伸出量可控液压缸中滚珠丝杆的力学分析与仿真.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 0 2 ． 2 0 1 3 伸出量可控液压缸中滚珠丝杆的力学分析与仿真 陈燕君 ， 吴 榕 ， 侯 恩光 1 ． 厦门大学 物理与机电工程学院 ， 福建 厦门3 6 1 0 0 5 ； 2 ． 闽西职业技术学院 机械工程系 ， 福建 龙岩3 6 4 0 2 1 摘要 该文介绍 了一种活塞杆伸 出量可控 的液压缸 ， 该缸利用滚珠丝杆副将活塞杆 的直线位移转化为丝杆 的角位移 ， 再 由旋转编码 器对该角位移进行测量 ， 经过反推计算可得到活塞杆伸 出量 的大小 ， 为保证测量 的准确性 和控制 的精确性 ， 需要对测量的误差 进行补 偿 。该文在 P ro ／ E中建立了丝杆的实体模 型 ， 并导人到 A N S Y S中， 通 过热一 结构耦合分析得到某一温度下丝杆 的伸 长量 ， 再经过对数据 的分析 以及线性化 ， 可作为控制程序 中误差补偿 的参考数据来应用。 关键词 液压缸 ； 位置可控 ； 滚珠 丝杆 副； A N S Y S耦合仿真 中图分 类号 T Hl 3 7 ； T P 2 7 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 - 0 0 7 7 0 3 M e c h a n i c a l Analy s i s a nd S i mu l a t i o n i n a bo u t Ba l l S c r e w i n Ex t e n de d Co n t r o l l a b l e Hy d r a u l i c Cy h nd e r s C HE N Y a n - j t m ， R D ， ， HO U _ g ， 1 ． S c h o o l o f P h y s i c s a n d Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，X i a m e n U n i v e r s i t y ，X i a m e n 3 6 1 0 0 5 ， C h i n a ； 2 ． Mi n x i V o c a t i o n T e c h n i c a l C o l l e g e ， L o n g y a n 3 6 4 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a k i n d o f h y d r a u l i c c y l i n d e r wi t h t h e p r o t r u d e v o l u me o f p i s t o n r o d c o n t r o l l a b l e ，t h e c y l i n d e r b y u s i n g t h e b a l l s c r e w t o t r a n s l a t e l i n e a r d i s p l a c e me n t o f p i s t o n rod i n t o a n g u l a r p o s i t i o n o f s c r e w r o d t o me a s u r e ．Me a s u r e d r e s u l t s a r e o u t p u t t e d b y a g r a t i n g o r ma g n e t i c gra t i n g a n gu l ar d i s p l a c e me n t t r a n s d u c e r ． T o e n s u r e t h e c o n t r o l p r e c i s i o t n e e d t o c o mp e n s a t e f o r me a s u r e me n t e r r o r ． Th i s p a p e r u s i n g P r o ／ E s o f t w a r e t o fi n i s h t h e e n t i mo d e l i n g a n d i mp o i n t o ANS YS s o f t ware ， t h r o u g h the t e mp e r a t u r e- s t r u c t u r e c o u p l i n g a n a l y s i s ， g e t t i n g t h e s c r e w e l o n g a t i o n i n a t e mp e r a t u r e ．At l a s t b y t h e a n a l y s i s o f d a t a an d l i n e a r ， the r e s u l t d a t a c a n b e u s e d a s a c o n tr o l p r o g r a m a p p l i c a t i o n i n e r r o r c o mp e n s a t i o n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； p o s i t i o n c o n t r o l ； b a l l s c r e w； ANS YS c o u p l i n g s i mu l a t i o n O 引言 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 介绍了一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 A N S YS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 ， 滚珠丝杆一端伸入 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 ， 丝杆采用一端固定一端 自由的安装方式 ， 在左 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 6 作者简介 陈燕君 1 9 8 9 一 ， 女 ， 福建龙海人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为 C AD／ ℃AM。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 I 1 一 缸 底2 一 角 接 触 轴 承3 一 斯 特 封4 一 活 塞 隔 圈5 一 滚珠 丝 杆 6 一 铰轴7 一 活塞8 一 活塞杆9 一 导向套 图 1 液压缸原理图 端的台阶孔内采用两套 2 5 。 角接触轴承支撑丝杆 ， 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 3 0 MP a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 一 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 7 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 2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 1 6 MP a ，丝杆公称直径为 th 2 5 m m， 导程为 2 5 ra m， 螺旋升 角 为 1 7 ． 6 6 。 ， 角接触 轴承 的摩擦系数 为 0 ． 0 0 2 ， 压力角 为 2 5 。 ， 斯特封 的摩 擦 系数 。 为 0 ． 0 1 ，丝杆 的滚 动摩擦 系 数 为 0 ． 0 0 5。 滚珠丝杆在逆传动时的效率满足公式 1 叼一 1 l - ／ ／ t a a n fl 一 1 将数据带人公式 1可以求得丝杆的效率 r ／ 0 ． 9 8 。 丝杆逆传动 时所 需要 的外部轴 向载荷满足公式 2 2 式 中胁一负载转矩 ； 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 一 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 1 6 M P a的额定压力下 ，密封圈所产生的摩擦转 矩由公式 4 求得 Ⅳ 0 r r d d o p 0 ／ 2 Ⅳ0 1 M2 F d ／ 2 4 轴承的摩擦力矩 由公式 5 求得 Ml Q 2 r 5 驱动力矩 M及轴 向力 F a 由公式 6 得 7 g MF t a n O。 R Q s i n b 6 联合公式 3 4 5 6 可以求得 。 、 、 、 、 Q 分别为 0 ． 0 5 8 N m、 3 ． 2 5 8 N I n 、 8 2 3 N、 1 9 5 I N。 将所得的数据代 回公式 2 ， 验证是正确的。 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 6 0 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 ， 预补偿一定的值 ， 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一温度下的伸长量 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 【 K 1 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 ； { 7 1 } 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 P r 0 ／ E中创 建 的丝杆实 体模 型导人 A N S Y S 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 s o l i d 9 0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 ． 2 x 1 0 N ／ m m ，泊松 比为 下转 第 8 2页