滾珠絲杠升降臺故障分析及處理

 滾珠絲杠升降臺是大型實驗裝置精密裝配和校準(zhǔn)系統(tǒng)的重要功能單元，主要用于各種精密光學(xué)器件的運輸和升降，可靠性要求高。升降平臺的使用頻率較低，但其螺桿多次斷裂，嚴(yán)重影響了光學(xué)器件的可靠運輸和工程進(jìn)度。為此，對該裝置進(jìn)行了拆卸測試，通過結(jié)構(gòu)分析和理論計算，準(zhǔn)確定位了故障原因，并實施了改進(jìn)的維修措施，解決了故障頻發(fā)的問題。

升降平臺的結(jié)構(gòu)分析本升降平臺主要由底座、導(dǎo)軌座、導(dǎo)軌、絲杠螺母副、工作臺、減速器和電機(jī)組成。結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中z方向為重力方向，工作臺隨螺桿旋轉(zhuǎn)上下移動。起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計總行程為2780 mm，起升物體的最大重量為0.8t。

 滾珠絲杠斷裂的可能原因有很多，主要分為三種：(1)質(zhì)量問題：銳角肩角或變徑處較深刀痕引起的應(yīng)力集中，或熱處理不符合標(biāo)準(zhǔn)，或材料內(nèi)部缺陷引起的低應(yīng)力脆性斷裂；(2)使用中的問題：螺桿在使用過程中受到較大的沖擊載荷，轉(zhuǎn)速過高或異物污染造成堵塞；(3)安裝問題：當(dāng)絲杠、螺母、軸承座、動力軸的同軸度誤差或絲杠與導(dǎo)軌的平行度誤差比較大時，容易造成絲杠斷裂。

 滾珠絲杠斷裂沒有明顯的材料缺陷，且連續(xù)發(fā)生多次斷裂，因質(zhì)量問題導(dǎo)致失效的可能性較小。使用情況正常，排除使用問題。觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口外圓為細(xì)瓷，然后中間有許多環(huán)形光滑區(qū)，中心呈韌性斷口。因此，疑似斷裂屬于疲勞斷裂，可能是安裝不當(dāng)造成的。

為了進(jìn)一步分析斷裂原因，對裝置進(jìn)行了拆卸，并對關(guān)鍵尺寸和重要零件的精度進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果表明，導(dǎo)軌的直線度和平行度滿足精度要求，但軸承座安裝擋塊與減速器的同軸度誤差為0.3 mm。

 由于減速器與滾珠絲杠之間采用直聯(lián)方式，軸承座與減速器擋塊之間的同軸度誤差會導(dǎo)致滾珠絲杠端部發(fā)生撓曲，進(jìn)而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。螺桿旋轉(zhuǎn)時，彎曲應(yīng)力形成對稱的循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)彎曲應(yīng)力大于絲杠材料的疲勞極限時，絲杠的橫截面就會過早疲勞，可以看出，彎曲疲勞安全系數(shù)不足可能導(dǎo)致該截面過早疲勞破壞。定位失效是由于減速機(jī)中心與下軸承座不對中，導(dǎo)致螺桿“抱死”，長期使用后疲勞損壞。

 從故障診斷結(jié)果可以看出，如果只更換絲杠，其受力狀態(tài)不變，仍然存在較大的斷裂風(fēng)險。為此，作者提出了改進(jìn)的維修方案。通過幾項措施，滾珠絲杠的應(yīng)力得到了改善。

首先，重新安裝直線導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副，提高相應(yīng)的安裝精度；其次，修整下軸承座和減速器擋塊，減少同軸度誤差；最后，絲杠和減速器之間的連接改為聯(lián)軸器。

彈性聯(lián)軸器可以補(bǔ)償和緩沖，允許兩軸有一定的同軸度誤差，傳動精度和可靠性高。由于安裝空間和設(shè)備維護(hù)周期的限制，選擇了薄膜聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器具有承載能力大、適用范圍廣、使用壽命長、易于加工制造、無易損件、無需潤滑、易于維護(hù)、振動小、無噪音等優(yōu)點，兩軸的相對位移由膜片的彈性變形來補(bǔ)償。