CN110333157B - 一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置 - Google Patents

一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，本装置通过调整所述横向动力机构以及所述纵向动力机构的输出，改变各自方向所述的丝杠的转动速度，达到在所述两垂直方向上不同的速度，此外，通过加载机构对所述横向机构预加载力，进而实现滚滑比的调节且对不同滚滑比以及不同载荷下的所述滚珠进行滚滑摩擦磨损实验。通过所述位移传感器，可以判断出不同试验条件下的所述滚珠是否失效，提高设备的可靠性，节约经济成本。

Description

一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置
技术领域
本发明涉及一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，适合用于模拟滚珠丝杠在运动过程中具有所述一种用于滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置。
背景技术
在机械运动、机械制造技术、摩擦学、相关性能控制等技术领域中，基于材料特性的实验测试与表征是重要的研究手段，物体的摩擦学性能不仅取决于其本身的材料特性，而且与其工作环境和相对运动状态有着极大的关系。在工业应用中，齿轮、轴承以及滚珠丝杠等常用的零部件基本上都是在不同滑滚比的运动状态下，正是因为这种工作状态，造成滚动体的摩擦性能的下降。
滚珠丝杠的运动是机械传动中重要的传动机构，而其精度的大小除了与丝杠制造技术以及控制方案相关外，与滚珠的制造精度及其在运动过程中的摩擦耗损有很大的关系。滚动轴承的滚动体例如滚珠和滚道构成的摩擦副在实际运转时，滚动体一般质量轻，转速很大，滚动体与滚到的内外圈之间多处于滚滑状态，如滚珠在丝杠传动过程中，会在滚动的同时，由于受力不均、存在摩擦力等因素，伴随着滑动，从而造成滚珠体的工作表面的接触疲劳破坏、剪切疲劳断裂、磨损、过量塑性接触变形等失效形式。
因此，在实验过程中仅仅采用单一的纯滚动或者纯滑动的机构模型与实际工况下的运动会有很大差别，构建能够模拟出滚动和滑动都存在的试验样机成为摩擦磨损性能检测的关键。
发明内容
本发明提出了一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其能够实现目标滚动体如丝杠传动中滚珠的滑动以及滚动，实现不同滚滑比以及不同受力之下的摩擦磨损检测。
本发明采用的技术方案为一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，该装置包括纵向放置丝杠（1），联轴器（2），Y轴方向电机（3），第一底座（4），横向放置丝杠（5），力传感器（6），第一万向联轴器（7），第二万向联轴器（8），滑块（9），X轴方向电机（10），固定轴（11），第二底座（12），传动轴（13），弹簧（14），位移传感器（15）和滚珠（16）；
纵向放置丝杠（1）通过联轴器（2）与Y轴方向电机（3）通过螺栓固定在第一底座（4）上，传动轴（13）通过第二万向联轴器（8）连接固定在固定轴（11），固定轴（11）固定在第二底座（12）上，传动轴（13）通过与弹簧（14）连接，通过第一万向联轴器（7）与横向放置丝杠（5）垂直固定在一起，传动轴（13）上放置位移传感器（15），横向放置丝杠（5）通过第一万向联轴器（7）和滑块（9）与X轴方向电机（10）连接；力传感器（6）固定在横向放置丝杠（5）上，纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）的滚道位置垂直错位相交，滚珠（16）被两个丝杠滚道夹住产生滚/滑磨损。
