高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究

发布时间：2022-04-23 13:37

　　精密滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件,随着高速切削技术的发展,对滚珠丝杠副的线速度提出了越来越高的要求。滚珠丝杠副的高速化同时带来了振动、噪声和由于摩擦引起的温升等诸多问题,噪声和温升成为制约滚珠丝杠副高速化的关键因素。研究摩擦和噪声等高速滚珠丝杠副的动力学性能,分析影响滚珠丝杠副高速性能的关键因素,为高速滚珠丝杠副的设计和制造提供理论和技术支持,具有重要的理论价值和实际意义。本文应用接触力学、碰撞力学、弹流动力润滑和结构噪声的理论,结合实验研究了滚珠丝杠副的摩擦力矩和高速下的噪声问题,研究内容主要包括:1)应用Hertz接触理论,在考虑螺旋升角的情况下,分析了滚珠在工作滚道中的接触特性及各结构参数对接触特性的影响。2)根据运动学理论,分析滚珠丝杠副中滚珠与丝杠轴之间的运动关系,探讨各结构参数对滚珠自旋和滑移运动的影响。3)应用Hertz接触模型和牛顿第二定律,建立了滚珠与返向器碰撞的力学模型,设计了测量碰撞接触时间的试验装置。研究分析了碰撞角度、结构和材料参数对碰撞力的影响。分析了滚珠碰撞后的运动变化情况,以及在循环返向滚道中的运动流畅性。4)根据滚珠丝杠副的结构特点,研究分析了滚... 

