Шарико-винтовые пары (ШВП). Конструкция и назначение шарико-винтовых передач для станков с чпу Спиральный пар

Шариково-винтовая передача - разновидность линейного привода, трансформирующего вращательное движение в поступательное, которая обладает отличительной особенностью - крайне малым трением.

Вал (обычно стальной - из высокоуглеродистых видов стали) со специфической формы беговыми дорожками на поверхности выполняет роль высокоточного приводного винта, взаимодействующего с гайкой, но не напрямую, через трение скольжения, как в обычных передачах винт-гайка, а посредством шариков , через трение качения. Это обуславливает это высокие перегрузочные характеристики шарико-винтовой передачи и очень высокий КПД. Винт и гайка производятся в паре, подогнанными, с очень жесткими допусками, и могут быть использованы в оборудовании, где требуется очень высокая точность. Шариковая гайка обычно чуть более крупная, чем гайка скольжения - из-за расположенных в ней каналов рециркуляции шариков. Однако, это практически единственный момент, в котором ШВП уступает винтовым передачам трения скольжения.

Сфера применения шарико-винтовых пар

ШВП часто применяется в авиастроении и ракетостроении для перемещения рулевых поверхностей, а также в автомобилях, чтобы приводить в движение рулевую рейку от электромотора рулевого управления. Широчайший спектр приложений ШВП существует в прецизионном машиностроении, таком, как станки с ЧПУ, роботы, сборочные линии, установщики компонентов, а также - в механических прессах, термопластавтоматах и др.

История ШВП

Исторически, первый точный шариковый винт был произведен из достаточно малой точности обычного винта, на который была установлена конструкция из нескольких гаек, натянутых пружиной, а затем притерта по всей длине винта. Путем перераспределения гаек и смены направления натяга, погрешности шага винта и гайки могли быть усреднены. Затем, полученный шаг пары, определенный с высокой повторяемостью замерялся и фиксировался в качестве паспортного. Схожий процесс и в настоящее время периодически используется для производства .

Применение ШВП

Для того, чтобы шариковая пара отслужила весь свой расчетный срок с сохранением всех, в т.ч. точностных, параметров, необходимо уделить большое внимание чистоте и защите рабочего пространства, избегать попадания на пару пыли, стружки и прочих абразивных частиц. Обычно это решается путем установки гофрозащиты на пару, полимерной, резиновой или кожаной, что исключает попадание посторонних частиц в рабочую область. Другой метод состоит в использовании компрессора - подачи фильтрованного воздуха под давлением на винт, установленный открыто. Шарико-винтовые передачи благодаря использованию трения качения могут иметь определенный преднатяг, который убирает люфт передачи - определенный "зазор" между вращательным и поступательным движением, который имеет место при смене направления вращения. Устранить люфт особенно важно в системах с программным управлением, поэтому ШВП с преднатягом используются в станках с ЧПУ особенно часто.

Недостатки шарико-винтовых передач

В зависимости от угла подъема беговых дорожек, ШВП могут быть подвержены обратной передаче - малое трение приводит к тому, что гайка не блокируется, а передает линейное усилие в крутящий момент. ШВП обычно нежелательно использовать на ручных подачах. Высокая стоимость ШВП также фактор, который зачастую склоняет выбор машиностроителей в пользу более бюджетных передач.

Преимущества шарико-винтовых передач

Низкий коэффициент трения ШВП обуславливает низкую диссипацию и высокий КПД передачи - намного выше, чем у любых других аналогов. КПД самых распространенных шариковых пар может превышать 90% по сравнению с максимальными 50% для метрических и трапецеидальных ходовых винтов. Практические отсутствующее скольжение значительно увеличивает срок службы ШВП, что снижает простой оборудования при ремонте, замене и смазке частей. Все это в сочетании с некоторыми другими преимуществами, такими как более высокой достигаемой скоростью, сниженными требованиями к мощности электропривода винта, может быть существенным аргументом в пользу ШВП в противовес его высокой стоимости.

Производство винтов ШВП

Самые точные винты ШВП могут быть произведены только шлифовкой. Также винт можно получить накаткой - такой винт будет отличаться значительно меньшей стоимостью, но точность его будет ограничена погрешностью порядка 50 микрон на 300 мм хода.

Точность ШВП

Высокоточные винты обычно дают погрешность порядка 1-3 микрон на 300 мм хода, и даже точнее. Заготовки под такие винты получают грубой механоообработкой, затем заготовки закаливаются и шлифуются до кондиции. Три шага строго обязательны, т.к. температурная обработка сильно меняет поверхность ШВП.

Hard-whirling это сравнительно новая технология металлообработки, которая минимизирует нагрев заготовки в процессе, и может произвести точные винты из закаленной заготовки. Инструментальные винты ШВП обычно достигают точности 250 нм на сантиметр. Они изготавливаются фрезеровкой и шлифовкой на сверхточном оборудовании с контролем специализированным оборудованием субмикронной точности. Аналогичным оборудованием оснащены линии по производству линз и зеркал. Такие винты обычно изготавливаются из Инвара или других инварных сплавов, чтобы минимизировать погрешность, вносимую тепловым расширением винта.