以空间一点O为原点，建立三条两两垂直的数轴：X轴、Y轴、Z轴，纵向放置丝杠（1）通过联轴器（2）与动力机构的Y轴方向电机（3）输出端相连接，沿Y轴转动；横向放置丝杠（5）通过万向联轴器（7）与动力机构的X轴方向电机（10）输出端相连接，沿X轴转动；纵向放置丝杠（1）的滚道与横向放置丝杠（5）的滚道，通过滚珠（16）在同一位置相连接，滚珠同时在两个滚道内运动；滚珠（16）与空间垂直错位设置的摩擦磨损滚滑结构所示纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）是由两根传动轴根据滚珠（16）大小通过磨削模拟做成滚珠丝杠滚道形式，对滚珠（16）的包覆性强，Y轴方向电机（3）和X轴方向电机（10）的输出转速20rpm-2000rpm，通过调节纵向放置丝杠（1）横向放置丝杠（5）的转速，从而改变纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）的转速比率，使被试滚珠与空间垂直错位设置的摩擦磨损滚滑机构之间产生速度差，从而使滚珠（16）与摩擦磨损滚滑机构产生滑动，从而获得不同滚/滑比。
弹簧（14）通过压缩产生弹力，弹力通过传动轴（13）传递给万向联轴器（7），再通过横向放置丝杠（5）给滚珠（16）一个Z向的预紧力，使滚珠（16）表面与横向放置丝杠（5），纵向放置丝杠（1）的滚道表面接触；固定轴（11）与第二底座（12）连接固定，传动轴（13）与固定轴（11）连接固定，万向联轴器（7）有两个连接口，呈90°夹角，一端与传动轴（13）相连接，一端与滑块（9）相连接，横向放置丝杠（5）通过万向联轴器（8）和滑块（9）与X轴方向电机相连接，将X轴方向电机稳固定在X方向上；第一底座（4）与Y轴方向电机（3）相连接，对Y轴方向电机（3）进行固定。
位移传感器（15）的作用是检测弹簧（14）的伸缩量，当滚珠（16）表面有磨损后，导致终端加载机构的弹簧（14）产生微量位移，弹簧（14）产生的弹力反向对滚珠（16）的压力也会产生变化，力传感器（6）为应变高精度力传感器，应变高精度力传感器的量程大于200N，精度优于0.1N，安装在横向放置丝杠（5）上，力传感器（6）会检测到综合压力变化，通过对比位移传感器（15）以及力传感器（6）采集的数据，判断滚珠（16）的磨损程度。
通过改变电机（3）以及X轴方向电机（10）的输出功率，获得不同的转动速率，通过联轴器对丝杠的转动进行控制，纵向放置的丝杠（1）以及横向放置的丝杠（5）的转速比为1：1时滚珠将产生纯滚动，改变速度比使滚珠获得不同的滑/滚比；滚珠磨损后，位移传感器（15）会通过测量弹簧（14）的位移量获得磨损量。
所述动力机构为电机。
本发明具有如下的有益效果
本发明所述的一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，通过调整所述横向动力机构以及所述纵向动力机构的输出，改变各自方向所述的丝杠的转动速度，达到在所述两垂直方向上不同的速度，此外，通过加载机构对所述横向机构预加载力，进而实现对不同滚滑比以及不同载荷下的所述滚珠进行滚滑摩擦磨损实验。通过所述位移传感器，可以判断出不同试验条件下的所述滚珠是否失效，提高设备的可靠性，节约经济成本。
附图说明
图1是本发明所述用于滚珠摩擦磨损的滚滑测试装置和摩擦磨损试验机的主视图；
图2是本发明所述用于滚珠摩擦磨损的滚滑测试装置和摩擦磨损试验机中加载机构左视图；
图3是本发明所述用于滚珠摩擦磨损的滚滑测试装置和摩擦磨损试验机横向以及纵向丝杠夹滚珠位置的左视图；
附图标记说明：
