基于分形理论及蒙特卡罗法的电主轴热特性分析

为了在设计阶段解决高速主轴在实际加工中因温升过高而突然失效问题,构建了主轴热-结构耦合有限元瞬态分析模型.提出了基于接触角迭代法的滚动轴承生热功率求解方法,利用电动机效率分析法求解其生热功率.引入分形理论与蒙特卡罗方法计算结合面间接触热导,有效避免了统计学方法的不准确性与实验法通用性不强的缺陷.由雷诺数判定冷却液流动状态,并依据努赛尔数计算出主轴不同部件的对流换热系数.将上述边界条件施加到有限元模型中,对主轴温度场与热变形进行仿真.结果表明,高速主轴热特性建模方法正确,并能准确预测主轴温度场分布和热变形.     

2(3PUS+S)型并联机构驱动部件振动响应特性分析

本文以一种2(3PUS+S)并联机构模拟人工髋关节摩擦磨损试验为背景,针对目前机构驱动部件振动响应特性分析需要大量理论公式推导的问题,提出了一种驱动部件振动响应特性分析的方法。该方法主要以软件操作为主,简单易懂、测试精度高。本文抓住驱动部件的主体部分——滚珠丝杠副,使用SolidWorks对滚珠丝杠副进行三维建模,将模型导入Adams软件中,进行动力学分析,得到单个滚珠的撞击力曲线图;然后利用Workbench进行模态分析得到系统的固有频率和振型;最后,基于瞬态动力学理论,利用Workbench软件结合滚珠和滚道的撞击力以及系统的固有频率和振型,进行振动响应分析,得到了螺母的加速度振动响应曲线,结果表明：螺母加速度振动响应的振幅和测点位置有关。通过振动响应的分析,可以验证设备可靠性,也为以后的结构参数优化设计提供理论依据。     

基于结合部刚度特性的滚珠丝杠副动态性能研究

本文以某型号滚珠丝杠副为研究对象,通过合理简化模型,在充分考虑结合部对动态性能的影响情况下,准确地建立了滚珠丝杠副有限元模型,对滚珠丝杠副进行了模态分析,并研究了结合部刚度变化及螺母在丝杠上的位置对滚珠丝杠副固有频率的影响。结果表明:滚珠丝杠副的第一阶临界转速高于其最高转速,在其工作转速内不会发生共振;结合部采用弹性处理时更接近滚珠丝杠副的实际情况;随着螺母在丝杠上的往复运动,滚珠丝杠副的各阶固有频率呈现出不同的变化趋势;轴承结合部的刚度变化对滚珠丝杠副的固有频率有着重要的影响,在低刚度区域表现的非常明显;丝杠螺母结合部的刚度变化对固有频率也产生影响,但影响并不显著。     

大导程滚珠丝杠进给系统动力学建模研究

本文通过弹性力学中的赫兹接触理论,分析了进给系统动结合部（滑块副、丝杠螺母副、轴承副）的接触刚度。考虑了丝杠的柔性并利用达朗贝尔原理,建立了进给系统的集中参数动力学模型。根据动力学模型,利用MATLAB工具进行了仿真分析,并利用比利时LMS公司提供的Test.Lab振动噪声测试模块对机床进给系统进行了实验验证。实验分析验证了理论分析的正确性。该建模方法较为准确地预测大导程滚珠丝杠副进给系统的动力学特性,为主动设计进给系统提供了理论依据。     

基于蠕滑理论的滚珠丝杠副摩擦力矩预测

为了快速且准确地预测滚珠丝杠副的能量损耗、温升速率和磨损量,建立了新的摩擦力矩模型.利用蠕滑理论求得滚珠与螺母滚道接触界面间的摩擦力,由此推导出摩擦力矩模型,利用此模型对接触界面的蠕滑率或自旋率与摩擦力之间的定量关系、滑动速度和摩擦力的分布加以分析.同时,在滚珠丝杠副综合测试实验台上对摩擦力矩模型进行了实验验证.结果表明：蠕滑率与摩擦力之间存在非线性的渐变关系;接触面上的自旋会引发一个垂直于滚动方向的摩擦力;接触面上的切向运动和自旋运动具有很强的耦合效应;滚珠丝杠副摩擦力矩模型的理论值与实测值吻合较好.
     

中空行星滚柱丝杠副热变形研究

针对螺纹啮合摩擦生热和轴承旋转摩擦生热两类主要热源,分别计算了中空行星滚柱丝杠副热边界条件。基于有限元方法,建立了中空行星滚柱丝杠副等效热分析模型。分别研究了丝杠在无冷却、水冷却和油冷却三种情况下的热分布;以及油冷却下,不同冷却液流量和丝杠转速对热变形的影响规律。研究结果表明:水冷效果比油冷效果好,三种情况下轴承处的发热最为严重。冷却液流量的增加能够显著降低丝杠温升,并减小热变形。丝杠转速越大,温升和热变形越大。研究结果可对中空行星滚柱丝杠副冷却方式选择、温度控制和热误差预估提供参考。     