Системы рециркуляции шариков

Подшипниковые шарики циркулируют в каналах резьбы гайки и беговых дорожек винта. Если не направлять шарик после окончания его путешествия, шарики просто вываливались бы из гайки наружу после достижения конца дорожки, поэтому в ШВП применяются несколько систем возврата шариков к началу дороже - систем рециркуляции.

Внешняя система используется металлическую трубку, которая соединяет вход и выход из канала гайки. Выходящие шарики попадают в трубку, и проталкиваемые последующими, следуют ко входу. Внутренняя система подразумевает нарезку аналогичного канала внутри гайки, шарики, выходящие из гайки, направляются специальной накладкой в просверленный канал, на выходе из канала аналогичная накладка переправляет шарики на вход беговой дорожки. Очень также распространен вариант, когда шарики циркулируют по нескольким закольцованным каналам, где возврат обеспечивается специальной заглушкой.

Шарико-винтовые пары

Шарико-винтовая передача (ШВП) – это линейный механический привод, преобразующий вращение в линейное перемещение и наоборот. Конструктивно она представляет собой длинный винт, по которому движется шариковая гайка. Внутри гайки между ее внутренней резьбой и резьбой винта по спиралевидной траектории катятся шарики, затем попадая в возвратные каналы – внутренние или внешние.

Концы винта обычно закрепляются на подшипниковых опорах, а гайка соединена с перемещаемым узлом. Когда винт вращается, гайка линейно перемещается по винту вместе с полезной нагрузкой. Но существуют и шарико-винтовые пары с вращающейся гайкой – в такой конструкции винт линейно перемещается относительно гайки.

Обыкновенная винтовая передача состоит из винта и гайки, которые имеют трапецеидальную резьбу. В такой передаче при движении возникает трение скольжения, и около 70% энергии рассеивается в виде тепла.

В отличие от передачи винт-гайка, шарико-винтовой привод содержит элементы качения (шарики), которые передают механическую энергию между гайкой и винтом. Это обеспечивает ШВП значительные преимущества:

• КПД может превышать 80%


• требуемые мощность и крутящий момент приводных двигателей намного меньше


• интенсивность износа минимизирована


• срок службы намного больше, чем у винтовых передач скольжения, и может быть определен вычислением усталости при качении


• меньший нагрев способствует непрерывной работе

Диапазон основных характеристик шарико-винтовых передач:

• Номинальный диаметр винта – от 6 до 150 мм


• Динамическая грузоподъемность – от 1,9 до 375 кН


• Статическая грузоподъемность – от 2, 2 до 1250 кН


• Линейная скорость – до 110 м/мин.

Важным параметром также является шаг резьбы. Чем он больше, тем выше максимальная линейная скорость, но ниже точность позиционирования и осевое усилие.

Мы предлагаем обширный ассортимент прецизионных ШВП с катаными и шлифованными винтами. Доступны и соответствующие аксессуары – фланцевые гайки и подшипниковые опоры.

Катаные шарико-винтовые передачи

Шарико-винтовые передачи SKF – это высокопроизводительное решение для широкого круга областей применения, в которых особенно важны точность, надежность и соотношение цена/качество.

Использование высокотехнологичного оборудования при производстве катаных винтов позволило добиться почти таких же характеристик и точности, как и у шлифованных, но с меньшими затратами. Стандартным является класс точности G9, согласно ISO 286-2:1988. Начиная с номинального диаметра 20 мм, катаные винты производства SKF соответствуют точности G7. По запросу доступны винты с точностью G5 по ISO 3408-3:2006, соответствующей точности G5 шлифованных винтов, предназначенные для позиционирования.

Из широкого ассортимента прецизионных катаных шариковинтовых пар SKF вы сможете выбрать именно то, что нужно в конкретном случае:

• Миниатюрные шарико-винтовые пары (с номинальным диаметром от 6 мм, внешней или внутренней рециркуляцией шариков) – компактная, эффективная система привода.


• Большая часть миниатюрных ШВП доступна в исполнении из нержавеющей стали.


• Катаные шарико-винтовые передачи большего номинального диаметра (от 16 до 63 мм) доступны с различными видами гаек, с осевым зазором или без, с преднатягом – как для обычного использования в приводе, так и в точном позиционировании.


• Для этих винтов предлагается множество дополнительных аксессуаров, например, опциональные фланцы для гаек и подшипниковые опоры, обеспечивающие упрощение сборки готовой системы.


• Катаные шарико-винтовые пары с большим шагом обеспечивают высочайшие линейные скорости для специфических областей применения.


• SKF также предлагает ШВП с вращающимися гайками, обеспечивающими снижение инерции системы. Вы можете обратиться к нам для получения более подробной информации.

