Системы возврата шариков, выбор шарико-винтовых передач и смазка шарико-винтовых передач.

Выбор правильной шарико-винтовой передачи для конкретного применения обеспечит точность, повторяемость и срок службы машины, одновременно сводя к минимуму общую стоимость владения.

Шарико-винтовой привод преобразует вращательное движение в линейное движение или наоборот и может прикладывать или выдерживать высокие осевые нагрузки — свыше 750 000 фунтов статической мощности с использованием шарико-винтовой сборки Ø6,000 дюймов — с эффективностью, как правило, более 90%. Шарико-винтовые передачи помогают направлять, поддерживать, определять местоположение и точно перемещать компоненты и продукты в различных приложениях автоматизации.

Шарико-винтовой привод состоит из шарико-винтового привода и шарико-гайки с рециркулирующими шарикоподшипниками. Интерфейс между винтом и гайкой осуществляется шарикоподшипниками, которые катятся в соответствующих формах в шарико-винтовом приводе и шарико-гайке. Нагрузка на шарико-винтовой привод распределяется по большому количеству шарикоподшипников, так что каждый шарик подвергается относительно низкой нагрузке. Благодаря своим телам качения шарико-винтовой привод имеет очень низкий коэффициент трения, что соответствует высокому механическому КПД.

Ключевое различие между шариковыми винтами и ходовыми винтами заключается в использовании шариковых подшипников с рециркуляцией шариков в шариковом винте для минимизации трения и максимизации эффективности. Шариковые винты дороже ходовых винтов, но их способность выдерживать высокие нагрузки, достигать высоких скоростей и обеспечивать предсказуемый срок службы делает их вполне оправдывающими свою дополнительную стоимость для многих применений.

Шариковые винтовые передачи обычно обеспечивают механический КПД более 90%, поэтому их стоимость часто компенсируется сниженными требованиями к мощности. Повышенная грузоподъемность, более длительный срок службы и предсказуемая надежность шариковых винтов являются преимуществами перед ходовыми винтами.

Повторяемость и точность

Точность — это мера того, насколько близко система движения приближается к командному положению, и определяется как максимальная ошибка между ожидаемым и фактическим положением. Повторяемость определяется как способность системы позиционирования возвращаться в положение во время работы. Шарико-винтовые приводы обеспечивают превосходную повторяемость (люфт зависит от диаметра шарикоподшипника, но обычно составляет от 0,005 до 0,015 дюйма) и точность (±0,004 дюйма/фут для прецизионных шарико-винтовых приводов и ±0,0005 дюйма/фут для шарико-винтовых приводов с маркировкой precision-plus).

Точность шага — наиболее распространенная мера точности шарико-винтовой передачи. Шаг относится к тому, насколько далеко невращающаяся шариковая гайка переместится за один оборот винта на 360°. Точность шага измеряется как допустимое изменение хода (фактическое положение по сравнению с теоретическим положением) на фут или на 300 мм. Шарико-винтовые передачи предлагаются в классах точности plus и транспорта, причем класс точности plus жестко контролирует накопление ошибки шага по всей длине хода.

Люфт — это свободное движение между гайкой и винтом, которое можно измерить в осевом и радиальном направлении. Лучший способ измерить осевой люфт — зафиксировать винт от движения и толкать и тянуть шариковую гайку в осевом направлении, измеряя ее движение с помощью циферблатного индикатора. Люфт также можно измерить, поместив циферблатный индикатор на шариковую гайку в системе и перемещая ее на один дюйм вперед и назад в исходное положение. Отклонение от нуля — это люфт. Повторяемость — это просто количественное значение люфта шарикового винта.

Шариковая гайка без предварительного натяга имеет внутренние зазоры между компонентами, что означает наличие люфта. Шариковая гайка с предварительным натягом не имеет осевого зазора и, следовательно, устраняет люфт и, следовательно, увеличивает жесткость. Предварительный натяг также увеличивает крутящий момент, необходимый для поворота винта, и измеряется процентом предварительного натяга к динамической грузоподъемности (шарико-винтовая передача с динамической грузоподъемностью 1500 фунтов и предварительным натягом 10% имеет внутренний предварительный натяг 150 фунтов). Прецизионные шарико-винтовые передачи обычно используются без предварительного натяга. Предварительный натяг шарико-винтовой передачи улучшает повторяемость за счет устранения люфта, но не влияет на точность.

