劉旭亮，崔佩娟，張洪波，鄭再平，劉 偉

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

研究簡(jiǎn)報(bào)

滾珠絲杠副長(zhǎng)期貯存潤(rùn)滑研究

劉旭亮，崔佩娟，張洪波，鄭再平，劉 偉

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

滾珠絲杠是航天機(jī)電伺服產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，面對(duì)航天產(chǎn)品長(zhǎng)期存儲(chǔ)的要求，需要對(duì)這類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的潤(rùn)滑脂貯存特性進(jìn)行分析。對(duì)2003年產(chǎn)的滾珠絲杠進(jìn)行采樣，并進(jìn)行啟動(dòng)力矩和正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測(cè)量試驗(yàn)。為了避免運(yùn)輸過(guò)程中改變絲杠存儲(chǔ)狀態(tài)，整個(gè)試驗(yàn)在工廠車(chē)間進(jìn)行，通過(guò)高清攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程，分析總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為滾珠絲杠用潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期存儲(chǔ)后性能變化提供參考。

滾珠絲杠；長(zhǎng)期貯存；工作特性

0 引 言

航天機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)面臨批產(chǎn)后長(zhǎng)期儲(chǔ)存的問(wèn)題，其中，涂有潤(rùn)滑脂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是長(zhǎng)期貯存的薄弱環(huán)節(jié)。

由于常規(guī)潤(rùn)滑脂在大氣存儲(chǔ)過(guò)程中容易發(fā)生基礎(chǔ)油揮發(fā)和氧化變質(zhì)等現(xiàn)象，導(dǎo)致潤(rùn)滑性能下降。另外，滾珠絲杠副潤(rùn)滑空間相對(duì)狹小，常規(guī)潤(rùn)滑脂在揮發(fā)變質(zhì)后會(huì)結(jié)塊并緊緊吸附在接觸表面，例如絲桿和螺母滾道的底部，鋼球與鋼球之間以及反相器管路中，造成工作啟動(dòng)力矩增大，連續(xù)工作時(shí)出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的工作性能，甚至?xí)p壞電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

航天產(chǎn)品潤(rùn)滑材料存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10～20年，且期間不能進(jìn)行潤(rùn)滑脂的更換等相關(guān)維護(hù)工作，因此，分析考核潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期存儲(chǔ)后工作特性的變化十分必要。

1 滾珠絲杠副潤(rùn)滑特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

1.1.1 樣品存儲(chǔ)狀態(tài)

本文被測(cè)量的滾珠絲杠生產(chǎn)日期為2003年3月，樣品實(shí)物如圖1所示，存儲(chǔ)情況如表1所示。

圖1 2003年產(chǎn)金屬換向器內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠

表1 樣品存儲(chǔ)情況

1.1.2 樣品規(guī)格

樣品為內(nèi)循環(huán)型滾珠絲杠，一共15根，具體參數(shù)如表2所示。

表2 滾珠絲杠樣品規(guī)格參數(shù)

1.1.3 樣品潤(rùn)滑脂狀態(tài)

產(chǎn)品所用潤(rùn)滑脂為通用2號(hào)鋰基潤(rùn)滑脂，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GВ 7324—1994。

鋰基潤(rùn)滑脂是由天然脂肪酸（硬脂酸或12-羥基硬脂酸）鋰皂稠化中等粘度的礦物質(zhì)潤(rùn)滑油制成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別取橡木桶貯藏后的獼猴桃果酒樣品和 4 ℃玻璃瓶密封保存的獼猴桃果酒樣品，各3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)編號(hào)后進(jìn)行品嘗打分。樣品的感官評(píng)定采用評(píng)分法，在學(xué)校范圍內(nèi)篩選了2名具有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的酒類(lèi)品評(píng)教師和10名經(jīng)過(guò)酒類(lèi)品評(píng)培訓(xùn)的學(xué)生（男、女各5人）組成品評(píng)小組。受試者被要求對(duì)果酒的整體感官質(zhì)量（視覺(jué)、香氣和味道）進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分范圍在0到10之間。為此，將果酒樣品隨機(jī)編號(hào)，并用培養(yǎng)皿覆蓋。在20～22 ℃進(jìn)行盲評(píng)，在品嘗過(guò)程中提供清水，品評(píng)前后使用清水漱口。單獨(dú)打分，避免互相影響，收集評(píng)分后去掉最高分和最低分各一個(gè)，然后計(jì)算平均值[15～17]。

