极限载荷滚珠丝杠副刚度及额定静载荷试验方法及装置研究文献综述

一、文献综述

1、背景

滚珠丝杠传动(滚珠丝杠副)是在丝杠和螺母旋合螺旋槽放置适量的滚珠作为中间传动体，借助滚珠返回通道，构成滚珠在闭合回路中反复循环运动的螺旋运动。在此运动中，滚珠不但绕丝杠公转，其自身还在自转。所以滚珠丝杠不但与丝杠、螺母间产生摩擦，而且相互也产生摩擦，丝杠与螺母间的相对运动借助于滚珠链的作用由滑动摩擦变为滚动摩擦，这也是滚珠螺旋运动的最大特点。滚珠丝杠副一般是由丝杠、螺母、滚珠以及反向器四部分组成。

滚珠丝杠副从问世至今，其结构按循环方式划分有十种之多，通过多年的改进，现国际上基本流行的结构有两种，其各自的特点如下：

内循环结构:滚珠在循环过程中始终不脱离丝杠表面的循环方式成为内循环。通过反向器组成滚珠 lsquo;循环回路，每一个反向器组成一圈滚珠链，因此承载能力小，在高速时滚珠的流畅性差，适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副，但螺母尺寸比较小。特点：滚珠丝杠副螺母的外形尺寸较小，反向器固定牢靠、刚性好且不易磨损； ，滚珠丝杠的反向通道短，滚珠数目少，摩擦损失小，传动效率高。其缺点是不能做出多头螺纹的滚珠丝杠副，反向器的回珠槽是空间曲面，加工较复杂。

外循环结构:滚珠在循环完成后返回时离开了丝杠螺纹滚道而在螺纹母体内或者体外循环称为外循环。外循环结构制造工艺简单，承载能力较高，接口处难以做到平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，外形尺寸大，噪声也较大，耐磨性差。外循环滚珠螺旋副按照滚珠返回装置构造不同，可分为套筒一螺旋式、插管式、端盖式和盖板式。其中，插管式适用于高速重载的驱动系统，也适用于精密定位系统，正在被广泛应用。

由滚珠丝杠的结构特点和工作原理不难看出，滚珠丝杠以滚动摩擦代替滑动摩擦，因此滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动、静压螺旋传动相比，具有以下性能特点：

①摩擦损失小、传动效率高。对于滑动螺旋传动，在定期润滑的条件下，丝杠与螺母间的抹茶系数在0．06～0．15之间，摩擦阻力大，传动效率低下(一般低于40％)。而滚珠丝杠副的摩擦系数一般为0．0025—0．0035．由此可见，滚珠螺旋传动的摩擦阻力很小，功率损耗非常小，传动效率很高(可达到90％～96％)，为滑动丝杠的2—4倍。

②磨损小、寿命长。通常情况下，滚珠丝杠副的材料都是选用耐磨性好，易切削、且变形小的钢，且滚珠丝杠副的丝杠、螺母以及滚珠都是经过淬硬的，表面都需要经过磨削，粗糙度低，滚动摩擦的损失极小，因而具有良好的耐磨性和润滑性，即其精度保持性能好，工作寿命长。

③运动平稳灵敏，同步性能好。由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，动、精摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且摩擦力极小，启动摩擦力矩与运动力矩近似相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速运转时无爬行现象，使得滚珠丝杠副与驱动源保持良好的同步性。

④轴向刚度高，传动精度高。由于滚珠丝杠副可以完全消除传动间隙，而不至于影响丝杠运动的活动性，因此可以获得较高的轴向刚度，而且通过预紧可再次提高轴向刚度。此外，由于滚珠螺旋副的摩擦阻力小，工作时的温度变化小，因此不但传动平稳，而且其几何尺寸也非常稳定，因此滚珠丝杠副具有很高定位精度和重复定位精度，这也是滚珠丝杠副被广泛应用于高精密场合的主要原因。

⑤不能自锁、具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，意味着在必须防止逆传动的场合，需要庞杂的防逆转装置。

⑥工艺难度大，成本高。滚珠丝杠副也有缺点：它的结构比较复杂，需要特殊的返回器。由于其复杂的结果，它对零件的加工精度、装配精度、材料及热处理等都有比较严格的要求。因此，与传统的滑动螺旋副相比，其制作困难、成本高。

