Системи повернення кульок, вибір кулькових гвинтів та змащування кулькових гвинтів.

Вибір правильного кулькового гвинта для певного застосування забезпечить точність, повторюваність та термін служби машини, одночасно мінімізуючи загальну вартість володіння.

Кульково-гвинтова передача перетворює обертальний рух на лінійний або навпаки та може застосовувати або витримувати високі тягові навантаження – понад 750 000 фунтів статичної ємності при використанні кульково-гвинтового вузла діаметром 6 000 дюймів – з коефіцієнтом корисної дії, який зазвичай перевищує 90%. Кульково-гвинтові передачі допомагають направляти, підтримувати, розташовувати та точно переміщувати компоненти та вироби в різних сферах автоматизації.

Кульковий гвинтовий привід складається з кулькового гвинта та кулькової гайки з рециркулюючими кульковими підшипниками. З'єднання між гвинтом та гайкою утворюється кульковими підшипниками, які котяться у відповідних формах у кульковому гвинті та кульковій гайці. Навантаження на кульковий гвинт розподіляється між великою кількістю кулькових підшипників, так що кожна кулька піддається відносно низькому навантаженню. Завдяки своїм елементам кочення, кульковий гвинтовий привід має дуже низький коефіцієнт тертя, що забезпечує високий механічний коефіцієнт корисної дії.

Ключова відмінність між кульковими гвинтами та ходовими гвинтами полягає у використанні рециркулюючих кулькових підшипників у кульковому гвинті для мінімізації тертя та максимізації ефективності. Кулькові гвинти дорожчі за ходові, але їхня здатність переносити високі навантаження, досягати високих швидкостей та забезпечувати передбачуваний термін служби робить їх цілком виправданими додаткової вартості для багатьох застосувань.

Кулькові гвинтові передачі зазвичай забезпечують механічний ККД понад 90%, тому їхня вартість часто компенсується зниженими вимогами до потужності. Збільшена вантажопідйомність, довший термін служби та передбачувана надійність кулькових гвинтів є перевагами над ходовими гвинтами.

Повторюваність і точність

Точність – це міра того, наскільки близько система руху наближається до командного положення, і визначається як максимальна похибка між очікуваним і фактичним положенням. Повторюваність визначається як здатність системи позиціонування повертатися в потрібне положення під час роботи. Кулькові гвинтові приводи забезпечують чудову повторюваність (люфт залежить від діаметра кулькового підшипника, але зазвичай коливається від 0,005 до 0,015 дюйма) та точність (±0,004 дюйма/фут для прецизійних кулькових гвинтів та ±0,0005 дюйма/фут для кулькових гвинтів з позначкою precision-plus).

Точність кроку є найпоширенішим показником точності кулькових гвинтів. Крокувальний перехід означає, наскільки далеко переміститься кулькова гайка, що не обертається, за один оберт гвинта на 360°. Точність кроку вимірюється як допустиме відхилення ходу (фактичне положення відносно теоретичного положення) на фут або на 300 мм. Кулькові гвинти пропонуються з класами точності плюс та транспортування, причому клас точності плюс жорстко контролює накопичення похибки кроку по всій довжині ходу.

Люфт – це вільний рух між гайкою та гвинтом, який можна виміряти як в осьовому, так і в радіальному напрямку. Найкращий спосіб вимірювання осьового люфту – це зафіксувати гвинт від руху та осьово натискати та тягнути кулькову гайку, одночасно вимірюючи її рух за допомогою індикатора годинникового типу. Люфт також можна виміряти, встановивши індикатор годинникового типу на кулькову гайку в системі та перемістивши її на один дюйм вперед і назад у початкове положення. Відхилення від нуля – це люфт. Повторюваність – це просто кількісне значення люфту кулькового гвинта.

Кулькова гайка без попереднього натягу має внутрішні зазори між компонентами, що означає наявність люфту. Кулькова гайка з попереднім натягом не має осьового зазору, тому усуває люфт і, як наслідок, збільшує жорсткість. Попередній натяг також збільшує крутний момент, необхідний для повороту гвинта, і вимірюється відсотком попереднього натягу до динамічної ємності (кулькова гайка з динамічною ємністю 1500 фунтів та коефіцієнтом попереднього натягу 10% має внутрішній попередній натяг 150 фунтів). Кулькові гвинти з високою різьбою зазвичай використовуються без попереднього натягу. Попередній натяг кулькового гвинта покращує повторюваність, усуваючи люфт, але не впливає на точність.