為保持滾珠絲杠所涂潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期貯存后的特性，試驗(yàn)前不對(duì)樣品進(jìn)行清洗等處理。將上述試件分成 2組，其中一組抽取2根作為靜態(tài)觀測(cè)試件，僅將螺母旋出一定行程，露出存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)的潤(rùn)滑滾道，如圖 2所示；另一組為其余13根，作為被測(cè)件進(jìn)行反復(fù)循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試空載轉(zhuǎn)矩情況。抽取方式為隨機(jī)。

圖2 滾珠絲杠絲桿上附著的潤(rùn)滑脂示意

觀察發(fā)現(xiàn)絲桿上潤(rùn)滑脂的性狀發(fā)生變化，呈現(xiàn)棕黃色橡膠狀，吸附在滾道內(nèi)與螺牙頂端，具有一定的彈性，易用手將其剝離，并呈塊狀掉落。

為保護(hù)滾珠絲杠原有存儲(chǔ)狀態(tài)，避免運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的影響，測(cè)量試驗(yàn)在工廠內(nèi)部進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)量工具選用彈簧測(cè)力計(jì)，利用機(jī)床夾持螺桿，低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)螺桿，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量切向拉力。

首先采用砝碼標(biāo)定彈簧測(cè)力計(jì)（量程為0～200 N），利用車(chē)床將被測(cè)絲杠的絲桿軸承安裝端夾緊，另一端頂住。設(shè)定機(jī)床旋轉(zhuǎn)速度為35 r/min，如圖3所示，測(cè)量絲杠螺母切向力，測(cè)量過(guò)程中保證測(cè)量點(diǎn)處于最頂端位置。啟動(dòng)機(jī)床，用高清攝像機(jī)記錄整個(gè)過(guò)程測(cè)力計(jì)的示數(shù)，絲杠螺母運(yùn)動(dòng)時(shí)立刻停止機(jī)床。

圖3 測(cè)量滾珠絲杠啟動(dòng)力矩

實(shí)際測(cè)量了13根滾珠絲杠，分別以各自的產(chǎn)品編號(hào)為代號(hào)。各絲杠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩通過(guò)計(jì)算可得：

式中 F為測(cè)力計(jì)讀數(shù)；D為絲杠螺母測(cè)量孔分度圓直徑。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 啟動(dòng)力矩測(cè)試數(shù)據(jù)分析

啟動(dòng)力矩測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 啟動(dòng)力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表 3可得，滾珠絲杠啟動(dòng)力矩差異較大，最大值為6.02 N·m（編號(hào)40），最小值為0.12 N·m（編號(hào)0，2，555），這種差異推測(cè)是由于變質(zhì)的潤(rùn)滑脂所在位置不同造成。

2.2 正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)分析

將滾珠絲杠按圖3固定方式重新安裝在車(chē)床上，利用相同的方法，測(cè)量正、反向200 mm行程內(nèi)絲桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。設(shè)定機(jī)床旋轉(zhuǎn)速度為35 r/min，測(cè)量數(shù)據(jù)用高清攝像機(jī)記錄。試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中記錄各滾珠絲杠最大最小轉(zhuǎn)矩值，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表 4可知，滾柱絲杠正向連續(xù)轉(zhuǎn)矩最大值及最小值分別為4.78 N·m（編號(hào)72）及0.03 N·m（編號(hào)53），反向最大值為0.53 N·m（編號(hào)40），最小值為0.03 N·m（編號(hào)53）。13根被測(cè)滾珠絲杠中有11根反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩最大值明顯小于正向，其余2根再進(jìn)行一次正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)值較第1次有所降低。

分析試驗(yàn)視頻資料，以2 s為一幀的頻率記錄每一幀圖像中彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，通過(guò)插值計(jì)算，用Маtlаb繪制每個(gè)滾珠絲杠100 s內(nèi)正反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)將上述絲杠根據(jù)啟動(dòng)力矩大小分為2組。

а）啟動(dòng)力矩大于3 N·m（編號(hào)444、12、40、72），滾珠絲杠正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線如圖4а～4d所示。絲杠在正向運(yùn)動(dòng)初始階段存在較大峰值轉(zhuǎn)矩，隨后轉(zhuǎn)矩逐漸降低；反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩值較小，基本趨于平穩(wěn)；

b）啟動(dòng)力矩小于3 N·m，在此組中選取具有代表性的編號(hào)22與編號(hào)55滾珠絲杠。如圖4е、圖4f所示，編號(hào)22滾珠絲杠啟動(dòng)力矩低，但在連續(xù)工作過(guò)程中出現(xiàn)相對(duì)較大的峰值轉(zhuǎn)。編號(hào)55滾珠絲杠正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩可以反映其它小啟動(dòng)力矩絲杠的轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)。