滚珠丝杠副在航天上的运行环境与常规环境有着很大的差别，主要表现在以下几方面：

①短时高过载，要求滚珠丝杠副在数倍额定载荷条件下短时间正常运行；

②有限工作寿命，滚珠丝杠副总的工作时间不长，需要在有限的时间内完成传动任务：

③高可靠性，航天飞行器进入太空后很难进行二次维修，需要飞行器每个工作部件具有高可靠；

④无润滑条件或润滑条件失效情况下正常运行；5)高温、高压和真空环境。因此航天工况下对滚珠丝杠副的设计提出严格要求，对其体积、重量、承载能力、使用寿命和可靠性也有严格技术指标要求。

基于上述非常规的工况特点，航天工况下滚珠丝杠副的失效机理及失效形式不再是常见的疲劳破坏，而是高过载情况下螺母或丝杠滚道面的大变形而引起的失效，可能出现的失效形式有以下几个方面：

①由于塑性变形导致滚道面发生严重的塑性流动；

②由于磨损和塑性变形导致丝杠与螺母产生较大的轴隙：

③滚珠与滚道接触应力过大导致滚道面产生裂纹；

④滚道面裂纹迅速扩展导致滚道顶部断裂；

⑤滚珠出现卡死情况等。

因此常规状态下滚珠丝杠副的一些设计方法和设计理论不再适用于航天工况。

2、国内外研究现状

国外学者对滚珠丝杠副受力情况、运动分析及优化做了大量研究。

Izawa和Shimoda在半个导程上建立了力学方程。通过计算滚珠的平均载荷，用插值方法计算出了考虑丝杠和螺母的所有滚珠的载荷分布。Xuesong Mei等分析研究了滚珠丝杠副的载荷分布情况和载荷对滚珠丝杠副刚度的影响情况，并且优化了滚珠丝杠几何误差对滚珠受载的影响。Huang和Ravani通过研究滚珠丝杠副滚珠的接触压力，提出了滚珠丝杠载荷分布的两种方法。此外，他们还提出了一个测量的简单方法。Jui．Pin Hung等对滚珠在循环过程中对返回管的冲击进行了计算，并用有限元分析方法对返回管的载荷分布情况进行了分析，指出改进返回管的几何形状可改善载荷分布情况。Claudio Braccesi等应用弹塑性理论对返回装置变形前后的载荷及应力进行了计算和分析。

Levit对滚珠丝杠副综合性能做了深入研究，分析了在静态情况下丝杠与滚道表面接触应力情况，推导出滚珠丝杠弹性变形和轴向静刚度公式，并得出在动态情况下滚珠丝杠副疲劳寿命的计算方法以及制造误差对传动效率的影响。Kazuki TAKAFUJ,Katuhiro NAKASHIMA建立滚珠丝杠副接触模型，推导出滚珠与滚道面接触变形量的公式和轴向刚度计算公式。Nakashima Katuhir，Takafuji Kazuki分别以单螺母滚珠丝杠副和双螺母滚珠丝杠副为研究对象，分析在有预紧力情况下丝杠与滚道面接触情况，推导出两种类型滚珠丝杠副轴向接触刚度。Lm．M．C对滚珠在滚道内运动情况进行深入分析，得出滚珠自转速度与公转速度之间的关系。日本学者Yoshida T等借鉴滚动轴承中钢球运动分析方法，推导出滚珠丝杠副中滚珠的受力状况与运动规律，并分析了滚珠丝杠副中特有的滑移运动，给出了滑移率的计算方法。

Nozhestkin等分析在没有空气阻力的情况下滚珠丝杠副摩擦力矩的大小，并考虑在润滑条件不良情况下滚珠丝杠副摩擦特性。海德汉公司在滚珠丝杠副研究报告中，分析了丝杠速度与摩擦力矩的关系，并开发各种试验仪器，建立试验标准。日本NSK公司开发了各种形式的滚珠丝杠副，并对各种型号滚珠丝杠副进行承载特性分析、寿命计算，提出相应的设计标准，同时在滚珠丝杠副热变形控制方面也做了大量工作。

国内研究滚珠丝杠副相对较晚，与国外研究有一定差距，但也取得了很多研究成果。清华大学于1976年编写的《数控机床中的滚珠丝杠副》首次对滚珠丝杠副在数控机床中的应用进行了全面系统的介绍。南京理工大学的施祖康教授对滚珠丝杆副的设计以及测试等方面进行了深入研究，出版了《滚珠螺旋传动设计基础》全面系统的介绍了滚珠丝杠副的设计方法。

