Шарико-винтовая передача, предназначенная для высоких нагрузок, и ролико-винтовая передача: выбор правильного решения для применений с большими нагрузками

Вот простой инженерный вопрос: нужно на ходу 1500 мм вызвать осевую нагрузку 500 кН. Вы указываете роликовый или шариковый винт?

Если ваш инстинкт — ролико-винтовая передача, этот инстинкт может стоить конструкции вашей машины больше, чем нужно. Достижения в технологии шарико-винтовых пар, работающих при высоких нагрузках за последнее десятилетие, значительно изменили расчеты -, и для многих применений с большими нагрузками шарико-винтовые пары, работающие при высоких нагрузках, теперь обеспечивают эквивалентную производительность при стоимости менее чем вдвое меньшей, чем сопоставимая ролико-винтовая передача.

В этой статье рассказывается, чем эти две технологии отличаются на уровне контактной механики, где каждая из них работает лучше, как выглядят фактические компромиссы по стоимости и размеру-и как структурировать решение о выборе для вашей конкретной нагрузки, хода и рабочего цикла.

Почему грузоподъемность различается: контактная механика

Принципиальное различие между шариковинтовой парой и ролико-винтовой парой заключается в геометрии тела качения и контакте, который он обеспечивает с формой резьбы.

Шариковый винт: точечный контакт

В обычной ШВП стальные шарики катятся между винтовыми канавками вала и гайки. Каждый шарик контактирует с канавкой в ​​одной точке (или по очень маленькому эллипсу контакта под нагрузкой). Нагрузка распределяется по всем шарикам в цепи, но каждая отдельная точка контакта несет значительную долю общей силы.

Точечный контакт создает высокое локальное напряжение в зоне контакта. При тяжелых нагрузках это напряжение ограничивает срок службы, поскольку усталостные повреждения возникают в точках повышенного-напряжения. Таким образом, несущая способность стандартной ШВП ограничена максимальным контактным напряжением, которое шарик и материал дорожки качения могут выдержать в течение необходимого количества циклов.

Роликовый винт: линейный контакт

В ролико-винтовой передаче набор роликов с резьбой заменяет шарики в качестве тел качения. Каждый ролик контактирует с винтовой резьбой по линии, а не в точке - принципиально другая геометрия контакта. Линейный контакт распределяет нагрузку по гораздо большей площади поверхности, что снижает пиковое контактное напряжение при той же приложенной силе.

В результате ролико-винтовая передача того же номинального диаметра, что и шарико-винтовая передача, может выдерживать значительно более высокие нагрузки и выдерживать больше рабочих циклов, прежде чем накапливаются усталостные повреждения. Ролико-винтовые передачи также сохраняют это преимущество во всем диапазоне рабочих скоростей.

Шарико-винтовая передача для высоких нагрузок: спроектированный точечный контакт

ШВП с высокой нагрузкой относятся к третьей категории. Вместо изменения геометрии контакта от точки к линии конструкция увеличивает количество и размер точек контакта за счет измененных профилей резьбы и большего диаметра шариков. Специальная геометрия резьбы -, включая готические арочные профили, оптимизированные для больших углов контакта -, увеличивают площадь контакта на шарик, повышают номинальную нагрузку на единицу длины гайки и более равномерно распределяют нагрузку по контуру шарика.

В результате получается шариковый винт с номинальной динамической нагрузкой в ​​четыре-восемь раз выше, чем у обычного шарикового винта того же диаметра, что достигается без усложнения изготовления резьбы роликового винта.

Грузоподъемность и стоимость: реальные цифры

Повышение производительности шарико-винтовых пар, работающих при высоких нагрузках, достигается за счет простого сравнения затрат.