舰炮弹库出弹平台进给系统动态特性分析

利用弹簧-阻尼模型建立了大口径舰炮弹库出弹平台进给系统中滚动轴承、丝杠螺母副及滚动导轨副结合面的等效动力学模型,综合考虑了滚珠丝杠纵向、扭转和横向振动,以及弹箱所在工作台的6个自由度的振动,借助Hertz接触理论,分析计算了滚动轴承、丝杠螺母副及滚动导轨副结合面的刚度特性。基于模态分析法对比分析了考虑结合面接触刚度和不考虑结合面接触刚度情况下整机的动态特性,得出结合面特性对整机动态特性分析的重要性,为提高系统的抗振能力提供了依据。     

滚珠丝杠副动态接触特性分析

基于Hertz接触理论,在考虑运行工况引起的接触角变化扣离心力的基础上,通过受力分析,建立了滚珠丝杠副的力平衡方程并提出一种计算滚珠丝杠副运转过程中接触变形的方法.以某型号滚珠丝杠副为例,分析了轴向载荷、丝杠转速、接触角和螺旋角对滚珠丝杠副接触特性的影响.分析结果表明,转速增大时丝杠侧的接触变形减小,螺母侧的接触变形增大,两侧接触角的差值增大,当转速增大到一定程度时,螺母侧的接触变形会大于丝杠侧;载荷越小,运转过程中接触角的变化越大,对接触变形的影响也较大;接触变形随接触角和螺旋角的增大而减小.     

高过载精密滚珠丝杠副弹塑性接触变形研究

根据短时高过载精密滚珠丝杠副的载荷和工作特点,将赫兹点接触理论和弹塑性变形理论相结合,探讨了高承载工况下单螺母滚珠丝杠副弹塑性接触变形的理论计算方法,并基于ABAQUS软件建立了考虑各圈滚珠受力不均情况的丝杠副多滚珠非线性接触有限元分析模型,对丝杆副的接触应力和弹塑性接触变形情况进行了理论计算和有限元分析。结果表明,丝杆副的塑性变形量远小于弹性变形量。丝杠的弹塑性接触变形的有限元分析较好地印证了理论计算结果。     

双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副摩擦行为分析

为了从本质上揭示双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副中滚珠与滚道接触界面间的滚滑接触特性,基于滚动接触力学中滚滑接触理论,构建了滚珠丝杠副中滚珠与滚道接触面间蠕滑率和自旋率的表达式。利用此表达式并结合Kakler理论,建立了双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副中滚珠与滚道接触界面间的摩擦力模型。通过比较启动摩擦力矩的理论计算值与实验测量值,验证了此摩擦力模型的可靠性。利用此模型计算分析了接触面上蠕滑率/自旋率随工作条件和结构参数变化的规律。结果发现:滚珠与滚道接触面上的蠕滑率和自旋率主要受此接触面上接触角的影响,而蠕滑率和自旋率主要影响了滚珠与滚道接触面间的滑动行为。     

滚珠丝杠进给系统轴向动态特性参数识别

针对滚珠丝杠进给系统轴向动态特性参数识别问题,提出在装配状态下辨识滚动结合部参数的新方法.首先,将左、右轴承副和丝杠螺母副简化为集中弹簧-阻尼单元,滚珠丝杠简化为弹性杆件,建立简谐激振力作用下系统的轴向刚度和阻尼参数辨识方程组.然后,根据激振力幅值、频率、各支撑点之间的距离和测量处的振幅等参数建立优化目标函数,采用粒子群遗传混合算法识别出轴向动态特性参数.研究结果表明,进给系统刚度和阻尼参数的辨识误差在2.56%以内,从而验证了该方法的正确性和有效性.     

滚珠丝杠螺母副载荷分布的计算方法

依据滚珠丝杠螺母副工作过程的变形机制，提出了滚珠与滚道接触载荷仅引起滚道螺旋面整体轴向位置变化的假设，进而推导出滚珠与滚道接触点对应中心的轴向变化关系；依据赫兹接触理论和滚珠与滚道局部接触变形的几何关系，建立了滚珠与滚道接触力的数值计算模型.利用所提出的模型、有限元模型和现有文献模型对二维平面接触问题进行了计算，通过计算结果的对比验证了本文计算方法的准确性和适用性.以某滚珠丝杠螺母副为例，利用数值计算模型进行了计算，分析了滚珠与滚道之间的接触力和接触角随轴向载荷的变化规律.     

微型滚珠丝杠副摩擦力矩模型的建立与实验验证

为了可以快速且准确地预测微型滚珠丝杠副的能量损耗与温升速率,建立了新的摩擦力矩模型.首先基于微型滚珠丝杠副的摩擦机理,利用力与力矩平衡的方法求得滚珠与滚道接触界面间的摩擦力,该方法比通过对接触区域上的切应力积分求解摩擦力的方法更简单方便,易于编程实现;其次考虑自旋滑动摩擦及螺旋升角的影响,推导出微型滚珠丝杠副的摩擦力矩...     