1、纵向放置丝杠，2、联轴器，3、Y轴方向电机，4、第一底座，5、横向放置丝杠，6、力传感器，7、第一万向联轴器，8、第二万向联轴器，9、滑块，10、X轴方向电机，11、固定轴，12、第二底座，13、传动轴，14、弹簧，15、位移传感器， 16、滚珠。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种用于滚珠摩擦磨损的滚滑测试装置和摩擦磨损试验机包括：动力机构、传动机构、支撑结构、加载机构、信息处理系统。
传动机构的纵向放置丝杠（1）通过联轴器（2）与动力机构的Y轴方向电机输出端相连接，进行转动。横向放置丝杠（5）通过万向联轴器（7）与动力机构的X轴方向电机输出端相连接，进行转动。纵向放置丝杠（1）的滚道与横向放置丝杠（5）的滚道，通过滚珠（16）在同一位置相连接，滚珠同时在两个滚道内运动。
支撑机构包括第一底座（4），第二底座（12），固定轴（11）。固定轴（11）与第二底座（12）连接固定，传动轴（13）与固定轴（11）连接固定，第一万向联轴器（7）有两个连接口，呈90°夹角，一端与传动轴（13）相连接，一端与滑块（9）相连接，横向放置丝杠（5）通过第二万向联轴器（8）和滑块（9）与X轴方向电机相连接，将X轴方向电机稳固定在X方向上。第一底座（4）与Y轴方向电机（3）相连接，对Y轴方向电机进行固定。
如图2所示，加载机构包括传动轴（13），弹簧（14），第一万向联轴器（7）。弹簧（14）通过压缩，产生弹力通过传动轴（13）传递给第一万向联轴器（7），再通过横向放置丝杠（5）给滚珠（16）一个Z向的预紧力，使滚珠（16）表面与横向放置丝杠（5），纵向放置丝杠（1）的滚道表面接触。
信息处理系统包括位移传感器（15），力传感器（6），位移传感器（6）的作用是检测弹簧（14）的伸缩量，当滚珠（16）表面有磨损后，导致终端加载机构的弹簧（14）产生微量位移，弹簧（14）产生的弹力反向对滚珠（16）的压力也会产生变化，力传感器（6）会检测到综合压力变化，通过对比位移传感器（15）以及力传感器（6）采集的数据，可以判断滚珠（16）的磨损程度。
本发明的工作过程和原理如下：
本发明通过滚道-滚珠-滚道的接触形式，使滚珠（16）在转动时，同时和纵向和横向两个方向上的丝杠接触。纵向放置的丝杠（1）与固定在底座（4）上的Y轴方向电机（3）相连接，横向放置丝杠（5）通过第一万向联轴器（7）、传动轴与固定在第二底座（12）上的固定轴（11）相连接。滚珠在两个滚道内同时产生摩擦，产生的摩擦量传递到终端加载机构，使弹簧（14）产生位移，安装在传动轴上的位移传感器（15），可以实时监测到弹簧的位移量，经过换算，实现磨损量的在线测量。
通过改变纵向放置丝杠（1）以及横向放置的丝杠（5）的转速，使滚珠（16）与两滚道接触面间产生速度差，从而使滚珠（16）在滚动过程中同时产生滑动。通过控制纵向放置丝杠（1）以及横向放置丝杠（5）的转速比，可以控制滑/滚比的大小。
通过改变Y轴方向电机（3）以及X轴方向电机（10）的输出功率，获得不同的转动速率，通过联轴器对丝杠的转动进行控制，理论上，纵向放置丝杠（1）以及横向放置丝杠（5）的转速比为1：1时滚珠将产生纯滚动，改变速度比可以使滚珠获得不同的滑/滚比。滚珠磨损后，位移传感器（15）会通过测量弹簧（14）的位移量获得磨损量。

Claims (5)

1.一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，该装置包括纵向放置丝杠（1），联轴器（2），Y轴方向电机（3），第一底座（4），横向放置丝杠（5），力传感器（6），第一万向联轴器（7），第二万向联轴器（8），滑块（9），X轴方向电机（10），固定轴（11），第二底座（12），传动轴（13），弹簧（14），位移传感器（15）和滚珠（16）；
