滚珠丝杠副长期贮存润滑研究

刘旭亮，崔佩娟，张洪波，郑再平，刘 伟

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

研究简报

滚珠丝杠副长期贮存润滑研究

刘旭亮，崔佩娟，张洪波，郑再平，刘 伟

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

滚珠丝杠是航天机电伺服产品中应用广泛的传动机构之一，面对航天产品长期存储的要求，需要对这类传动机构中使用的润滑脂贮存特性进行分析。对2003年产的滚珠丝杠进行采样，并进行启动力矩和正反向连续转矩测量试验。为了避免运输过程中改变丝杠存储状态，整个试验在工厂车间进行，通过高清摄像机记录试验过程，分析总结试验数据，为滚珠丝杠用润滑脂长期存储后性能变化提供参考。

滚珠丝杠；长期贮存；工作特性

0 引 言

航天机电伺服机构面临批产后长期储存的问题，其中，涂有润滑脂的传动机构是长期贮存的薄弱环节。

由于常规润滑脂在大气存储过程中容易发生基础油挥发和氧化变质等现象，导致润滑性能下降。另外，滚珠丝杠副润滑空间相对狭小，常规润滑脂在挥发变质后会结块并紧紧吸附在接触表面，例如丝杆和螺母滚道的底部，钢球与钢球之间以及反相器管路中，造成工作启动力矩增大，连续工作时出现卡滞等现象，影响产品的工作性能，甚至会损坏电机、驱动器，导致产品失效。

航天产品润滑材料存储时间长达10～20年，且期间不能进行润滑脂的更换等相关维护工作，因此，分析考核润滑脂长期存储后工作特性的变化十分必要。

1 滚珠丝杠副润滑特性试验

1.1 试验样品

1.1.1 样品存储状态

本文被测量的滚珠丝杠生产日期为2003年3月，样品实物如图1所示，存储情况如表1所示。

图1 2003年产金属换向器内循环滚珠丝杠

表1 样品存储情况

1.1.2 样品规格

样品为内循环型滚珠丝杠，一共15根，具体参数如表2所示。

表2 滚珠丝杠样品规格参数

1.1.3 样品润滑脂状态

产品所用润滑脂为通用2号锂基润滑脂，标准号为GВ 7324—1994。

锂基润滑脂是由天然脂肪酸（硬脂酸或12-羟基硬脂酸）锂皂稠化中等粘度的矿物质润滑油制成。

1.2 试验设计

分别取橡木桶贮藏后的猕猴桃果酒样品和 4 ℃玻璃瓶密封保存的猕猴桃果酒样品，各3个重复，随机编号后进行品尝打分。样品的感官评定采用评分法，在学校范围内筛选了2名具有专业资质的酒类品评教师和10名经过酒类品评培训的学生（男、女各5人）组成品评小组。受试者被要求对果酒的整体感官质量（视觉、香气和味道）进行评分，评分范围在0到10之间。为此，将果酒样品随机编号，并用培养皿覆盖。在20～22 ℃进行盲评，在品尝过程中提供清水，品评前后使用清水漱口。单独打分，避免互相影响，收集评分后去掉最高分和最低分各一个，然后计算平均值[15～17]。

为保持滚珠丝杠所涂润滑脂长期贮存后的特性，试验前不对样品进行清洗等处理。将上述试件分成 2组，其中一组抽取2根作为静态观测试件，仅将螺母旋出一定行程，露出存储状态时的润滑滚道，如图 2所示；另一组为其余13根，作为被测件进行反复循环试验，测试空载转矩情况。抽取方式为随机。

图2 滚珠丝杠丝杆上附着的润滑脂示意

观察发现丝杆上润滑脂的性状发生变化，呈现棕黄色橡胶状，吸附在滚道内与螺牙顶端，具有一定的弹性，易用手将其剥离，并呈块状掉落。

为保护滚珠丝杠原有存储状态，避免运输过程中产生的影响，测量试验在工厂内部进行。试验测量工具选用弹簧测力计，利用机床夹持螺杆，低转速旋转螺杆，用弹簧测力计测量切向拉力。

首先采用砝码标定弹簧测力计（量程为0～200 N），利用车床将被测丝杠的丝杆轴承安装端夹紧，另一端顶住。设定机床旋转速度为35 r/min，如图3所示，测量丝杠螺母切向力，测量过程中保证测量点处于最顶端位置。启动机床，用高清摄像机记录整个过程测力计的示数，丝杠螺母运动时立刻停止机床。

