Якщо ваш інстинкт — це роликовий гвинт, це інстинкт може обійтися вашій конструкції машини дорожче, ніж потрібно. Удосконалення технології кулькових гвинтових гвинтів із високим навантаженням за останнє десятиліття суттєво змінило обчислення -, і для багатьох застосувань із високим навантаженням кулькова гвинтова гвинта з високим навантаженням тепер забезпечує еквівалентну продуктивність за менш ніж половину вартості порівнянного роликового гвинта.
У цій статті розповідається про те, чим ці дві технології відрізняються на рівні контактної механіки, де кожна з них працює краще, як виглядає фактична вартість і компроміс -розміру та як структурувати рішення щодо вибору для конкретного навантаження, ходу та робочого циклу.
Чому вантажопідйомність відрізняється: Contact Mechanics
Основна відмінність між кульковою гвинтом і роликовим гвинтом полягає в геометрії тіла кочення і його контакті з формою різьби.
Кульковий гвинт: точковий контакт
У звичайному кульковому гвинті сталеві кульки котяться між гвинтовими канавками вала та гайки. Кожна кулька стикається з канавкою в одній точці (або дуже маленькому контактному еліпсі під навантаженням). Навантаження розподіляється між усіма кульками в ланцюзі, але кожна окрема точка контакту несе значну частку загальної сили.
Точковий контакт створює високу локальну напругу в зоні контакту. За великих навантажень ця напруга обмежує термін служби, оскільки пошкодження втоми виникають у цих високих{1}}точках напруги. Таким чином, вантажопідйомність стандартного кулькового гвинта обмежена максимальним контактним напруженням, яке можуть витримати кулька та матеріал доріжки кочення протягом необхідної кількості циклів.
Роликовий гвинт: лінія контакту
У роликовому гвинті набір різьбових роликів замінює кульки як тіла кочення. Кожен ролик контактує з різьбою гвинта вздовж лінії, а не в точці - принципово іншої геометрії контакту. Лінійний контакт розподіляє навантаження на набагато більшу площу поверхні, що зменшує максимальне контактне напруження для тієї самої прикладеної сили.
В результаті роликовий гвинт такого ж номінального діаметра, як і кулькова гвинтова пара, може витримувати значно вищі навантаження та витримувати більше робочих циклів до накопичення втомного пошкодження. Роликові гвинти також зберігають цю перевагу в повному діапазоні робочих швидкостей.
Кульково-гвинтова передача високого навантаження: розроблений точковий контакт
Високонавантажені кулькові гвинти займають третю категорію. Замість того, щоб змінювати геометрію контакту від точки до лінії, конструкція збільшує кількість і розмір точок контакту завдяки модифікованим профілям різьби та більшому діаметру кульки. Спеціальна геометрія різьби -, включаючи готичні аркові профілі, оптимізовані для високих контактних кутів -, збільшують площу контакту на кульку, підвищують номінальне навантаження на одиницю довжини гайки та більш рівномірно розподіляють навантаження по контуру кульки.
Результатом є кулькова гвинтова пара з динамічним навантаженням у чотири-вісім разів вищим, ніж звичайна кулькова гвинтова пара такого ж діаметру, що досягається без складності виготовлення форми різьби роликового гвинта.
Вантажопідйомність і вартість: реальні цифри
Підвищення продуктивності кулькових гвинтових гвинтів із високим навантаженням відбувається завдяки прямому порівнянню вартості.
За еквівалентних динамічних навантажень і порівнянних умов експлуатації кулькогвинтова гвинта з високим навантаженням зазвичай коштує на 40–60% дешевше, ніж роликовий гвинт. Різниця у вартості пов’язана зі складністю виробництва: форми різьблення гвинта ролика вимагають точної обробки як профілів різьби гвинта, так і профілів різьби ролика, точної збірки попереднього натягу ролика та більш жорстких допусків у всьому. Для кулькових гвинтів - навіть у варіантах із високим навантаженням - використовується простіший процес виробництва, який удосконалювався протягом десятиліть промислового виробництва.
