强过载下滚珠丝杠副弹塑性变形与失效分析

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1、强过载下滚珠丝杠副弹塑性变形与失效分析高负荷滚珠丝杠副弹塑性变形与失效的理论与试验研究赵国平1范元勋2张立柱2李力毅1(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001;2.南京理工大学机械工程学院南京210094)摘要：根据精密滚珠丝杠副在高负载工作条件下滚珠与滚道面接触变形的特点，建立了精密滚珠丝杠副的接触变形弹塑性线性强化分析模型。依据Hertz接触理论，提出了高负载情况下滚珠与滚道面接触弹塑性变形的计算方法，并据此分析了丝杠副滚道面接触处的弹塑性变形。通过对高负载条件下滚道面摩擦和金属材料塑性流动特点的分析，得出了高负载情况下滚珠丝杠副

2、可能的失效形式和失效破坏机理。最后通过试验验证了理论计算和分析的合理性。为深入开展高承载条件下滚珠丝杠副的失效机理及设计理论研究提供了理论和试验基础。关键词：滚珠丝杠副；接触理论；弹塑性变形；失效机理?中图分类号：TH114文献标志码：文章编号：Theoreticalandexperimentalresearchofelastic-plasticdeformationandfailureoftheballscrewunderthehighloadconditionZhaoGuoping1,FanYuanxun2,ZhangLizhu2,LiLiyi1(

3、1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China.2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)Abstract:Accordingtotheelastic-plasticdeformationoftheballandtheracewaysurface,anewdeformationm

4、odeloftheworkingballunderthehighloadconditionisestablished.ApplicationofHertzcontacttheoryderiveselastic-plasticdeformationofcontactplacebetweentheballandraceway,thenestablishesthelinearstrengtheningelastic-plasticmodel.Thecalculationmethodofelastic-plasticdeformationoncontactpo

5、intsoftheballandracewayisproposed.Throughtheanalysesofplasticflowofracewaysurfaceandfrictioncharacteristics，thefailuremodeandfailuremechanismofballscrewunderthehighloadconditionisobtained.Finally,therationalityoftheoreticalanalysisisverifiedbytheexperiments.Theresearchresultspro

6、videatheoreticalandexperimentalbasisforthefailuremechanismsanddesigningtheoryofballscrewunderhighloadconditions.Keywords:ballscrew，contacttheory，elastic-plasticdeformation，failuremechanisms0前言机电伺服技术在航空航天邻域应用越来越广泛，而滚珠丝杠副因其效率和精度高、刚度好等特点在航天机电伺服领域的应用日益增多，如越来越多地用于火箭、导弹等空间飞行器伺服传动控制机构[

7、1]。而航天伺服机构为适应振动、冲击、高低温等复杂力、热环境以及满足高可靠、高动态、小型化、轻质化需求，要求滚珠丝杠副能在短时工作、高频变负载等恶劣工况下，具有超高负荷能力和耐久性，保证在数倍于额定载荷的条件下仍能正常工作[2]。滚珠丝杠副在高负荷下运行，滚道塑性变形无法忽视[3]，传统的理论只是在弹性范围内考虑滚珠丝杠副的接触应力应变[4]，而对高负荷及超高负荷下滚珠丝杠副的弹塑性变形研究极少，传统的理论已无法揭示滚珠丝杠副在超高负荷下的变形与失效机理。Levit等在借鉴滚动轴承计算方法[5]基础上，最早提出一系列滚珠丝杠副的设计方法，包括滚珠丝杠副

8、静、动力载荷作用下接触表面强度及疲劳寿命，轴向刚度、传动效率以及制造误差对效率的影响等，为滚收