考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法

本发明涉及滚珠丝杠副磨损量解析建模，具体涉及考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法。

背景技术：

1、滚珠丝杠副进给系统作为精密传动系统，在滚珠丝杠副服役过程中，磨损是其精度保持性损失的主要原因，因为滚珠丝杠副的接触磨损会造成接触滚道材料损失，进而造成轴向位移的出现，尤其对于精密滚珠丝杠副而言，其精度等级较高，允许的精度损失量较小。由于滚珠丝杠副在运动过程中滚珠与滚道摩擦会产生大量的热能，公开号cn109084975b一种厚壁圆筒内壁磨损定量性研究方法，烧蚀磨损的诱发因素——温度——会致使厚壁圆筒内壁出现热软化甚至热熔化，从而使得厚壁圆筒弹带摩擦副摩擦学状态的改变，由此带来机械运动摩擦系数发生转变，从而对机械磨损产生影响；由此可见，温变对其力学性能、磨损过程及精度会产生一定的影响，从而造成滚珠丝杠副精度衰退的加剧。在公开号cn109002588b一种时变负载工况下的滚珠丝杠副随机磨损建模方法，以及公开号cn109002589b一种复杂工况下的滚珠丝杠副随机磨损建模方法中，均未考虑温变引起的滚珠丝杠副软化效应对磨损模型的影响。并且目前对滚珠丝杠副热特性的研究多注重于热膨胀对滚珠丝杠向伸长产生间隙，从而导致的精度下降，鲜有考虑材料热软化效应影响下的热-力耦合的精度预测模型。

2、所以，建立考虑热累计造成的温变引起的滚珠丝杠副软化效应影响下的磨损模型十分重要，如何建立改进后的滚珠丝杠副磨损模型是本发明中的关键问题之一。

技术实现思路

1、针对由于滚珠丝杠副在运动过程中滚珠与滚道摩擦产生热能导致的温变对其力学性能、磨损过程及精度会产生一定的影响，从而造成滚珠丝杠副精度衰退的加剧，而现有技术中鲜有考虑材料热软化效应影响下的热-力耦合的精度预测模型的问题，本发明提供考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，目的在于，通过改进磨损模型，使其能够对滚珠丝杠副磨损过程的软化效应进行充分考虑，从而使得滚珠丝杠副磨损量预测值更加准确。

2、考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，包括以下步骤：

3、步骤1：依据弹性滞后、自旋滑动、塑性变形、差动滑动和润滑粘性阻力引起的摩擦力矩，建立滚珠丝杠副的摩擦力矩计算模型；

4、步骤2：由摩擦力矩模型代入滚珠丝杠副摩擦热计算公式求得滚珠丝杠副的累计摩擦热量，并根据滚珠丝杠的热特性建立滚珠丝杠的温升计算模型，进而获得温升值；

5、步骤3：温升值结合温度值-硬度关系，获得材料的硬度变化模型；

6、步骤4：推导相对运动速度方程，基于archard理论，根据滚珠丝杠副的相对运动速度方程以及硬度变化模型，建立滚珠丝杠副磨损量解析模型。

7、进一步为：滚珠丝杠副的摩擦力矩计算模型m总为；

8、

9、其中，n为滚珠总数；

10、rb为滚珠半径(常用滚珠直径范围为3.175～3.700)；

11、qi为滚珠与丝杠滚道或螺母滚道接触面之间的法向力；

12、r’为半径比；

13、h＝2.8σs是较软材料的硬度；σs是较软材料的屈服强度；

14、d是滚珠接触面分形维数；

15、g是滚珠接触面分形粗糙度参数；

16、γ为谱密度的参量；

17、π为圆周率；

18、ψ为拓展因子；

19、ad是接触微凸体的最大横截面积；

20、ac是接触微凸体的弹塑性变形向塑性变形转变的临界横截面积；

21、f为滑动摩擦系数；

22、f0为与轴承类型和润滑方式有关的系数；

23、υ为润滑剂的运动粘度；

24、n为丝杠的转速。

25、进一步为：滚珠丝杠副的累计摩擦热量qa：

26、qa＝0.12πnm总    (22)

27、假设滚珠丝杠副的各部分温升是均匀稳定上升的，则丝杠的温升值t为：

28、

29、χ为单位时间内单位温差的散热量，单位j/k·s；

30、t为工作时间，单位s；

31、c为比热容，单位j/kg·k；

32、进一步为：丝杠或螺母材料硬度变化模型为；

33、

34、式中，t0为滚珠在室温下未进行工作的初始温度；

35、a、b为系数；

36、h为丝杠或螺母的硬度。

37、进一步为：滚珠丝杠副磨损量解析模型为：

38、

39、其中，vs为滚珠与丝杠滚道表面之间的磨损量；

40、vn为滚珠与螺母滚道表面之间的磨损量；

41、n总为滚珠丝杠副运行的总转数；

42、ω为丝杠的角速度，单位为rad/s；

43、为滚珠相对于丝杠滚道的滑动速度，单位为m/s；为滚珠相对于螺母滚道的滑动速度，单位为m/s；

44、k为磨损系数。

45、本发明的有益效果：在现有滚珠丝杠副摩擦力矩模型的基础上考虑了塑性变形产生的摩擦力矩，建立了自旋滑动、弹性滞后、塑性变形、差动滑动和润滑粘性阻力等因素引起的摩擦力矩模型，对其进行了更全面的分析计算；由此，根据滚珠丝杠副热量-摩擦力矩计算公式计算滚珠丝杠副摩擦产生的热量，并分析了摩擦热与温度之间映射关系，建立了改进archard磨损量解析模型；在滚珠丝杠副总摩擦力矩中引入了塑性应变能的同时，又考虑了摩擦热诱导的温变载荷对材料硬度的影响，最终提出的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，解决了滚珠丝杠副精度退化领域机理模型预测精度欠佳的问题。

技术特征：

1.考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，其特征在于：滚珠丝杠副的摩擦力矩计算模型m总为；

3.根据权利要求2所述的考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，其特征在于：滚珠丝杠副的累计摩擦热量qa：

4.根据权利要求3所述的考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，其特征在于：丝杠或螺母材料硬度变化模型为：

5.根据权利要求4所述的考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，其特征在于：滚珠丝杠副磨损量解析模型为：

技术总结
考虑材料热软化效应的滚珠丝杠副磨损量解析建模方法，依据弹性滞后、自旋滑动、塑性变形、差动滑动和润滑粘性阻力引起的摩擦力矩，建立滚珠丝杠副的摩擦力矩计算模型；由摩擦力矩模型代入滚珠丝杠副摩擦热计算公式求得滚珠丝杠副的累计摩擦热量，并根据滚珠丝杠副的热特性建立滚珠丝杠的温升计算模型，进而获得温升值；温升值结合温度‑硬度关系公式，获得材料的硬度变化模型；推导相对运动速度方程，基于Archard理论，根据滚珠丝杠的相对运动速度方程以及硬度变化模型，建立的滚珠丝杠副磨损量解析模型，解决了滚珠丝杠副精度退化领域机理模型预测精度欠佳的问题。

技术研发人员：刘志峰,刘莉,李迎,滕学政,陈继民,孙富权
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23