李栋 张余

摘要：滚珠丝杠副作为重要的传动部件，在航天航空、数控机床、工业机器人等行业都得到了广泛应用。滚珠丝杠进给系统的可靠性和定位准确性直接决定了高端装备的效率与定位精度，学术界日益重视对滚珠丝杠可靠性和定位准确性的研究与实践。本文就关于滚珠丝杠副可靠性展开探讨。

关键词：滚珠丝杠副;可靠性;定位准确性

引言

资料显示，国内相关生产企业每年由滚珠丝杠副故障所导致的经济损失已经高达一百亿人民币。近年来国产滚珠丝杠副在质量与性能上提升较大，但在高端滚珠丝杠副方面依然落后于进口产品，其中很大一部分差距在于产品的可靠性，这个问题已经严重影响了国内滚珠丝杠副生产企业的发展，对于这方面的理论研究势在必行。

1.滚珠丝杠副研究概述

滚珠丝杠副在19世纪就己经问世，历经了一百多年的发展，己经广泛应用于航空工业，机床工业，汽车工业等高端重点行业。1940年，美国著名汽车制造商通用公司成为了全球第一个大批量应用单螺母滚珠丝杠副的大型企业，通用公司将单螺母滚珠丝杠副应用于汽车生产过程中的转向机构中。到二十世纪五十年代，世界上各发达国家开始大力研究滚珠丝杠副的设计与生产，涌现了一批生产滚珠丝杠副的高端企业如：德国NEFF公司，法国ALME公司，英国LUCAS公司等。在滚珠丝杠副的研究与生产过程中，各科研院所与高校一直是向着高速度，高刚度，高效率，环保节能的方向发展，从而更好地适应现代高精度技术产品对于滚珠丝杠副的各项技术要求。在国内科研研究中，对于滚珠丝杠副的疲劳寿命的计算，额定动静负载的计算，反向器曲面的设计与优化等方面都取得了长足的进步和深远的发展。特别是在国家重大专项和国家自然基金的支持下，对于重载和高精度的滚珠丝杠副进行了较为深入的研究，并取得了实际应用。

2.可靠性定义

可靠性是指某一产品在规定的时间内及规定的条件下。完成既定功能的能力冈。滚珠丝杠副的可靠性主要包含传动精度、工作性能以及工作寿命等几个关键因素，可以分为寿命可靠性与精度保持性。寿命可靠性是指滚珠丝杠副在特定的条件下，出现零部件故障的可能性，比如滚珠破裂、滚道表面变形等。精度保持性是指滚珠丝杠副在规定的工作条件下与工作时间内，在一定范围内维持其定位精度的能力。滚珠丝杠副在生产应用中有一定的精度范围规定，超过规定精度则会出现精度故障，其在规定的精度范圍内的工作时间长度称为精度保持时间，可以表征滚珠丝杠副的精度保持力。

3.关于滚珠丝杠副可靠性

3.1滚珠丝杠副可靠性分析

（1）可靠性试验技术。可靠性试验是指为分析、评价产品的可靠性而进行的各种实验的总称。进行可靠性试验是为了通过试验，分析产品质量，得出评估报告，并能根据评估报告改进加工工艺。具体的可靠性试验，要先制定完整的试验大纲、确定试验样件和试验环境、进行性能的检测并能对故障模式进行统计分析。因此，可靠性试验方案确定后，应专注于试验设备的开发，主要包括：滚珠丝杠副行程误差测量仪、刚度测试试验台、精度保持性试验台、综合性能试验台、摩擦力矩试验台、可靠性与寿命试验台的开发。借助试验台的测试方法与试验数据，展开可靠性试验，对被测丝杠的可靠性进行评估。（2）数据分析与评估技术。通过现场收集或试验收集获得滚珠丝杠的失效数据后，还必须要对这些数据进行分析处理来获得滚珠丝杠副的可靠性和使用寿命，这个过程叫做滚珠丝杠副的可靠性评估。数据分析和可靠性评估的基础是数据收集。收集的数据采用MTBF，即平均故障间隔时间来判定。若MTBF符合设定要求，则丝杠合格。一般而言，可靠性评估的过程可以分为试验数据分析、寿命分布模型选择、模型参数估计和模型验证。可以采用两种方式，对采集到的数据进行分析。一种是精度的变化，包括振动、噪声、温升等参数的对比，还有一种是针对疲劳寿命的统计分析其目的是为了获得描述性的统计量，如均值、方差、可靠性的无参数估计等，为选择一个特定的分布模型做准备。数据分析完毕后，可以将数据在坐标系中画出，并与已知的模型进行比较。如果图像吻合，即可求得当前所需模型。选择模型后，可以通过最小二乘法、极大似然估计、贝叶斯方法对模型的参数进行估计，以便能够对试验数据准确描述。模型建立完毕后，需要对于建立模型的准确性进行检测。有两类检测方法：一种是图形法，将预测的图像与实际的图像进行吻合度对比，若差异较小，则符合要求;一种是解析法，将试验中的观测值，与模型计算值进行比对，计算方差等，若方差值在一定范围内，则也可以证明模型正确。两种方法各有优势，可以结合使用。

