伸出量可控液压缸中滚珠丝杆的力学分析与仿真

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

带位置传感器、活塞杆行程可以控制的液压缸近年来发展迅速，在轧钢压下系统、冶金锅炉的送料液压系统、煤矿液压支柱、注塑推进机构中运用广泛。本文介绍了-种将活塞杆的直线位移转化为滚珠丝杆角位移来测量的方法，接着对滚珠丝杆的受力进行了分析，最后将丝杆的实体模型导人 ANSYS中进行仿真，得到某温度下丝杆受热膨胀的伸长量。

1 检测方法工作原理如图 l所示。液压缸活塞杆的左端盖钻有深孔 ，滚珠丝杆-端伸入到深孔内，丝杆螺母依靠活塞杆左端面定位，并用六角紧固螺钉固定。左端盖设有台阶孑L，丝杆采用-端固定-端自由的安装方式，在左收稿 日期 ：2012-06-06作者简介：陈燕君(1989-)，女，辅龙海人，硕士研究生，主要研究方向为CAD/℃AM。

l 2 3 4 5 6 7 8 9：： I1-缸底 2-角接触轴承 3-斯特封 4-活塞隔圈 5-滚珠丝杆6-铰轴 7-活塞 8-活塞杆 9-导向套图 1 液压缸原理图端的台阶孔内采用两套 25∏接触轴承支撑丝杆，轴承成对并且面对面安装，隔圈在轴承压盖的压紧力下可对轴承进行轴向预紧并对丝杆定位。通孔采用斯特封密封，这种密封具有自密封能力和自润滑性.与金属表面无粘着作用，最大可承受30MPa的压力，使用寿命长，适合旋转运动轴的密封。丝杆的螺母用六角螺钉紧固在活塞杆的左端，并采用铸铁隔圈保护螺母。丝杆的- 端从左端盖伸出，当高压油推动活塞往复运动时，活塞杆上的螺母做跟随运动，由于丝杆的轴向位移被限制，丝杆在螺母的带动下只能产生角位移，这个角位移77液压 气动 与密 封/2013年 第 02期传输到编码器的主轴上，根据编码器产生脉冲的个数可以反推出活塞杆的直线位移。滚珠丝杆的摩擦系数极小，再加上采用大导程丝杆，螺旋角足够大，可以轻松得到丝杆的旋转运动。

2 滚珠丝杆的力学模型液压缸的额定压力设为 16MPa，丝杆公称直径为th25mm，导程为 25ram，螺旋升角 为 17.66。，角接触轴承的摩擦系数 ：为 0.002，压力角 为25。，斯特封的摩擦系数 。为 0.01，丝杆 的滚动摩擦系数 为0.005。

滚珠丝杆在逆传动时的效率满足公式(1)：叼-1l- //taa nfl- (1)将数据带人公式 1可以求得丝杆的效率r/0.98。

丝杆逆传动时所需要的外部轴向载荷满足公式(2)： (2)式中 胁- 负载转矩；- - 滚珠丝杆导程 。

滚珠丝杆需要克服的负载转矩包括两个部分，其- 为高压油挤压斯特封的 0形圈而对丝杆产生的摩擦阻力矩M，，其二为角推力轴承在轴向载荷下所产生的摩擦转矩 ，即：1 (3)2.1 丝杆受力分析图解丝杆的受力简图如图 2所示 。

图 2 滚珠丝杆受力分析图中 Q --轴承滚珠产生的正压力；- - 丝杆所受的轴向驱动力。

在 16MPa的额定压力下，密封圈所产生的摩擦转矩由公式(4)求得：Ⅳ0'rddop0/2Ⅳ0 1M2Fd/2 (4)轴承的摩擦力矩由公式(5)求得：MlQ 2r (5)驱动力矩 M及轴向力 Fa由公式(6)得：7gMF tanO。R：Q sinb (6)联合公式(3)(4)(5)(6)可以求得 。、 、 、 、Q分别为：0.058N·m、3.258N·In、823N、195IN。

3 滚珠丝杆的结构与热耦合分析3.1 热仿真的意义滚珠丝杆要保持较高的传动精度，其正常工作温度是在常温±l℃。现代高精度的数控机床都需要采用热补偿系统对传动丝杆的温度误差进行补偿，以达到高精度的传动效果。

笔者在设计中将丝杆的用法推陈出新，首先是将丝杆的正传递变成了逆传递，其次是在恶劣条件下使用滚珠丝杆。液压缸中，油液的温度变化范围非常大，从开启机器到预热过后再到正常工作，跨度有60 之多，如果是高压大流量系统，温升会更高。对于巨大的温升，滚珠丝杆又安装在液压缸内部，不可能采取强制冷却的措施，其温度只能跟随油液的变化而变化，在这种工况下对油液的温度监测与适当的温升补偿是必不可少的。丝杆的热误差补偿可以采取预补偿的方法.即在定位误差中，预补偿-定的值，以抵消热变形误差。

3.2 滚珠丝杆结构与热耦合有限元分析本文采用间接耦合法对丝杆在某-温度下的伸长量进行仿真。先对丝杆进行瞬态热分析再进行结构分析。根据能力守恒原理，瞬态传热的有限元解为公式(7)：[C]7 Q (7)式中 K1--热传导矩阵，包含导热系数、热对流系数及辐射率和形状系数；f --比热容矩阵； 1--节点温度向量；71--温度对时间的导数；Q l--节点热流率向量。

当然需要选择适当的时间步长，步长太小，解中可能会出现振荡现象，步长太大，温度梯度不能精确计算，在本分析中温度载荷通过阶梯载荷的形式加载到模型上。

分析的基本步骤如下：将在 Pr0/E中创建的丝杆实体模型导人 ANSYS中，丝杆的倒角、退刀槽以及螺纹等细节部分都省略 ，这样有利于网格的生成，选用线性单元 solid90并采用智能网格对实体进行分网，单元变长设置为 2。输入丝杆材料特性 ，弹性模量为 2.2x10 N/mm ，泊松比为(下转 第 82页)