SKF предлагает обширный ассортимент шлифованных шарико-винтовых передач для случаев, когда требуются высокая точность и жесткость. Так как поверхности качения обрабатываются специальным высокоточным оборудованием, шлифованные ШВП легко приспособить практически под любые требования. Стандартная точность резьбы – G5, по заказу доступны G3 и G1.

Как сделать правильный выбор?

В широком ассортименте шлифованных шарико-винтовых передач SKF вы наверняка найдете именно то, что нужно в конкретном случае:

• Метрические и дюймовые


• Гайка DIN или цилиндрическая фланцевая


• Внутренние или наружные возвратные каналы


• Фланец посередине гайки или с одного из торцов


• Гайка с осевым зазором, без зазора, с преднатягом


• Одинарная или двойная гайка


• Стандартная обработка концов винта или по требованиям заказчика


• Возможно изготовление гайки под заказ


• Опционально – вал с заплечиками, вырезанными из металлической пластины

Каталоги SKF по шарико-винтовым передачам

1. Технические характеристики
Шариковые винты, например NBS, отличаются строгим контролем качества, осуществленным во время каждого производственного процесса.
Высокая производительность винтов позволяет снизить крутящий момент до 70 % по отношению к традиционным трапецеидальным винтам, как в применениях общего назначения (превращение вращательного движения в поступательное движение), так и в специальных применениях (превращение поступательного движения во вращательное движение).

1.1 Геометрия контакта
Готическая арка создает значительную прочность винту, одновременно обеспечивая точность и низкие значения крутящего момента.

2. Параметры выбора шариковых винтов (с циркуляцией шариков) NBS

Выбор шарикового винта (с циркуляцией шариков) обусловлен следующими параметрами:

-Класс точности

-Шаг резьбы

-Номинальный срок службы

-Способ крепления

-Критическая скорость вращения

-Жесткость

-Рабочая температура

-Смазка

2.1 Класс точности
В наличии имеются шариковые винты (с циркуляцией шариков) NBS со следующими классами точности:

СО. С1 . С2 . С3 . С5 . С7 . С10

Каждый класс точности обусловлен следующими параметрами:

Е. е. езоо. е2∏

Приведенный ниже график предоставляет описание их значений.

2.2 Преднатяг и осевой зазор
Преднатяг и осевой зазор шариковых винтов NBS указаны в приведенной ниже таблице.

В приведенных ниже таблицах перечисляются основные указания при выборе класса точности, преднатяга и осевого зазора шариковых винтов (с циркуляцией шариков) NBS.

2.3 Шаг резьбы
Выбор шага винта зависит от следующей формулы:

где:
Ph = шаг винта [мм]
Vmax = максимальная скорость перемещения системы [м/мин]
n mах = максимальный режим вращения винта [мин 1]

В том случае, если результатом уравнения не является целый результат, следует выбрать округленную в большую сторону величину, выбирая между имеющимися в наличии шагами.

Учитывая возможную переменность осевых нагрузок, вызванную, например, наличием сил инерции, следует рассчитать значение нагрузки обозначенное, как “средняя динамическая нагрузка Pm”, определяющая одинаковые коэффициенты переменных нагрузок.

2.4.1 Средняя динамическая нагрузка
Для расчета шарикового винта подверженного переменным условиям работы, используются средние значения Рm и n m:

Р m = средняя динамическая осевая нагрузка[N]
n m = средняя скорость [мин -1 ]

При условиях непрерывной нагрузки и переменной скорости можно достигнуть следующих значений:

При условиях переменной нагрузки и непрерывной скорости можно достигнуть следующих значений:

При условиях переменной нагрузки и переменной скорости можно достигнуть следующих значений:

Выбор винта в зависимости от воздействующих и (или) востребованных сил тяги обусловлен следующими величинами:

• Статическая нагрузочная способность Соа
• Динамическая нагрузочная способность Са

Значения Соа приведены в размерных таблицах.

2.5.1 Коэффициент статического запаса прочности a s Коэффициент статического запаса прочности a s (или фактор статического запаса прочности) определяется следующим уравнением:

2.5.2 Коэффициент твердости f H
Коэффициент твердости учитывает поверхностную твердость дорожек качения:

где:
твердость дорожек HsV10 = фактическая твердость дорожек качения, выраженная в единицах по Виккерсу с испытательной нагрузкой равной 98.07 N

700HV10 = твердость, равная 700 единицам по Виккерсу при испытательной нагрузке равной 98.07 (700HV10 ≈ 60 HRC)

2.5.3 Коэффициент точности f ac
Коэффициент точности учитывает допуски обработки винта, а значит и класс точности, соответствующий стандарту.
В таблице приведены некоторые примеры.

Необходимость в коэффициенте статического запаса прочности a s > 1 свызвана возможным наличием ударов и (или) вибраций, пусковых и остановочных моментов, случайных нагрузок, которые могут привести к неисправности системы.
В приведенной ниже таблице указаны значения коэффициента статического запаса прочности с учетом типа применения.

