精密滚珠丝杠螺母副热平衡-温升特性仿真研究

滚珠丝杠单元热特性仿真建模是精密机床直线进给系统热平衡优化设计与热误差抑制方法的基础.目前的建模方法中,对于滚珠螺母副的相对运动环节多采取不同程度的简化措施,这是造成现有模型仿真精确性欠佳的关键原因.本文在充分考虑丝杠螺母副相对移动效果的基础上,构建出一种精密滚珠丝杠单元瞬态热平衡-温升特性有限元仿真模型.首先,利用APDL定义了滚珠螺母与丝杠的位移-时间关系,从而在瞬态仿真建模中实现了滚珠螺母-丝杠结构的往复线性相对运动效果;其次,综合考虑了滚珠螺母-丝杠摩擦生热、滚珠-螺母与滚珠-丝杠间接触热阻及中空循环液-丝杠螺母副的流-固耦合换热效应等因素,构建起精密滚珠丝杠螺母副的热平衡-温升特性仿真模型;基于该模型重点研究了精密滚珠丝杠单元在不同循环换热条件下循环冷却液换热功率与丝杠螺母副生热功率的平衡匹配特性,及其对滚珠丝杠螺母副温升特性的影响.最终,通过对比试验验证了该仿真建模方法的准确性.研究结果表明:循环冷却液换热量不仅来源于螺母副生热,也来源于丝杠其他结构;只有当循环液换热功率增大至螺母副生热功率的1.5倍左右时,螺母副生热才可能被冷却液完全吸收,其温度值开始低于环境温度.该结论可以为滚珠丝杠单元的热平衡优化设计提供理论依据.     

行星滚柱丝杠副载荷分布及刚度计算

针对以往行星滚柱丝杠副刚度计算结果精度不足的问题,依据赫兹弹性接触理论,以滚柱为研究对象,对3种变形分别进行理论分析和计算:螺纹和滚柱之间的点接触螺纹槽的赫兹接触变形;丝杠和螺母分别与滚柱接触时的轴向变形;丝杠和螺母分别与滚柱接触时螺牙的变形.在分析行星滚柱丝杠副载荷分布规律的基础上,建立新的刚度数学模型.利用Matlab软件编写计算程序,得出行星滚柱丝杠副的轴向刚度曲线,并通过与试验数据进行对比,验证了该模型的正确性.     

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。     

行星式滚柱丝杠副的摩擦机理研究

分析了行星滚柱丝杠副由于弹性滞后和自旋滑动等因素所产生的摩擦特性,导出了摩擦力矩和所加载荷之间的关系．计算结果和实验结果对比验证了所得结论是正确的,从而为行星滚柱丝杠副的设计以及润滑、寿命等方面的研究提供了理论依据．     

行星式滚柱丝杠副的摩擦机理研究

分析了行星滚柱丝杠副由于弹性滞后和自旋滑动等因素所产生的摩擦特性，导出了摩擦力矩和所加载荷之间的关系。计算结果和实验对比验证了所得结论是正确的，从而为行星滚柱丝杠副的设计以及润滑、寿命等方面的研究提供了理论依据。     

行星滚柱丝杠副的参数化设计与研究

提出了行星滚柱丝杠副的参数化设计方案,分析传动原理及运动关系,推导出主要零部件结构参数关系以及计算公式。从载荷、行程、转速、精度等条件入手,分析行星滚柱丝杠副在数控机床中实际应用工况,建立三维数字化模型并进行虚拟装配和干涉检验,验证参数化设计的正确性。     

考虑弹性变形的行星滚柱丝杠副滚滑特性

为了揭示行星滚柱丝杠副滚滑机理,基于滚柱螺纹球面牙型特点,采用等效球的方法,分别建立了未考虑弹性变形和考虑弹性变形的行星滚柱丝杠副滚滑分析模型.通过求解两侧接触点的相对滑动速度,研究其滚滑特性.采用滑-滚比表征两接触侧滑动量与滚动量的相对关系,分别计算了两接触侧滑-滚比,并重点研究了螺纹结构参数中接触角、螺旋升角和滚柱螺纹牙数对两接触侧滑-滚比的影响规律.分析结果表明,考虑弹性变形,丝杠与滚柱接触侧会产生相对滑动,且两接触侧沿螺旋线切向产生的相对滑动速度最大;接触角和螺旋升角对两接触侧滑-滚比的影响趋势均相反,增大螺旋升角更有利于降低螺母侧滑-滚比;滚柱螺纹牙数对两接触侧滑-滚比的影响较小.     

