Системы возврата шариков, выбор шариковинтовых передач и смазка шариковинтовых передач.

Правильный выбор шарикового винта для конкретного применения обеспечит точность, повторяемость и срок службы станка, минимизируя при этом общие эксплуатационные расходы.

Шариковинтовая передача преобразует вращательное движение в линейное или наоборот и может создавать или выдерживать высокие осевые нагрузки — до 750 000 фунтов статической грузоподъемности при использовании шариковинтовой передачи диаметром 6,000 дюймов — с КПД, как правило, превышающим 90%. Шариковинтовые передачи помогают направлять, поддерживать, позиционировать и точно перемещать компоненты и изделия в различных областях автоматизации.

Шариковинтовая передача состоит из шарикового винта и шариковой гайки с шариковыми подшипниками качения. Соединение между винтом и гайкой осуществляется шариковыми подшипниками, которые катятся в соответствующих формах в шариковом винте и шариковой гайке. Нагрузка на шариковый винт распределяется между большим количеством шариковых подшипников, так что каждый шарик подвергается относительно небольшой нагрузке. Благодаря элементам качения, шариковинтовая передача имеет очень низкий коэффициент трения, что соответствует высокой механической эффективности.

Ключевое отличие шариковых винтовых передач от ходовых винтовых передач заключается в использовании шариковых подшипников с рециркуляцией шариков в шариковой винтовой передаче для минимизации трения и максимизации эффективности. Шариковые винтовые передачи дороже ходовых винтовых передач, но их способность выдерживать большие нагрузки, достигать высоких скоростей и обеспечивать предсказуемый срок службы оправдывает их более высокую стоимость во многих областях применения.

Шариковинтовые приводы обычно обеспечивают механический КПД более 90%, поэтому их стоимость часто компенсируется снижением энергопотребления. Повышенная грузоподъемность, более длительный срок службы и предсказуемая надежность шариковинтовых приводов являются преимуществами перед ходовыми винтами.

Повторяемость и точность

Точность — это показатель того, насколько близко система перемещения приближается к заданному положению, и определяется как максимальная ошибка между ожидаемым и фактическим положением. Повторяемость определяется как способность системы позиционирования возвращаться в заданное положение во время работы. Шариковинтовые 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 шариковинтовых приводов и ±0,0005 дюйма/фут для шариковинтовых приводов с маркировкой Precision-Plus).

Точность шага — наиболее распространенный показатель точности шариковых винтовых передач. Шаг показывает, на какое расстояние невращающаяся шариковая гайка может переместиться за один оборот винта на 360°. Точность шага измеряется как допустимое отклонение перемещения (фактическое положение относительно теоретического положения) на фут или на 300 мм. Шариковые винтовые передачи предлагаются в классах точности «плюс» и «транспортный», при этом в классе точности «плюс» строго контролируется накопление погрешности шага по всей длине перемещения.

Люфт — это свободное перемещение между гайкой и винтом, которое можно измерить в осевом и радиальном направлениях. Лучший способ измерения осевого люфта — зафиксировать винт, предотвратив его перемещение, и осевым образом воздействовать на шариковую гайку, измеряя при этом ее движение с помощью индикатора часового типа. Люфт также можно измерить, установив индикатор часового типа на шариковую гайку в системе и перемещая ее на один дюйм вперед и назад в исходное положение. Отклонение от нуля и есть люфт. Повторяемость — это просто количественное значение люфта шарикового винта.

В шариковой гайке без предварительной нагрузки имеются внутренние зазоры между компонентами, что означает наличие люфта. В шариковой гайке с предварительной нагрузкой осевой зазор отсутствует, поэтому люфт устраняется, что, в свою очередь, повышает жесткость. Предварительная нагрузка также увеличивает крутящий момент, необходимый для вращения винта, и измеряется в процентах от предварительной нагрузки по отношению к динамической мощности (шариковая гайка с динамической мощностью 1500 фунтов и предварительной нагрузкой 10% имеет внутреннюю предварительную нагрузку 150 фунтов). Прецизионные резьбовые шариковые винты обычно используются без предварительной нагрузки. Предварительная нагрузка шарикового винта улучшает повторяемость за счет устранения люфта, но не влияет на точность.