Значения С а приведены в размерных таблицах.

2.7 Номинальный ресурс L

Номинальный ресурс L (это теоретический пробег,выполненный, по крайней мере, 90% показательного количества одинаковых шариковых винтов (с циркуляцией шариков), подверженных одинаковым условиям нагрузкам, не проявляя признаков усталости материала) определяется следующими условиями:

• Гайка без преднатяга
• Гайка с преднатягом

2.7.1 Гайка без преднатяга
Для шариковых винтов (с циркуляцией шариков) с гайкой без преднатяга, расчет номинального ресурса, выраженный в числе оборотов, определяется следующей формулой:

где:


P m = средняя задействованная динамическая осевая нагрузка [N]

• Класс точности винта от 1 до 5
• Надежность до 90 %

где:
a 1 = коэффициент надежности

2.7.2 Коэффициент a 1
Коэффициент а 1 учитывает возможность непрогиба C%.

Следует заметить, что для С% = 90 a 1 = 1.00

2.7.3 Гайка с преднатягом
Действительность последующих формул обусловлена поддержанием постоянного преднатяга; в ином случае следует учитывать случай с гайкой без преднатяга.
Для шариковых винтов (с циркуляцией шариков) с гайкой с преднатягом, расчет номинального ресурса, выраженный в числе оборотов, определяется следующей формулой:

где:
L 10 = номинальный ресурс [обороты]
L 10 b - (С а /Pm 2) х 10 6

L 10a и L1 0b номинальные ресурсы для двух половинок гайки.

Данное уравнение действительно в следующих случаях:
• Твердость дорожек качения = 60HRC
• Класс точности винта от 1 до 5;
• Надежность до 90 %.

В том случае, если условия эксплуатации не соответствуют приведенным выше условиям, следует использовать следующую формулу:

где:
L 10 = номинальный ресурс [обороты]
L 10 a = (C a /P m1) 3 X 10 6
L 10 b - (С а /Pm 2) х 10 6

a 1 = коэффициент надежности;
f ho = коэффициент твердости (см. коэффициент статического запаса прочности a s)
f ac = коэффициент точности (см. коэффициент статического запаса прочности a s)

P m1 и P m2 - средние осевые динамические нагрузки для двух половинок гайки;

Р r = сила преднатяга [N]

2.7.4 Номинальный срок службы в часах Lh

Имея L 10 (номинальныйресурс, выраженный в числе оборотов) можно рассчитать номинальный ресурс в часах работы L h ;

где:
L m = продолжительность работы [часы]
n m = средняя скорость вращения [мин -1 ]

m i = скорость [МИН -1 ]
qi = процентное распределение [%]

2.7.5 Номинальный срок службы в км Lkm

Имея L 10 (номинальный ресурс, выраженный в числе оборотов) можно рассчитать номинальный ресурс пройденного расстояния в км L km .

где:
L km =номинальный ресурс [км]
P h = шаг винта [мм]

В нижеследующей таблице приведены указания типического рабочего ресурса шарикового винта для применений общего назначения.

2.8 Способ крепления
Как правило, существуют следующие типы крепления шарикового винта:

Применяемый способ крепления - это функция условий применения, обеспечивающая жесткость и требуемую точность.

2.9 Критическая скорость вращения

Максимальная скорость вращения шарикового винта не должна превышать 80% критической скорости.
Критическая скорость вращения представляет собой точку, в которой винт начинает вибрировать, вырабатывая резонансный эффект, вызванный совпадением частоты вибрации с естественной частотой винта.

Значение критической скорости зависит от внутреннего диаметра ходового винта, способа крепления краев и длины свободной величины прогиба.
Критическая скорость измеряется следующей формулой:

где:
n cr = критическая скорость [мин -1 ]
f kn = коэффициент способа крепления
d 2 = внутренний диаметр ходового винта [мм]
l n = длина свободной величины прогиба [мм]

В зависимости от типа крепления, поставляются значения f kn:

где:
do = номинальный диаметр [м м]
da = диаметр шариков [мм]
а = угол контакта (= 45)

Длина свободной величины прогиба l n определяется в зависимости от:

-Гайки без преднатяга

l n = расстояние между креплениями [мм] (в случае крепления “неразъемное - свободное", следует учитывать расстояние между свободным краем винта и гнездом)

-Гайка с преднатягома

l n = максимальное расстояние между половиной гайки и креплением [мм] (в случае крепления “неразъемное - свободное", следует учитывать максимальное расстояние между половиной гайки и свободным краем винта)

n mах = максимальная скорость вращения винта [обороты/мин]

Критическая нагрузка - это максимальная осевая нагрузка, которой может подвергаться винт, не нарушая стабильности системы; в том случае, если действующая на винт максимальная осевая нагрузка достигнет или превысит значение критической нагрузки, создается новая форма воздействия на винт, которое называется “пиковая нагрузка”, вызывающая дополнительный прогиб помимо простого сжатия.