圖4 正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩

續(xù)圖4

3 結(jié) 論

滾珠絲杠用潤(rùn)滑脂長(zhǎng)期貯存后工作特性試驗(yàn)旨在分析航天機(jī)電產(chǎn)品傳動(dòng)部分中滾珠絲杠使用的潤(rùn)滑脂在長(zhǎng)期貯存、產(chǎn)生不同程度揮發(fā)變質(zhì)后，對(duì)滾珠絲杠工作特性的影響。通過(guò)上述試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

а）通用2號(hào)鋰基潤(rùn)滑脂貯存特性差。潤(rùn)滑脂涂抹于滾珠絲杠中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)11年的時(shí)間放置，在良好的密封條件下仍然會(huì)發(fā)生結(jié)塊。膠變，變質(zhì)后的潤(rùn)滑脂會(huì)黏附于螺桿一些接觸部位。

b）潤(rùn)滑脂的變質(zhì)會(huì)對(duì)滾珠絲杠啟動(dòng)力矩和正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩造成影響。被測(cè)試驗(yàn)件中最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加了十幾倍，因此在一些小功率的機(jī)電產(chǎn)品中，需要使用穩(wěn)定性更好，更加適用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的潤(rùn)滑脂產(chǎn)品，防止因潤(rùn)滑脂變質(zhì)造成機(jī)構(gòu)卡死。

с）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被測(cè)滾珠絲杠在反復(fù)進(jìn)行幾次正、反向連續(xù)轉(zhuǎn)矩測(cè)量后，轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值均大幅降低，趨于平穩(wěn)。絲杠轉(zhuǎn)矩最大值幾乎全都在起始階段，說(shuō)明經(jīng)過(guò)一定運(yùn)轉(zhuǎn)后，變質(zhì)的潤(rùn)滑脂對(duì)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有明顯的阻礙，主要的影響在啟動(dòng)階段。

基于本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，后續(xù)策劃開(kāi)展低氧化性和低揮發(fā)性潤(rùn)滑脂的研發(fā)工作，并將現(xiàn)用的潤(rùn)滑脂和2號(hào)鋰基潤(rùn)滑脂對(duì)比性的作加速老化等試驗(yàn)，加深對(duì)現(xiàn)用潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)期存儲(chǔ)特性的認(rèn)識(shí)，為航天機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命便維護(hù)提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

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The Service Performance of Lubricating Grease that Used in Long-term Storage Ball Screws

Liu Xu-liаng, Сui Реi-juаn, Zhаng Ноng-bо, Zhеng Zаi-рing, Liu Wеi
(Веijing Rеsеаrсh Institutе оf Рrесisе Месhаtrоniсs аnd Соntrоl(xiāng)s, Веijing, 100076)

Ваll sсrеw is оnе оf thе mоst widеlу usеd trаnsmissiоn mесhаnisms in аеrоsрасе еlесtrоmесhаniсаl sеrvо рrоduсts. Duе tо thе lоng-tеrm stоrаgе dеmаnd оf аеrоsрасе рrоduсts, thе реrfоrmаnсе оf lubriсаting grеаsе thаt usеd in thеsе kinds оf trаnsmissiоn mесhаnisms shоuld bе аnаlуzеd. Тhis аrtiсlе usеs а bаtсh оf bаll sсrеws, whiсh wаs mаdе in 2003, fоr stаrting tоrquе аnd соntinuum tоrquе ехреrimеnts. Тhеsе bаll sсrеws аrе sеаlеd in оil-аbsоrbing shееts аnd sеttlеd in wаrеhоusе till nоw. Тhе stоrаgе соnditiоns аrе аirinеss, nо dirесt sunlight аnd un-trаnsроrt. In оrdеr tо рrеsеrvе thе bаll sсrеws’ stоrаgе stаtus, ехреrimеnts аrе аll ореrаtеd in thе wаrеhоusе аnd rесоrdеd bу high dеfinitiоn саmеrа. Тhе аftеrwаrd аnаlуzеd rеsults саn рrоvidе rеfеrеnсе mаtеriаl fоr bаll sсrеws’ lubriсаting grеаsе реrfоrmаnсе аftеr lоng-tеrm stоrаgе.

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ТР333

А

1004-7182(2016)06-0090-04 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160621

2016-04-01；

2016-08-15

劉旭亮（1990-），男，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)