Предварительно нагруженные шариковые гайки доступны для прецизионных винтовых передач и некоторых других прецизионных винтовых изделий. Их стоимость выше, чем у гаек без предварительной нагрузки, из-за сложности конструкции, дополнительной обработки, сборки и проверки/измерений. Шариковинтовые узлы могут быть предварительно нагружены с помощью двух или одной гайки. Существует три основных типа предварительной нагрузки: одна гайка с увеличенным шариком (4-точечный контакт), одна гайка с пропуском шага (2-точечный контакт) и две гайки (2-точечный контакт). Предварительная нагрузка с одной гайкой обеспечивает наименьший размер корпуса при сохранении полной грузоподъемности. Шариковые гайки с пропуском шага имеют вдвое меньшую грузоподъемность, чем одинарные гайки аналогичного размера, поскольку в каждом направлении нагружается только половина шарикоподшипников. Предварительно нагруженные узлы с двумя гайками имеют ту же грузоподъемность, что и одинарные гайки, поскольку в каждом направлении нагружается только одна шариковая гайка.

Существует множество методов изготовления шариковых винтов, хотя обычно их делят на две категории — прецизионные и прецизионные с повышенной точностью. В прецизионном резьбовом шариковом винте обойма формируется методом холодной прокатки. Гайка обрабатывается механически, чтобы соответствовать рабочим характеристикам винта. Такой подход обеспечивает умеренную точность, порядка ±0,004 дюйма/фут для винтов транспортной серии дюймов. Винт и гайка прецизионных резьбовых шариковых винтов изготавливаются методом прецизионной шлифовки. Прецизионные резьбовые шариковые винты обеспечивают гораздо более высокую точность — ±0,0005 дюйма/фут для винтов прецизионной серии дюймов. Стоимость прецизионных резьбовых шариковых винтов выше, чем прецизионных винтов, из-за большего времени обработки.

системы возврата мяча

Обычно используются три различных типа шариковых возвратных систем. Внешние возвратные трубки, как правило, используемые в дюймовых винтах, экономичны и просты в установке, обслуживании и ремонте. Внутренние кнопочные возвратные системы обычно используются в винтах с малым ходом. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, усложняющих монтаж, и обеспечивают меньший уровень шума и вибрации, чем внешние возвратные системы. Внутренние кнопочные возвратные системы часто используются в узлах с 4-точечным контактом, одинарной гайкой и предварительной нагрузкой. Внутренние возвратные системы с торцевой крышкой обычно используются в винтах с большим ходом. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, усложняющих монтаж. Уровень шума и вибрации у них также ниже по сравнению с внешними возвратными системами.

выбор шарикового винта

Выбор шариковинтовой передачи, обеспечивающей требуемую грузоподъемность и срок службы для конкретного применения, осуществляется итеративным методом. Расчетная нагрузка, ориентация системы, длина хода, требуемый срок службы и требуемая скорость используются для определения диаметра и шага шариковинтовой передачи. Затем отдельные компоненты шариковинтовой передачи выбираются с учетом требований к точности и повторяемости, размерных ограничений, конфигурации монтажа, доступных параметров питания и условий окружающей среды.

Начните с определения требуемой точности позиционирования и повторяемости для конкретного применения. Шариковые винты дюймового размера выпускаются в двух основных классах – транспортный и прецизионный плюс. Шариковые винты транспортного класса используются в приложениях, требующих только грубого перемещения или использующих линейную обратную связь для позиционирования. Шариковые винты прецизионного плюса используются там, где критически важна точная и повторяемая точность позиционирования. Винты транспортного класса допускают большее суммарное отклонение по всей рабочей длине винта. Винты прецизионного плюса ограничивают накопление ошибки хода для точного позиционирования по всей рабочей длине винта.

Определите способ крепления шариковинтовой передачи к станку. Конфигурация концевых опор и расстояние перемещения будут определять ограничения по нагрузке и скорости шариковинтовой передачи.

Шариковый винт, работающий на растяжение, может выдерживать нагрузки, равные номинальной грузоподъемности гайки. Для шариковой гайки, работающей на сжатие, используйте таблицу нагрузок на сжатие, предоставляемую производителем, чтобы выбрать диаметр шарикового винта, соответствующий или превышающий расчетную нагрузку. Все винты с кривыми, проходящими через или выше и правее точки на графике, например, подходят для следующего примера применения. Подходящие нагрузки на сжатие, показанные на этом графике, не должны превышать максимальную статическую грузоподъемность, указанную в таблице характеристик для отдельного узла шариковой гайки. Таким образом, при длине 85 дюймов (2159 мм), системной нагрузке 30 000 фунтов (133 500 Н) и закреплении одного конца неподвижно, а другого — поддерживаемо, минимальный выбор — это узел шарикового винта с точностью 1,750 x 0,200 дюйма.

