關(guān)于套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題的研究

賈 媛 蘇福蓮

（中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責任公司，常州 213022）

關(guān)于套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題的研究

賈 媛 蘇福蓮

（中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責任公司，常州 213022）

針對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題，對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行了有限元分析和動力學研究，提出了可能的故障模式，并針對相關(guān)故障模式提出了相應(yīng)的解決方法。試驗結(jié)果表明，直孔的加工精度對卡滯有一定的影響。

滾珠絲杠，外螺旋槽，卡滯，拋修

某沖壓渦輪在試驗臺架順槳過程中經(jīng)常出現(xiàn)卡滯問題，由于卡滯位置及原因存在不確定性，因此，通過執(zhí)行拋修流球口及修改相關(guān)尺寸來驗證措施的可行性。為了更深入地剖析滾珠卡滯原因，本文對該滾珠絲杠副進行了有限元及動力學分析與研究，提出了相應(yīng)的解決方法和措施，改進了相關(guān)加工工藝。

1 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠概述

1.1 定 義

套筒－螺旋槽式滾珠絲杠（見圖1）是在外環(huán)柱面上采用機械切割的方法形成的螺旋形凹槽，其功能是作為滾珠運動通道，兩頭加工出與動件滾道相切的直體小孔，螺母內(nèi)表面孔中裝有兩個與螺紋滾道相吻合的弧形擋珠，桿尾部使用橢圓形片特征的設(shè)計引導(dǎo)進入回珠滾道，返回初始螺紋滾道，形成滾珠鏈運動。為了防止運動體脫離既定運動軌跡，用環(huán)套緊套在螺母外圓柱上，從而構(gòu)成滾珠鏈的往復(fù)運動。

圖1 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠

1.2 特 點

本文采用的套筒－螺旋槽式滾珠絲杠的是雙圓弧滾道型面（見圖2），接觸角為45°，這一角度保持不變，因此，傳動效率、承載能力和剛度均較穩(wěn)定，特別是槽底不與滾珠緊貼，有利于提高運動時的順滑度，而且能夠積存少量的潤滑油或外來顆粒。

圖2 雙圓弧型滾道型面

2 有限元及滑動摩擦分析

滾珠絲杠中滾子受力并不是均勻分布的，前后滾珠的受力有很大差別，最前一環(huán)滾珠約承受總載荷的45%、中間一環(huán)約35%、最后一環(huán)約20%，因此，有必要對滾珠受力變形情況進行有限元分析，研究其變形對卡滯的影響。

滾珠絲杠副雖以金屬加工球體作為動力傳輸，球體的運動方式為滾動加上滑動，且滑動在其中起主要作用。除去細小微觀上的運動，影響最大的是外部其它載荷對其產(chǎn)生作用力所引起的直接運動，因此，同樣需要對滑動摩擦系數(shù)的影響進行分析。

2.1 有限元分析

對滾珠絲杠建模，并對其進行了網(wǎng)格劃分，對絲杠一端施加3800N的壓力，螺母采用固定約束。對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行有限元分析的結(jié)果如圖3～圖6所示。

教師在教學過程中應(yīng)注意啟發(fā)學生學習如何思考問題、如何提出有價值的問題。例如，可根據(jù)社會上近期發(fā)生的引起重大關(guān)注的事件或?qū)W生提出的問題設(shè)定主題，先進行小組討論，各小組推選代表上講臺講述，鼓勵學生提出各自的疑問和見解，引導(dǎo)他們多角度、多層面地思考問題。

圖3 滾珠的應(yīng)力和變形分布

圖4 螺母應(yīng)力分布

圖5 絲杠應(yīng)力分布

圖6 單個滾珠的應(yīng)力分布

由套筒－螺旋槽式滾珠絲杠有限元分析結(jié)果可知，滾珠的最大應(yīng)力為37.6MPa，最大變形為0.00022515mm；從應(yīng)力分布來看，第1圈應(yīng)力較大，但相對與材料屈服強度較小，其變形影響可忽略不計。

2.2 制造誤差對摩擦因數(shù)的影響分析

滾珠絲杠副無論是哪一種滑動，摩擦力矩都與滑動摩擦因數(shù)息息相關(guān)。摩擦學研究表明，摩擦因數(shù)不是一個固定值，而是一個系統(tǒng)變量函數(shù)，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工況和環(huán)境等有關(guān)[2]?；瑒幽Σ烈驍?shù)μ可表示為：

μ= f (P, V, T, t, χ, n, …) （1）

機構(gòu)工作中所受的載荷經(jīng)常會改變，它是引起摩擦因數(shù)變化的主要原因，本文針對載荷對摩擦因數(shù)的影響進行分析。

滾珠絲杠副有滑油潤滑時，軌道中要形成理想狀態(tài)的完全油膜來潤滑幾乎不可能，在實際工作情況中通常為邊界潤滑。根據(jù)分子—機械摩擦理論，可認為滾珠絲杠副中的摩擦有機械分量和分子分量。

由HOLM基本粘著理論可知，摩擦因數(shù)μ可表示為：

μ=[x·τm+（1+χ）τL]/σS（2）

式中：τm為結(jié)點的剪切強度；τL為潤滑膜分析鍵合剪切強度；χ為結(jié)點實際結(jié)合面積與名義結(jié)合面積之比；σS為接觸副中較軟材料的屈服極限。