При эквивалентных динамических нагрузках и сопоставимых условиях эксплуатации шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой обычно стоит на 40–60% дешевле, чем ролико-винтовая передача. Разница в стоимости связана со сложностью производства: формы резьбы роликовых винтов требуют прецизионной обработки профилей резьбы как винтов, так и роликов, точной сборки предварительного натяга роликов и более жестких допусков во всем. Шарико-винтовые передачи -, даже варианты с высокой нагрузкой -, используют более простой производственный процесс, который был усовершенствован за десятилетия промышленного производства.

Высокие нагрузки ШВП доступны в:

Эти спецификации охватывают большинство применений в тяжелых станках, литье под давлением и обработке металлов давлением, где исторически использовались роликовые винты.

Где каждая технология работает лучше

Ни одна из технологий не является универсально превосходящей. Правильный выбор зависит от трех основных параметров применения: величины нагрузки, рабочего цикла и длины хода.

Когда шарико-винтовые передачи с высокой нагрузкой являются лучшим выбором

Тяжелые нагрузки при умеренных рабочих циклах.Если ось испытывает высокие осевые нагрузки, но не работает непрерывно - инжекционные зажимные устройства, пресс-оси, правильные станки -, шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой обеспечивает необходимую грузоподъемность при значительно меньших затратах. Рабочий цикл дает шаровому контуру время для термического восстановления между циклами нагрузки.

Длинные ходы при высокой нагрузке.Высоконагруженные ШВП производятся с длиной вала до 15 метров. Ролико-винтовые пары эквивалентной длины и грузоподъемности значительно дороже, и их сложнее найти. Для -тяжелых осей с длинным ходом- больших столов станков, линий передачи - шариковый винт с высокой нагрузкой часто является единственным практичным решением шарикового-типа.

Приложения,-чувствительные к затратам, для которых приемлема эквивалентная производительность.Когда номинальная нагрузка шарико-винтовой передачи с высокой нагрузкой соответствует требованиям применения или превышает их, нет механического обоснования дополнительных затрат на ролико-винтовую передачу. Премиум платится за преимущества геометрии контакта, которые имеют значение только в условиях, когда шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой уже ограничена.

Увеличение срока службы существующих шарико-винтовых пар.Если стандартная шарико-винтовая передача преждевременно выходит из строя под большой нагрузкой, ее замена на высоконагруженную шарико-винтовую передачу того же диаметра может удвоить номинальную нагрузку и продлить срок службы до восьми раз без каких-либо изменений в конструкции машины или конфигурации опорного узла.

Когда роликовые винты — правильный выбор

Экстремальные нагрузки в компактном корпусе.Когда требуемая нагрузка превышает то, что может обеспечить шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой при доступном диаметре вала -, обычно превышающем 1500–2000 кН для шариковинтовой передачи с наибольшими размерами с высокой нагрузкой -, ролико-винтовая передача обеспечивает более высокую плотность нагрузки на единицу диаметра. Если пространство для установки не позволяет использовать шариковый винт большего диаметра, единственным решением может быть роликовый винт меньшего диаметра.

Очень высокие рабочие циклы при высокой нагрузке.Продолжительная работа под высокой нагрузкой приводит к выделению тепла в зоне контакта шариков-с дорожкой качения. Шарико-винтовые передачи, даже конструкции с высокими нагрузками, имеют температурный предел, определяемый геометрией точки контакта. Роликовые винты с большей площадью контакта и меньшим контактным напряжением на единицу нагрузки выделяют меньше тепла на единицу передаваемого усилия и могут выдерживать более высокие рабочие циклы без перегрева гайки.

Долгосрочная-стоимость владения при промышленном производстве с большим-циклом.В приложениях, работающих в несколько смен в день на высоких нагрузках - автомобильных прессовых линиях, непрерывной штамповке металла - более длительный усталостный срок службы роликовых винтов может компенсировать их более высокую первоначальную стоимость. Этот компромисс-требует расчета стоимости жизненного цикла, специфичного для конкретного приложения, а не общего правила.

