非常态工况条件下滚珠丝杠副传动失效机理及实验研究

In the field of large mechanical equipment, high-speed NC machining center and national defence industry, the higher reliability and stability are demanded for the ball screw transmission units under the extreme working conditions of heavy loads and super high speed. In this topic, the failure mode and failure mechanism of the ball screw under extreme conditions such as overloaded,high speed, high acceleration will be studied by means of digital simulation technology and experimental research methods, on the basis of dynamics theory.The influence rules of surface geometric topology,lubricant and movement of ball recirculation at multi-surface systems will be explored based on the contact mechanics model considering macroscopic and microscopic features. The dynamic evolvement of the wear process of contact area and the coulpling of the friction and fatigue will be also simulated and testified, and the main factors that caused the wear and failure of ball screw would be researched. Measures would be explored to improve the reliability for ball screw under extreme working situations by optimization of structure design based on the theoretical analysis and testing. The research will provide us theoretical foundation and technology surport analysis methods for the design and application of high speed and heavy loaded ball screw meachanism.

大型机械装备、高速数控加工中心以及航空航天等国防工业领域要求以滚珠丝杠副组成的传动机构在短时超载荷、超高速以及急速启停等非常态工况条件下，传动系统要具有高的可靠性和传动平稳性。 课题拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对滚珠丝杠副在超额定载荷、高速度以及高加速度等使用条件下的失效机理、失效模式进行理论研究。分析多场耦合相互作用下,多界面系统的表面几何拓扑结构、润滑状况、滚珠循环运动条件等对界面局部与整体动态接触的影响规律，建立考虑宏微观特征的接触力学理论模型；研究滚珠接触区域的疲劳、摩擦与磨损及其对界面耦合场动态演化的行为规律，对滚珠丝杠副的磨损状况进行演绎，分析影响其磨损、失效的关键因素。在理论分析和实验研究基础上，从滚珠循环反向器结构形式以及主要结构参数设计等方面提高滚珠丝杠副在非常态工况条件下传动的可靠性，为高速重载精密滚珠丝杠副的设计与应用技术提供理论基础和科学依据。

课题采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对滚珠丝杠副在超额定载荷、高速度以及高加速度等使用条件下的失效机理、失效模式进行了理论研究。.（1）首先，建立了双螺母预紧方式载荷作用下结合面弹性接触变形及刚度计算模型，考虑载荷分布的滚珠循环系统摩擦力矩计算方法，探讨了影响摩擦力矩的主要因素及影响规律；（2）然后研究了滚珠接触区域的疲劳、摩擦与磨损及其动态演化的行为规律，对高速滚珠丝杠副的磨损状况进行演绎，分析影响其磨损、失效的关键因素，特别是对薄弱环节循环返向器的失效机理进行了研究。考虑载荷的不均匀分布,研究建立了高负荷状态下滚珠丝杠副中滚珠与滚道之间的弹塑性接触变形计算模型,分析了高负荷下滚珠丝杠副主要失效形式以及失效机理,探讨了提高其极限承载能力的技术措施。（3）其次，开展了滚珠丝杠精度保持性及可靠性试验，通过试验探讨了滚珠循环返向器结构形式以及主要结构参数对滚珠丝杠副传动可靠性的影响。（4）最后，对高速重载滚珠丝杠副的结构形式进行了改进设计，提出了新型返向器结构的高速滚珠丝杠副并申报了发明专利，为高速重载精密滚珠丝杠副的设计与应用技术提供理论基础和科学依据.