式中：ζ為表面質(zhì)量系數(shù)；σp為接觸應(yīng)力；E為材料彈性模量。

將上述兩式整理可得：

從上式可得出滾珠與滾道接觸副的滑動摩擦因數(shù)隨接觸壓力的變化情況而變化，一般而言，機構(gòu)工作時的機械載荷增大，摩擦因數(shù)也相應(yīng)增大。當運動軌道內(nèi)有外來物質(zhì)，或者金屬剝落引起軌道損傷時，受害物體的接觸應(yīng)力與摩擦因數(shù)也相應(yīng)變大，滾珠絲杠副的總摩擦力矩就會增大，甚至可能會導(dǎo)致滾珠無法正常滾動而造成卡滯故障。

3 套筒－螺旋槽式滾珠絲杠螺母卡球位置與故障分析

通過對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠進行有限元及滑動摩擦分析，確定了摩擦因數(shù)對卡滯故障的影響。下面對卡球概率較大的位置進行分析，為后期工藝改進提供方向。

3.1 螺旋形返回通道進口處卡球

螺旋槽式外循環(huán)滾珠螺旋副的返回通道位于滾珠從螺旋工作滾道導(dǎo)出后即將進入返回通道的轉(zhuǎn)彎處，如圖7所示。因加工限制出現(xiàn)如圖8所示的拐點。

圖7 返回通道進口處卡球位置示意圖及局部剖面圖

即便滾珠與軌道之間的間隙為理想狀態(tài)，當滾珠由o1處移向o3處，經(jīng)過o2時，在o2處沿著速度方向滾珠一定會產(chǎn)生突然蹦跳，蹦跳造成滾珠快速的運行不平穩(wěn)，最終導(dǎo)致機構(gòu)的流暢性和靈活性大幅降低。滾珠之間的相互碰撞使得滾珠之間的摩擦力增大，使得摩擦扭矩變得很大，這種情況稱之為“球阻”現(xiàn)象。

圖8 返回通道拐點剖面圖

圖9中滾珠的外環(huán)引導(dǎo)槽面在o2處法向合力的作用下，使其轉(zhuǎn)彎進入反向螺旋槽的時候有一定的阻礙。如果導(dǎo)槽與滾珠間存在間隙，情況將更加惡化。

圖9 拐點處被卡滾珠受力分析示意圖

3.2 外螺旋槽內(nèi)卡球

外循環(huán)滾珠絲杠副是采用后一個滾珠推動前一個滾珠的方式依次循環(huán)運動的，中間大部分的滾珠不受滾動力，因此，此處滾珠只做滑動，而無滾動。這樣，就形成了很大的摩擦力矩。

3.3 流球口拋修處卡球

由于螺母直孔加工過程中，加工琉球口臺階處（如圖10所示）易發(fā)生“偏刀”，造成相交處不能光滑過渡。因此，此處結(jié)構(gòu)需采用手工拋修，拋修的寬度及拋修質(zhì)量往往與人的技能和熟練程度有關(guān)，這就增加了拋修寬度的不確定性。拋修寬度太大容易使?jié)L球發(fā)生側(cè)移，而側(cè)移量太大會產(chǎn)生明顯的楔緊效應(yīng)，進而導(dǎo)致滾球的卡滯。

圖10 加工流球口產(chǎn)生臺階

4 改進措施及建議

從運動學和動力學的角度，針對套筒－螺旋槽式滾珠絲杠頻繁卡滯問題，提出以下改進措施和建議：

（1）采用鏜孔工藝加工直孔，控制因直接鉆孔而造成的“偏刀”影響，進而從根本上控制拋修寬度；

（2）保證螺旋槽出入口與滾道光滑過渡，使?jié)L球通過時加速度無突變（沖擊會造成動力損失），并采取精加工工藝（如最后一道工序采用研磨）來提高外螺旋槽滾道的光潔度，從而降低滾珠的卡滯概率；

（3）使用規(guī)定的清潔潤滑脂，裝配過程中防止硬質(zhì)顆粒等異物進入滾道，防止?jié)L珠運動卡滯；

（4）對外螺旋滾道進行優(yōu)化，減少滾道的拐點，調(diào)整滾珠與螺旋滾道的間隙，降低卡滯發(fā)生概率；

（5）規(guī)定流球口拋修寬度及拋修質(zhì)量，提高拋修質(zhì)量一致性。

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

（1）改進直孔的加工工藝后，在試驗機上進行各項實驗，暫未發(fā)現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。 （2）采用鏜孔方法，保證了直孔的精度，顯著改善了卡滯現(xiàn)象。

（3）提高加工精度、量化拋修寬度和提升裝配質(zhì)量對卡滯問題有顯著改善。

1 馮虎田. 滾動絲杠副動力學與設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2014

2 劉曉慧, 宋現(xiàn)春. 滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素及測試方法研究[J]. 工具技術(shù), 2006, 40(6): 59～61

3 范東風. 大導(dǎo)程程滾珠絲杠副螺母成型磨削加工建模與仿真[D]. 上海交通大學, 2009

4 張佐營. 高速滾珠絲杠副動力學性能分析及其實驗研究[D].濟南: 山東大學, 2008

1009-8119（2017）10（1）-0055-03