Кулькові гайки з попереднім натягом доступні для прецизійних гвинтів Precision Plus та деяких прецизійних гвинтових виробів. Їхня вартість вища, ніж у гайок без попереднього натягу, через складність, додаткову обробку, складання та перевірку/вимірювання. Кулькові гвинтові вузли можуть бути попередньо натягнуті з подвійною або одинарною конфігурацією гайок. Існує три основні типи попереднього натягу – кулькова гайка збільшеного розміру з одинарною гайкою (4-точковий контакт), гайка з пропущеним випередженням з одинарною гайкою (2-точковий контакт) та подвійна гайка (2-точковий контакт). Попередній натяг з одинарною гайкою забезпечує найменший розмір упаковки, зберігаючи при цьому повну вантажопідйомність. Кулькові гайки з пропущеним випередженням мають вдвічі меншу вантажопідйомність, ніж одинарні гайки аналогічного розміру, оскільки в кожному напрямку навантажується лише половина кулькових підшипників. Подвійні гайки з попереднім натягом мають таку ж вантажопідйомність, як і одинарні гайки, оскільки в кожному напрямку навантажується лише одна кулькова гайка.

Існує багато методів виготовлення кулькових гвинтів, хоча зазвичай їх класифікують на дві категорії — прецизійні та precision plus. Гонка кулькового гвинта з прецизійною різьбою формується методом холодного прокатки. Гайка обробляється відповідно до робочих характеристик гвинта. Такий підхід забезпечує помірну точність, порядку ±0,004 дюйма/фут кроку для транспортних дюймових гвинтів. Гвинт і гайка кулькових гвинтів з різьбою precision plus виготовляються методом точного шліфування. Кулькові гвинти з різьбою precision plus пропонують набагато вищу точність ±0,0005 дюйма/фут кроку для дюймових гвинтів серії precision plus. Вартість кулькових гвинтів з різьбою precision plus вища, ніж прецизійних гвинтів, через більший час обробки.

Системи повернення м'яча

Зазвичай використовуються три різні типи систем повернення кульок. Зовнішні зворотні трубки, які зазвичай використовуються в дюймових гвинтах, є економічно ефективними та простими в установці, обслуговуванні та ремонті. Внутрішні системи повернення у вигляді кнопок зазвичай використовуються на гвинтах з низьким ходом. Вони компактні, без зовнішніх радіальних виступів, що ускладнюють монтаж, і забезпечують менше шуму та вібрації, ніж зовнішні повернення. Внутрішні системи повернення у вигляді кнопок часто використовуються в 4-точкових контактних, одинарних гайках та вузлах з попереднім натягом. Внутрішні торцеві повернення зазвичай використовуються на гвинтах з високим ходом. Вони компактні та без зовнішніх радіальних виступів, що ускладнюють монтаж. Їхній шум та вібрація також низькі порівняно із зовнішніми поверненнями.

Вибір кулькового гвинта

Кульково-гвинтовий вузол, який забезпечує задану вантажопідйомність та термін служби, необхідні для конкретного застосування, найкраще вибирати за допомогою ітераційного процесу. Розрахункове навантаження, орієнтація системи, довжина ходу, необхідний термін служби та необхідна швидкість використовуються для визначення діаметра та кроку кульково-гвинтового вузла. Потім окремі компоненти кульково-гвинтового вузла вибираються на основі вимог до точності та повторюваності, обмежень розмірів, конфігурації кріплення, доступних вимог до потужності та умов навколишнього середовища.

Почніть з визначення точності позиціонування та повторюваності, необхідних для застосування. Дюймові кулькові гвинти виготовляються двох основних класів – транспортні та прецизійні плюс. Кулькові гвинти транспортного класу використовуються в застосуваннях, що потребують лише грубого руху, або в тих, що використовують лінійний зворотний зв'язок для визначення положення. Кулькові гвинти класу прецизійності плюс використовуються там, де критично важливе точне та повторюване позиціонування. Гвинти транспортного класу дозволяють більшу кумулятивну варіацію по всій корисній довжині гвинта. Гвинти класу прецизійності плюс містять накопичення похибки випередження для точного позиціонування по всій корисній довжині гвинта.

Визначте, як вузол кулькового гвинта буде встановлений у машині. Конфігурація кінцевих опор та відстань ходу визначатимуть обмеження навантаження та швидкості кулькового гвинта.

Кульковий гвинт під натягом може витримувати навантаження до номінальної вантажопідйомності гайки. Для кулькової гайки під стиском використовуйте таблицю навантаження на стиск, доступну у виробника, щоб вибрати діаметр кулькового гвинта, який відповідає або перевищує розрахункове навантаження. Усі гвинти з вигинами, що проходять через або вище та праворуч від нанесеної точки, наприклад, підходять для наступного прикладу застосування. Відповідні навантаження на стиск, показані на цьому графіку, не повинні перевищувати максимальну статичну вантажопідйомність, зазначену в таблиці номінальних значень для окремого вузла кулькової гайки. Таким чином, при довжині 85 дюймів (2159 мм), системному навантаженні 30 000 фунтів (133 500 Н) та з фіксацією кінця, де один кінець закріплений, а інший кінець підтримується, мінімальний вибір - це вузол кулькового гвинта прецизійного розміру 1,750 x 0,200 дюйма.