图3 测量滚珠丝杠启动力矩

实际测量了13根滚珠丝杠，分别以各自的产品编号为代号。各丝杠的启动转矩通过计算可得：

式中 F为测力计读数；D为丝杠螺母测量孔分度圆直径。

2 数据分析

2.1 启动力矩测试数据分析

启动力矩测量数据如表3所示。

表3 启动力矩试验数据

由表 3可得，滚珠丝杠启动力矩差异较大，最大值为6.02 N·m（编号40），最小值为0.12 N·m（编号0，2，555），这种差异推测是由于变质的润滑脂所在位置不同造成。

2.2 正反向连续转矩测试数据分析

将滚珠丝杠按图3固定方式重新安装在车床上，利用相同的方法，测量正、反向200 mm行程内丝杆的连续转动力矩。设定机床旋转速度为35 r/min，测量数据用高清摄像机记录。试验测量过程中记录各滚珠丝杠最大最小转矩值，数据如表4所示。

表4 正反向连续转矩试验数据

由表 4可知，滚柱丝杠正向连续转矩最大值及最小值分别为4.78 N·m（编号72）及0.03 N·m（编号53），反向最大值为0.53 N·m（编号40），最小值为0.03 N·m（编号53）。13根被测滚珠丝杠中有11根反向连续转矩最大值明显小于正向，其余2根再进行一次正反向连续转矩试验，测量数值较第1次有所降低。

分析试验视频资料，以2 s为一帧的频率记录每一帧图像中弹簧测力计的示数，通过插值计算，用Маtlаb绘制每个滚珠丝杠100 s内正反向连续转矩。现将上述丝杠根据启动力矩大小分为2组。

а）启动力矩大于3 N·m（编号444、12、40、72），滚珠丝杠正、反向连续转矩随时间变化曲线如图4а～4d所示。丝杠在正向运动初始阶段存在较大峰值转矩，随后转矩逐渐降低；反向运动过程中转矩值较小，基本趋于平稳；

b）启动力矩小于3 N·m，在此组中选取具有代表性的编号22与编号55滚珠丝杠。如图4е、图4f所示，编号22滚珠丝杠启动力矩低，但在连续工作过程中出现相对较大的峰值转。编号55滚珠丝杠正、反向连续转矩可以反映其它小启动力矩丝杠的转矩变化趋势。

图4 正、反向连续转矩

续图4

3 结 论

滚珠丝杠用润滑脂长期贮存后工作特性试验旨在分析航天机电产品传动部分中滚珠丝杠使用的润滑脂在长期贮存、产生不同程度挥发变质后，对滚珠丝杠工作特性的影响。通过上述试验及相关数据分析，得出以下结论：

а）通用2号锂基润滑脂贮存特性差。润滑脂涂抹于滚珠丝杠中，经过长达11年的时间放置，在良好的密封条件下仍然会发生结块。胶变，变质后的润滑脂会黏附于螺杆一些接触部位。

b）润滑脂的变质会对滚珠丝杠启动力矩和正、反向连续转矩造成影响。被测试验件中最大启动转矩增加了十几倍，因此在一些小功率的机电产品中，需要使用稳定性更好，更加适用于长期存储的润滑脂产品，防止因润滑脂变质造成机构卡死。

с）试验发现，被测滚珠丝杠在反复进行几次正、反向连续转矩测量后，转矩数值均大幅降低，趋于平稳。丝杠转矩最大值几乎全都在起始阶段，说明经过一定运转后，变质的润滑脂对机构的正常运转没有明显的阻碍，主要的影响在启动阶段。

基于本文的试验数据分析结果，后续策划开展低氧化性和低挥发性润滑脂的研发工作，并将现用的润滑脂和2号锂基润滑脂对比性的作加速老化等试验，加深对现用润滑脂的长期存储特性的认识，为航天机电伺服机构长寿命便维护提供理论及数据支撑。

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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 Соntrоls, 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.

Ваll sсrеw; Lоng-tеrm stоrаgе; Sеrviсе реrfоrmаnсе

ТР333

А

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

2016-04-01；

2016-08-15

刘旭亮（1990-），男，工程师，主要研究方向为机电伺服机构设计