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

Правильный выбор шарико-винтовой передачи для конкретного применения обеспечит точность, повторяемость и срок службы машины, минимизируя при этом общую стоимость владения.

Шариковый винтовой привод преобразует вращательное движение в линейное и наоборот и может выдерживать высокие осевые нагрузки — до 750 000 фунтов статической нагрузки при использовании шарико-винтовой передачи диаметром 6000 дюймов — с КПД, как правило, превышающим 90%. Шариковые винтовые приводы обеспечивают направление, поддержку, позиционирование и точное перемещение компонентов и изделий в различных системах автоматизации.

Шарико-винтовая передача состоит из шарико-винтовой передачи и шариковой гайки с шарикоподшипниками с рециркуляцией шариков. Взаимосвязь между винтом и гайкой осуществляется шарикоподшипниками, которые вращаются в соответствующих формах шарико-винтовой передачи и шарико-гайки. Нагрузка на шарико-винтовую передачу распределяется между большим количеством шарикоподшипников, благодаря чему на каждый шарик приходится относительно небольшая нагрузка. Благодаря наличию тел качения шарико-винтовая передача имеет очень низкий коэффициент трения, что обеспечивает высокий механический КПД.

Ключевое отличие шарико-винтовых передач от ходовых винтов заключается в использовании шарико-винтовых передач с рециркуляцией шариков для минимизации трения и повышения эффективности. Шарико-винтовые передачи дороже ходовых винтов, но их способность выдерживать высокие нагрузки, развивать высокие скорости и обеспечивать предсказуемый срок службы оправдывает их высокую стоимость во многих областях применения.

Шарико-винтовые приводы обычно обеспечивают механический КПД более 90%, поэтому их стоимость часто компенсируется снижением потребляемой мощности. Повышенная грузоподъёмность, более длительный срок службы и предсказуемая надёжность шарико-винтовых приводов являются их преимуществами по сравнению с ходовыми винтами.

Повторяемость и точность

Точность — это мера того, насколько близко система позиционирования приближается к заданному положению, и определяется как максимальная погрешность между ожидаемым и фактическим положением. Повторяемость определяется как способность системы позиционирования возвращаться в заданное 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 распространённая мера точности шарико-винтовой передачи. Шаг шага определяет расстояние, которое невращающаяся шариковая гайка может пройти за один оборот винта на 360°. Точность шага измеряется как допустимое отклонение хода (фактическое положение по сравнению с теоретическим) на фут или на 300 мм. Шарико-винтовые передачи предлагаются в классах точности «плюс» и «транспорт», причём класс точности «плюс» строго контролирует накопление погрешности шага по всей длине хода.

Люфт – это свободное перемещение между гайкой и винтом, которое можно измерить в осевом и радиальном направлениях. Лучший способ измерения осевого люфта – зафиксировать винт от перемещения и двигать шариковую гайку в осевом направлении, измеряя её перемещение с помощью индикатора часового типа. Люфт также можно измерить, установив индикатор часового типа на шариковую гайку в системе и перемещая её на один дюйм вперёд и назад в исходное положение. Отклонение от нуля и есть люфт. Повторяемость – это просто количественное значение люфта шариковой винтовой пары.

Шариковая гайка без преднатяга имеет внутренние зазоры между компонентами, что означает наличие люфта. Шариковая гайка с преднатягом не имеет осевого зазора, поэтому люфт отсутствует, что приводит к повышению жёсткости. Преднатяг также увеличивает крутящий момент, необходимый для вращения винта, и измеряется как процентное отношение преднатяга к динамической грузоподъёмности (шариковая гайка с динамической грузоподъёмностью 1500 фунтов и преднатягом 10% имеет внутренний преднатяг 150 фунтов). Прецизионные шарико-винтовые передачи обычно используются без предварительного натяга. Преднатяг шарико-винтовой передачи улучшает повторяемость за счёт устранения люфта, но не влияет на точность.

Предварительно нагруженные шариковые гайки доступны для прецизионных винтов plus и некоторых прецизионных винтовых изделий. Их стоимость выше, чем гаек без предварительного натяга из-за сложности, дополнительной обработки, сборки и проверки/измерения. Шарико-винтовые передачи могут быть предварительно нагружены с помощью конфигураций с двумя или одним шариком. Существует три основных типа предварительного натяга — одинарная гайка с увеличенным шариком (4-точечный контакт), одинарная гайка с проскальзыванием (2-точечный контакт) и двойная гайка (2-точечный контакт). Предварительный натяг с одинарной гайкой обеспечивает наименьший размер пакета при сохранении полной грузоподъемности. Шариковые гайки с проскальзыванием имеют половину грузоподъемности одинарных гаек аналогичного размера, поскольку только половина шарикоподшипников нагружается в каждом направлении. Узлы с предварительным натягом с двумя гайками имеют такую же грузоподъемность, как и одинарная гайка, поскольку в каждом направлении нагружается только одна шариковая гайка.