Розрахуйте крок кульового гвинта, який забезпечить необхідну швидкість, використовуючи наступну формулу.

Випередження (дюйми) = Швидкість ходу (дюйми, хв-1)/об/хв

Визначення тривалості життя програми

Термін служби вузла можна розрахувати, використовуючи номінальне динамічне навантаження, зазначене для кожної кулькової гайки. Для цього прикладу підходять усі кулькові гайки з вигинами, що проходять через нанесену точку або знаходяться вище неї. Відповідні терміни служби, показані на цьому графіку, не повинні перевищувати максимальну статичну вантажопідйомність, зазначену в таблиці номіналів для окремого вузла кулькової гайки. У цьому прикладі бажаний термін служби (загальний хід) становить 2 мільйони дюймів (50,8 мільйона мм). Тоді максимальне нормальне робоче навантаження становить 10 000 фунтів (44 500 Н).

Визначення критичної швидкості гвинта

Критична швидкість гвинта – це умова, за якої швидкість обертання вузла створює гармонійні коливання. Критична швидкість залежить від діаметра кореневої головки гвинта, довжини без опори та конфігурації торцевої опори. У більшості таблиць виробників усі гвинти з кривими, що проходять через нанесену точку або вище неї, та праворуч від неї, підходять для наступного прикладу. Чотири креслення торцевих кріплень показують конфігурації підшипників для підтримки обертового вала, а таблиця показує вплив цих умов на критичну швидкість вала для довжини гвинта без опори. Прийнятні швидкості, показані на цьому графіку, стосуються вибраного валу гвинта та не є показником досяжних швидкостей для всіх пов'язаних вузлів кулькових гайок.

Якщо розрахунки навантаження, терміну служби та швидкості підтверджують, що вибраний вузол кульково-гвинтової передачі відповідає або перевищує конструктивні вимоги, переходьте до наступного кроку. Якщо ні, гвинти більшого діаметра збільшать вантажопідйомність і підвищать номінальну швидкість. Менші кроки зменшать лінійну швидкість (за умови постійної вхідної швидкості двигуна), збільшать швидкість двигуна (за умови постійної лінійної швидкості) та зменшать необхідний вхідний крутний момент. Більші кроки збільшать лінійну швидкість (за умови постійної вхідної швидкості двигуна), зменшать вхідну швидкість двигуна (за умови постійної лінійної швидкості) та збільшать необхідний вхідний крутний момент.

Визначте, як кулькова гайка буде взаємодіяти з пристроєм. Фланець кулькової гайки – це типовий спосіб кріплення кулькової гайки до навантаження. Різьбові кулькові гайки та циліндричні кулькові гайки – це альтернативні способи забезпечення з'єднання.

Попередньо натягнуті кулькові гайки усунуть люфт системи та підвищать жорсткість. Комплекти скребків захищають вузол від забруднень та містять мастило. Для більшості кулькових гвинтів також доступні опори підшипників та обробка торців.

Перед правильним встановленням кулькові гвинти необхідно обережно поводитися з ними. Удари по підшипниках можуть пошкодити обойми підшипників через бринелювання або розтріскування. Високі навантаження або згинання гвинта можуть призвести до вигину. Важливо зберігати вузол упакованим, змащеним і в чистому, сухому місці, оскільки сміття та забруднення можуть заблокувати рециркуляційні доріжки, а висока вологість або дощ можуть спричинити корозію.

Кріплення системи є ще одним важливим фактором. Кулькову гайку слід навантажувати лише осьово, оскільки будь-яке радіальне навантаження значно знижує продуктивність вузла. Вузол також слід правильно вирівняти з приводною системою, опорами підшипників та навантаженням для досягнення оптимальної продуктивності та терміну служби.

Змащення кулькових гвинтів

Кульково-гвинтовий вузол ніколи не слід експлуатувати без належного змащення. Мастила підтримують перевагу низького тертя кульково-гвинтових вузлів, мінімізуючи опір коченню між кульками та канавками, а також тертя ковзання між сусідніми кульками.

Оливу можна подавати з контрольованою швидкістю безпосередньо до потрібної точки, і вона очищатиме забруднення, проходячи через кулькову гайку. Вона також може забезпечувати охолодження. З іншого боку, для правильного подачі оливи потрібен насос і система дозування, оскільки олива також може забруднювати технологічні рідини.

Мастило дешевше та потребує рідшого нанесення, ніж олія, і воно не забруднює технологічні рідини. З іншого боку, мастило важко утримується всередині кульової гайки, і воно має тенденцію накопичуватися на кінцях ходу кульової гайки, де накопичується стружка та абразивні частинки. Несумісність старого мастила з мастилом для повторного змащування може створити проблему, тому важливо перевірити сумісність. Мастило, що витримує навантаження, може допомогти продовжити термін служби вузла, але загальний показник навантаження не зміниться.