基于多体动力学的高速滚珠丝杠副磨损失效机理的研究

高速精密机械传动系统要求滚珠丝杠副在较高的运动速度下有良好的摩擦磨损特性和高的刚度。课题以新型的端盖循环返向式高速精密滚珠丝杠副为研究对象、以提高高速滚珠丝杠副耐磨性为目标，借助于力学建模、数值仿真、试验研究等手段，从多体动力学和磨损耦合的角度，系统深入地研究滚珠丝杠副结构参数和加工误差对磨损现象的作用规律，揭示磨损失效演变机理；研究滚珠丝杠副系统各个循环过程的磨损失效模型，利用多体动力学仿真技术和磨损原理，重点研究磨损和多体动力学耦合分析模型，并建立滚珠丝杠副设计参数、加工误差与摩擦磨损失效之间的关系。利用新研制开发的高速滚珠丝杠副综合性能试验台，通过试验不断完善理论模型。最终从设计和加工工艺方面，找出影响高速滚珠丝杠副磨损失效的短板因素。课题的研究将为分析高速精密滚珠丝杠副磨损失效问题提供一套较完整的理论和方法，为独立自主地发展我国数控机床工业提供先进的技术支持。

本课题以滚珠丝杠副为研究对象，根据滚珠丝杠副的动力学理论，分析了造成滚珠丝杠副磨损的主要原因——滚珠的楔紧效应和滑移特性，并提出了减小滚珠楔紧效应和滑移特性的方法，并基于ADAMS建立了滚珠丝杠副的多体动力学仿真模型；结合物理样机实验和虚拟样机仿真实验，分析了螺旋滚道截面参数、滚道制造误差及返向器安装误差对滚珠丝杆副动力学性能的影响，基于分析结果提出了滚珠丝杠副柔顺性评估方法；针对滚珠丝杠副使用寿命实验周期长、易受到安装和装配因素的影响的问题，提出了一种滚珠丝杠副寿命失效对比实验装置，设计了高效的多根滚珠丝杠副可以同时进行对比寿命实验的试验台；在高速滚珠丝杠副的多体动力学仿真模型的基础上，探讨了使用陶瓷滚珠改善滚珠丝杠副磨损可能性，以间隔滚珠尺寸、运行速度和接触角为主要分析对象，通过正交实验，对比分析了不同型式的混合陶瓷滚珠链对滚珠丝杠副力学性能的影响;提出了一种新型的非等适应度的滚珠丝杠副滚道截型，基于赫兹弹性接触原理和变形协调原理，且在考虑初始游隙和接触角变化的前提下，建立了非等适应度型面的双螺母滚珠丝杠副弹性变形接触角的计算模型，通过对比已有文献关于单圆弧滚珠丝杠副初始接触角和双半内圈球轴承初始接触角的计算公式，对本文提出的计算模型进行了验证；返向器是导致滚珠丝杠副磨损、有效寿命短的一个重要因素，为了减少滚珠冲击对滚珠丝杠副性能的有害影响，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。本项目的研究内容，是机床滚动功能部件的共性基础问题，所取的成果具有重要的理论意义与广阔的工程应用前景。