田茂林介绍了重载条件下，滚珠丝杠试验台的搭建、试验方案的设计、试验数据的分析与评估方法以及试验结果的分析。张玉清分析分析结构参数、工作载荷以及预紧力对滚珠丝杠副轴向接触刚度的影响。陈晶晶建立了滚珠丝杠副轴向静刚度的理论硕士学位论文高过载工况下滚珠丝杠副的失效分析及性能试验研究模型，并利用有限元对滚珠与滚道的接触变形进行分析，设计了滚珠丝杠副轴向静刚度测试加载装置及相关辅助工具。

山东博特精工股份有限公司与山东建筑大学合作共同开发了多种滚珠丝杠副综合性能测量仪器，极大丰富了滚珠丝杠副的测试方法与测试技术。姜洪奎博士对高速滚珠丝杠副弹性变形进行了有限元分析，建立滚珠与丝杠和螺母接触模型，并深入研究滚珠丝杠副各个结构参数对弹性变形的影响。李凌丰对单螺母滚珠丝杠副轴向变形进行了分析，通过选择合适结构参数，以达到减小滚珠丝杠副轴向变形量，并建立有限元模型，对比理论计算结果与有限元分析结果。王丹对滚珠丝杠副的接触变形进行理论计算，并对接触角、螺旋升角与接触变形、接触刚度之间的关系进行深入分析，建立滚珠丝杠副ANSYS有限元模型验证理论分析结果。王景对滚珠丝杠副在实际使用过程中三种典型失效形式进行了具体分析，分别为表面损失失效、严重变形失效和断裂失效，其中表面损失失效主要包括：接触疲劳失效、磨损失效与腐蚀失效，并针对这些失效形式提出改进方案。丁霞等对高速滚珠丝杠副进行疲劳加载试验，针对试验过程中出现的失效形式进行镜像组织分析，指出滚珠丝杠副早期失效的主要原因是螺母中插管的管舌断裂，同时丝杠材料中Gr的含量高低也是影响滚珠丝杠副早期失效的重要原因 。白迪等分析滚珠丝杠副常见故障，即运动间隙过大、动作不顺畅、温升问题以及滚珠丝杠副肩部断裂，并提出相应解决方案及预防措施。

王福成分析滚珠丝杠副在数控车床使用中出现的断裂问题，指出横向滚珠丝杠的断裂与设计、使用、安装精度及设备磨损无关，不论横向滚珠丝杠是否超过使用寿命其断裂都是因为丝杠表面的初始裂纹和材料内部缺陷造成的低应力脆断。张佐营对精密滚珠丝杠副滚道面磨损进行了分析，根据滚珠与滚道接触关系，得出滚珠与丝杠轴滚道的接触应力高于滚珠与螺母滚道的接触应力。龚宪生分析滚珠丝杠副高速运转时，滚珠滑移及自锁效应产生的原因，并建立滚珠丝杠副运动模型，对滚珠运动特性进行理论计算和分析，并利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真分析。

陈曼龙从理论上分析滚珠丝杠副出现卡滞现象的原因，并给出减少卡滞现象的方法与预防措施。康献民建立了在预紧力情况下，滚珠及螺母滚道的运动模型，分析了丝杠各参数对摩擦阻力矩的影响，并设计摩擦力矩测试系统。肖正义、于来芝对导弹用滚珠丝杠副的可靠性设计做了一定研究，提到滚珠丝杠副的两种失效模式。孙奎洲和周金宇用Matlab软件对滚珠丝杠可靠性优化设计，将滚珠丝杠副的体积最小为目标函数建立数学模型，并通过计算得到最优结果。邹小琦从机械可靠性的角度给出滚珠丝杠副在静负载情况下可靠性设计以及在动负载情况下的可靠性设计理论和计算方法。

3、实验装备

一般而言，丝杠副的试验装备有如下要求：

1．易于操作和使用。在分析高速滚珠丝杠副综合性能测量系统的功能、结构、系统软硬件构成的基础上，构建出方便测量人员使用的测试系统。不仅要求测量软件利于操作简单明了，同时要求各类硬件的安装和设置简单方便。比如传感器的标定，被测丝杠的拆装。

2.尽可能采用可靠性高、通用性好的标准化部件，例如轴承，导轨，伺服电机等，减少专业化部件的使用，提高试验台的可靠性。

3．功能先进，易于维护。计算机，数字控制系统以及零部件的更新换代很快，在初期设计中淘汰掉过时、落后的系统和零部件，选用符合试验台测控要求的软硬件，确保滚珠丝杠副可靠性试验台的先进性和可维修性。

4．系统软件应界面友好，可操作性强。滚珠丝杠副可靠性试验台的测量系统各功能模块应简单直观，界面友好，可操作性强，避免重复。使测量人员能够方便快捷地掌握其使用和操作方法。