Предварительно нагруженные шариковые гайки доступны на винтах Precision Plus и некоторых прецизионных винтовых изделиях. Их стоимость выше, чем у гаек без предварительного натяга из-за сложности, дополнительной обработки, сборки и проверки/измерения. Шарико-винтовые узлы могут быть предварительно нагружены с помощью конфигураций с двумя или одним порожком. Существует три основных типа предварительного натяга — одинарный шарик увеличенного размера (4-точечный контакт), одинарный спусковой шаг (2-точечный контакт) и двойная гайка (2-точечный контакт). Предварительный натяг одинарной гайки сохраняет наименьший размер упаковки при сохранении полной грузоподъемности. Шариковые гайки спускового шага имеют половину грузоподъемности одинарных гаек аналогичного размера, поскольку только половина шарикоподшипников нагружена в каждом направлении. Узлы предварительного натяга с двумя гайками имеют такую ​​же грузоподъемность, как и одинарная гайка, поскольку только одна шариковая гайка нагружена в каждом направлении.

Существует множество методов изготовления шариковых винтов, хотя их обычно подразделяют на две категории — прецизионные и прецизионные плюс. Дорожка шарикового винта с прецизионной резьбой формируется методом холодной прокатки. Гайка обрабатывается в соответствии с эксплуатационными характеристиками винта. Такой подход обеспечивает умеренную точность, порядка ±0,004 дюйма/фут точности шага на винтах дюймовой серии. Винт и гайка шариковых винтов с прецизионной резьбой плюс изготавливаются методом прецизионной шлифовки. Шариковые винты с прецизионной резьбой плюс обеспечивают гораздо более высокую точность шага ±0,0005 дюйма/фут точности на винтах дюймовой серии. Стоимость шариковых винтов с прецизионной резьбой плюс выше, чем прецизионных винтов из-за более длительного времени обработки.

Системы возврата мяча

Обычно используются три различных типа систем возврата шариков. Внешние возвратные трубки, обычно используемые в дюймовых винтах, являются экономически эффективными и простыми в установке, обслуживании и ремонте. Внутренние системы возврата с кнопкой обычно используются на винтах с малым шагом. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, усложняющих монтаж, и обеспечивают меньший уровень шума и вибрации, чем внешние возвраты. Внутренние системы возврата с кнопкой часто используются в узлах с 4-точечным контактом, одинарной гайкой и предварительной нагрузкой. Внутренние возвраты с торцевой крышкой обычно используются на винтах с большим шагом. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, усложняющих монтаж. Их уровень шума и вибрации также ниже по сравнению с внешними возвратами.

Выбор шарико-винтовой передачи

Шарико-винтовая передача, обеспечивающая указанную грузоподъемность и срок службы, необходимые для конкретного применения, лучше всего выбирается с помощью итеративного процесса. Расчетная нагрузка, ориентация системы, длина хода, требуемый срок службы и требуемая скорость используются для определения диаметра и шага шарико-винтовой передачи. Затем выбираются отдельные компоненты шарико-винтовой передачи на основе требований к точности и повторяемости, размерных ограничений, конфигурации монтажа, доступных требований к мощности и условий окружающей среды.

Начните с определения точности позиционирования и повторяемости, требуемых для приложения. Дюймовые шариковые винты производятся в двух основных классах – Transport и precision plus. Шариковые винты транспортного класса используются в приложениях, требующих только грубого перемещения или использующих линейную обратную связь для позиционирования. Шариковые винты класса Precision-plus используются там, где критически важно точное и повторяемое позиционирование. Винты транспортного класса допускают большую кумулятивную вариацию по полезной длине винта. Винты класса Precision plus содержат накопление погрешности хода для точного позиционирования по всей полезной длине винта.

Определите, как шарико-винтовая передача будет установлена ​​в машине. Конфигурация концевых опор и расстояние перемещения будут определять ограничения нагрузки и скорости шарико-винтовой передачи.

Шариковый винт на растяжение может выдерживать нагрузки вплоть до номинальной грузоподъемности гайки. Для шариковой гайки на сжатие используйте таблицу нагрузки сжатия, доступную у производителя, чтобы выбрать диаметр шарикового винта, который соответствует или превышает расчетную нагрузку. Все винты с кривыми, которые проходят через или выше и справа от нанесенной точки, например, подходят для следующего примера применения. Подходящие нагрузки сжатия, показанные на этом графике, не должны превышать максимальную статическую грузоподъемность, указанную в таблице номинальных значений для отдельной сборки шариковой гайки. Таким образом, при длине 85 дюймов (2159 мм), нагрузке системы 30 000 фунтов (133 500 Н) и с конечным креплением одного закрепленного конца и другого поддерживаемого конца — минимальный выбор — это сборка шарикового винта с точностью плюс 1,750 x 0,200 дюйма.

Рассчитайте шаг шарико-винтовой передачи, который обеспечит требуемую скорость, используя следующую формулу.

