高速滚珠丝杠副动力学性能分析及试验研究

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滚珠丝杠副是数控机床的关键功能部件,随着数控机床向高速、高精度方向的不断发展,滚珠丝杠副的线速度也越来越高,使得滚珠丝杠副的磨损加剧、温升和噪声增大。论文在对滚珠丝杠的接触和运动特性进行分析的基础上,采取理论和实验相结合的方法研究了滚珠丝杠副摩擦力矩产生的机理以及振动特性,对解决由于高速所引起的温升和噪声问题有着重要的理论意义和实际价值。首先应用接触力学理论分析了滚珠在螺旋滚道中的运动特性,对滚珠与螺母和丝杠滚道的两个接触点处的运动进行了分解,得出了滚珠沿滚珠中心运动方向的滚动力偶和各方向上运动分量的方程,分析出了滚珠滑移这种丝杠特有的运动形式。在此基础上阐述了滚珠丝杠副摩擦力矩产生的机理和主要影响因素,并根据摩擦力矩的产生机理建立了滚珠丝杠副摩擦力矩的数学模型,确定了滚珠丝杠副发热量的计算公式。应用振动与噪声理论对滚珠丝杠副传动系统进行了模型简化,并对简化后的模型进行了固有振动的求解。通过实验研究了不同返向结构和润滑方式下滚珠丝杠副摩擦力矩的变化规律;通过频谱分析的方法,研究了摩擦力矩低频波动的原因。研究表明,滚珠周期性的出入返向器和丝杠的制造误差所引起的滚珠周期性的拥堵和散开是导致摩擦力矩周期性波动的主要原因。在不同转速下测量了使用新型返向器的KD3216滚珠丝杠副随时间的温度变化,在60m/min的速度下可以保持温升在20℃以内,说明新型返向器的流畅性较好,可以明显降低滚珠间的摩擦。对单导轨滚珠丝杠副性能实验台进行了模态实验和仿真,并对固有振动特性进行了比较,得到各阶主要固有频率,通过噪声实验得到了噪音主要能量所在的频段随主轴转速的变化关系。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第1章 绪论第10-17页
    1.1 课题背景第10-11页
    1.2 滚珠丝杠副的发展现状第11-14页
    1.3 滚珠丝杠副动力学性能国内外的研究现状第14-16页
        1.3.1 国外的研究现状第14-15页
        1.3.2 国内的研究现状第15-16页
    1.4 本论文的研究内容第16-17页
第2章 滚动体在滚道内的接触研究第17-30页
    2.1 滚珠丝杠副的工作原理第17页
    2.2 滚珠丝杠副的性能和结构特点第17-23页
        2.2.1 滚珠丝杠副的性能特点第17-18页
        2.2.2 滚珠丝杠副的结构和分类第18-23页
    2.3 滚珠丝杠副的受力与运动分析第23-29页
        2.3.1 滚珠丝杠副中滚珠的运动特性第23-26页
        2.3.2 滚珠丝杠副中工作滚珠的受力特点第26页
        2.3.3 滚珠的滑移第26-29页
    2.4 本章小结第29-30页
第3章 高速滚珠丝杠副摩擦力矩的理论分析第30-44页
    3.1 滚珠丝杠副摩擦力矩的产生机理第30-33页
        3.1.1 差动滑动摩擦第30-31页
        3.1.2 滚珠与滚珠间的摩擦第31-32页
        3.1.3 滚珠的弹性滞后造成的阻力第32页
        3.1.4 滚珠在循环返回装置中的阻力第32-33页
        3.1.5 润滑剂的粘滞阻力第33页
    3.2 滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素第33-38页
        3.2.1 预紧力和外加载荷对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响第33-34页
        3.2.2 螺纹滚道制造误差对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响第34-36页
        3.2.3 小同返向结构对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响第36-37页
        3.2.4 不同滚珠结构对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响第37页
        3.2.5 不同润滑方式对滚珠丝杠副摩擦力矩的影响第37-38页
    3.3 滚珠丝杠副摩擦力矩与发热量的计算第38-43页
        3.3.1 滚珠丝杠副摩擦力矩的理论计算模型第38-41页
        3.3.2 滚珠丝杠副摩擦发热的计算第41-43页
    3.4 本章小结第43-44页
第4章 高速滚珠丝杠副摩擦力矩和温升实验研究第44-54页
    4.1 滚珠丝杠副摩擦力矩实验系统第44-45页
        4.1.1 实验台的基本构成第44-45页
        4.1.2 信号采集系统介绍第45页
    4.2 摩擦力矩测量结果与分析第45-49页
        4.2.1 使用不同润滑剂的实验结果与分析第45-46页
        4.2.2 不同循环返向装置下的实验结果与分析第46-48页
        4.2.3 摩擦力矩低频波动的原因分析第48-49页
    4.3 滚珠丝杠副温升实验系统简介第49-50页
    4.4 温升测量结果与分析第50-52页
    4.5 解决滚珠丝杠副发热及实现高速化的技术对策第52-53页
    4.6 本章小结第53-54页
第5章 高速滚珠丝杠副振动与噪声实验研究第54-68页
    5.1 运行中的滚珠丝杠副产生噪声的原因分析第54-55页
    5.2 滚珠丝杠副的振动模型及其求解第55-57页
        5.2.1 滚珠丝杠副常用的支撑方式第55-56页
        5.2.2 模型简化及固有振动求解第56-57页
    5.3 滚珠丝杠副传动系统固有振动分析第57-64页
        5.3.1 模态实验第57-60页
        5.3.2 实验结果与有限元仿真结果对比第60-64页
    5.4 噪声测量结果与分析第64-67页
        5.4.1 实验工况介绍第64-65页
        5.4.2 结果与分析第65-67页
    5.5 本章小结第67-68页
第6章 总结与展望第68-70页
参考文献第70-73页
后记第73-74页
攻读硕士期间发表的论文及科研情况第74页
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