高速滚珠丝杠副动态特性分析

以赫兹接触理论和沟道控制理论为基础,同时考虑自身离心力以及陀螺力矩作用的影响,建立轴向载荷作用下的高速滚珠丝杠副动力学模型.采用数值分析方法计算不同运行工况对滚珠丝杠副力学特性的影响,得到了接触角、弹性变形等的变化规律.分析结果表明,转速和轴向载荷等工况对高速时滚珠丝杠副的动态特性影响较大,高速时滚珠丝杆副的动态特性较...     

精密镗床进给轴差异化主动冷却方法

针对精密镗床双驱丝杠进给轴连续运行时发热严重导致热误差较大的问题，提出了进给轴热源的差异化主动冷却方法。首先，确定了进给轴主要热源部位为轴承、电机和丝杠螺母副，分析了进给轴热源生热和散热机理，确定了关键边界条件，建立起主动冷却下的热流固耦合仿真模型；然后，设计了内置流道的冷却板并安装于热源处，每一冷却板分别设置冷却回路并通入4号主轴油作为冷却剂，每一冷却回路单独配置油箱进行独立调温；最后，建立了进给轴的轴承、电机及丝杠螺母等热源生热模型，精确匹配各热源生热率来控制冷却系统中进出口冷却液的温度，从而差异化地带走不同热源处所产生的热量以控制各部位温度，减小热误差。实验结果表明：与进给轴无冷却时对比，采用差异化主动冷却方法，最大热误差下降了58.56%以上；与恒温冷却方法相比，最大热误差下降了34.55%;同时缩短了热误差的稳定时间，表明该进给轴主动冷却方法能有效减小进给轴热误差。     

滚珠丝杠副中滚珠与导珠管的接触碰撞分析

对滚珠丝杠副中滚珠进入循环导珠管时发生的接触碰撞进行研究分析,考虑滚珠和导珠管的几何外形、丝杠的转动速度等因素,建立了滚珠和导珠管碰撞接触的动力学模型.在此基础上,分析了滚珠丝杠转速、碰撞角与碰撞力、接触时间之间的关系,并讨论了空心滚珠结构和采用Si3N4的陶瓷材料作为滚珠材料以降低滚珠与导珠管间冲击的效果.这对于优化导珠管结构,改善和提高高速滚珠丝杠副的动态性能指标具有重要的理论意义.     

滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素的分析

滚珠丝杠副是数控设备中的一个重要元件,其摩擦力矩特性直接影响设备的动态性能.本文应用力学分析及几何分析的方法,建立了摩擦力矩的理论模型,分析了丝杠及螺母的螺纹半径误差、导程误差及滚道的形状误差等制造误差以及滚珠进出反向器时的冲击等因素对摩擦力矩的影响.     

基于蒙特卡洛方法的滚珠丝杠副运动可靠性分析

对滚珠丝杠副的可靠性分析有利于提高机床的传动精度.用赫兹空间接触理论对滚珠丝杠副的接触变形进行分析,得到了滚珠丝杠副的接触变形量函数.在无法预先确定变形量函数分布类型的条件下,用蒙特卡洛数字仿真方法,实现了滚珠丝杠副运动可靠性分析.用MATLAB生成随机数,并对各参数进行随机抽样,得到滚珠丝杠副的运动误差和运动可靠度值,并得到丝杠各加工尺寸参数精度等级与可靠度的关系曲线.对加工工艺与尺寸误差等因素对滚珠丝杠副运动可靠性的影响作出评价.     

带摩擦补偿的滚珠丝杠副进给系统自适应滑模控制

为了提高滚珠丝杠副进给系统的跟踪性能,采用了带摩擦补偿的自适应滑模控制方法.基于滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性建立了两自由度的质量模型,根据模型的状态方程设计了系统的反演滑模控制器,考虑到外界干扰的影响设计了带自适应律的自适应滑模控制器.采用基于Stribeck摩擦模型的摩擦补偿方法和遗传算法对滚珠丝杠副进给实验台的Stribeck摩擦模型进行了参数辨识.采用建立的控制方法在实验台上进行了轨迹跟踪实验.实验结果表明:在没有使用摩擦补偿情况下自适应滑模控制器最大跟踪误差为31.85μm;使用带摩擦补偿的自适应滑模控制器,其最大跟踪误差减小为15.55μm.实验结果证明了针对滚珠丝杠副进给系统轴向振动特性模型设计的自适应滑模控制器具有较高的跟踪性能,并且采用带摩擦补偿的自适应滑模控制方法显著提高了滚珠丝杠进给系统的跟踪精度.     

考虑热弹性的滚珠丝杠热动态特性

以传热学理论为基础,解释了一维杆传热的热弹性现象,研究了滚珠丝杠受周期变化端热源影响而产生的温度响应及变化特性.通过有限元软件对变化热源作用下滚珠丝杠的温度场和热变形进行了建模和仿真,解释了温度响应的幅值衰减特性及相位变化特性,说明了滚珠丝杠末端热变形与不同测点温度值变化之间的"超前性"和"滞后性",进一步阐述了滚珠丝杠在周期热源作用下的热动态特性.