液体静压丝杠副螺距误差作用机理与运动特性研究

发布时间：2018-07-20 09:55

【摘要】：数控机床的高速、重载和高精度集成化发展,给液体静压丝杠副的应用带来了新机遇,但是其设计、研究资料却明显不足和滞后。螺距误差的存在显著影响了液体静压丝杠副的静动态特性、传动精度和运动特性等,给其设计和应用带来诸多不可回避的关键问题。如何充分发挥其优越的性能,亟需有充分考虑实际工况的、较完善的理论研究作为指导。本文弥补设计、研究资料的匮乏,考虑螺距误差的影响,开展了液体静压丝杠副的性能分析。首先,建立了液体静压丝杠副油膜特性数学模型。借助螺纹螺旋面的等效扇形平面,基于简化形式的Navier-Stokes方程、质量守恒原理和界面无滑移边界条件,推导了针对螺旋型油膜的广义雷诺方程。建立了含螺母螺距误差的油膜间隙模型,结合油膜速度边界,推导了在液体静压丝杠副中雷诺方程的具体形式。利用小扰动理论推导了雷诺方程和流量连续方程的扰动形式。给出了液体静压丝杠副的轴向承载能力、轴向刚度系数和轴向阻尼系数等的计算公式。其次,用有限差分法数值求解了考虑螺母上周期为2π的周期螺距误差和螺距累积误差时,毛细管补偿、双面薄膜补偿断续油腔液体静压丝杠副的油膜压力和扰动压力分布,进而得到其轴向静动态特性。比较研究了各种情况下,静动态特性随螺母波动位移的变化规律,为揭示螺距误差的作用机理,着重对变化规律进行了分析、解释。从利于产生动压效应的角度出发,提出了一种利用静压油腔与螺母周期螺距误差的合理配置提高静动态特性的新方法,即把油腔间的封油面置于油膜间隙的波谷处,使润滑油从油腔流出后,沿螺旋方向呈"爬坡"式流动,流向收敛的楔形间隙,极大地增强了封油面上的动压效应。计算分析了这种布局下,液体静压丝杠副轴向承载能力、轴向动刚度和轴向阻尼等的变化规律,结果表明所提新方法显著提高了液体静压丝杠副的静动态特性。然后,分析了液体静压丝杠副的传动精度和油膜的螺距误差均化作用。给出了同时考虑丝杠和螺母螺距误差的油膜特性控制方程。基于静压螺母的准静态平衡,计算了在低速、恒定外载工况下静压螺母的运动误差。研究了螺距误差的不同组成成分对运动精度的影响,发现当丝杠上只有螺距累积误差时,静压螺母的运动误差等于丝杠螺纹两侧螺旋面螺距累积误差的平均值。用均化系数定量衡量油膜对丝杠周期螺距误差的均化效果,发现开螺旋油腔的螺母螺纹数和丝杠螺距误差的周期是影响均化系数的主要因素。进一步分析了静压螺母的螺旋油腔结构形式与螺母的径向位移和倾斜对均化系数的影响,发现断续油腔静压螺母的均化系数在特定的空间频率出现凸起,螺母径向位移和倾斜对均化系数的影响不大。最后,分析了静压螺母的高速运动特性。基于静压螺母的运动方程,并引入欧拉方程,作为联系运动方程与油膜特性控制方程的桥梁,建立了适用于高速工况的静压螺母运动非线性模型。分析了高速工况下,静压螺母受较小静态载荷、较大静态载荷、阶跃载荷、正弦载荷等不同外载时的运动特性。发现:在高速、较小静载荷下静压螺母波动位移曲线的波动变化不大,液体静压丝杠副在低速工况下螺距误差均化作用的结论,可以扩展到高速、较小静载荷的工况;受阶跃载荷作用时,螺母过渡运动过程平滑、无超调,运动平稳性良好;受正弦载荷作用时,螺母响应波动位移的振幅随正弦载荷频率的增大而减小。
[Abstract]:This paper presents a new method to improve the static and dynamic characteristics of hydrostatic lead screw by using the finite difference method . This paper analyzes the high - speed motion characteristics of static pressure nut . Based on the motion equation of static pressure nut , and introduces the Euler equation , as the bridge between the contact motion equation and the oil film characteristic control equation , the nonlinear model of static pressure nut motion is established .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【参考文献】