Шарико-гвинтові гвинти з високим навантаженням доступні в:
| Параметр | Типовий діапазон |
|---|---|
| Діаметр валу | До 160 мм |
| Довжина гвинта | До 15 метрів |
| Конфігурація | Одинарна гайка або подвійна гайка |
| Динамічне навантаження (Ca) | До 1440 кН |
| Клас точності | C3–C7 залежно від застосування |
Ці специфікації охоплюють більшість важких верстатів, лиття під тиском і обробки металу тиском, де історично специфікувалися роликові гвинти.
Де кожна технологія працює краще
Жодна технологія не є універсальною. Правильний вибір залежить від трьох основних параметрів застосування: величини навантаження, робочого циклу та довжини ходу.
Коли кулькові гвинти з високим навантаженням є кращим вибором
Великі навантаження при помірних робочих циклах.Якщо вісь несе високі осьові навантаження, але не працює безперервно - ін’єкційні затискні пристрої, осі пресів, правильні верстати - кульковий гвинт із високим навантаженням забезпечує необхідну навантажувальну здатність за значно менших витрат. Робочий цикл дає кульовому контуру час для відновлення тепла між циклами навантаження.
Довгі ходи при високому навантаженні.Шарико-гвинтові гвинти високого навантаження виготовляються з довжиною вала до 15 метрів. Роликові гвинти еквівалентної довжини та номінального навантаження є значно дорожчими, і їх складніше знайти. Для довгих-важких осей - великих верстатних столів, ліній передачі - кульковий гвинт із високим навантаженням часто є єдиним практичним рішенням типу кульки-.
Застосунки,-чутливі до вартості, де прийнятна еквівалентна продуктивність.Якщо номінальне навантаження кулькового гвинта з високим навантаженням відповідає або перевищує вимоги до застосування, немає механічного виправдання для додаткової вартості роликового гвинта. Премія окупає переваги геометрії контакту, які мають значення лише за умов, коли кулькова гвинтова передача з високим навантаженням вже обмежена.
Подовження терміну служби в існуючих кулькових гвинтах.Якщо стандартний кульковий гвинт передчасно виходить з ладу під високим навантаженням, його заміна на кульковий гвинт такого ж діаметру може подвоїти номінальне навантаження та подовжити термін служби до восьми разів без будь-яких змін у конструкції машини чи конфігурації опорного блоку.
Коли роликові гвинти – правильний вибір
Екстремальні навантаження в компактному конверті.Коли вимоги до навантаження перевищують те, яке може забезпечити кулькова гвинтова гвинта з високим навантаженням у доступному діаметрі валу - зазвичай понад 1500–2000 кН для найбільших розмірів кулькової гвинтової гвинти з високим навантаженням -, роликовий гвинт забезпечує вищу щільність навантаження на одиницю діаметра. Якщо простір для установки не дозволяє використовувати кульковий гвинт більшого діаметру, єдиним рішенням може бути роликовий гвинт меншого діаметру.
Дуже високі робочі цикли при високому навантаженні.Безперервна робота під високим навантаженням утворює тепло в контакті кулі-з доріжкою кочення. Кулькові гвинти, навіть конструкції з високим навантаженням, мають температурну межу, встановлену геометрією точки контакту. Роликові гвинти з більшою площею контакту та меншою контактною напругою на одиницю навантаження генерують менше тепла на одиницю переданої сили та можуть витримувати більші робочі цикли без перегріву гайки.
Довгострокова-вартість володіння в-промисловому виробництві з високим циклом.У системах, які працюють у кілька змін на день із високим навантаженням - автомобільні пресові лінії, безперервне формування металу під тиском - довший термін служби роликових гвинтів може компенсувати їхню вищу початкову вартість. Цей компроміс-вимагає розрахунку вартості життєвого циклу, специфічного для програми, а не загального правила.