3.2动力学研究

（1）固有特性研究。固有特性研究包括计算系统的各阶固有频率、模态振型等，这是动力学分析需要首先解决的问题。众多学者通过对进给系统进行动力学建模，在系统频率、加速度、载荷、惯性力、扭转振动、刚度等方面对滚珠丝杠副进行了研究。考虑主轴箱组件的重力，对垂直方向布置的滚珠丝杠采用弹簧阻尼单元建立动力学模型并求解出系统的等效轴向刚度，分析了进给系统的固有频率和加速度传播方向的振动响应，相比于忽略重力影响情况，其值更接近于实际。采用集中参数法建立滚珠丝杠进给系统的等效动力学模型，研究了高加速下滚珠丝杠副承受来自移动组件的大惯性力，会导致运动学关节接触状态的改变，从而导致接触刚度的变化，因此应改变滚珠丝杠的动态特性，研究表明加速度达到一定值时，关节接触刚度显示出突然变化，系统能达到的最大加速度可以通过螺母关节和轴承关节两个关键加速度临界值的较小值判定。通过一个二维模型对由螺杆和螺母组成的机械系统进行了振动分析，该模型表明可以通过更改系统的转动惯量来避免共振。（2）动态响应研究。过大的振动响应会显著影响滚珠丝杠副的定位精度，并产生大噪声，滚珠丝杠副主要应用于进给系统中。在对滚珠丝杠副的理论研究中，很多学者通过采用梁单元对丝杠进行建模，并将螺母和进给系统工作台等效为一个可以移动的质量单元。为了评估丝杠的剪切变形和转动惯量对进给系统动态特性的影响，丝杠用Timoshenko梁单元进行建模。研究了匀速运转条件下且承受移动载荷的转轴的动力学特性，对转轴分别采用了瑞利梁、Timoshenko梁进行建模。在进给系统中，丝杠的振动会影响工作台的定位精度，所以丝杠的纵向振动和扭转振动是研究滚珠丝杠副运动精度不可忽略的影响因素。把丝杠当作一个连续子系统建模，通过里兹级数近似得到一个N自由度模型，然后解耦成N个单自由度系统求得模态坐标位移场表达式。

结语

滚珠丝杠副可靠性是评价高档数控机床精度与加工能力的重要指标与重要参考，绝大多数国内外高档数控机床性能与加工精度的降低或者机床可靠性及效率的降低都是由于滚珠丝杠副的精度不足导致的。不仅如此滚珠丝杠副的刚度与可靠性也能从侧面反映了高档数控机床设计和制造技术的综合能力。因此，研究滚珠丝杠副刚度及其可靠性对于指导机床设计，工艺过程设计，提高机床性能具有重大意义。

参考文献

[1]冯虎田.滚珠丝杠副动力学与设计基础[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2]蒋书运，祝书龙.带滚珠丝杠副的直线导轨结合部动态刚度特性[J].机械工程学报，2018，46（1）：92-99.

[3]朱坚民，张统超，李孝茹.基于结合部刚度特性的滚珠丝杠进给系统动态特性分析[J].机械工程学报，2018，51（17）：72-82.