滾珠絲杠副長期貯存潤滑研究

劉旭亮，崔佩娟，張洪波，鄭再平，劉 偉

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

研究簡報

滾珠絲杠副長期貯存潤滑研究

劉旭亮，崔佩娟，張洪波，鄭再平，劉 偉

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

滾珠絲杠是航天機電伺服產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛的傳動機構(gòu)之一，面對航天產(chǎn)品長期存儲的要求，需要對這類傳動機構(gòu)中使用的潤滑脂貯存特性進行分析。對2003年產(chǎn)的滾珠絲杠進行采樣，并進行啟動力矩和正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測量試驗。為了避免運輸過程中改變絲杠存儲狀態(tài)，整個試驗在工廠車間進行，通過高清攝像機記錄試驗過程，分析總結(jié)試驗數(shù)據(jù)，為滾珠絲杠用潤滑脂長期存儲后性能變化提供參考。

滾珠絲杠；長期貯存；工作特性

0 引 言

航天機電伺服機構(gòu)面臨批產(chǎn)后長期儲存的問題，其中，涂有潤滑脂的傳動機構(gòu)是長期貯存的薄弱環(huán)節(jié)。

由于常規(guī)潤滑脂在大氣存儲過程中容易發(fā)生基礎(chǔ)油揮發(fā)和氧化變質(zhì)等現(xiàn)象，導(dǎo)致潤滑性能下降。另外，滾珠絲杠副潤滑空間相對狹小，常規(guī)潤滑脂在揮發(fā)變質(zhì)后會結(jié)塊并緊緊吸附在接觸表面，例如絲桿和螺母滾道的底部，鋼球與鋼球之間以及反相器管路中，造成工作啟動力矩增大，連續(xù)工作時出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的工作性能，甚至?xí)p壞電機、驅(qū)動器，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

航天產(chǎn)品潤滑材料存儲時間長達10～20年，且期間不能進行潤滑脂的更換等相關(guān)維護工作，因此，分析考核潤滑脂長期存儲后工作特性的變化十分必要。

1 滾珠絲杠副潤滑特性試驗

1.1 試驗樣品

1.1.1 樣品存儲狀態(tài)

本文被測量的滾珠絲杠生產(chǎn)日期為2003年3月，樣品實物如圖1所示，存儲情況如表1所示。

圖1 2003年產(chǎn)金屬換向器內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠

表1 樣品存儲情況

1.1.2 樣品規(guī)格

樣品為內(nèi)循環(huán)型滾珠絲杠，一共15根，具體參數(shù)如表2所示。

表2 滾珠絲杠樣品規(guī)格參數(shù)

1.1.3 樣品潤滑脂狀態(tài)

產(chǎn)品所用潤滑脂為通用2號鋰基潤滑脂，標準號為GВ 7324—1994。

鋰基潤滑脂是由天然脂肪酸（硬脂酸或12-羥基硬脂酸）鋰皂稠化中等粘度的礦物質(zhì)潤滑油制成。

1.2 試驗設(shè)計

分別取橡木桶貯藏后的獼猴桃果酒樣品和 4 ℃玻璃瓶密封保存的獼猴桃果酒樣品，各3個重復(fù)，隨機編號后進行品嘗打分。樣品的感官評定采用評分法，在學(xué)校范圍內(nèi)篩選了2名具有專業(yè)資質(zhì)的酒類品評教師和10名經(jīng)過酒類品評培訓(xùn)的學(xué)生（男、女各5人）組成品評小組。受試者被要求對果酒的整體感官質(zhì)量（視覺、香氣和味道）進行評分，評分范圍在0到10之間。為此，將果酒樣品隨機編號，并用培養(yǎng)皿覆蓋。在20～22 ℃進行盲評，在品嘗過程中提供清水，品評前后使用清水漱口。單獨打分，避免互相影響，收集評分后去掉最高分和最低分各一個，然后計算平均值[15～17]。

為保持滾珠絲杠所涂潤滑脂長期貯存后的特性，試驗前不對樣品進行清洗等處理。將上述試件分成 2組，其中一組抽取2根作為靜態(tài)觀測試件，僅將螺母旋出一定行程，露出存儲狀態(tài)時的潤滑滾道，如圖 2所示；另一組為其余13根，作為被測件進行反復(fù)循環(huán)試驗，測試空載轉(zhuǎn)矩情況。抽取方式為隨機。