Структура принятия решений

---

Расчет срока службы: что означают цифры на практике

Чтобы понять преимущества срока службы, необходимо взглянуть на формулу срока службы L10. Номинальный срок службы шариковинтовой гайки пропорционален кубу отношения номинальной динамической нагрузки к эквивалентной динамической нагрузке:

L10=(Ca / Pm)³ × константа

Где Ca — номинальная динамическая нагрузка, а Pm — эквивалентная средняя нагрузка.

Это кубическое соотношение означает, что удвоение Ca винта -, которое имеет шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой по сравнению со стандартной шарико-винтовой парой -, умножает срок службы на 2³=8.. При тех же условиях эксплуатации шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой с удвоенным Ca, чем стандартная шарико-винтовая передача, служит в восемь раз дольше.

Практический пример:Срок службы стандартной ШВП, работающей в тяжелом обрабатывающем центре при высокой нагрузке, может составлять 3–4 месяца. Замена его на шарико-винтовую передачу с высокими нагрузками того же номинального диаметра, с удвоенным содержанием Ca, продлевает расчетный срок службы до 24–32 месяцев - улучшение почти на порядок без изменений в конструкции машины.

Это ключевой инженерный аргумент в пользу шарико-винтовой передачи с высокой нагрузкой в ​​тех случаях, когда нагрузка высока, но не превышает номинальную грузоподъемность шарико-винтовой передачи с высокой нагрузкой: вместо того, чтобы платить больше за ролико-винтовую передачу, выберите шарико-винтовую передачу с высокой нагрузкой и используйте дополнительную грузоподъемность в качестве резерва срока службы.

Требования к вспомогательному блоку для приложений с высокой нагрузкой

Высоконагруженные шарико-винтовые передачи создают соответственно высокие осевые нагрузки на опорные подшипники на фиксированном конце вала винта. Стандартные опорные блоки BK/BF, предназначенные для обычных шарико-винтовых пар, не подходят для шарико-винтовых пар с высокими нагрузками. Опорный блок должен иметь размер, соответствующий номинальной нагрузке винта.

Выбор типа подшипника

Тип подшипника в опорном узле с фиксированным-концом определяется величиной осевой нагрузки:

Радиально-упорные шарикоподшипники (угол контакта 60 градусов):Используется для применений с высокими нагрузками, где приоритетными являются плавное вращение и минимальное трение. Угол контакта 60 градусов обеспечивает высокую осевую жесткость и грузоподъемность относительно размера подшипника. Подшипники класса P4 входят в стандартную комплектацию опор шарико-винтовых пар, рассчитанных на высокие нагрузки, что позволяет минимизировать биение и сохранить точность позиционирования.

Конические роликовые подшипники:Используется, когда сочетание очень высокой осевой нагрузки и высокой радиальной нагрузки превышает возможности радиально-упорных шарикоподшипников. Конические роликоподшипники обеспечивают более высокую комбинированную нагрузку, но требуют более точной настройки предварительного натяга и создают большее трение на высокой скорости.

Радиальные шарикоподшипники:Используется на плавающем (опорном) конце винтового вала, где требуется только радиальное ограничение, а подшипник должен допускать осевое тепловое расширение вала без создания внутреннего напряжения.

Конфигурации модулей поддержки

В опорных-концевых опорах ШВП, рассчитанных на высокие нагрузки, используются три подшипниковых узла:

DF (лицом-к-лицу):Два радиально-упорных подшипника установлены в противоположных направлениях. Выдерживает осевую нагрузку в обоих направлениях с одинаковой нагрузкой. Стандартный выбор для обычных применений с высокими нагрузками, когда происходит реверс нагрузки.

DFD (Тандем+лицо):Один подшипник с одной стороны и два подшипника с другой. Асимметричная компоновка для применений с преобладающим направлением осевой нагрузки - сторона с двумя подшипниками воспринимает значительно большую осевую нагрузку, чем конфигурация DF. Используется в прессовых и зажимных осях, где нагрузка рабочего хода значительно превышает нагрузку обратного хода.

