滾珠絲杠副磨損失效機(jī)理研究進(jìn)展
滾珠絲杠副磨損失效機(jī)理研究進(jìn)展
高速化、精密化是目前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，作為數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的滾動(dòng)部件在高速條件下的精度保持性和功能可靠性是亟待解決的問題。改善提高國(guó)產(chǎn)滾珠絲杠副性能，要掌握滾珠絲杠副的失效機(jī)理，從滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)、加工方面做出改進(jìn)，從而達(dá)到提高滾珠絲杠副的可靠性；目前滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)、制造都是基于滾子軸承設(shè)計(jì)理論，滾珠絲杠副存在螺旋升角、具有特定循環(huán)返向結(jié)構(gòu)，其磨損形式與滾子軸承的磨損存在較大的不同。滾珠絲杠副內(nèi)摩擦特點(diǎn)和磨損失效的主要模式及引起滾珠絲杠副磨損失效的各種可能因素，綜述了滾珠絲杠副磨損失效的研究現(xiàn)狀，指出了滾珠絲杠副失效研究所面臨的亟需解決的問題，為推動(dòng)我國(guó)滾珠絲杠副磨損失效研究提供理論依據(jù)。
隨著滾珠絲杠副的高速化、重載化，滾珠絲杠副內(nèi)的滾動(dòng)部件、及滾珠與滾道之間的相對(duì)滑動(dòng)比重有增大的趨勢(shì)。滾珠絲杠副內(nèi)部各處的摩擦，滾珠絲杠副內(nèi)各部件之間的摩擦主要是滾珠之間運(yùn)動(dòng)摩擦、滾珠與滾道之間的摩擦和滾珠與反向裝置之間的摩擦。滾珠絲杠運(yùn)行過程中，由于滾珠滾動(dòng)方向相同而且滾珠之間接觸點(diǎn)的相對(duì)位置恰恰相反，從而使得滾珠之間必然產(chǎn)生滑動(dòng)。
滾珠與滾道之間運(yùn)動(dòng)形式較為復(fù)雜，首先從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看，無論對(duì)于單圓弧、雙圓弧的滾珠絲杠副來說，滾珠與螺母接觸點(diǎn)軌跡、滾珠與絲杠接觸點(diǎn)軌跡分別是具有不同節(jié)圓直徑的螺旋線，因此滾珠在其承載滾道中的相對(duì)滑動(dòng)是不可避免的；從動(dòng)力學(xué)的角度滾珠在螺旋滾道中的運(yùn)動(dòng)存在楔緊效應(yīng)和陀螺效應(yīng)，因此會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦和擠壓摩擦?；刂橄到y(tǒng)內(nèi)的滑動(dòng)摩擦，由于滾珠絲杠副的返向裝置內(nèi)滾珠不承受軸向載荷，滾珠的循環(huán)過程要不斷加載和卸載，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不再是滾滑而是既有擠壓摩擦又有滑動(dòng)摩擦。滾珠絲杠與滾動(dòng)軸承不同，滾珠絲杠副自身特有的循環(huán)結(jié)構(gòu)使得滾珠循環(huán)反向過程中不形成彈流潤(rùn)滑條件，而且滾珠在循環(huán)返向過程中的承載、卸載時(shí)間較短，因此高速重載化滾珠絲杠副的摩擦形式表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性。大多數(shù)滾珠絲杠副內(nèi)不存在軸承所具有的滾珠隔離器，因此滾珠之間的運(yùn)動(dòng)相互影響；滾珠循環(huán)系統(tǒng)中的滑動(dòng)摩擦、擠壓摩擦和磨損往往會(huì)影響滾珠與承載滾道內(nèi)滾珠的滾動(dòng)摩擦。摩擦形式的復(fù)雜性也就意味著磨損形式復(fù)雜性。目前考慮螺旋升角、滾珠與返向器的隨機(jī)性碰撞等因素的滾珠絲杠副的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型還較少。
雖然滾珠絲杠與滾動(dòng)軸承有相似之處，但是滾珠絲杠副由于存在返向滾道，當(dāng)滾珠進(jìn)入返向滾道中時(shí)，所承受的載荷完全為零，滾珠的循環(huán)運(yùn)動(dòng)完全靠后續(xù)滾珠的推動(dòng)，這一點(diǎn)使得滾珠的運(yùn)動(dòng)方式、承載方式和潤(rùn)滑方式與軸承存在較大不同，從而使?jié)L珠絲杠副的磨損方式也與球軸承的磨損模式大有不同，各個(gè)部件之間的磨損相互耦合。王影曾根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中滾珠絲杠副失效的現(xiàn)象，總結(jié)了滾珠絲杠副的幾種常見失效形式。而事實(shí)上，滾珠絲杠副的各種磨損失效形式往往綜合在一起，相互干涉、相互影響。
滾珠絲杠副的磨損失效形式的研究主要集中在疲勞磨損和粘著磨損。關(guān)于滾珠絲杠副的疲勞磨損，許多研究機(jī)構(gòu)從承載滾道、返向器內(nèi)非承載滾道兩部分進(jìn)行了大量研究，并設(shè)計(jì)了大量實(shí)驗(yàn)裝置。目前普遍認(rèn)為滾珠絲杠副的粘著磨損主要與滾珠絲杠副的精度損失相關(guān)。最常用的接觸副的粘著磨損模型，近些年來考慮隨機(jī)因素的磨損模型也逐漸應(yīng)用到滾珠絲杠副的磨損失效，
滾珠絲杠副的診斷和預(yù)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)是不需要停機(jī)或者拆卸零部件，直接對(duì)運(yùn)行中的滾珠絲杠副的工作情況實(shí)施技術(shù)監(jiān)測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)處理。目前國(guó)內(nèi)沒有關(guān)于滾珠絲杠副失效的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際的滾珠絲杠副失效判斷還停留在宏觀觀察和檢查上，即對(duì)滾珠絲杠副的潤(rùn)滑油中的鐵屑形貌變化、滾珠絲杠副的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、溫升和振動(dòng)，這些檢測(cè)方法都或多或少地存在一些問題。綜合性能比較法，脈沖測(cè)振方法、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、溫度報(bào)警裝置、智能測(cè)試方法的應(yīng)用、楔緊效應(yīng)的測(cè)量方法、滾珠絲杠副預(yù)緊力的測(cè)量方法。
不論采用那種方法、原理或儀器設(shè)備，最重要的在于盡早發(fā)現(xiàn)極限狀態(tài)和估計(jì)剩余壽命。診斷和預(yù)測(cè)都是方法和手段，預(yù)防滾珠絲杠副的早期失效所造成的損失才是最終目的。滾珠絲杠副磨損影響因素不僅包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、而且包括材料熱處理工藝和裝配工藝，因此相應(yīng)的預(yù)防滾珠絲杠副失效的措施，也必須從各個(gè)方面著手以減小磨損、提高滾珠絲杠副的使用壽命。
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