圖2 滾珠絲杠絲桿上附著的潤滑脂示意

觀察發(fā)現(xiàn)絲桿上潤滑脂的性狀發(fā)生變化，呈現(xiàn)棕黃色橡膠狀，吸附在滾道內(nèi)與螺牙頂端，具有一定的彈性，易用手將其剝離，并呈塊狀掉落。

為保護滾珠絲杠原有存儲狀態(tài)，避免運輸過程中產(chǎn)生的影響，測量試驗在工廠內(nèi)部進行。試驗測量工具選用彈簧測力計，利用機床夾持螺桿，低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)螺桿，用彈簧測力計測量切向拉力。

首先采用砝碼標定彈簧測力計（量程為0～200 N），利用車床將被測絲杠的絲桿軸承安裝端夾緊，另一端頂住。設(shè)定機床旋轉(zhuǎn)速度為35 r/min，如圖3所示，測量絲杠螺母切向力，測量過程中保證測量點處于最頂端位置。啟動機床，用高清攝像機記錄整個過程測力計的示數(shù)，絲杠螺母運動時立刻停止機床。

圖3 測量滾珠絲杠啟動力矩

實際測量了13根滾珠絲杠，分別以各自的產(chǎn)品編號為代號。各絲杠的啟動轉(zhuǎn)矩通過計算可得：

式中 F為測力計讀數(shù)；D為絲杠螺母測量孔分度圓直徑。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 啟動力矩測試數(shù)據(jù)分析

啟動力矩測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 啟動力矩試驗數(shù)據(jù)

由表 3可得，滾珠絲杠啟動力矩差異較大，最大值為6.02 N·m（編號40），最小值為0.12 N·m（編號0，2，555），這種差異推測是由于變質(zhì)的潤滑脂所在位置不同造成。

2.2 正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測試數(shù)據(jù)分析

將滾珠絲杠按圖3固定方式重新安裝在車床上，利用相同的方法，測量正、反向200 mm行程內(nèi)絲桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動力矩。設(shè)定機床旋轉(zhuǎn)速度為35 r/min，測量數(shù)據(jù)用高清攝像機記錄。試驗測量過程中記錄各滾珠絲杠最大最小轉(zhuǎn)矩值，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩試驗數(shù)據(jù)

由表 4可知，滾柱絲杠正向連續(xù)轉(zhuǎn)矩最大值及最小值分別為4.78 N·m（編號72）及0.03 N·m（編號53），反向最大值為0.53 N·m（編號40），最小值為0.03 N·m（編號53）。13根被測滾珠絲杠中有11根反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩最大值明顯小于正向，其余2根再進行一次正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩試驗，測量數(shù)值較第1次有所降低。

分析試驗視頻資料，以2 s為一幀的頻率記錄每一幀圖像中彈簧測力計的示數(shù)，通過插值計算，用Маtlаb繪制每個滾珠絲杠100 s內(nèi)正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)將上述絲杠根據(jù)啟動力矩大小分為2組。

а）啟動力矩大于3 N·m（編號444、12、40、72），滾珠絲杠正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線如圖4а～4d所示。絲杠在正向運動初始階段存在較大峰值轉(zhuǎn)矩，隨后轉(zhuǎn)矩逐漸降低；反向運動過程中轉(zhuǎn)矩值較小，基本趨于平穩(wěn)；

b）啟動力矩小于3 N·m，在此組中選取具有代表性的編號22與編號55滾珠絲杠。如圖4е、圖4f所示，編號22滾珠絲杠啟動力矩低，但在連續(xù)工作過程中出現(xiàn)相對較大的峰值轉(zhuǎn)。編號55滾珠絲杠正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩可以反映其它小啟動力矩絲杠的轉(zhuǎn)矩變化趨勢。

圖4 正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩

續(xù)圖4

3 結(jié) 論

滾珠絲杠用潤滑脂長期貯存后工作特性試驗旨在分析航天機電產(chǎn)品傳動部分中滾珠絲杠使用的潤滑脂在長期貯存、產(chǎn)生不同程度揮發(fā)變質(zhì)后，對滾珠絲杠工作特性的影響。通過上述試驗及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