Данное явление, связанное с эластичными свойствами компонента, становиться более чувствительным тогда, когда большая длина свободной величины прогиба винта будет иметь достойные внимание значения по отношению к ее разрезу. Значение критической нагрузки определяется следующей формулой:

где:
P cr = Критическая нагрузка [N]
f kp = коэффициент способа крепления
d 2 = внутренний диаметр ходового винта [мм] (см. критическую скорость)
l cr = длина свободной величины прогиба [мм]

В зависимости от типа крепления, поставляются значения fkp:

Для расчета критической нагрузки, значение la определяется максимальным расстоянием между половиной гайки и креплением.

Для большей безопасности, следует рассматривать максимально допустимую осевую нагрузку, как равную половине критической нагрузки:

P max = максимально допустимая осевая нагрузка [N]

2.11 Жесткость

Осевая жесткость системы перемещения оснащенной шариковым винтом определяется следующей формулой:

где:
К = осевая жесткость системы
Р = осевая нагрузка [N]
е = осевая деформация системы [µm]

Осевая жесткость системы К - это функция осевой жесткости отдельно взятых компонентов, которые ее составляют: ходовой винт, гайка, опоры, соединительные опорные элементы и гайка.

где:
K s = осевая жесткость ходового винта
K N = осевая жесткость гайки
К в = осевая жесткость опор
К н = осевая жесткость соединительный опорных элементов и гайки

2.11.1 Ks- Осевая жесткость ходового винта

Значение жесткости Ks - это функция системы крепления.

Способ крепления: Неразъемный - Неразъемный

где:
d 2 = внутренний диаметр (см. критическую скорость вращения)
l s = расстояние между средней осью двух креплений

Способ крепления: Неразъемный - Опорный

где:
d 2 = внутренний диаметр [мм] (см. критическую скорость)
l s = максимальное расстояние между средними осями крепления и гайкой [мм].

2.11.2 K N - Осевая жесткость гайки

Двойная гайка с преднатягом

где:
K = табличная жесткость
F pr = сила преднатяга [N]

Простая гайка без преднатяга

Значение K N определяется следующей формулой:

где:
P = осевая нагрузка [N]
C a = нагрузочная динамическая способность [N]

2.11.3 Кв - Осевая жесткость опор

Осевая жесткость опор винта обусловлена жесткостью подшипников.
В случае жестких радиальных шариковых подшипников с угловым контактом применяются следующие формулы:

где:
бв = осевая деформация подшипника
Q = нагрузка на каждый шарик [N]
β = угол контакта (45°)
d = диаметр шариков [мм]
N = число шариков

Жесткость соединительных опорных элементов и гаек является характеристикой станка, а значит, не зависит от системы винта, гайки, опор.

2.12 Рабочая температура

В случае крепления типа “неразъемный-неразъемный", следует учитывать возможное тепловое расширение, вызванное повышением температуры винта во время работы; такое расширение, если предусмотрено соответствующим образом, оказывает на систему действие дополнительной осевой нагрузки, которое может привести к неисправности работы системы. Для решения проблемы необходимо выполнить достаточный преднатяг винта.

где:
AL = изменения длины [мм] а = коэффициент теплового расширения
(11.7 х 10 -6 [°С -1 ])
L = длина винта [мм]
АТ = изменения температуры[°С]

2.13 Смазка

Для смазки шариковых винтов NBS нужно учитывать следующие указания.

2.13.1Смазывание жидким смазочным материалом

Следует предпочитать данный тип смазывания в случае эксплуатации на высоких скоростях вращений. Смазочные жидкие вещества, которые можно применить, наделены теми же характеристиками, как и вещества применяемые для смазки подшипников качения (от VG 68 до VG 460). Выбор вязкости - это функция рабочих характеристик и рабочей среды: температура, скорость вращения, действующие нагрузки; только для винтов с низким режимом вращения рекомендуется применять высокие классы вязкости (около VG 400).
В данном случае не нужно обращать особого внимания на техобслуживание за исключением постоянного обеспечения в системе смазочного масла (промежутки для осуществления повторной смазки являются более короткими, чем в установках, использующих консистентную смазку).
В любом случае следует соблюдать инструкции производителя жидкого масла.

2.13.2 Консистентная смазка

Смазывание консистентной смазкой предназначено для невысоких скоростей вращения.
При выборе консистентной смазки следует учитывать предписания, применяемые для смазывания подшипников качения; поэтому рекомендуется использование консистентной смазкой на основе литийного мыла, а не смазок с твердыми добавками (как, напр., MoS2 или графитные смазки), за исключением очень низких режимов вращения; однако рекомендуется придерживаться инструкций производителя консистентной смазки.

3. Момент и номинальная мощность

Для приблизительного расчета значений момента и мощности двигателя для преобразования вращательного движения в прямолинейное движение, нужно использовать данные формулы:

где:

Рmax = максимальная действующая нагрузка [Н]
Ph = шаг резьбы [мм]
ɳ v = механический кпд винта (ок. 0.9)
ɳ t = механический кпд трансмиссии двигателя - винта
(трансмиссия с зубчатыми колесами ɳ t = 0.95+0.98);
z = передаточное число двигатель - винт

В случае прямого соединения двигателя - винта, z=1 и ɳ 2 =1.