【文章页数】：155 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号说明
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 滚珠丝杠副的结构
    1.3 滚珠丝杠副的高速化趋势及技术对策
        1.3.1 滚珠丝杠副的高速化趋势
        1.3.2 滚珠丝杠副的高速化所带来的问题
        1.3.3 滚珠丝杠副高速化的技术对策
    1.4 精密滚珠丝杠副的国内外研究现状
        1.4.1 国外研究现状
        1.4.2 国内研究现状
    1.5 课题研究目的和内容
        1.5.1 研究目的
        1.5.2 研究内容
    1.6 本章小结
第二章 滚珠在工作滚道中的接触特性
    2.1 概述
    2.2 Hertz接触理论
    2.3 滚珠与工作滚道的接触特性
        2.3.1 主曲率与曲率和的计算
        2.3.2 接触载荷
        2.3.3 接触压力和变形分析
    2.4 滚珠丝杠副设计参数对滚珠接触特性的影响
        2.4.1 接触角对接触特性的影响
        2.4.2 螺旋升角对接触特性的影响
        2.4.3 曲率比对接触特性的影响
    2.5 滚道加工误差对接触载荷的影响
        2.5.1 加工误差对接触角的影响
        2.5.2 加工误差对接触载荷的影响
    2.6 本章小结
第三章 滚珠在工作滚道中的运动分析
    3.1 概述
    3.2 滚珠丝杠副中的基本运动关系
    3.3 滚珠通过返向器的频率
    3.4 滚珠的自旋运动
    3.5 滚珠的滑移
    3.6 本章小结
第四章 滚珠在循环返向器中的动力学性能分析
    4.1 概述
    4.2 碰撞模型的描述
    4.3 入口处滚珠与返向器的碰撞力学模型
        4.3.1 滚珠与返向器的碰撞接触理论模型
        4.3.2 模型的试验验证
    4.4 各种因素对碰撞力影响的数值模拟
        4.4.1 速度对碰撞力的影响
        4.4.2 DN值和碰撞角对碰撞力的影响
        4.4.3 螺旋升角对碰撞力的影响
        4.4.4 材料的弹性模量对碰撞力的影响
        4.4.5 滚珠质量对碰撞力的影响
        4.4.6 返向器滚道截面与滚珠的曲率比对碰撞力的影响
    4.5 滚珠在返向过程中的流畅性分析
        4.5.1 入口处滚珠与返向器的碰撞对滚珠速度的影响
        4.5.2 返向滚道的曲率变化对滚珠运动流畅性的影响
        4.5.3 滚珠在返向滚道内的推挤碰撞
        4.5.4 返向器装配误差对滚珠流畅性的影响
    4.6 本章小结
第五章 滚珠丝杠副摩擦力矩的理论分析
    5.1 概述
    5.2 滚珠丝杠副摩擦力矩产生机理
        5.2.1 弹性滞后阻力
        5.2.2 差动滑动摩擦
        5.2.3 自旋滑动摩擦
        5.2.4 滚珠之间的摩擦
        5.2.5 滚珠在返向器中的摩擦
        5.2.6 润滑剂的粘滞摩擦
    5.3 摩擦力矩分析模型
        5.3.1 由预紧载荷引起的摩擦力矩
        5.3.2 摩擦力矩分析模型
    5.4 滚珠丝杠副的弹流润滑分析
        5.4.1 Reynolds方程
        5.4.2 点接触弹流油膜厚度
        5.4.3 滚珠丝杠副的润滑状态判别
        5.4.4 脂润滑弹流膜的特征
    5.5 滚道制造误差对摩擦力矩的影响分析
        5.5.1 载荷对滑动摩擦系数的影响
        5.5.2 滚道参数的随机误差对摩擦力矩的影响
        5.5.3 滚道加工误差对摩擦力矩影响的平均效应
    5.6 摩擦力矩波动频率的讨论
    5.7 本章小结
第六章 滚珠丝杠副摩擦力矩的实验研究
    6.1 概述
    6.2 摩擦力矩测量分析系统设计
        6.2.1 摩擦力矩实验台结构设计
        6.2.2 信号采集分析系统
            6.2.2.1 信号采集
            6.2.2.2 AR功率谱分析
            6.2.2.3 线性趋势信号的剔除
    6.3 摩擦力矩测量结果与分析
        6.3.1 不同结构滚珠丝杠副的摩擦力矩特性
        6.3.2 润滑介质对摩擦力矩的影响
        6.3.3 1Hz波动的原因讨论
    6.4 滚珠丝杠副高速下的温升试验
        6.4.1 温升测量方法
        6.4.2 温升测量结果分析
    6.5 滚珠丝杠副磨粒的铁谱分析
    6.6 本章小结
第七章 端部偏转式高速滚珠丝杠副噪声机理的实验研究
    7.1 概述
    7.2 振动噪声测量分析系统
        7.2.1 高速精密滚珠丝杠副综合性能实验台
        7.2.2 振动噪声采集分析仪
    7.3 滚珠丝杠副噪声的实验与分析
        7.3.1 实验条件
        7.3.2 插管式与端部偏转式滚珠丝杠副噪声频谱特性
    7.4 滚珠丝杠副振动的实验与分析
        7.4.1 4032丝杠副的轴向振动实验与频谱分析
        7.4.2 4032滚珠丝杠副的径向振动实验与分析
    7.5 滚珠丝杠副螺母振动的激励频率分析
        7.5.1 滚珠对返向器的冲击频率
        7.5.2 滚珠通过返向器频率的验证
        7.5.3 丝杠轴波纹度的激励频率
    7.6 润滑脂对滚珠丝杠副噪声的影响
    7.7 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 全文总结
    8.2 工作展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表论文、参与课题及获得奖励
    发表论文
    参与课题
    获得奖励
英文论文
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]滚珠丝杠副摩擦力矩测量系统的研制[J]. 宋现春,张刚,厉超.  山东建筑大学学报. 2007(03)
[2]滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究[J]. 刘晓慧,宋现春.  工具技术. 2006(06)
[3]基于扭矩测量的交流伺服工作台摩擦建模与仿真研究[J]. 张涛,路长厚,李泉.  润滑与密封. 2006(04)
[4]精密滚珠丝杠磨削加工中的热变形控制[J]. 宋现春,王兆坦,刘现银.  制造技术与机床. 2006(01)
[5]滚珠丝杠的温升及热变形对策[J]. 于旭年,荆福义.  农业装备与车辆工程. 2005(11)
[6]短时AR谱分析及在内燃机故障诊断中的应用[J]. 李涛,李艾华,王涛,尚玉沛.  振动、测试与诊断. 2005(04)
[7]从CIMT2005中国国际机床展看数控机床滚动功能部件的发展[J]. 宋现春.  机械工人.冷加工. 2005(06)
[8]紧随数字化制造技术与装备同步发展的滚动功能部件产品[J]. 黄祖尧.  世界制造技术与装备市场. 2005(03)
[9]实现滚珠丝杠螺母副高速化的技术措施[J]. 曹建国,陈世平.  机床与液压. 2005(05)
[10]高速滚珠丝杠副综合性能试验台的研制开发[J]. 宋现春,刘剑,王兆坦,刘宪银,李保民.  工具技术. 2005(03)

博士论文
[1]大导程滚珠丝杠副动力学性能及加工方法研究[D]. 姜洪奎.山东大学 2007
[2]斜碰撞振动系统动力学研究[D]. 韩维.南京航空航天大学 2003
[3]球轴承振动的研究[D]. 赵联春.浙江大学 2003



本文编号：3647286