Опорные шарико-винтовые подшипники предназначены для фиксации вала винта, выдерживания осевого усилия и поддержания жесткости, необходимой для точного движения. Однако внезапное столкновение, аварийная остановка или быстрый реверс могут привести к кратковременной пиковой нагрузке, намного превышающей ту, которую испытывает ось при нормальной работе.
Даже если постоянная рабочая нагрузка находится в пределах номинальных значений подшипника, повторяющиеся ударные нагрузки могут привести к повреждению дорожек качения подшипника, тел качения, удерживающих компонентов или поверхностей соединения концов вала. Для предотвращения этого типа отказа требуется нечто большее, чем просто выбор подшипника большего размера: профиль движения, механические упоры, расположение опор и точность установки должны учитываться вместе.
Что такое ударная нагрузка в шарико-винтовой системе?
Ударная нагрузка – это сила, которая резко возрастает за очень короткий период времени. В оси ШВП он может возникнуть, если:
- Подвижный стол достигает конца своего пути.
- Карета столкнулась с препятствием
- Двигатель запускается, останавливается или вращается слишком агрессивно.
- Аварийная остановка замедляет тяжелую движущуюся массу.
- Вертикальная ось теряет контроль и падает
- Люфт или ослабление позволяют компонентам ударяться во время реверса.
- Внешнее воздействие передается через конструкцию машины
Эти события могут создавать гораздо более высокую мгновенную силу, чем обычная резка, позиционирование или транспортировка грузов. Результирующая сила передается через каретку и шариковую гайку на вал винта и его опорные подшипники.
Какие компоненты могут быть повреждены?
Фраза «шариковинтовой подшипник» иногда используется расплывчато, но удар может повлиять на несколько различных компонентов.
Опорный подшипник с фиксированным концом
Фиксированный конец обычно воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях и устанавливает осевое положение винта. Зачастую именно эта опора наиболее подвержена внезапной осевой нагрузке.
Подшипник с плавающим концом
Плавающий конец в первую очередь поддерживает винт в радиальном направлении, обеспечивая при этом осевое перемещение, необходимое из-за теплового расширения. Неправильная сборка, фиксирующая этот конец в осевом направлении, может привести к непреднамеренному распределению ударных и термических нагрузок.
Шариковая гайка и винтовые дорожки качения
Удар, передаваемый через гайку, может создать высокое контактное напряжение между шариками и дорожками качения. Сильные или повторяющиеся удары могут привести к необратимым вмятинам, усталости поверхности или изменению рабочего крутящего момента.
Муфта и конец вала
Внезапная остановка может также привести к перегрузке муфты, контргайки подшипника, обработанной шейки или крепежных болтов. Поэтому замена только опорного подшипника может не решить всю проблему.
Как ударные нагрузки повреждают опорные подшипники
Подшипник может быть необратимо поврежден, даже если он продолжает вращаться после удара. Наиболее распространенные механизмы повреждения включают в себя:
- Отступ для дорожки качения:концентрированное контактное напряжение оставляет постоянные следы в местах соприкосновения тел качения с дорожкой качения.
- Повреждения качения:После сильного удара на поверхности шаров могут появиться следы, трещины или локальная деформация.
- Изменение предварительной загрузки:деформация или перемещение подшипникового узла могут изменить первоначальный предварительный натяг.
- Ложное бринеллирование или фреттинг:повторяющиеся небольшие колебания под нагрузкой могут оставить следы на контактных поверхностях даже без полного вращения.
- Потеря выравнивания:удар может сместить корпус опоры, кронштейн гайки или положение муфты.
- Движение застежки:Ослабленные болты опорного узла или корпуса гайки создают дополнительную нагрузку при каждом изменении направления.
Типичные симптомы включают новый шум, повышенную вибрацию, неравномерный крутящий момент, осевое перемещение, локальный нагрев и снижение повторяемости позиционирования.
1. Рассчитайте пиковую нагрузку, а не только нормальную.
Выбор опорного подшипника не должен основываться только на постоянной тяге, необходимой для перемещения машины. Также необходимо учитывать ускорение, замедление, аварийную остановку и возможные условия столкновения.
Сила, необходимая для ускорения или замедления движущейся массы, связана с:
F = м × а
гдеФэто сила инерции,мдвижущаяся масса иаэто ускорение или замедление.
Более короткое время остановки приводит к более высокому замедлению и, следовательно, к более высокой силе. Если стол ударяется о жесткий механический упор, фактический пик может быть намного выше, чем сила, прогнозируемая при обычном запрограммированном замедлении.
Сравните расчетные рабочие и пиковые нагрузки с допустимыми нагрузками всей системы, включая:
- Шариковый винт и шариковая гайка
- Опорный подшипник с фиксированным концом
- Поддержка плавающего конца
- Муфта
- Гаечный кронштейн и опорные корпуса
- Крепежные болты и конструкция машины
Используйте данные производителя о допустимых статических и динамических нагрузках вместе с соответствующим коэффициентом запаса прочности для реальных условий эксплуатации.
2. Используйте профиль контролируемого движения
Агрессивное ускорение не всегда приводит к немедленному столкновению, но может создавать повторяющиеся пиковые нагрузки в течение каждого рабочего цикла. Система управления должна избегать ненужных ступенчатых изменений скорости или крутящего момента.
В зависимости от контроллера удар можно уменьшить, отрегулировав:
- Время ускорения и замедления
- Настройки рывка или S-образной кривой
- Скорость реверса
- Скорость приближения к концу движения
- Стратегия аварийного торможения
- Пределы крутящего момента сервопривода
Профиль движения S-образной формы меняет ускорение более плавно, чем резкая команда. Это может снизить пиковую силу, передаваемую на гайку, подшипники на конце вала и муфту, особенно на осях с большой движущейся массой.