Существует множество методов изготовления шарико-винтовых передач, хотя их обычно подразделяют на две категории: прецизионные и прецизионные с повышенной точностью. Дорожка прецизионной шарико-винтовой передачи изготавливается методом холодной прокатки. Гайка подвергается механической обработке в соответствии с эксплуатационными характеристиками винта. Такой подход обеспечивает умеренную точность, порядка ±0,004 дюйма/фут для винтов дюймовой серии Transport. Винт и гайка шарико-винтовых передач с прецизионной резьбой с повышенной точностью изготавливаются методом прецизионного шлифования. Шарико-винтовые передачи с прецизионной резьбой с повышенной точностью обеспечивают гораздо более высокую точность шага ±0,0005 дюйма/фут для винтов дюймовой серии Precision Plus. Стоимость шарико-винтовых передач с прецизионной резьбой с повышенной точностью выше, чем прецизионных винтов из-за более длительного времени обработки.

Системы возврата мяча

Обычно используются три различных типа систем шарикового возврата. Внешние возвратные трубки, обычно используемые в дюймовых винтах, экономичны и просты в установке, обслуживании и ремонте. Внутренние системы возврата с кнопочным возвратом обычно используются на винтах с малым шагом резьбы. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, затрудняющих монтаж, и обеспечивают меньший уровень шума и вибрации, чем внешние возвраты. Внутренние системы возврата с кнопочным возвратом часто используются в узлах с четырёхточечным контактом, одинарной гайкой и преднатягом. Внутренние системы возврата с торцевой крышкой обычно используются на винтах с большим шагом резьбы. Они компактны, не имеют внешних радиальных выступов, затрудняющих монтаж. Их уровень шума и вибрации также ниже, чем у внешних возвратов.

Выбор шарико-винтовой передачи

Оптимальный выбор шарико-винтовой передачи, обеспечивающей заданную грузоподъёмность и срок службы, необходимые для конкретного применения, осуществляется методом итераций. Диаметр и шаг шарико-винтовой передачи определяются проектной нагрузкой, ориентацией системы, длиной хода, требуемым ресурсом и скоростью. Отдельные компоненты шарико-винтовой передачи затем выбираются с учётом требований к точности и повторяемости, габаритных ограничений, конфигурации крепления, потребляемой мощности и условий окружающей среды.

Начните с определения точности позиционирования и повторяемости, требуемых для данной области применения. Дюймовые шарико-винтовые передачи выпускаются двух основных классов: транспортные и прецизионные плюс. Шарико-винтовые передачи транспортного класса используются в приложениях, требующих только грубого перемещения или линейной обратной связи для позиционирования. Шарико-винтовые передачи класса «прецизионные плюс» используются там, где критически важно точное и повторяемое позиционирование. Винты транспортного класса допускают большую кумулятивную погрешность по всей полезной длине винта. Винты класса «прецизионные плюс» содержат накопленную погрешность шага для точного позиционирования по всей полезной длине винта.

Определите, как шарико-винтовая передача будет установлена в машине. Конфигурация концевых опор и длина хода будут определять ограничения по нагрузке и скорости шарико-винтовой передачи.

Шариковый винт на растяжение может выдерживать нагрузки вплоть до номинальной грузоподъемности гайки. Для шариковой гайки на сжатие используйте диаграмму нагрузки сжатия, доступную у производителя, чтобы выбрать диаметр шарикового винта, который соответствует или превышает расчетную нагрузку. Например, все винты с кривыми, которые проходят через или выше и справа от нанесенной на график точки, подходят для следующего примера применения. Подходящие нагрузки сжатия, показанные на этом графике, не должны превышать максимальную статическую грузоподъемность, указанную в таблице номинальных характеристик для отдельного узла шариковой гайки. Таким образом, при длине 85 дюймов (2159 мм), нагрузке системы 30 000 фунтов (133 500 Н) и с закреплением одного конца, когда один конец закреплен, а другой конец поддерживается, минимальным выбором является шариковый винтовой узел 1,750 x 0,200 точности плюс дюйма.