где:
Nm = номинальная мощность двигателя [кВт]
Mm = номинальный крутящий момент [Нм]
Пmах = максимальный режим вращения винта [мин]
z = передаточное число двигатель - винт(Птах X Z = П motor)

В случае преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, имеется:

М r = момент нагрузки [Нм]
Р max = максимальная действующая нагрузка [Н]
P h = шаг резьбы [мм]
ɳ r = механический кпд (ок. 0.8

4. Примеры монтажа

6. Программа расчета NBS для шариковых винтов (с циркуляцией шариков)

В нашем интернет-магазине Вы можете приобрести самостоятельно

Или, обратившись к нашим специалистам по бесплатному номеру телефона 8 800 700 72 07

А также, отправив заявку на адрес электронной почты sale@сайт

С появлением промышленного производства винтовые передачи стали широко применяться в технике, в частности для перемещения суппортов металлорежущих станков. Развитием винтовых механизмов стали шарико-винтовые передачи (ШВП). Их появление обусловлено созданием нового поколения металлорежущего оборудования - станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Функциональное предназначение и устройство

Вид профиля впадины винт-гайка: а) арочный контур б) радиусный контур

Цель рассматриваемого механизма состоит в том, чтобы преобразовать вращательное движение привода в прямолинейное перемещение рабочего объекта. Передача состоит из двух составных частей: ходового винта и гайки.

Винт изготавливается из высокопрочных сталей марок 8ХФ, 8ХФВД, ХВГ, подвергнутых индукционной закалке, или 20Х3МВФ с азотированием. Резьба выполнена в форме спиральной канавки полукруглого или треугольного сечения. В зависимости от условий работы винта профиль впадины может иметь несколько исполнений. Наиболее часто применяется арочный или радиусный контур.

Охватывающая деталь - гайка является составным узлом. Она имеет сложное устройство. Обычно представляет собой корпус, в котором расположены два вкладыша с такими же канавками, как и у ходового винта. Материал вкладных деталей: объемно закаливаемая сталь марки ХВГ, цементируемые стали 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18ХГТ. Вставки устанавливают таким образом, чтобы после сборки обеспечить предварительный натяг в системе винт-гайка.

Внутри винтовых канавок размещаются закаленные стальные шарики, изготовленные из стали ШХ15, которые при работе передачи циркулируют по замкнутой траектории. Для этого внутри корпуса гайки имеются несколько обводных каналов, выполненных в виде трубок, соединяющих витки гайки. Длина их может быть различной, то есть шарики могут возвращаться через один, два витка, или в конце гайки. Наиболее распространенным является возврат на смежный виток (система DIN).

Принцип работы

Винт приводится во вращение от приводного электродвигателя, гайка закреплена неподвижно на рабочем органе станка (суппорт, каретка, шпиндельная бабка, люнет и так далее). При этом возникает осевая сила, действующая на шарики, размещенные внутри гайки, под действием которой они начинают катиться в замкнутых винтовых канавках. Сила реакции воздействует на гайку, а поскольку та жестко соединена с перемещаемой деталью, заставляет последнюю перемещаться по направляющим станка. В чем состоит отличие работы ШВП от обычной винтовой передачи с трапециевидной резьбой, которая ранее применялась на станках?

1. При вращении ходового винта прежней конструкции в зоне контакта двух деталей возникало трение скольжения, характеризующееся коэффициентом трения (бронза по стали, со смазкой) f = 0,07–0,1. В механизме с шариковыми элементами действует трение качения с коэффициентом f = 0,0015–0,006. Как видно из приведенных значений, винтовые шариковые передачи требует значительно меньшей мощности приводного двигателя.

2. Для точного позиционирования каретки или суппорта станка перед остановкой рабочего органа необходимо замедлять скорость его перемещения. По достижении определенного порога минимальной скорости возможны микроостановки - залипания - движущегося узла. В момент возобновления движения его характер определяется трением покоя, которое при скольжении значительно превышает трение движения. Из-за этого возникают рывки, ухудшающие точность позиционирования. При трении качения этот недостаток практически сводится к нулю.

Быстроходные или скоростные ШВП

Быстроходный ШВП

Увеличение скорости перемещения гайки относительно винта достигается за счет увеличения шага между канавками, по сравнению со стандартным винтом в 3-5 раз, у обычной ШВП передачи диаметра 16-32мм шаг составляет 5-10мм, у скоростной тех же диаметров — 16-32мм и кратна диаметру винта.

За счет увеличения скорости перемещения — потери в жесткости и максимальной нагрузки на передачу (большей степени) и точности (в меньшей степени).