а）通用2號鋰基潤滑脂貯存特性差。潤滑脂涂抹于滾珠絲杠中，經(jīng)過長達11年的時間放置，在良好的密封條件下仍然會發(fā)生結(jié)塊。膠變，變質(zhì)后的潤滑脂會黏附于螺桿一些接觸部位。

b）潤滑脂的變質(zhì)會對滾珠絲杠啟動力矩和正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩造成影響。被測試驗件中最大啟動轉(zhuǎn)矩增加了十幾倍，因此在一些小功率的機電產(chǎn)品中，需要使用穩(wěn)定性更好，更加適用于長期存儲的潤滑脂產(chǎn)品，防止因潤滑脂變質(zhì)造成機構(gòu)卡死。

с）試驗發(fā)現(xiàn)，被測滾珠絲杠在反復(fù)進行幾次正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測量后，轉(zhuǎn)矩數(shù)值均大幅降低，趨于平穩(wěn)。絲杠轉(zhuǎn)矩最大值幾乎全都在起始階段，說明經(jīng)過一定運轉(zhuǎn)后，變質(zhì)的潤滑脂對機構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)沒有明顯的阻礙，主要的影響在啟動階段。

基于本文的試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，后續(xù)策劃開展低氧化性和低揮發(fā)性潤滑脂的研發(fā)工作，并將現(xiàn)用的潤滑脂和2號鋰基潤滑脂對比性的作加速老化等試驗，加深對現(xiàn)用潤滑脂的長期存儲特性的認識，為航天機電伺服機構(gòu)長壽命便維護提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

[1] 吳宗澤. 機械設(shè)計教程[М]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 程光仁, 施祖康, 張超鵬. 滾動螺旋傳動設(shè)計基礎(chǔ)[М]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1987.

[3] 溫詩鑄, 黃平. 摩擦學(xué)原理（第4版）[М]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.

[4] 金秀蘭. GВ 7324—1994通用鋰基潤滑脂[S]. 北京: 中國標準出版社, 1995.

[5] 吳曉鈴. 潤滑設(shè)計手冊[М]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[6] 程亞洲. 空間潤滑脂的研究進展[J]. 航天器環(huán)境與工程, 2013(1): 14-19.

The Service Performance of Lubricating Grease that Used in Long-term Storage Ball Screws

Liu Xu-liаng, Сui Реi-juаn, Zhаng Ноng-bо, Zhеng Zаi-рing, Liu Wеi
(Веijing Rеsеаrсh Institutе оf Рrесisе Месhаtrоniсs аnd Соntrоl(xiāng)s, Веijing, 100076)

Ваll sсrеw is оnе оf thе mоst widеlу usеd trаnsmissiоn mесhаnisms in аеrоsрасе еlесtrоmесhаniсаl sеrvо рrоduсts. Duе tо thе lоng-tеrm stоrаgе dеmаnd оf аеrоsрасе рrоduсts, thе реrfоrmаnсе оf lubriсаting grеаsе thаt usеd in thеsе kinds оf trаnsmissiоn mесhаnisms shоuld bе аnаlуzеd. Тhis аrtiсlе usеs а bаtсh оf bаll sсrеws, whiсh wаs mаdе in 2003, fоr stаrting tоrquе аnd соntinuum tоrquе ехреrimеnts. Тhеsе bаll sсrеws аrе sеаlеd in оil-аbsоrbing shееts аnd sеttlеd in wаrеhоusе till nоw. Тhе stоrаgе соnditiоns аrе аirinеss, nо dirесt sunlight аnd un-trаnsроrt. In оrdеr tо рrеsеrvе thе bаll sсrеws’ stоrаgе stаtus, ехреrimеnts аrе аll ореrаtеd in thе wаrеhоusе аnd rесоrdеd bу high dеfinitiоn саmеrа. Тhе аftеrwаrd аnаlуzеd rеsults саn рrоvidе rеfеrеnсе mаtеriаl fоr bаll sсrеws’ lubriсаting grеаsе реrfоrmаnсе аftеr lоng-tеrm stоrаgе.

Ваll sсrеw; Lоng-tеrm stоrаgе; Sеrviсе реrfоrmаnсе

ТР333

А

1004-7182(2016)06-0090-04 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160621

2016-04-01；

2016-08-15

劉旭亮（1990-），男，工程師，主要研究方向為機電伺服機構(gòu)設(shè)計