高过载工况下滚珠丝杠副的极限承载能力及伺服加载试验台的研究

摘要

精密滚珠丝杠副因其优异的直线传动性能，一直是航天器电动伺服控制系统中重要的传动定位元件，因此开展针对航天工况下精密滚珠丝杠副的承载性能研究是非常必要的。本文基于赫兹接触及弹塑性力学理论、结合现代CAD/CAE软件，重点研究了航天工况下精密滚珠丝杠副的弹塑性接触问题和以提高极限承载能力为优化目标的结构参数优化设计。与此同时，设计了极限承载能力试验方案，开发了精密滚珠丝杠副伺服加载试验装置。
　　 针对航天工况的短时高过载特点，本文首先根据赫兹接触理论和弹塑性力学建立了滚珠与双圆弧滚道的接触模型，得到了弹塑性阶段接触应力应变的计算公式。并且根据高过载工况下精密滚珠丝杠副的接触变形特点，分析得出塑性变形过大是该工况下丝杠副的主要失效原因，从而推出了屈服准则和由塑性变形量允许值决定的最大许用轴向载荷计算公式，并以此载荷作为衡量航天工况下丝杠副极限承载能力的重要指标。
　　 在极限承载能力研究的基础上，本文以提高最大许用轴向载荷为优化目标，针对丝杠副的某些结构参数进行优化设计。通过运用Matlab中的GAOT工具箱进行数值优化，并结合Abaqus建立了多滚珠弹塑性接触有限元模型进行分析验证，最终得到了针对某特定规格的精密滚珠丝杠副结构参数优化方案。
　　 最后本文设计了极限承载能力试验方案，并基于FCS多通道协调加载系统研发了精密滚珠丝杠副伺服加载试验台，包括试验台伺服加载系统、电机驱动模块、数据测量采集系统和试验台机械结构。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景、意义及目的

1．2 滚珠丝杠副的发展与研究现状

1．2．1 滚珠丝杠副发展简介

1．2．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

2 高过载工况下精密滚珠丝杠副弹塑性接触分析

2．1 高过载工况下精密滚珠丝杠副弹性接触分析

2．1．1 Hertz点接触理论基础

2．1．2 滚珠与双圆弧丝杠滚道面接触点处主曲率

2．1．3 滚珠与双圆弧螺母滚道面接触点处的主曲率

2．1．4 滚珠与双圆弧丝杠、螺母滚道弹性接触分析

2．2 精密滚珠丝杠副材料特性及屈服准则的研究

2．2．1 滚珠、螺母及丝杠杆材料的确定

2．2．2 丝杠副材料特性及屈服准则的研究

2．2．3 最大静态切应力及初始屈服临界法向载荷与临界趋近量的计算

2．3 高过载工况下精密滚珠丝杠副塑性接触分析

2．4 精密滚珠丝杠副接触受力变形和载荷分布分析

2．5 高过载工况下精密滚珠丝杠副弹塑性计算举例

2．6 本章小结

3 基于ABAQUS多滚珠弹塑性接触模型有限元分析

3．1 多滚珠弹塑性接触有限元模型建立

3．1．1 实体模型建立

3．1．2 有限元模型建立

3．2 多滚珠弹塑性接触有限元模型分析结果

3．2．1 有限元分析定性结论

3．2．2 理论结果有限元验证

3．3 本章小结

4 基于MATLAB数值分析精密滚珠丝杠副极限承载能力优化设计

4．1 高过载工况下精密滚珠丝杠副极限承载能力研究

4．2 结构参数对极限承载能力影响定性分析

4．3 基于GAOT精密滚珠丝杠副极限承载能力数值优化分析

4．3．1 MATLAB遗传算法优化工具箱(GAOT)简介

4．3．2 优化目标函数及优化参数的建立

4．3．3 约束条件的建立

4．3．4 GAOT数值优化结果

4．4 优化结果对比

4．4．1 优化前后理论计算结果对比

4．4．2 优化前后有限元结果对比

4．5 本章小结

5．精密滚珠丝杠副极限承载能力试验方案及伺服加载试验台的研究

5．1 试验项目制定

5．2 试验流程研究

5．3 精密滚珠丝杠副伺服加载试验台功能要求和性能指标

5．4 试验台总体方案设计

5．5 试验台伺服加载系统设计

5．5．1 FCS多通道协调加载系统

5．5．2 液压伺服系统

5．6 试验台机械结构设计

5．6．1 试验台台身结构设计

5．6．2 丝杠副安装结构设计

5．7 电机驱动模块设计

5．7．1 电气系统总体设计

5．7．2 驱动电机选型

5．7．3 变频器选型

5．8 数据测量采集系统设计

5．8．1 数采系统总体设计

5．8．2 PXI数据采集系统

5．8．3 传感器的选用

5．9 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献