DFF (Тандем + Тандем):Два подшипника в каждом направлении. Максимальная осевая нагрузка в обоих направлениях. Предназначен для приложений с самыми высокими нагрузками, где расположение DF недостаточно.

Предварительная нагрузка подшипника

Подшипники с фиксированными-концами в опорных узлах, рассчитанных на высокие нагрузки, имеют-предварительный натяг на заводе для устранения внутреннего зазора и повышения осевой жесткости. Величина предварительной нагрузки определяет пусковой крутящий момент опорного узла - — это неотъемлемое свойство подшипникового узла, которое необходимо учитывать при определении баланса крутящего момента системы привода.

Подшипники предварительно-смазаны перед первоначальной установкой. Для применений с высокими нагрузками и требовательными рабочими циклами дополнительные смазочные отверстия позволяют осуществлять периодическую повторную смазку без разборки опорного узла.

Примеры применения

Оси для тяжелых станков

В крупных обрабатывающих центрах, расточных станках напольного-типа и тяжелых-фрезерных станках используются ШВП на осях, несущих силы резания в диапазоне 50–500 кН. При таких уровнях нагрузки стандартные ШВП преждевременно выходят из строя независимо от режима смазки и технического обслуживания.

Высоконагруженные шарико-винтовые пары решают эту проблему за счет увеличения Ca до уровня, при котором расчет стандартного срока службы дает реалистичный интервал технического обслуживания. Вместо замены ШВП каждые несколько месяцев машина может работать годами между плановыми ремонтами.

Зажимные устройства для литья под давлением

Электрическим машинам для литья под давлением требуется высокая осевая сила при коротком ходе, чтобы закрыть и зафиксировать форму -, обычно 200–600 кН на конечном ходе зажима 10–50 мм. Полный ход зажимного узла преодолевает гораздо большее расстояние при малом усилии, при этом большое усилие возникает только на конечном участке.

ШВП с высокой нагрузкой хорошо подходят для этого рабочего цикла, поскольку часть хода с высокой нагрузкой короткая, а нагрузка носит прерывистый, а не постоянный характер. В этом случае ролико-винтовая передача не обеспечивает преимущества в сроке службы по сравнению с шарико-винтовой парой, рассчитанной на большие нагрузки, поскольку условия контакта для шарико-винтовой передачи благоприятны -, рабочий цикл обеспечивает тепловое восстановление между выстрелами.

Оборудование для формовки и правки металла

Правильные машины, оборудование для гибки труб и прессы для обработки металлов требуют высокой осевой силы, а не контролируемого смещения. Эти приложения часто являются прямой заменой гидравлических цилиндров, где электрические шариковинтовые приводы обеспечивают лучший контроль положения, программируемые профили усилия и меньшие затраты на техническое обслуживание, чем гидравлические системы.

Высоконагруженные шарико-винтовые пары могут создавать силы, сравнимые с усилиями многих гидравлических цилиндров, но при этом механически более простым. При нагрузках более 1000 кН предпочтительным вариантом становятся ролико-винтовые передачи, поскольку они обеспечивают более высокую плотность нагрузки в зоне установки.

Распространенные ошибки при выборе винтов, рассчитанных на высокую нагрузку

По умолчанию используется ролико-винтовая передача для любой нагрузки выше 100 кН без проверки характеристик шарико-винтовой передачи, рассчитанной на высокие нагрузки.

Многие инженеры выбирают ролико-винтовые пары на основании общего знания технологии, а не на проверке того, рассчитана ли шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой на данное применение. Для нагрузок примерно до 1000–1500 кН всегда следует оценивать шарико-винтовую передачу с высокой нагрузкой, прежде чем выбирать ролико-винтовую передачу.

Использование стандартных опорных блоков BK/BF с шарико-винтовыми парами, рассчитанными на большую нагрузку.