3. Не допускайте жесткого упора каретки.
Концевые выключатели и программные ограничения перемещения должны останавливать ось до того, как каретка достигнет механического конца хода. Механический стопор должен действовать как последнее защитное устройство, а не как обычный метод остановки.
Надежная мера защиты во время путешествия может включать в себя:
- Запрограммированные мягкие ограничения
- Переключатели замедления
- Концевые выключатели конца хода
- Механические упоры, расположенные за пределами нормального рабочего хода
- Промышленные амортизаторы, где необходимо управлять энергией столкновения
Если используется амортизатор, его следует выбирать в соответствии с движущейся массой, скоростью удара, частотой удара и доступным остановочным ходом. Он должен воздействовать на движущуюся конструкцию в соответствующем месте, а не непосредственно на вал ШВП или опорный подшипник.
4. Выберите правильное расположение опорных подшипников.
Расположение опор определяет, как передаются осевые и радиальные силы. В обычной фиксированно-плавающей конструкции используется жесткий фиксированный конец для расположения винта в осевом направлении и плавающий конец для компенсации теплового расширения.
Комплект подшипников с фиксированным концом должен соответствовать требуемой осевой нагрузке, жесткости, скорости и точности. Простая установка шарикового винта большего размера не гарантирует, что опорный подшипник выдержит пиковую нагрузку.
Во время выбора подтвердите:
- Максимальная осевая нагрузка в обоих направлениях
- Пиковая нагрузка при разгоне и экстренной остановке
- Требуемая осевая жесткость
- Рабочая скорость
- Расположение подшипников и предварительный натяг
- Размеры и посадки конца вала
- Интерфейсы корпуса и контргайки
DLY обеспечиваетопорные блоки шарико-винтовой передачив комбинациях с фиксированной и плавающей стороной, таких как BK/BF, FK/FF и EK/EF. Соответствующую серию и размер следует выбирать в соответствии с требованиями к концу винтового вала и нагрузке машины.
5. Поддерживайте правильное выравнивание
Несоосность не поглощает удары. Вместо этого он добавляет радиальную силу и изгиб к системе, уже испытывающей осевое воздействие.
Проверьте это:
- Опоры с фиксированными и плавающими концами расположены правильно.
- Ось винта повторяет ход направляющей
- Корпус шариковой гайки не смещается вбок или вертикально.
- Заплечики подшипников и посадочные поверхности чистые.
- Вал двигателя и винтовой вал правильно выровнены.
- Муфта не используется для сокрытия значительного смещения.
После затяжки опорных узлов и корпуса гайки медленно проведите ось на полный ход и проверьте изменение сопротивления инерции.
6. Устраните люфт в системе привода.
Незакрепленные компоненты могут вызвать вторичное воздействие всякий раз, когда ось меняет направление. Осмотрите:
- Болты крепления опорного блока
- Контргайка подшипника
- Болты крепления шариковой гайки
- Соединительные зажимные винты
- Болты крепления двигателя
- Гаечный кронштейн и соединение каретки
Крепежные детали следует затягивать с указанным моментом и закреплять способом, предусмотренным конструкцией. Чрезмерная затяжка не заменяет правильную посадку и фиксацию поверхностей.
7. Защитите вертикальные оси от неконтролируемого спуска.
Вертикальная ось требует дополнительного внимания, поскольку сила тяжести продолжает действовать даже при потере мощности или тормозной силы. Если стол или груз упадут, шариковый винт и подшипник с фиксированным концом могут получить сильный удар в конце хода.
В зависимости от конструкции машины защита может включать в себя тормоз двигателя, противовес, подходящую логику управления или другое удерживающее устройство. Выбранный метод должен обеспечивать контроль фактической движущейся массы как в нормальных, так и в неисправных условиях.
8. Осмотрите ось после столкновения.
Не возвращайте ось сразу на полную скорость после столкновения или аварийной остановки. Начните с механического осмотра и испытания на низкой скорости.
Проверьте:
- Аномальное осевое перемещение фиксированного конца
- Изменение рабочего момента по ходу хода
- Новый шум или вибрация
- Нагрев корпуса подшипника
- Перемещение гайки кронштейна или опорных узлов
- Деформация или проскальзывание муфты
- Повреждение винтового вала или обработанных шеек.
- Потеря точности или повторяемости позиционирования.
Если шум или сопротивление появились сразу после удара, продолжение эксплуатации может усугубить ущерб. Опорный подшипник, узел шарико-винтовой передачи и соответствующие монтажные соединения должны быть проверены до возобновления нормального производства.
Смазка помогает снизить износ, но не может смягчить удар при столкновении.
Правильная смазка необходима для продления срока службы подшипников и дорожек качения шариковых винтов. Однако смазку не следует рассматривать как средство защиты от ударов. Он не может предотвратить необратимые вмятины, вызванные пиковой нагрузкой, превышающей допустимую мощность компонента.
Поэтому смазка, уплотнения и чистота должны поддерживаться в рамках нормальной эксплуатации, а предотвращение ударов должно обеспечиваться путем расчета нагрузки, управления движением, защиты от перемещения и механического проектирования.
Заключение
Защита опорных подшипников ШВП от ударов начинается с контроля источника силы удара. Правильный выбор подшипников важен, но он должен сочетаться с контролируемым ускорением, надежными ограничениями хода, правильно выбранными амортизаторами, правильным выравниванием и надежным креплением.
Для новой сборки укажите модель ШВП, диаметр вала, шаг, ход, движущуюся массу, максимальную скорость, ускорение, ориентацию установки и чертеж конца вала. Эти данные помогают определить, является лишариковый винти расположение его опор подходят для ожидаемых пиковых нагрузок.
