋转时,其温升达到3.8℃,引起8.32μm的热变形.     

Impact failure analysis of re-circulating mechanism in ball screw

A ball screw driven mechanism is a major component in high-speed/high-precision transmitting systems. In such a mechanism, the return tube has been designed to provide the path for a steel ball rolling in screw grooves. As the driven shaft in the mechanism operates at high rotating speed, forces caused by the impact activity between the steel ball and return tube may generate high stresses and cause damage to the return tube after some significant service times. In order to understand the fracture conditions in the return tube, an impact-contact formula is developed and the transient behavior is investigated based on the finite element method in this paper. From results obtained here, it is shown that the rotational speed of the ball screw may affect the service life of the return tube significantly. Factors that affect the service life of the re-circulating mechanism are then described in detail. Further suggestions for the improvement of the return tube in the design/fabrication processes are also proposed in the final part of this paper.     

Oblique impact of inflated balls at large deflections

A planar theory for oblique impact of thin-walled spherical balls against a rough rigid surface has been developed on the basis of an assumed deformation field—an initially spherical ball is assumed to flatten against the constraint surface while the remainder of the ball remains undeformed. For inflated thin-walled balls, which are represented by these assumptions (basketballs, soccer balls, volleyballs, etc) the normal reaction force acting on the flattened contact patch is predominately due to the internal gas pressure—the reaction due to shell bending is insignificant in comparison with this gas force. During impact of a thin-walled ball there also is a non-conservative momentum flux reaction that is caused by the flow of momentum into and out-of the flattened contact patch. If the ball is translating as well as rotating about an axis perpendicular to the plane of motion, the distribution of the normal component of velocity for material entering and exiting the flattened contact patch results in a distribution of momentum flux force intensity around the periphery of the contact patch and consequently, a momentum flux torque acting on the flattened sphere. The effect of these reaction forces and torque on oblique impact of thin-walled spherical balls is calculated as a function of the ball deflection (or normal component of impact velocity). In comparison with rigid body calculations for oblique impact of a spinning ball against a rough surface at angles<45° from normal, the effect of maximum deflections as large as half the initial radius is to slightly accentuate the effect of friction on angle of rebound and moderately decrease the angular velocity of the ball. However, for angles >45° from normal, the final angular velocity can be as small as 40% of that predicted by rigid body theory. The most significant changes in rebound angle are for cases with initial backspin—a technique commonly used in many ball sports.     

A general elastic–plastic approach to impact analisys for stress state limit evaluation in ball screw bearings return system

A methodology for stress state limit recovering in ball screws return system is presented in this paper. A lot of different researches and standards have been already performed for rolling bearings load static and dynamic rating (ISO 76, ISO 281), but nothing has been said for ball screws except in some drafting standards (Draft standard DIN 69051-4). Also the overall stress limits introduced for rolling bearings in ISO standards are not valid for ball screws bearing because of their different contact geometry. Moreover, the plastic contact due to impact between the spheres and the ball return system, very important for ball screw bearing life determination, has been investigated in very recent works only for nominal impacts by Hung et al. [Impact failure analysis of re-circulating mechanism in ball screw. Eng Failure Anal 2004;11:561–73].     

圆柱滚子轴承多体接触动力学研究

考虑滚子和套圈、滚子和保持架、保持架和引导套圈的动态接触关系,提出了机械系统中圆柱滚子轴承多体动力学分析的新方法。基于圆柱套圈滚道的三角网格模型,实现了圆柱滚子和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,进而建立了计及润滑摩擦作用和Hertz接触作用的圆柱滚子轴承的三维多体接触全动力学模型。运用广义-α方法计算分析了不同工况条件下圆柱滚子轴承的动态特性和保持架的稳定性,获得了不同工况下轴承的运动轨迹、角速度、滚子和倾斜扭转振动、动态接触力,拖动力和相轨迹等动态响应的变化规律。计算结果表明低速或较小径向力下,滚子和保持架的拖动力相对较小且不稳定,滚子和保持架侧梁、外圈挡边之间存在明显的频繁接触冲击作用,内圈中心的振动位移相对较大,保持架中心的径向平面运动轨迹形成不稳定的近似圆周运动,圆柱滚子轴承的运动稳定性相对较差。随着转速或旋转径向力的增加,保持架中心的径向平面运动轨迹为圆周运动和单周期的相轨迹运动,保持架中心的轴向振动明显,滚子倾斜扭转振动相对较小。     

带碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型

建立了含转子不平衡-松动-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,充分考虑了转子系统的不平衡、基础松动及转静碰摩故障的耦合;对滚动轴承模型,充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由轴承支撑刚度变化而产生的VC（varying compliance）振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并利用振幅-转速曲线图、分叉图、相平面图、频谱图、Poincaré截面图和轴心轨迹图研究了系统的分叉与混沌运动,分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量、轴承座质量、轴承座与机匣间的连接刚度以及机匣与基础间的连接刚度对系统响应的影响,得到了在不平衡-松动-碰摩故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律.     

卧式行星球磨机最佳参数的数值模拟

采用颗粒离散元法模拟得到卧式行星磨磨筒内钢球平均接触力大小以及随填球率、钢球直径、磨筒半径和公转半径的变化规律,并与实验结果进行了比较分析。结果表明:行星磨的粉磨速率可以由平均接触力大小来确定,粉磨速率的对数是平均接触力线性函数,斜率为0.087。磨筒填球率的增加,导致钢球的平均接触力减小;随着钢球直径、磨筒半径、公转半径的增大,平均接触力呈线性增长,斜率分别为2.5,0.14,0.03,其中钢球直径对平均接触力的影响最大。     

低中速钨球变形与速度关系计算模型

为研究钨球侵彻装甲钢板时钨球的变形和初速的关系,采用12.7 mm弹道枪加载的方式,进行了Φ5.86mm、Φ6.83 mm和Φ7.51 mm钨球冲击装甲钢板实验。根据实验过程,分析了弹-靶侵彻过程,依据低速碰撞时靶表面的压力分布、固体碰撞问题动力学和接触体间压力静力学方法建立了钨球的侵彻速度与最大变形关系式,与实验结果进行了比较验证。结果表明,实验数据和模型计算公式的误差在11%以内,证明了计算公式的正确性。