龙门机床使役工况下双滚珠丝杠驱动系统接触载荷与疲劳寿命分析

doi:10.3901/JME.260417

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 215-227.doi: 10.3901/JME.260417

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龙门机床使役工况下双滚珠丝杠驱动系统接触载荷与疲劳寿命分析

左伟亮^1,2, 陈传海^1,2, 刘志峰^1,2, 严昊明³, 齐宝宝^1,2, 郭劲言^1,2, 张扬³

1. 吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室长春 130025;
2. 吉林省高端数控装备设计制造与可靠性重点实验室长春 130025;
3. 通用技术集团机床工程研究院有限公司沈阳分公司沈阳 110142

收稿日期:2025-08-02 修回日期:2025-10-03 发布日期:2026-07-08
作者简介:左伟亮，男，1992年出生，博士研究生。主要研究方向为机床精度保持性。E-mail：zuowl22@mails.jlu.edu.cn;陈传海，男，1983年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为工业机器人数字化设计、智能制造装备可靠性与正向设计和基于大数据的机电装备故障诊断。E-mail：cchchina@foxmail.com;刘志峰(通信作者)，男，1973年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为高端数控机床、智能制造和数字孪生。E-mail：lzfjlu@jlu.edu.cn

Investigation into the Contact Load and Fatigue Life of the Dual Ball Screw Drive System in a Gantry Machine Tool under Operational Conditions

ZUO Weiliang^1,2, CHEN Chuanhai^1,2, LIU Zhifeng^1,2, YAN Haoming³, QI Baobao^1,2, GUO Jinyan^1,2, ZHANG Yang³

1. Key Laboratory of CNC Equipment Reliability of Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130025;
2. Jilin Provincial Key Laboratory of Design, Manufacturing and Reliability of High-end CNC Equipment, Changchun 130025;
3. Shenyang Branch, Genertec Machine Tool Engineering Research Institute Co., Ltd., Shenyang 110142

Received:2025-08-02 Revised:2025-10-03 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 横梁垂直移动的固定龙门机床在工作时通过双滚珠丝杠系统驱动横梁垂直移动，围绕双滚珠丝杠驱动系统接触载荷分布和疲劳寿命问题，建立了双滚珠丝杠驱动系统的接触载荷分析模型，揭示了其接触载荷分布机理并对其疲劳寿命进行了分析。首先，考虑导轨公差和溜板位置的影响，提出了一种双滚珠丝杠驱动系统的轴向载荷计算模型。其次，基于欧拉-伯努利梁理论，分析了滚珠丝杠副在接触载荷作用下的径向变形，建立了虑及使役工况下双滚珠丝杠驱动系统的接触载荷分布模型。通过与有限元模型对比，验证了滚珠丝杠接触载荷分布模型的正确性。在此基础上，揭示了螺母位置、溜板位置对滚珠丝杠副接触载荷分布和疲劳寿命的影响机理，预测了龙门机床使役工况下双滚珠丝杠驱动系统的疲劳寿命，为双滚珠丝杠驱动系统的优化设计与长期稳定运行提供了可靠的数据支持与理论依据。

关键词: 龙门机床, 滚珠丝杠, 导轨公差, 接触载荷, 疲劳寿命

Abstract: The fixed gantry machine tool, featuring vertical beam movement, is propelled by a dual ball screw system. A contact load analysis model for the dual ball screw drive system is developed, focusing on the issues of load distribution and fatigue life. This study elucidates the contact load distribution mechanism and analyzes the fatigue life of the system. Initially, a calculation model for the axial load of the dual ball screw drive system is proposed, taking into account the influence of guide rail tolerance and slide position. Subsequently, utilizing Euler-Bernoulli beam theory, the radial deformation of the ball screw pair under contact load is analyzed. Furthermore, a contact load distribution model for the dual ball screw drive system under operational conditions is established. The validity of the ball screw contact load distribution model is corroborated through comparison with a finite element model. Building upon these findings, the study reveals the influence mechanism of nut and slide positions on the contact load distribution and fatigue life of the ball screw pair. Additionally, the fatigue life of the dual ball screw drive system under gantry machine tool operational conditions is predicted. These results provide reliable data support and a theoretical foundation for the optimal design and long-term stable operation of the dual ball screw drive system.

Key words: gantry machine tool, ball screw, guide rail tolerance, contact load, fatigue life

中图分类号:

TG156

左伟亮, 陈传海, 刘志峰, 严昊明, 齐宝宝, 郭劲言, 张扬. 龙门机床使役工况下双滚珠丝杠驱动系统接触载荷与疲劳寿命分析[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 215-227.

ZUO Weiliang, CHEN Chuanhai, LIU Zhifeng, YAN Haoming, QI Baobao, GUO Jinyan, ZHANG Yang. Investigation into the Contact Load and Fatigue Life of the Dual Ball Screw Drive System in a Gantry Machine Tool under Operational Conditions[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 215-227.

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龙门机床使役工况下双滚珠丝杠驱动系统接触载荷与疲劳寿命分析

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