Структура рішень
| Параметр програми | Віддайте перевагу кульковому гвинту з високим навантаженням | Фаворит роликовий гвинт |
|---|---|---|
| Осьове навантаження | До ~1440 кН | Понад 1500 кН або екстремальна щільність навантаження |
| Робочий цикл | Від середнього до високого (переривчастий) | Безперервний, дуже високий |
| Довжина ходу | Будь-які, в тому числі і довгі штрихи | Від короткого до середнього |
| Початковий пріоритет вартості | так | Менш критично |
| Місце установки | гнучкий | Суворо обмежений |
| Заміна існуючого кулькового гвинта | Природний шлях оновлення | Менш сумісний |
Розрахунок терміну служби: що означають цифри на практиці
Щоб зрозуміти переваги терміну служби, необхідно ознайомитися з формулою терміну служби L10. Номінальний термін служби кулькової гвинтової гайки пропорційний кубу відношення динамічного навантаження до еквівалентного динамічного навантаження:
L10=(Ca / Pm)³ × константа
Де Ca — номінальне динамічне навантаження, а Pm — еквівалентне середнє навантаження.
Це кубічне співвідношення означає, що подвоєння Ca гвинта -, яке забезпечує кулькова гвинтова пара з високим навантаженням порівняно зі стандартною кульковою гвинтовою передачею -, збільшує термін служби на 2³=8. За тих самих робочих умов кулькова гвинтова гвинта з високим навантаженням із удвічі вищим Ca, ніж стандартна кулькова гвинтова пара, служить у вісім разів довше.
Практичний приклад:Стандартний кульковий гвинт, що працює у важкому обробному центрі при високому навантаженні, може розраховувати на 3–4 місяці терміну служби L10. Заміна його кульковим гвинтом із високим навантаженням такого ж номінального діаметру з подвоєним Ca збільшує термін служби до 24–32 місяців - майже на порядок без зміни конструкції машини.
Це ключовий інженерний аргумент для високонавантажених кулькових гвинтів у застосуваннях, де навантаження високе, але не перевищує номінальну потужність високого навантажувального кулькового гвинта: замість того, щоб платити більше за роликовий гвинт, виберіть кульковий гвинт із високим навантаженням і використовуйте додаткову вантажопідйомність як запас терміну служби.
Вимоги до модулів підтримки для програм із високим навантаженням
Кулькові гвинти з високим навантаженням створюють відповідні високі осьові зусилля на опорних підшипниках на нерухомому кінці вала гвинта. Стандартні опорні блоки BK/BF, призначені для звичайних кулькових гвинтів, не підходять для застосування з високими навантаженнями. Розмір опорного блоку повинен відповідати номінальному навантаженню гвинта.
Вибір типу підшипника
Тип підшипника в-фіксованому кінцевому опорному вузлі визначається величиною осьового навантаження:
Радіально-упорні кулькові підшипники (кут контакту 60 градусів):Використовується для додатків із високим навантаженням, де пріоритетом є плавне обертання та мінімальне тертя. Кут контакту 60 градусів забезпечує високу осьову жорсткість і вантажопідйомність відносно розміру підшипника. Підшипники класу P4 є стандартними для високонавантажених кулькових гвинтових опор, щоб мінімізувати биття та підтримувати точність позиціонування.
Конічні роликові підшипники:Вказується, коли комбінація дуже високого осьового навантаження та високого радіального навантаження перевищує те, що можуть витримати радіально-упорні кулькові підшипники. Конічні роликові підшипники забезпечують вищу комбіновану вантажопідйомність, але вимагають більш точного налаштування попереднього натягу та створюють більше тертя на високій швидкості.
Шарикопідшипники радіальні:Використовується на плаваючому (підтримуваному) кінці вала гвинта, де потрібне лише радіальне обмеження, а підшипник повинен забезпечувати осьове теплове розширення вала без створення внутрішньої напруги.
Конфігурації блоків підтримки
У фіксованих кінцевих-блоках кулькової гвинти з високим навантаженням використовуються три опори:
DF (Face-to-face):Два радіально-упорних підшипника, встановлених у протилежних напрямках. Витримує осьове навантаження в обох напрямках з однаковою потужністю. Стандартний вибір для загальних застосувань із високим навантаженням, де відбувається реверсування навантаження.