Стандартные опорные узлы рассчитаны на долю осевых нагрузок, которые может создавать шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой. Использование опорных узлов меньшего размера передает нагрузку на корпус подшипника и конструкцию машины способами, для которых это не предусмотрено, что приводит к преждевременному выходу из строя опорных подшипников и потенциальному повреждению конструкции.

Выбор размера винта с учетом максимальной мгновенной нагрузки без проверки срока службы L10 при средней эквивалентной нагрузке.

Максимальная нагрузка на винт может возникать лишь кратковременно во время ускорения или в конце хода. Размер винта определяется строго в соответствии с пиковой нагрузкой, превышающей-. При расчете срока службы L10 используется эквивалентная средняя нагрузка в течение всего рабочего цикла, которая учитывает фактическое распределение нагрузок и скоростей, которым подвергается гайка во время нормальной работы.

Не учитывается осевое тепловое расширение длинных валов ШВП с высокими нагрузками.

Вал ШВП высотой 10-метров расширяется примерно на 0,12 мм на градус Цельсия. В конфигурации с фиксированной-фиксированной опорой это тепловое расширение создает сжимающее напряжение на валу, которое увеличивает предварительную нагрузку в гайке и опорных подшипниках. Длинные шарико-винтовые пары, рассчитанные на высокие нагрузки, должны использовать конфигурацию опоры с фиксированным плавающим концом, чтобы обеспечить осевое тепловое расширение без создания внутреннего напряжения.

Резюме: Как структурировать решение о выборе

При работе с высокими осевыми нагрузками используйте следующую последовательность действий:

1. Определите максимальную осевую нагрузку, среднюю эквивалентную нагрузку, ход и рабочий цикл.с максимально возможной точностью. Расчет срока службы L10 действителен настолько, насколько хороши входные данные.
2. Проверьте, имеется ли в наличии шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой необходимого размера Ca.Высоконагруженные ШВП рассчитаны на динамическую нагрузку до 1440 кН. Если область применения попадает в этот диапазон, в первую очередь следует оценить шариковинтовую передачу с высокой нагрузкой.
3. Рассчитайте срок службы L10 для шарико-винтовой передачи с высокой нагрузкой при средней эквивалентной нагрузке.Если расчетный срок службы соответствует требованию по интервалу технического обслуживания, выберите шариковинтовую передачу с высокой нагрузкой. Если нет, либо увеличьте диаметр вала, либо оцените роликовый винт.
4. Выберите конфигурацию подразделения поддержкив зависимости от максимальной осевой нагрузки, направления нагрузки и скорости. Убедитесь, что номинал опорного подшипника превышает максимальную осевую нагрузку с соответствующим запасом прочности.
5. Оцените общую стоимость владения, а не только первоначальная стоимость компонентов. Ролико-винтовая передача, срок службы которой в два раза дольше, чем шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой, не обязательно будет более экономичной,-эффективной, если шарико-винтовая передача с высокой нагрузкой стоит одну-треть цены.
6. Укажите роликовый винт только в том случае, еслинагрузка превышает диапазон шарико-винтовой передачи с высокой нагрузкой, рабочий цикл является непрерывным при высокой нагрузке или пространство для установки не позволяет использовать шарико-винтовую передачу большего диаметра с высокой нагрузкой.

Нужна помощь в выборе шарико-винтовой передачи, рассчитанной на высокую нагрузку?

Если вы сравниваете шарико-винтовую передачу, рассчитанную на высокие нагрузки, с ролико-винтовой парой для работы с большими нагрузками, DLY может помочь подобрать подходящий диаметр винта, шаг шага, тип гайки, расположение опорного узла и срок службы в зависимости от ваших условий работы.

Чтобы получить техническую спецификацию и предложение, сообщите максимальную осевую нагрузку, длину хода, рабочий цикл, требуемую точность и место для установки.