滚珠丝杠升降台故障分析及处理

 滚珠丝杠升降台是大型实验装置精密装配和校准系统的重要功能单元，主要用于各种精密光学器件的运输和升降，可靠性要求高。升降平台的使用频率较低，但其螺杆多次断裂，严重影响了光学器件的可靠运输和工程进度。为此，对该装置进行了拆卸测试，通过结构分析和理论计算，准确定位了故障原因，并实施了改进的维修措施，解决了故障频发的问题。

升降平台的结构分析本升降平台主要由底座、导轨座、导轨、丝杠螺母副、工作台、减速器和电机组成。结构如图所示。图中z方向为重力方向，工作台随螺杆旋转上下移动。起升机构的设计总行程为2780 mm，起升物体的最大重量为0.8t。

 滚珠丝杠断裂的可能原因有很多，主要分为三种：(1)质量问题：锐角肩角或变径处较深刀痕引起的应力集中，或热处理不符合标准，或材料内部缺陷引起的低应力脆性断裂；(2)使用中的问题：螺杆在使用过程中受到较大的冲击载荷，转速过高或异物污染造成堵塞；(3)安装问题：当丝杠、螺母、轴承座、动力轴的同轴度误差或丝杠与导轨的平行度误差比较大时，容易造成丝杠断裂。

 滚珠丝杠断裂没有明显的材料缺陷，且连续发生多次断裂，因质量问题导致失效的可能性较小。使用情况正常，排除使用问题。观察断口形貌，发现断口外圆为细瓷，然后中间有许多环形光滑区，中心呈韧性断口。因此，疑似断裂属于疲劳断裂，可能是安装不当造成的。

为了进一步分析断裂原因，对装置进行了拆卸，并对关键尺寸和重要零件的精度进行了检测。检测结果表明，导轨的直线度和平行度满足精度要求，但轴承座安装挡块与减速器的同轴度误差为0.3 mm。

 由于减速器与滚珠丝杠之间采用直联方式，轴承座与减速器挡块之间的同轴度误差会导致滚珠丝杠端部发生挠曲，进而产生弯曲应力。螺杆旋转时，弯曲应力形成对称的循环应力，当弯曲应力大于丝杠材料的疲劳极限时，丝杠的横截面就会过早疲劳，可以看出，弯曲疲劳安全系数不足可能导致该截面过早疲劳破坏。定位失效是由于减速机中心与下轴承座不对中，导致螺杆“抱死”，长期使用后疲劳损坏。

 从故障诊断结果可以看出，如果只更换丝杠，其受力状态不变，仍然存在较大的断裂风险。为此，作者提出了改进的维修方案。通过几项措施，滚珠丝杠的应力得到了改善。

首先，重新安装直线导轨副和滚珠丝杠副，提高相应的安装精度；其次，修整下轴承座和减速器挡块，减少同轴度误差；最后，丝杠和减速器之间的连接改为联轴器。

弹性联轴器可以补偿和缓冲，允许两轴有一定的同轴度误差，传动精度和可靠性高。由于安装空间和设备维护周期的限制，选择了薄膜联轴器，这种联轴器具有承载能力大、适用范围广、使用寿命长、易于加工制造、无易损件、无需润滑、易于维护、振动小、无噪音等优点，两轴的相对位移由膜片的弹性变形来补偿。