角接触球轴承热特性分析及试验

为了预测并控制轴承运转过程中热态特性对进给系统精度的影响,基于球轴承拟静力学和摩擦生热理论,计算了包括自旋摩擦力矩在内的摩擦生热,分析了热传递方式,并建立了热传递模型和一种考虑接触热阻的球轴承组件有限元热结构模型。采用有限元法仿真轴承组件稳态温度场,搭建试验台测试了不同转速和载荷下轴承的稳态温度分布及轴向热位移。结果表明:转速和轴向载荷对轴承温升及轴向热位移影响较大,其中温升在10℃以内时,轴向热位移与温度线性关系明显;在温度场中,滚珠温度最高,内圈温度次之,外圈温度最低;仿真结果与测试结果相对误差在7%以内,可有效预测轴承在不同工况下的稳态温度场及轴向热位移。     

轴芯冷却电主轴热特性分析的数值模拟与实验研究

为了改善高速高精密机床电主轴"外冷内热"的现状,基于电主轴热薄弱点分析,提出了一种轴芯冷却结构及系统;进行了轴芯冷却电主轴热特性实验,并结合热特性有限元数值计算模型研究了转速、负载和冷却油流量对电主轴热特性的影响。实验结果表明:该轴芯冷却结构和系统可显著减小不同转速和负载下电主轴系统内部各部件的温升;与没有轴芯冷却的常规电主轴相比,在轴芯冷却油流量为2.5L/min时,轴芯和轴承测点温升均减小了50%左右,轴芯轴向热变形减小了50.8%,系统热平衡时间减小了66.7%,从而提高了机床电主轴的加工精度和加工效率;轴芯冷却油流量从1.5L/min增大到2.5L/min时,系统热平衡时间减少。     

重型非公路湿式制动器带排特性预测体系

为了提高湿式多片盘式制动器的运行和制动特性,以轮式挖掘机驱动桥湿式多片式盘式制动器为研究对象,针对湿式制动器在非制动运行过程中带排特征现象,通过考虑表面沟槽作用、油膜收缩现象和层流N-S方程,建立湿式制动器带排特性预测体系,研究在不同体积流量、动力黏度和摩擦副间隙下湿式制动器带排转矩和温度变化规律.分析结果表明:在摩擦副间隙为变量情况下,带排特征预测模型摩擦副间隙越大,带排转矩峰值越低;在体积流量为变量情况下,带排转矩预测模型体积流量越大,带排转矩峰值越大;在冷却液动力黏度为变量情况下,带排转矩预测模型冷却液动力黏度越大,带排转矩峰值越大.     

差动式行星滚柱丝杠承载特性分析

基于空间啮合理论与赫兹接触理论展开差动式行星滚柱丝杠承载特性分析,综合考虑由滚柱与丝杆初始啮合点偏置引起的接触点位置变化对承载特性的影响,建立差动式行星滚柱丝杠空间啮合几何学模型,采用数值方法对滚柱和丝杆的啮合点位置和主曲率进行求解,推导出单个滚柱螺纹齿面载荷分布和承载能力计算几何模型,将模型计算结果与直接刚度法计算结果进行对比,验证了模型的正确性;系统分析了牙型角、螺距、滚柱螺纹节数、丝杆与滚柱材料弹性模量比等因素对差动式行星滚柱丝杠载荷分布和承载能力的影响规律。     

连退炉内炉辊热变形对带钢瓢曲变形的影响

利用有限元法,采用单锥度辊作为炉辊初始辊形,分别通过热应力计算和屈曲分析,连续退火炉加热段和快冷段内炉辊热变形及其对带钢瓢曲变形的影响.研究结果表明:在加热段,炉辊热变形后,随着炉辊温差的增大,炉辊形状分别为双锥度辊、单锥度辊和“M”型辊,且炉辊总锥度随温差增大而减小:当炉辊温差在一定范围之内时,炉辊热变形对防止带钢瓢曲变形有利:在快冷段,炉辊热变形后,炉辊变为双锥度辊,随炉辊温差的增大,炉辊总锥度变大,且带钢更容易发生瓢曲变形.基于计算分析,从炉辊热变形角度考虑,对加热段和快冷段的炉辊的温差控制及炉辊选择给出了合理的建议.     

