Выбор неправильного шарикового винта может привести к преждевременному выходу из строя, дорогостоящему простою и потере инвестиций. Без должной оценки ваша система движения может пострадать. Вот проверенное 6-шаговое руководство, которое поможет вам сделать правильный выбор.
Выбор шарикового винта включает в себя оценку скорости, нагрузки и срока службы, чтобы обеспечить оптимальную производительность и надежность. Рассчитав момент и понимая явления прогиба и критические скорости, инженеры могут выбрать идеальный винт.
Изучите каждый фактор более подробно, чтобы избежать ошибок в вашем проектировании линейного движения.
Угловая скорость
Угловая скорость шарикового винта является основным параметром, который напрямую влияет на эффективность и производительность системы. Угловая скорость обычно определяется в оборотах в минуту (об/мин) и должна учитываться относительно динамических требований системы.
Более высокая угловая скорость позволяет быстрее перемещать нагрузку, но также может увеличивать генерацию тепла и износ. Дизайнеры должны убедиться, что материал винта, смазка и конструкция могут выдерживать запланированную скорость. Кроме того, чрезмерная скорость может привести к осевым колебаниям или резонансу, особенно в длинных шариковых винтах. Поэтому максимальная безопасная скорость, часто рекомендуемая производителем, не должна превышаться.
Расчет угловой скорости также включает в себя понимание рабочего цикла приложения. Если ваша система работает на максимальной скорости периодически, она может допускать более высокие максимальные об/мин, чем приложения с постоянной высокой скоростью. Всегда консультируйтесь с техническими характеристиками производителя для оценки скорости перед окончательным выбором.
Критическая скорость
Критическая скорость — это скорость, при которой шариковый винт начинает резонировать или чрезмерно вибрировать. Это происходит из-за совпадения естественной частоты вала с рабочей частотой. Если критическая скорость приближается или превышается, это может привести к катастрофическому выходу из строя из-за прогиба вала, неправильного выравнивания или перегрузки подшипника.
Критическая скорость (Nc) зависит от несущей длины вала, его диаметра, условий фиксации концов и модуля материала. Инженеры используют такие формулы, как:
Nc = (k × D × √E / L²)
Где:
k k — это константа, зависимая от типа конечной опоры,
D D — диаметр вала,
E E — модуль упругости,
L L — несущая длина.
Снижение несущих длин или использование промежуточных опор может увеличить критическую скорость. Общая рекомендация состоит в том, чтобы работать не более чем на 80% от критической скорости для безопасности. Это особенно важно для горизонтально смонтированных систем или в приложениях с длинным перемещением.
Нагрузочное состояние
Прогиб — это сжимающий выход из строя, который происходит, когда вал прогибается под действием осевой нагрузки, особенно в длинных или не поддерживаемых винтах. Нагрузочное состояние (Pb) должно быть выше максимальной сжимающей нагрузки, ожидаемой в приложении.
Это часто рассчитывается с использованием формулы Эйлера для длинных тонких колонн:
Pb = (π² × E × I) / (K × L)²
Где:
I это момент инерции,
K это постоянная, основанная на граничных условиях,
L это эффективная длина.
Чтобы предотвратить прогибание, убедитесь, что вал шарикового винта правильно поддерживается и что приложенная нагрузка остается в пределах безопасных значений. Для вертикальных приложений или несущих пролётов расчеты на прогиб становятся особенно критичными. При выборе шарикового винта всегда проверяйте осевую нагрузку на соответствие расчетному пределу прогиба.
Сравнение факторов нагрузки на прогиб шариковых винтов
| Параметр | Влияние на нагрузку на прогиб |
|---|---|
| Диаметр вала | Увеличивает сопротивление прогибанию |
| Несущий угол | Уменьшает сопротивление прогибанию |
| Условия поддержки | Зафиксированные концы увеличивают емкость |
| Эластичность материала | Более высокий E улучшает прочность |
Средняя скорость и средняя нагрузка
Чтобы оценить срок службы и тепловое поведение шарикового винта, необходимо учитывать среднюю скорость и среднюю нагрузку за цикл работы. Вместо использования пиковых значений инженеры должны рассчитывать среднеквадратичные (СКС) значения для нагрузки и скорости для более точной оценки производительности.
Средняя скорость влияет на тепловыделение из-за трения, в то время как средняя нагрузка определяет срок усталости. Например, прерывистое использование при высокой нагрузке может быть не таким критичным, как непрерывная работа при низкой нагрузке.
Используйте этот подход:
Средняя нагрузка (Fa) = √[(F₁² × t₁ + F₂² × t₂ + … + Fn² × tn) / T]
Средняя скорость (Va) = [(V₁ × t₁ + V₂ × t₂ + … + Vn × tn) / T]
Где:
F это нагрузка,
V это скорость,
t это время на каждом этапе,
T это общее время цикла.
Этот расчет необходим для динамических приложений, таких как CNC-станки или роботы с функцией «подобрать-и-поместить».
Срок службы
Срок службы шариковой гайки обычно выражается в количестве оборотов или расстоянии, которое она может пройти до усталостного разрушения. Производители часто предоставляют рейтинги жизни, такие как L10 или B10, которые указывают на срок службы, при котором 90% резьбовых компонентов могут работать без отказа в определенных условиях.
Срок службы зависит от нескольких факторов:
Динамическая нагрузочная способность (Ca)
Прилагаемая осевая нагрузка (Fa)
Рабочая среда (температура, загрязнение, смазка)
Основной срок службы (L10) можно рассчитать по формуле:
L10 = (Ca / Fa)³ × 10⁶ оборотов
Если винт предварительно загружен или если присутствуют ударные нагрузки, необходимо применить коэффициент коррекции. Правильная смазка и чистая среда значительно увеличивают рабочий ресурс.
Таблица оценки срока службы шариковой гайки
| Условие нагрузки | Оценка L10 (обороты) |
|---|---|
| Нормальная нагрузка (Ca = Fa) | 1,000,000 |
| Умеренная перегрузка (Ca = 1.5Fa) | 300,000 |
| Сильно ударная нагрузка | <100,000 |
Планирование обслуживания и ожидания гарантии сильно зависят от этого расчета.
Расчет момента
Момент – это сила, которая заставляет винт вращаться и приводить гайку в движение (или наоборот). Чтобы переместить данную нагрузку, инженеры должны определить как начальный момент, так и рабочий момент. Это обеспечивает правильный размер мотора и предотвращает его остановку или перегрев.
Основной момент (T), необходимый для перемещения осевой нагрузки (Fa), можно рассчитать по формуле:
T = (Fa × шаг) / (2π × η)
Где:
Fa это осевая нагрузка (Н),
Шаг это шаг винта (мм),
η это эффективность (обычно от 0.85 до 0.95 для шариковых винтов).
Не забывайте учитывать дополнительный момент, необходимый для преодоления преднагрузки, трения и инерции. В системах высокой скорости динамический момент также может потребовать учета ускорения и замедления.
Выбор двигателя с недостаточным моментом является распространенной ошибкой проектирования. Убедитесь, что характеристики двигателя соответствуют расчетным значениям для плавной и надежной работы.
Заключение
Овладение выбором шарикового винта включает в себя балансировку скорости, нагрузки и срока службы. Следуйте этим шести критически важным шагам, чтобы обеспечить максимальную производительность вашей системы.Для получения дополнительных вопросов, пожалуйста, свяжитесь с sales@SHAC.com