Классификация

По технологии изготовления ходовые винты бывают:

• Катаные - с винтовой канавкой, получаемой методом холодной прокатки. Эти винты производятся с меньшими затратами, поэтому обладают лучшим соотношением цена-качество при средней точности изготовления (C5, C7, C9).
• Шлифованные - относятся к прецизионным изделиям. После нарезания резьбы и последующей термообработки подвергаются шлифованию. Имеют повышенную точность (C1, C3, C5) и более высокую цену.

По конструкции:

• Шарико-винтовые - изготовленные согласно стандарту DIN. Шарики возвращаются в смежную канавку по желобу отражателя, встроенного в гайку.
• Прецизионные - изготавливаются шлифованием. Могут состоять из одной или двух гаек, иметь предварительный натяг (преднатяг) - устранение осевого зазора с целью повышения точности при реверсах и увеличения жесткости привода.
• Прецизионные с сепаратором - отличаются конструкцией возврата шариков (отсутствует соударение) и шлифованным профилем канавки.
• Прецизионные с вращающейся гайкой имеют встроенный подшипник, благодаря чему имеют повышенную точность перемещения.
• Шлицевый вал с шариковыми втулками фланцевого исполнения. При этом вал выполняет функцию внутреннего кольца подшипника. Эта конструкция отличается компактностью и простотой монтажа.
• Консольное исполнение винта . Применяется для коротких ходовых винтов, не имеющих второй поддержки.

Технические характеристики ШВП

Основные параметры:
• Диаметр и шаг винта - от 16 × 2,5 до 125 × 20 мм.
• Длина винтового стержня. Ходовые винты для станков с ЧПУ обычно выпускаются с максимальной длиной 2,0–2,5 м, хотя под заказ изготавливают и до 8 метров.
• Линейная скорость перемещения - до 110 м/мин.
• Точность передачи - C1…C10.

Силовые характеристики для некоторых типоразмеров приведены в таблице:

Установка передачи

Выбор ШВП для конкретного оборудования производится в процессе конструкторской разработки, а именно на стадии эскизного проектирования - после того как будут определены величина хода стола и необходимое усилие на винте. Затем уточняют техническое решение:

• В зависимости от необходимой степени точности привода выбирают между обычной и прецизионной передачей.
• Определяют конструктивный вариант гайки: одинарная, двойная, способ возврата шариков, наличие подшипника и другое. Одинарная гайка дешевле, но в случае износа требует замены, сдвоенную можно регулировать путем подшлифовки компенсатора. Система рециркуляции шариков с помощью трубок несколько увеличивает стоимость гайки, однако допускает возможность ремонта изношенных каналов путем замены обводных трубок.
• Решают - требуется или нет поддержка свободного конца винта.
• Уточняют характер соединения корпуса гайки с перемещаемым узлом, а также ведущего конца ходового винта с электромеханическим приводом. Производят динамический расчет, в случае необходимости вносят изменения в конструкцию.
• Закончив сборку станка, производят испытания всех узлов, в том числе и шарико-винтовой передачи, согласно методике испытаний.

Область применения

ШВП получили широкое распространение во многих отраслях промышленности: станкостроение, робототехника, сборочные линии и транспортные устройства, комплексные автоматизированные системы, деревообработка, автомобилестроение, медицинское оборудование, атомная энергетика, космическая и авиационная промышленность, военная техника, точные измерительные приборы и многое другое. Несколько примеров использования этих узлов:

• Приводы подач станков с ЧПУ. Первый серийно выпускаемый в СССР обрабатывающий центр ИР-500 имел 3 координаты обработки. Современные системы содержат значительно большее количество линейных приводов. Например, многошпиндельные автоматы продольного точения Tornos серии MULTI SWISS имеют 14 управляемых осей.
• Перемещение поршня-рейки рулевого механизма автомобилей (МАЗ, КАМАЗ, Газель).
• Вертикальное перемещение каретки производственного 3D-принтера VECTORUS серий iPro и sPro.

Производители:

• Steinmeyer (Германия);
• SKF (Швеция);
• MecVel (Италия);
• THK (Япония);
• SBC (Корея);
• HIWIN (Тайвань).

Большинство производителей компрессоров заявляют гарантию на работу без капитального ремонта компрессора до 40000 часов. При идеальных условиях, которых не бывает при реальной эксплуатации.

Время жизни современных опорных подшипников винтовой пары еще не достигло уровня, когда в течении этого времени не требуется вмешательства и их замены. В среднем и по честному, подшипники работают от 10000 до 20000 часов, в зависимости от качества подшипников установленных в винтовой блок на заводе и регулярности технического обслуживания у владельца компрессора. После наработки этого времени, появляется шум под нагрузкой в винтовой паре, нарастающий по мере увеличения износа еще 5000-15000 тысяч часов. В итоге, компрессор начинает перегреваться и винтовой блок клинит из-за изменившихся зазоров в винтовой паре. В случае серьезного перегрева торцы винтовой пары "привариваются" к корпусу, что резко увеличивает трудозатраты на ремонт винтового блока. Или подшипники разваливаются, оставляя за собой непредсказуемые повреждения - от локального перегрева винтовой пары, до задиров и колотых хвостовиков винтов.