高速飞行器发动机舱内元组件热环境研究

为满足高速飞行器发动机舱内元组件热防护及热管理的需要,就热环境问题提出了严格准确的定义;然后基于此定义与准则关系式建立了一套估算高速飞行器发动机舱内元组件热环境的传热模型。利用建立的稳态热平衡方程,通过迭代求解得到某高速飞行器发动机舱内元组件在典型飞行工况下的一维热环境。对典型飞行工况下不同参数进行了系列研究。结果表明:舱内元组件的热环境随着冷却气流流量的减少而恶化,当冷却气流质量流量从1.0 kg/s减少至0.5 kg/s时,冷却气流出口温度增加了0.185 4无量纲温度。舱内元组件自身发热量对冷却气流的温升有较大影响;且冷却气流流量越小,温升越大。当冷却气流质量流量为1.0 kg/s时,元组件自身发热量导致了0.139无量纲温升,而当冷却气流质量流量为0.5 kg/s时,元组件自身发热量导致了0.294 9无量纲温升。     

隔热涂层对磨床主轴动静压轴承热变形的影响研究

为了减少热变形,提高高速精密磨床砂轮主轴系统的精度,将隔热涂层应用于深浅油腔动静压轴承.应用FLUENT和ANSYS两个有限元软件联合仿真分析了不同厚度与不同热导率的隔热涂层在不同的动静压轴承供油压力、主轴转速等因素下的轴承热-结构特性.结果表明:动静压轴承的温度和热变形以及它们的均布程度,都随着隔热涂层厚度的增大逐渐降低,随着隔热涂层热导率的减小而减小,随着轴承供油压力的增加而减小,随着轴承主轴转速的减小而减小;隔热涂层还具有均化轴承温度场和热变形分布的作用.高性能隔热涂层将明显降低轴承主轴热变形并且使其热变形均布,最终明显提高高速精密磨床砂轮主轴系统的加工精度.     

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

轴颈倾斜的径向轴承热弹性流体动力润滑分析

通过联立求解质量守恒的广义Reynolds方程、能量方程、固体热传导方程和固体变形方程,建立了轴颈倾斜的径向轴承三维热弹性流体动力润滑（TEHD）模型.在此基础上,深入研究了轴颈倾斜径向轴承的TEHD性能.结果表明,弹性变形和热变形都对轴颈倾斜径向轴承的性能具有显著影响.当只考虑弹性变形时,油膜厚度变化曲线出现了局部“凸”的形状,且最大油膜压力减小;当只考虑热变形时,油膜厚度变化曲线出现了局部“凹”的形状,且最小油膜厚度增大,但热变形对最大油膜压力的影响不大;当同时考虑弹性变形和热变形（即完整的TEHD模型）时,轴颈倾斜径向轴承的所有性能参数都发生了明显的变化,因此,对于重载高速的操作工况,有必要建立轴颈倾斜径向轴承的TEHD模型.     

进给系统成对安装的角接触球轴承热分析

考虑轴承的离心力、陀螺力矩等因素建立滚珠的动载荷平衡模型,利用牛顿-拉弗逊法求解.然后对轴承、丝杠轴、轴承座取温度节点,考虑轴承热节点之间的接触热阻并利用轴承内部温度变化结合润滑剂的黏温效应实时修正轴系热源发热量、热边界条件等特性参数,建立机床进给轴承系统成对安装角接触球轴承的瞬态热网络模型.利用差分矩阵结合Matlab软件数值求解预测出不同进给速度下轴承座表面等重要节点的瞬态温升曲线,分析不同转速下轴系温度场的变化.并对不同进给速度下的轴系安排实际工况下的试验验证,证明了预测模型的有效性.     

金属熔积直接成形翘曲变形的有限元分析

为了研究不同热边界条件对熔积直接成形金属零件翘曲变形的影响,运用有限元法建立了三维模型,通过变换冷却和加热条件来分析直壁件熔积成形过程在不同热边界条件成形过程中温度、应力变化和最终翘曲变形.模拟结果表明：熔积过程中运用随焊冷却技术,能使熔积层温度迅速降到接近环境温度,并在随后的时间内保持很低的温度梯度,从而减小了冷却阶段的应力水平,使得翘曲变形量降低;而熔积成形前对基板预热处理会增加热积累和温度梯度,导致残余应力及翘曲变形量的增加.     

Effect of Processing Conditions on the Compression Elasticity of Three Dimensional Crimp Staple*

The multi-hollow three dimensional(3-D)crimp sta-ple were prepared by the non-symmetrical cooling spin-ning technology.The material properties,spinneret shape,drawing conditions,heat-setting conditions and silicon finishing conditions that influence the compression elasticity of the staple have been investigated.It is found that the compression elasticity of 3-D crimp PET staple is larger than that of 3-D crimp PP staple.The com-pression elasticity of the 5-hollow staple is much larger