關(guān)于滾珠絲杠副可靠性的研究綜述

李棟 張余

摘要：滾珠絲杠副作為重要的傳動部件，在航天航空、數(shù)控機床、工業(yè)機器人等行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。滾珠絲杠進給系統(tǒng)的可靠性和定位準確性直接決定了高端裝備的效率與定位精度，學(xué)術(shù)界日益重視對滾珠絲杠可靠性和定位準確性的研究與實踐。本文就關(guān)于滾珠絲杠副可靠性展開探討。

關(guān)鍵詞：滾珠絲杠副;可靠性;定位準確性

引言

資料顯示，國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)每年由滾珠絲杠副故障所導(dǎo)致的經(jīng)濟損失已經(jīng)高達一百億人民幣。近年來國產(chǎn)滾珠絲杠副在質(zhì)量與性能上提升較大，但在高端滾珠絲杠副方面依然落后于進口產(chǎn)品，其中很大一部分差距在于產(chǎn)品的可靠性，這個問題已經(jīng)嚴重影響了國內(nèi)滾珠絲杠副生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，對于這方面的理論研究勢在必行。

1.滾珠絲杠副研究概述

滾珠絲杠副在19世紀就己經(jīng)問世，歷經(jīng)了一百多年的發(fā)展，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，機床工業(yè)，汽車工業(yè)等高端重點行業(yè)。1940年，美國著名汽車制造商通用公司成為了全球第一個大批量應(yīng)用單螺母滾珠絲杠副的大型企業(yè)，通用公司將單螺母滾珠絲杠副應(yīng)用于汽車生產(chǎn)過程中的轉(zhuǎn)向機構(gòu)中。到二十世紀五十年代，世界上各發(fā)達國家開始大力研究滾珠絲杠副的設(shè)計與生產(chǎn)，涌現(xiàn)了一批生產(chǎn)滾珠絲杠副的高端企業(yè)如：德國NEFF公司，法國ALME公司，英國LUCAS公司等。在滾珠絲杠副的研究與生產(chǎn)過程中，各科研院所與高校一直是向著高速度，高剛度，高效率，環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展，從而更好地適應(yīng)現(xiàn)代高精度技術(shù)產(chǎn)品對于滾珠絲杠副的各項技術(shù)要求。在國內(nèi)科研研究中，對于滾珠絲杠副的疲勞壽命的計算，額定動靜負載的計算，反向器曲面的設(shè)計與優(yōu)化等方面都取得了長足的進步和深遠的發(fā)展。特別是在國家重大專項和國家自然基金的支持下，對于重載和高精度的滾珠絲杠副進行了較為深入的研究，并取得了實際應(yīng)用。

2.可靠性定義

可靠性是指某一產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)及規(guī)定的條件下。完成既定功能的能力岡。滾珠絲杠副的可靠性主要包含傳動精度、工作性能以及工作壽命等幾個關(guān)鍵因素，可以分為壽命可靠性與精度保持性。壽命可靠性是指滾珠絲杠副在特定的條件下，出現(xiàn)零部件故障的可能性，比如滾珠破裂、滾道表面變形等。精度保持性是指滾珠絲杠副在規(guī)定的工作條件下與工作時間內(nèi)，在一定范圍內(nèi)維持其定位精度的能力。滾珠絲杠副在生產(chǎn)應(yīng)用中有一定的精度范圍規(guī)定，超過規(guī)定精度則會出現(xiàn)精度故障，其在規(guī)定的精度范圍內(nèi)的工作時間長度稱為精度保持時間，可以表征滾珠絲杠副的精度保持力。

