吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (6): 1915-1922.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230938

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接触热阻对高速滚珠丝杠副温升特性的影响

姜歌东1,2(),王昊1,荆亚彬1   

  1. 1.西安交通大学 机械工程学院,西安 710049
    2.陕西省智能机器人重点实验室,西安 710049
  • 收稿日期:2023-09-05 出版日期:2025-06-01 发布日期:2025-07-23
  • 作者简介:姜歌东(1971-),女,教授,博士.研究方向:机械系统动力学及可靠性.E-mail:gdjiang@mail.xitu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(U22B2081)

Influence of contact thermal resistance on temperature rise characteristics of high⁃speed ball screw

Ge-dong JIANG1,2(),Hao WANG1,Ya-bin JING1   

  1. 1.School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China
    2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Intelligent Robots,Xi'an 710049,China
  • Received:2023-09-05 Online:2025-06-01 Published:2025-07-23

摘要:

基于MB分形理论确定了滚道接触表面的接触热阻,并建立了考虑接触热阻的高速滚珠丝杠副热分析有限元模型;通过仿真计算,分析了不同接触热阻下的滚珠丝杠副温升特性。结果表明:丝杠的最高温度集中在前轴承处和滚珠滚道接合处,滚珠和螺母的峰值温度集中在滚道中部。接触热阻值的变化对滚珠和螺母的稳态温度影响较为显著;随着接触热阻值的增大,滚珠和螺母的稳态温度均存在明显上升,上述工作为研究高速滚珠丝杠的温升控制和冷却润滑方法提供了理论基础。

关键词: 机械工程, 滚珠丝杠副, 接触热阻, 有限元分析

Abstract:

Based on the MB fractal theory, the contact thermal resistance of the raceway contact surface was determined, and a finite element model for thermal analysis of high-speed ball screw pairs considering contact thermal resistance was established. The temperature rise characteristics of ball screw pairs under different contact thermal resistances were analyzed through simulation calculations. The results indicate that the highest temperature of the screw is concentrated at the joint between the front bearing and the ball raceway, while the peak temperature of the ball and nut is concentrated in the middle of the raceway. The change in contact resistance has a significant impact on the steady-state temperature of the ball and nut. As the contact resistance increases, the steady-state temperatures of the ball and nut both increase significantly. The above work provides a theoretical basis for studying the temperature rise control and cooling lubrication methods of high-speed ball screws.

Key words: mechanical engineering, ball screw, contact thermal resistance, finite element analysis

中图分类号: 

  • TH132

图1

轴承接合处网格划分结果"

图2

滚珠丝杠网格划分结果"

图3

丝杠稳态温度场分布云图"

图4

丝杠螺母行程段表面温度随轴向距离变化曲线"

图5

滚珠丝杠副建模"

表1

滚珠丝杠副材料参数"

参数数值
密度/(kg·m-37 800
热膨胀系数/°C-11.15×10-5
杨氏模量/Pa2.07×1011
泊松比0.3
热导率/[W?(m?°C)-140.1
比热容/[J?(kg?°C)-1460

表2

边界条件加载数值"

边界条件载荷数值
前轴承发热/(W·m-2)5 743
后轴承发热/(W·m-2)4 435
滚珠摩擦生热率/(W·m-2)8 860
丝杠与空气的对流换热率/[W·(m2?°C)-1]75
初始温度/oC22

表3

接触热阻加载数值"

组别接触热阻值/[(m2·℃)·W-1热导率/[W·(m·℃)-1
11.6×10-3625.0
21.02×10-3980.4
35.297×10-41 888
43.215×10-43 110
51.98×10-45 051

图6

滚珠丝杠副摩擦生热有限元模型"

图7

丝杠稳态温度场"

图8

螺母稳态温度场"

图9

接合面滚珠稳态温度场"

图10

接触热阻值不同时丝杠轴向表面温度变化"

图11

滚珠位置序号"

图12

接触热阻对不同位置滚珠温升的影响"

图13

螺母内表面温度随轴向距离变化曲线"

图14

丝杠热伸长量随轴向距离变化曲线"

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