滚动直线导轨故障动力学分析

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滚动直线导轨系统作为数控机床进给系统中的重要组成部分,对机床加工产品的质量起着决定性作用。发生故障的滚动直线导轨系统轻者会影响工件精度和质量并伴随一定噪声,重者会使机床部件损坏甚至发生安全事故。对故障滚动直线导轨系统的研究可以提取故障特征为预知维修和故障诊断做准备,因此开展对滚动直线导轨系统故障模型的建立与故障动力学分析是十分重要的。论文的主要研究内容包括:(1)研究了滚动直线导轨系统中磨损量与滚珠弹性变形之间的耦合关系,分析了磨损对滚动直线导轨动态特性的影响。基于Hertz接触理论与Archard磨损模型,求得了滚动直线导轨滑块运行距离与磨损量之间的关系,建立了考虑磨损量变化的静力学模型并分析了磨损对一些参数的影响。建立了分段非线性动力学模型,使用幅频特性曲线、分岔图、瀑布图等分析了磨损对滚动直线导轨系统振动特性的影响。(2)对滚动直线导轨滑块运动进行了动态分析。基于滑块长度和滚珠直径的关系会导致受力滚珠数目的不同和滑块两端过渡曲线会让滚珠弹性释放量发生变化,同时考虑不同排滚珠的初始相位不同建立了滚动直线导轨系统中滑块水平运动的动态模型,并通过实验进行验证。分析了滑块的长度、初始相位的变化和外激励的类型对振动响应曲线的影响,分析参数的变化对动态响应振幅的影响,讨论了引起非线性现象的参数以及滑块运动后对非线性变化的影响。(3)研究了滚动直线导轨系统的点蚀特性。在第三章滑块水平运动的动态模型基础上考虑滚珠经过点蚀缺陷处发生弹性释放的变化建立了两种不同缺陷点蚀模型,根据赫兹接触理论建立了滚动直线导轨系统点蚀的动力学模型,用龙格库塔法进行求解。滚珠经过点蚀位置时讨论了不同点蚀缺陷类型对滚珠弹性释放量的影响以及系统和内力的影响。通过时域图、相位图和频谱图分别得出不同的点蚀缺陷和不同的滑块长度对动态响应的影响。通过本文的研究,分别建立了发生磨损和点蚀的滚动直线导轨系统动力学模型,分别分析磨损量和点蚀的大小对滚动直线导轨系统振动特性的影响,对比无故障时可以提取明显故障特征,对滚动直线导轨系统的在线监测具有重要的指导意义。
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