在测试设备方面，为了对重载滚珠丝杠副的优化设计提供实验依据，南京理工大学设计了重载滚珠丝杠试验仪，可以动态测量重载滚珠丝杠副的温升、摩擦力矩和反向间隙。该试验仪采用1720D／A输出卡和固高运动控制卡组成的控制系统来控制伺服电机和伺服液压缸模拟重载滚珠丝杠副的实际运行环境。采集系统基于研华1713A／D采集卡和IK220计数卡，能实现各个传感器输出信号的采集。

山东大学和济宁博特共同研制的BTJS一001型高速滚珠丝杠副综合性能试验台能测量的滚珠丝杠副最大长度为2000mm，直径20．80rrrn，有效行程小于1800mm，工作台移动速度可达60m／rain，控制系统采用日本三菱公司生产的高分辨率的单轴数控系统，可以完成滚珠丝杠副在负载状态下的温升、热位移、速度、加速度及定位精度等综合性能参数的实时测试，并实现数据的存储和检测报告的打印。该试验台是由机械主机、控制系统及测试系统组成。机械主机主要包括床身、被试验丝杠副、被试验导轨副、支撑导轨副、轴承座、联轴器、龙门架和加载试验台等，床身四周设有回油槽，床身内部设有回油盒。控制系统主要包括动力控制系统、液压加载控制系统及交流伺服电机等；测试系统硬件主要包括称重传感器传感器、温度传感器、拉压传感器、转速转矩传感器、振动传感器、圆光栅及光栅尺等。

目前，我国滚珠丝杠副高端产品与国际先进水平相比还存在不小的差距，其中缺乏针对滚珠丝杠副进行检测的相关设备是一个主要的原因，检测水平的高低直接影响产品的精度和质量，而相关实验设备的开发则是保证检测水平的重要手段。只有研制开发先进的检测平台和产品性能试验设备，对滚珠丝杠副进行综合测试，才能真实反映滚珠丝杠副在实际中的各种问题，了 解其寿命特征、故障信息及失效规律，将相关信息反馈给研发部门进行质量管理与提高，从而发现在设计制造中的缺陷和薄弱环节:为批量新产品的研发提供品质保证。

参考文献

[1]张陈灵.高承载工况下滚珠丝杠副的接触变形与刚度分析[D].南京：南京理工大学，2013.

[2]陆振华.滚珠丝杠副接触弹性变形和反向间隙对切削加工的影响分析和应用研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[3]王华坤.精密滚珠丝杠副强过载下承载与破坏机理研究[D].南京：南京理工大学，2011.

[4]王兆坦,刘宪银.高速精密滚珠丝杠副综合性能测试仪[J].制造技术与机床,2007.

[5]刘波,李凌丰,谭建荣.滚珠螺旋副额定动负荷的影响因数研究[J]机械传动,2006.

[6]孙奎洲,周金宇.数控机床滚珠丝杠副优化设计[J]机床与液压,2010.

[7]GB/T 17587.5-2008 滚珠丝杠副 第5部分:轴向额定静载荷和额定动载荷及使用寿命

[8]刘波.滚珠丝杠副额定动载荷值的影响因素研究及其计算实现[D].杭州:浙江大学，2006.

[9]祝书龙.带滚珠丝杠副的直线导轨结合部动态特性研究[D].南京：东南大学，2009.

[10]徐令令，范元勋.高承载工况下滚珠丝杠副失效形式分析[J].机械制造，2015.

[11]肖正义．滚珠丝杠副结构与性能发展动态[J]．功能部件，2001(9)：100—102．

[12]黄育全．喻忠志．我国滚珠丝杠副发展历程及未来趋势[J]．现代零部件．2003(010)：60一62．

[13]张洪国．滚珠丝杠传动副的接触力学模拟与静动态特性分析[D]．吉林大学，2011.

[14]Ioannides E,Harris T E.A new fatigue life model for rolling bearing[J].Trib.1985.

[15] W. Nelson. Accelerated Testing. John Wiley amp; Sons, 1990

[16] W. Nelson. Accelerated life testing-step stressmodels and data analysis. IEEE Transactions on Reliability, 1980(29):103-108

[17] McLinn J.A. New Analysis Methods of Multilevel Accelerated Life Tests[J]. IEEE Ann. Reliability and Maintainability Sym, 1999: 38-42.

[18]Jaehyeon Nam, Hyuncheol Do, Jaeyoung Kang.Investigation of friction induced vibration in lead screw system using FE model and its experimental validation[J].Applied Acoustics, 2017:98–106.