Рассчитайте шаг шарикового винта, необходимый для достижения требуемой скорости вращения, используя следующую формулу.

Шаг (дюймы) = Скорость перемещения (дюймы мин.-1)/об/мин

Определение срока службы приложения

Срок службы узла можно рассчитать, используя динамическую грузоподъемность, указанную для каждой шаровой гайки. Для примера подходят все шаровые гайки, кривые которых проходят через или находятся выше точки на графике. Показанные на этом графике значения ожидаемого срока службы не должны превышать максимальную статическую грузоподъемность, указанную в таблице характеристик для отдельного узла шаровой гайки. В этом примере желаемый 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 вращения винта

Критическая скорость вращения винта — это состояние, при котором скорость вращения узла вызывает гармонические колебания. Критическая скорость зависит от диаметра основания винта, длины незакрепленного участка и конфигурации концевой опоры. В большинстве диаграмм производителей все винты с кривыми, проходящими через или выше и правее точки на графике, подходят для следующего примера. Четыре чертежа концевой фиксации показывают конфигурации подшипников для поддержки вращающегося вала, а диаграмма показывает влияние этих условий на критическую скорость вращения вала для длины незакрепленного участка винта. Допустимые скорости, показанные на этом графике, относятся к выбранному винтовому валу и не являются показателем скоростей, достижимых для всех соответствующих шаровых гаечных узлов.

Если расчеты нагрузки, ресурса и скорости подтверждают, что выбранный шариковинтовой узел соответствует или превосходит проектные требования, переходите к следующему шагу. В противном случае, винты большего диаметра увеличат грузоподъемность и скорость вращения. Меньший шаг винта уменьшит линейную скорость (при условии постоянной скорости вращения двигателя), увеличит скорость вращения двигателя (при условии постоянной линейной скорости) и уменьшит требуемый крутящий момент. Больший шаг винта увеличит линейную скорость (при условии постоянной скорости вращения двигателя), уменьшит скорость вращения двигателя (при условии постоянной линейной скорости) и увеличит требуемый крутящий момент.

Определите способ соединения шаровой гайки с нагрузкой. Типичным способом крепления шаровой гайки к нагрузке является фланец шаровой гайки. Альтернативными способами соединения являются резьбовые и цилиндрические шаровые гайки.

Предварительно затянутые шариковые гайки устранят люфт в системе и повысят жесткость. Комплекты уплотнителей защищают узел от загрязнений и удерживают смазку. Для большинства шариковых винтовых передач также доступны опоры подшипников и обработка концов.

Шариковые винты требуют бережного обращения перед правильной установкой. Удары по шарикоподшипникам могут повредить обоймы подшипников из-за образования трещин или сколов. Высокие нагрузки или изгиб винта могут привести к его деформации. Важно хранить собранный узел в упакованном и смазанном виде в чистом, сухом месте, поскольку мусор и загрязнения могут забить рециркуляционные дорожки, а высокая влажность или дождь могут вызвать коррозию.

Еще одним важным моментом является монтаж системы. Шариковая гайка должна нагружаться только осевой нагрузкой, поскольку любая радиальная нагрузка значительно снижает производительность узла. Для достижения оптимальной производительности и срока службы узел также должен быть правильно выровнен относительно системы привода, опор подшипников и нагрузки.

Смазка шарикового винта

Шариковинтовой механизм ни в коем случае нельзя запускать без надлежащей смазки. Смазочные материалы поддерживают преимущество шариковинтовых механизмов с низким коэффициентом трения, минимизируя сопротивление качению между шариками и канавками, а также трение скольжения между соседними шариками.

Масло можно подавать с контролируемым расходом непосредственно в нужное место, и оно будет очищать от загрязнений, проходя через шаровую гайку. Оно также может обеспечивать охлаждение. С другой стороны, для правильной подачи масла необходима насосная и дозирующая система, поскольку масло также может загрязнять технологические жидкости.

Смазка дешевле и требует менее частого нанесения, чем масло, и не загрязняет технологические жидкости. С другой стороны, смазку трудно удержать внутри шаровой гайки, и она имеет тенденцию накапливаться на концах хода шаровой гайки, где скапливаются стружка и абразивные частицы. Несовместимость старой смазки с новой может создать проблему, поэтому важно проверить совместимость. Смазка, предназначенная для работы с большими нагрузками, может помочь продлить срок службы узла, но общая несущая способность при этом не изменится.