3.關(guān)于滾珠絲杠副可靠性

3.1滾珠絲杠副可靠性分析

（1）可靠性試驗技術(shù)。可靠性試驗是指為分析、評價產(chǎn)品的可靠性而進行的各種實驗的總稱。進行可靠性試驗是為了通過試驗，分析產(chǎn)品質(zhì)量，得出評估報告，并能根據(jù)評估報告改進加工工藝。具體的可靠性試驗，要先制定完整的試驗大綱、確定試驗樣件和試驗環(huán)境、進行性能的檢測并能對故障模式進行統(tǒng)計分析。因此，可靠性試驗方案確定后，應(yīng)專注于試驗設(shè)備的開發(fā)，主要包括：滾珠絲杠副行程誤差測量儀、剛度測試試驗臺、精度保持性試驗臺、綜合性能試驗臺、摩擦力矩試驗臺、可靠性與壽命試驗臺的開發(fā)。借助試驗臺的測試方法與試驗數(shù)據(jù)，展開可靠性試驗，對被測絲杠的可靠性進行評估。（2）數(shù)據(jù)分析與評估技術(shù)。通過現(xiàn)場收集或試驗收集獲得滾珠絲杠的失效數(shù)據(jù)后，還必須要對這些數(shù)據(jù)進行分析處理來獲得滾珠絲杠副的可靠性和使用壽命，這個過程叫做滾珠絲杠副的可靠性評估。數(shù)據(jù)分析和可靠性評估的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)收集。收集的數(shù)據(jù)采用MTBF，即平均故障間隔時間來判定。若MTBF符合設(shè)定要求，則絲杠合格。一般而言，可靠性評估的過程可以分為試驗數(shù)據(jù)分析、壽命分布模型選擇、模型參數(shù)估計和模型驗證?？梢圆捎脙煞N方式，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析。一種是精度的變化，包括振動、噪聲、溫升等參數(shù)的對比，還有一種是針對疲勞壽命的統(tǒng)計分析其目的是為了獲得描述性的統(tǒng)計量，如均值、方差、可靠性的無參數(shù)估計等，為選擇一個特定的分布模型做準備。數(shù)據(jù)分析完畢后，可以將數(shù)據(jù)在坐標系中畫出，并與已知的模型進行比較。如果圖像吻合，即可求得當前所需模型。選擇模型后，可以通過最小二乘法、極大似然估計、貝葉斯方法對模型的參數(shù)進行估計，以便能夠?qū)υ囼灁?shù)據(jù)準確描述。模型建立完畢后，需要對于建立模型的準確性進行檢測。有兩類檢測方法：一種是圖形法，將預(yù)測的圖像與實際的圖像進行吻合度對比，若差異較小，則符合要求;一種是解析法，將試驗中的觀測值，與模型計算值進行比對，計算方差等，若方差值在一定范圍內(nèi)，則也可以證明模型正確。兩種方法各有優(yōu)勢，可以結(jié)合使用。

3.2動力學(xué)研究

（1）固有特性研究。固有特性研究包括計算系統(tǒng)的各階固有頻率、模態(tài)振型等，這是動力學(xué)分析需要首先解決的問題。眾多學(xué)者通過對進給系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，在系統(tǒng)頻率、加速度、載荷、慣性力、扭轉(zhuǎn)振動、剛度等方面對滾珠絲杠副進行了研究?？紤]主軸箱組件的重力，對垂直方向布置的滾珠絲杠采用彈簧阻尼單元建立動力學(xué)模型并求解出系統(tǒng)的等效軸向剛度，分析了進給系統(tǒng)的固有頻率和加速度傳播方向的振動響應(yīng)，相比于忽略重力影響情況，其值更接近于實際。采用集中參數(shù)法建立滾珠絲杠進給系統(tǒng)的等效動力學(xué)模型，研究了高加速下滾珠絲杠副承受來自移動組件的大慣性力，會導(dǎo)致運動學(xué)關(guān)節(jié)接觸狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致接觸剛度的變化，因此應(yīng)改變滾珠絲杠的動態(tài)特性，研究表明加速度達到一定值時，關(guān)節(jié)接觸剛度顯示出突然變化，系統(tǒng)能達到的最大加速度可以通過螺母關(guān)節(jié)和軸承關(guān)節(jié)兩個關(guān)鍵加速度臨界值的較小值判定。通過一個二維模型對由螺桿和螺母組成的機械系統(tǒng)進行了振動分析，該模型表明可以通過更改系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量來避免共振。（2）動態(tài)響應(yīng)研究。過大的振動響應(yīng)會顯著影響滾珠絲杠副的定位精度，并產(chǎn)生大噪聲，滾珠絲杠副主要應(yīng)用于進給系統(tǒng)中。在對滾珠絲杠副的理論研究中，很多學(xué)者通過采用梁單元對絲杠進行建模，并將螺母和進給系統(tǒng)工作臺等效為一個可以移動的質(zhì)量單元。為了評估絲杠的剪切變形和轉(zhuǎn)動慣量對進給系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，絲杠用Timoshenko梁單元進行建模。研究了勻速運轉(zhuǎn)條件下且承受移動載荷的轉(zhuǎn)軸的動力學(xué)特性，對轉(zhuǎn)軸分別采用了瑞利梁、Timoshenko梁進行建模。在進給系統(tǒng)中，絲杠的振動會影響工作臺的定位精度，所以絲杠的縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動是研究滾珠絲杠副運動精度不可忽略的影響因素。把絲杠當作一個連續(xù)子系統(tǒng)建模，通過里茲級數(shù)近似得到一個N自由度模型，然后解耦成N個單自由度系統(tǒng)求得模態(tài)坐標位移場表達式。

結(jié)語

滾珠絲杠副可靠性是評價高檔數(shù)控機床精度與加工能力的重要指標與重要參考，絕大多數(shù)國內(nèi)外高檔數(shù)控機床性能與加工精度的降低或者機床可靠性及效率的降低都是由于滾珠絲杠副的精度不足導(dǎo)致的。不僅如此滾珠絲杠副的剛度與可靠性也能從側(cè)面反映了高檔數(shù)控機床設(shè)計和制造技術(shù)的綜合能力。因此，研究滾珠絲杠副剛度及其可靠性對于指導(dǎo)機床設(shè)計，工藝過程設(shè)計，提高機床性能具有重大意義。

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