DFD (тандем + обличчя):Один підшипник з одного боку і два підшипника з іншого. Асиметричне розташування для застосувань із домінуючим напрямком осьового навантаження - сторона з двома підшипниками несе значно більше осьове навантаження, ніж конфігурація DF. Використовується в пресових і затискних осях, де навантаження робочого ходу набагато вище, ніж зворотний хід.
DFF (тандем + тандем):По два підшипники в кожну сторону. Максимальне осьове навантаження в обох напрямках. Призначений для застосувань з найвищим навантаженням, де система DF недостатня.
Попереднє натяг підшипника
Фіксовані{0}}кінцеві підшипники в опорних вузлах із високим навантаженням мають заводське-попереднє натягування, щоб усунути внутрішній зазор і покращити осьову жорсткість. Величина попереднього натягу визначає початковий крутний момент опорного вузла - невід'ємна властивість підшипникової конструкції, яку необхідно враховувати в бюджеті крутного моменту системи приводу.
Підшипники попередньо-змащені для початкового встановлення. Для застосування з високим навантаженням із вимогливими робочими циклами додаткові порти для мастила дозволяють періодично змащувати без розбирання опорного блоку.
Приклади застосування
Сокири для важких верстатів
Великі обробні центри, напольні-розточувальні верстати та важкі-фрезерні верстати використовують кулькові гвинти на осях із силою різання в діапазоні 50–500 кН. При таких рівнях навантаження стандартні кулькові гвинти передчасно виходять з ладу незалежно від режиму змащування та обслуговування.
Кульково-гвинтові перемикачі з високим навантаженням вирішують це, підвищуючи Ca до рівня, коли розрахунок стандартного терміну служби дає реалістичний інтервал технічного обслуговування. Замість того, щоб замінювати кульковий гвинт кожні кілька місяців, машина може працювати роками між запланованими капітальними ремонтами.
Затискні вузли для лиття під тиском
Електричні машини для лиття під тиском потребують великої осьової сили протягом короткого ходу, щоб закрити та зафіксувати форму - зазвичай 200–600 кН протягом 10–50 мм ходу кінцевого затиску. Повний хід затискного вузла охоплює набагато більшу відстань при низькій силі, при цьому висока сила виникає лише в кінцевій частині.
Кулькові гвинти з високим навантаженням добре підходять для цього робочого циклу, оскільки частина ходу з високою силою коротка, а навантаження є періодичним, а не безперервним. У цьому застосуванні роликовий гвинт не забезпечує жодних переваг у терміні служби порівняно з кульковим гвинтом із високим навантаженням, оскільки умови контакту сприятливі для кулькових гвинтів - робочий цикл дозволяє відновлювати температуру між ударами.
Обладнання для формування та рихтування металу
Рихтувальні машини, обладнання для згинання труб і преси для формування металу вимагають високої осьової сили над контрольованим зміщенням. Ці програми часто є прямою заміною гідравлічних циліндрів, де електричні кулькові гвинтові приводи забезпечують кращий контроль положення, програмовані профілі зусилля та менші витрати на технічне обслуговування, ніж гідравлічні системи.
Кулькові гвинти з високим навантаженням можуть створювати сили, які можна порівняти з багатьма застосуваннями гідравлічних циліндрів у механічно простішому корпусі. Для зусиль понад 1000 кН роликові гвинти стають кращим варіантом, оскільки вони забезпечують більш високу щільність навантаження в монтажній зоні.
Поширені помилки при виборі гвинта з високим навантаженням
За замовчуванням використовуються роликові гвинти для будь-якого навантаження понад 100 кН без перевірки специфікацій кулькових гвинтів для високих навантажень.
Багато інженерів вибирають роликові гвинти на основі загального знайомства з технологією, а не перевіряючи, чи підходить кулькова гвинтова гвинта з високим навантаженням для застосування. Для навантажень приблизно до 1000–1500 кН перед тим, як вибрати роликовий гвинт, завжди слід оцінювати кулькову гвинтову передачу з високим навантаженням.