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

Опережение (дюйм.) = Скорость перемещения (дюйм. мин.-1)/об./мин.

Определение ожидаемой продолжительности жизни приложения

Срок службы узла можно рассчитать, используя динамическую грузоподъёмность, указанную для каждой шариковой гайки. Все шариковые гайки с кривыми, проходящими через указанную точку или выше, подходят для данного примера. Рекомендуемые сроки службы, представленные на этом графике, не должны превышать максимальную статическую грузоподъёмность, указанную в таблице номинальных значений для отдельного узла шариковой гайки. В данном примере требуемый срок службы (общий ход) составляет 2 миллиона дюймов (50,8 миллиона мм). Тогда максимальная нормальная рабочая нагрузка составит 10 000 фунтов (44 500 Н).

Определение критической скорости винта

Критическая скорость винта – это состояние, при котором скорость вращения узла вызывает гармонические колебания. Критическая скорость зависит от диаметра впадины винта, длины без опоры и конфигурации концевой опоры. В таблицах большинства производителей все винты с кривыми, проходящими через указанную точку или выше и правее неё, подходят для следующего примера. На четырёх чертежах концевой опоры показаны конфигурации подшипников для поддержки вращающегося вала, а на диаграмме показано влияние этих условий на критическую скорость вала для длины без опоры винта. Допустимые скорости, показанные на этом графике, относятся к выбранному винтовому валу и не отражают скорости, достижимые для всех связанных узлов шариковой гайки.

Если расчёты нагрузки, ресурса и скорости подтверждают, что выбранная шарико-винтовая передача соответствует или превосходит проектные требования, переходите к следующему шагу. В противном случае, винты большего диаметра увеличат грузоподъёмность и скорость. Меньший шаг резьбы уменьшит линейную скорость (при постоянной входной скорости двигателя), увеличит скорость двигателя (при постоянной линейной скорости) и уменьшит требуемый входной крутящий момент. Увеличение шага резьбы увеличит линейную скорость (при постоянной входной скорости двигателя), уменьшит скорость двигателя (при постоянной линейной скорости) и увеличит требуемый входной крутящий момент.

Определите, как шариковая гайка будет сопрягаться с оборудованием. Фланец — типичный способ крепления шариковой гайки к грузу. Альтернативными способами соединения являются резьбовые и цилиндрические шариковые гайки.

Предварительно нагруженные шариковые гайки устраняют люфт системы и повышают жёсткость. Комплекты грязесъемников защищают узел от загрязнений и обеспечивают смазку. Для большинства шарико-винтовых передач также доступны опоры подшипников и торцевая обработка.

Перед правильной установкой шариковинтовых передач необходимо обращаться осторожно. Удары по шарикоподшипникам могут повредить дорожки качения подшипников, вызывая бринеллирование или образование трещин. Высокие нагрузки или изгиб винта могут привести к его изгибу. Важно хранить узел в упаковке, смазанным и чистым, сухим, поскольку мусор и загрязнения могут засорить рециркуляционные дорожки, а высокая влажность или дождь могут вызвать коррозию.

Крепление системы — ещё один важный фактор. Шариковая гайка должна нагружаться только в осевом направлении, поскольку любая радиальная нагрузка значительно снижает производительность узла. Узел также должен быть правильно выровнен относительно приводной системы, подшипниковых опор и нагрузки для достижения оптимальной производительности и срока службы.

Смазка шарико-винтовой передачи

Шарико-винтовая передача ни в коем случае не должна эксплуатироваться без надлежащей смазки. Смазочные материалы обеспечивают низкое трение шарико-винтовых передач, сводя к минимуму 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 шариковую гайку. Оно также может обеспечивать охлаждение. С другой стороны, для правильной подачи масла необходимы насос и система дозирования, поскольку масло также может загрязнять технологические жидкости.

Смазка дешевле и требует менее частого нанесения, чем масло, и не загрязняет рабочие жидкости. С другой стороны, смазку трудно удержать внутри шариковой гайки, и она имеет тенденцию накапливаться на концах её хода, где она накапливает стружку и абразивные частицы. Несовместимость старой смазки с повторно смазываемой может создать проблемы, поэтому важно проверить совместимость. Смазка, выдерживающая нагрузку, может помочь продлить срок службы узла, но общая грузоподъёмность при этом не изменится.