В любом из этих случаев, выполним следующие работы:

Замена опорных подшипников винтовой пары.
- замена сальников винтовых валов.
- настройка рабочих зазоров винтового блока.
- восстановление рабочих торцов винтов.
- восстановление профиля винтов.
- восстановление хвостовика ведущего винтового вала.
- восстановление корпуса винтового блока.

Работы проводятся одинаково успешно, независимо от производителя винтового блока, будь то: Ceccato, Aerzener, GHH-Rand, Rotorcomp, Fini, Enduro, Tamrotor, Termomeccanica, VMC, отечественный Арсенал или любой другой производитель.

Пример проведения работ, нажмите на заголовок, чтобы просмотреть:

Ремонт винтового блока 250 кВт

Сдвоенный винтовой блок с прямой передачей через редуктор. Агрегат исправно работал в течении 5 лет, после чего после чего по нарастающей, появились шумы и вибрации при работе винтового блока. Вес 1100кг и размеры агрегата внушают уважение любому, кто стоит рядом с этим произведением инженерной мысли.

После согласования объёма работ с заказчиком, провели дефектацию винтового блока с полной разборкой:

Вскрытие показало полный износ опорных подшипников обоих винтовых пар, одной части чуть больше, второй чуть меньше, и небольшие локальные задиры на одном из винтовых блоков. По всей видимости, неудержимая мощь этого агрегата засосала и съела какой-то весьма твердый мусор:

Износ подшипников приближался к критическому, что в дополнение к мусору, также отразилось на торцах винтовых роторов:

В картере и закрытых полостях присутствовала металлическая стружка, что говорило о предельном износе подшипников и грядущем перегреве и заклинивании. Если бы не аккуратность и внимательность обслуживающего персонала компрессора, то еще немного и объемы ремонта возрасли бы в разы:

После результатам дефектации заказали новые подшипники для винтовых пар, произвели их замену, а также замену подшипников редуктора. Собрали всю металлическую стружку, промыли картер, убрали все задиры на роторах и крышках. Аккуратно собрали и максимально точно и тщательно настроили оба винтовых блока, чтобы избежать перекосов по нагрузке при работе.

Теперь ближайшие 4-5 лет Заказчику не о чем беспокоится, кроме своевременной замены масла и фильтров на данном агрегате.

Ремонт винтового блока 75 кВт

Винтовой блок с зубчатой передачей. Беда подкралась со стороны электродвигателя Siemens, который разбил подшипники свои и соответственно шестеренчатого редуктора, что привело к заклиниванию. Шпонки на зубчатых шестернях не срезало и случилось то, что должно было случится - расколота малая шестерня и хвостовик ведущего ротора.
Анализ материала винтовой пары показал, что это обычный чугун. Эффективный с точки зрения трения, но плохо поддающийся ремонту. Это также объясняет, почему не срезана стальная шпонка и делает ремонт только интереснее.

Убитая шестерня:

Повреждения хвостовика ведущего вала:

Учитывая факт, что стоимость нового винтового блока в 4-5 раз дороже ремонта, решение клиентом было принято незамедлительно.

Восстановили хвостовик и шпоночный паз. Еще раз обращаем внимание, что материал винтов - чугун:

Заказали и установили новую шестерню:

Само собой, поменяли опорные подшипники, попутно улучшив конструкцию - вместо одного упорно-радиального подшипника установили два, что зафиксировало рабочий зазор в винтовой паре и сделало её еще более надежной, нежели при выпуске с завода:

Ремонт винтового блока Rotorcomp NK100 22кВт

Винтовой блок Rotorcomp из состава компрессора Renner-Kompressoren прибыл к нам на ремонтную базу в заклиненном состоянии, честно отработав свои 5 лет с 2007 года:

Несмотря на регулярное обслуживание компрессора время взяло свое, износ опорных подшипников достиг критических допусков, масло уже не помогало в охлаждении винтовой пары и винтовые роторы уперлись в рабочую поверхность, приварившись к ней. Этот тип ремонта всегда непредсказуем по объему работ и получив карт-бланш от Заказчика приступили к разборке винтового блока. Было принято решение разбирать медленно и нежно, чтобы свести к минимуму повреждения при разъеме приварившихся частей. После упорной борьбы за сохранность, винтовая пара сдалась с минимальными потерями для кошелька Заказчика:

Повреждения крышки винтового блока тоже свели к минимуму:

Восстановили рабочие поверхности торцов винтов и плоскость крышки с помощью сварки, токарного и фрезерного станков, а также бесценных знаний и опыта наших механиков. Заменили опорные подшипники винтовой пары. Собрали и настроили винтовой блок. Вернули Заказчику с комментариями к кому обращаться и что делать, когда через 4-5 лет жесткой эксплуатации компрессора, рабочая температура масла снова начнет расти.