Використання стандартних опор BK/BF з високонавантаженими кульковими гвинтами.
Стандартні опорні блоки розраховані на частку осьових навантажень, які може створювати кулькова гвинтова передача високого навантаження. Використання занижених опорних вузлів передає навантаження на корпус підшипника та конструкцію машини не призначеними для цього способами, що спричиняє передчасний вихід з ладу опорного підшипника та потенційне пошкодження конструкції.
Вибір розміру гвинта відповідно до максимального миттєвого навантаження без перевірки терміну служби L10 при середньому еквівалентному навантаженні.
Максимальне навантаження на гвинт може виникати лише на короткий час під час розгону або в кінці ходу. Розмір гвинта залежить від максимального навантаження-. Розрахунок терміну служби L10 використовує еквівалентне середнє навантаження протягом повного робочого циклу, що враховує фактичний розподіл навантажень і швидкість, яку відчуває гайка під час нормальної роботи.
Без урахування осьового теплового розширення довгих кулькових гвинтових валів із високим навантаженням.
Кульково-гвинтовий вал висотою 10- метрів розширюється приблизно на 0,12 мм на градус Цельсія. У фіксованій-фіксованій конфігурації опори це теплове розширення створює напругу стиску у валу, яка збільшує попереднє натяг у гайці та опорних підшипниках. Довгі кулькові гвинти з високим навантаженням повинні використовувати конфігурацію фіксованої плаваючої кінцевої опори, щоб забезпечити осьове теплове розширення без створення внутрішньої напруги.
Резюме: як структурувати рішення про вибір
При застосуванні високого осьового навантаження використовуйте таку послідовність:
- Визначте максимальне осьове навантаження, середнє еквівалентне навантаження, хід і робочий циклз якомога більшою точністю. Розрахунок терміну служби L10 настільки хороший, наскільки хороші вхідні дані.
- Перевірте, чи доступний кульковий гвинт з високим навантаженням у необхідному Ca.ШВП з високим навантаженням розраховані на динамічне навантаження до 1440 кН. Якщо застосування потрапляє в цей діапазон, першим варіантом має бути оцінений кульковий гвинт з високим навантаженням.
- Розрахуйте термін служби L10 для кульково-гвинтової передачі високого навантаження при середньому еквівалентному навантаженні.Якщо розрахований термін служби відповідає вимогам щодо інтервалу технічного обслуговування, вкажіть кулькову гвинтову передачу високого навантаження. Якщо ні, або збільште діаметр валу, або оцініть роликовий гвинт.
- Виберіть конфігурацію блоку підтримкина основі максимального осьового навантаження, спрямованості навантаження та швидкості. Переконайтеся, що номінал опорного підшипника перевищує максимальне осьове навантаження з відповідним запасом надійності.
- Оцініть загальну вартість володіння, а не лише початкову вартість компонента. Роликовий гвинт, який служить вдвічі довше, ніж кульковий гвинт із високим навантаженням, не обов’язково є економічно-вигіднішим, якщо кульковий гвинт із високим навантаженням становить одну-третину ціни.
- Вказуйте роликовий гвинт тільки тоді, колинавантаження перевищує діапазон високого навантаження, робочий цикл є безперервним при високому навантаженні, або простір для встановлення не дозволяє використовувати кульковий гвинт більшого діаметра з високим навантаженням.
Потрібна допомога у виборі кульково-гвинтової передачі високого навантаження?
Якщо ви порівнюєте кульковий гвинт із високим навантаженням із роликовим гвинтом для важких навантажень, DLY може допомогти підтвердити відповідний діаметр гвинта, свинець, тип гайки, розташування опорного вузла та термін служби на основі ваших робочих умов.
Щоб отримати технічну специфікацію та цінову пропозицію, повідомте про максимальне осьове навантаження, довжину ходу, робочий цикл, необхідну точність і простір для установки.