Ведущий (дюйм) = Скорость хода (дюйм мин-1)/об/мин

Определение ожидаемой продолжительности жизни приложения

Срок службы сборки можно рассчитать, используя динамическую грузоподъемность, указанную для каждой шариковой гайки. Все шариковые гайки с кривыми, проходящими через нанесенную точку или выше нее, подходят для примера. Подходящие ожидаемые сроки службы, показанные на этом графике, не должны превышать максимальную статическую грузоподъемность, указанную в таблице номинальных значений для отдельной сборки шариковой гайки. В этом примере желаемый ожидаемый срок службы (общий ход) составляет 2 миллиона дюймов (50,8 миллиона мм). Тогда максимальная нормальная рабочая нагрузка составляет 10 000 фунтов (44 500 Н).

Определение критической скорости шнека

Критическая скорость винта — это состояние, при котором скорость вращения узла вызывает гармонические колебания. Критическая скорость зависит от диаметра корня винта, неподдерживаемой длины и конфигурации концевой опоры. В большинстве диаграмм производителей все винты с кривыми, проходящими через нанесенную точку или выше и справа от нее, подходят для следующего примера. Четыре чертежа концевой фиксации показывают конфигурации подшипников для поддержки вращающегося вала, а диаграмма показывает влияние этих условий на критическую скорость вала для неподдерживаемой длины винта. Приемлемые скорости, показанные на этом графике, относятся к выбранному валу винта и не указывают на скорости, достижимые для всех связанных сборок шариковых гаек.

Если расчеты нагрузки, срока службы и скорости подтверждают, что выбранная сборка шарико-винтовой передачи соответствует или превосходит проектные требования, переходите к следующему шагу. Если нет, винты большего диаметра увеличат грузоподъемность и увеличат номинальную скорость. Меньшие шаги уменьшат линейную скорость (при условии постоянной входной скорости двигателя), увеличат скорость двигателя (при условии постоянной линейной скорости) и уменьшат требуемый входной крутящий момент. Более высокие шаги увеличат линейную скорость (при условии постоянной входной скорости двигателя), уменьшат входную скорость двигателя (при условии постоянной линейной скорости) и увеличат требуемый входной крутящий момент.

Определите, как шариковая гайка будет взаимодействовать с приложением. Фланец шариковой гайки является типичным методом крепления шариковой гайки к нагрузке. Резьбовые шариковые гайки и цилиндрические шариковые гайки являются альтернативными способами обеспечения интерфейса.

Предварительно нагруженные шариковые гайки устранят люфт системы и увеличат жесткость. Комплекты очистителей защищают сборку от загрязнений и содержат смазку. Опоры подшипников и обработка концов также доступны для большинства шариковых винтов.

Шариковые винты требуют осторожного обращения перед правильной установкой. Удары по шариковым подшипникам могут повредить дорожки подшипников из-за бринеллирования или растрескивания. Высокие нагрузки или изгиб винта могут привести к изгибу. Важно хранить сборку упакованной, смазанной и в чистом, сухом месте, поскольку мусор и загрязнения могут заблокировать рециркуляционные дорожки, а высокая влажность или дождь могут вызвать коррозию.

Системный монтаж — еще одно важное соображение. Шариковая гайка должна быть нагружена только в осевом направлении, поскольку любая радиальная нагрузка значительно снижает производительность узла. Узел также должен быть правильно выровнен с системой привода, опорами подшипников и нагрузкой для достижения оптимальной производительности и срока службы.

Смазка шарико-винтовой передачи

Шарико-винтовая передача никогда не должна работать без надлежащей смазки. Смазочные материалы поддерживают низкое трение шарико-винтовых передач, сводя к минимуму сопротивление качению между шариками и канавками и трение скольжения между соседними шариками.

Масло можно наносить с контролируемой скоростью потока непосредственно в точку необходимости, и оно очистит загрязнения, проходя через шариковую гайку. Оно также может обеспечить охлаждение. С другой стороны, для правильного нанесения масла необходимы насос и система дозирования, поскольку масло также может загрязнять технологические жидкости.

Смазка менее дорогая и требует менее частого нанесения, чем масло, и не загрязняет технологические жидкости. С другой стороны, смазку трудно удерживать внутри шариковой гайки, и она имеет тенденцию накапливаться на концах хода шариковой гайки, где она накапливает стружку и абразивные частицы. Несовместимость старой смазки со смазкой для повторной смазки может создать проблему, поэтому важно проверить совместимость. Смазка, выдерживающая нагрузку, может помочь продлить срок службы узла, но общая грузоподъемность не изменится.