纵向放置丝杠（1）通过联轴器（2）与Y轴方向电机（3）通过螺栓固定在第一底座（4）上，传动轴（13）通过第二万向联轴器（8）连接固定在固定轴（11）上，固定轴（11）固定在第二底座（12）上，传动轴（13）与弹簧（14）连接，通过第一万向联轴器（7）与横向放置丝杠（5）垂直固定在一起，传动轴（13）上放置位移传感器（15），横向放置丝杠（5）通过第一万向联轴器（7）和滑块（9）与X轴方向电机（10）连接；力传感器（6）固定在横向放置丝杠（5）上，纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）的滚道位置垂直错位相交，滚珠（16）被两个丝杠滚道夹住产生滚/滑磨损。
2.根据权利要求1所述的一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，以空间一点O为原点，建立三条两两垂直的数轴：X轴、Y轴、Z轴，纵向放置丝杠（1）通过联轴器（2）与动力机构的Y轴方向电机（3）输出端相连接，沿Y轴转动；横向放置丝杠（5）通过第一万向联轴器（7）与动力机构的X轴方向电机（10）输出端相连接，沿X轴转动；纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）的滚道位置垂直错位相交形成摩擦磨损滚滑结构，纵向放置丝杠（1）的滚道与横向放置丝杠（5）的滚道，通过滚珠（16）在同一位置相连接，滚珠同时在两个滚道内运动；滚珠（16）与摩擦磨损滚滑结构为空间垂直错位设置，纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）是由两根传动轴根据滚珠（16）磨削模拟大小做成滚珠丝杠滚道形式，对滚珠（16）的包覆性强，Y轴方向电机（3）和X轴方向电机（10）的输出转速20rpm-2000rpm，通过调节纵向放置丝杠（1）、横向放置丝杠（5）的转速，从而改变纵向放置丝杠（1）和横向放置丝杠（5）的转速比率，使被试滚珠与空间垂直错位设置的摩擦磨损滚滑结构之间产生速度差，从而使滚珠（16）与摩擦磨损滚滑结构产生滑动，从而获得不同滚/滑比。
3.根据权利要求1所述的一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，弹簧（14）通过压缩产生弹力，弹力通过传动轴（13）传递给万向联轴器（7），再通过横向放置丝杠（5）给滚珠（16）一个Z向的预紧力，使滚珠（16）表面与横向放置丝杠（5）、纵向放置丝杠（1）的滚道表面接触；固定轴（11）与第二底座（12）连接固定，传动轴（13）与固定轴（11）连接固定，万向联轴器（7）有两个连接口，呈90°夹角，一端与传动轴（13）相连接，一端与滑块（9）相连接，横向放置丝杠（5）通过万向联轴器（8）和滑块（9）与X轴方向电机相连接，将X轴方向电机稳固定在X方向上；第一底座（4）与Y轴方向电机（3）相连接，对Y轴方向电机（3）进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，位移传感器（15）的作用是检测弹簧（14）的伸缩量，当滚珠（16）表面有磨损后，导致弹簧（14）产生微量位移，弹簧（14）产生的弹力反向对滚珠（16）的压力也会产生变化，力传感器（6）为应变高精度力传感器，应变高精度力传感器的量程大于200N，精度优于0.1N，安装在横向放置丝杠（5）上，力传感器（6）会检测到综合压力变化，通过对比位移传感器（15）以及力传感器（6）采集的数据，判断滚珠（16）的磨损程度。
5.根据权利要求1所述的一种用于滚珠丝杠副滚珠滚滑摩擦磨损的测试装置，其特征在于，通过改变Y轴方向电机（3）以及X轴方向电机（10）的输出功率，获得不同的转动速率，通过联轴器对丝杠的转动进行控制，纵向放置丝杠（1）以及横向放置丝杠（5）的转速比为1：1时滚珠将产生纯滚动，改变速度比使滚珠获得不同的滑/滚比；滚珠磨损后，位移传感器（15）会通过测量弹簧（14）的位移量获得磨损量。
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