Може ли сферична гайка да се върти с висока скорост? Обяснение на DN стойността, оловото и топлината

Да, сферичната гайка може да се използва при високоскоростно приложение, но правилният въпрос не е просто дали гайката може да се „движи бързо“.

За високоскоростна сферична винтова ос инженерите трябва да проверятизисквани обороти на винта, DN или Dm-N стойност, дизайн на циркулация на топката, ход, смазване, предварително натоварване, генериране на топлина и работен режим. В същото време въртящият се винтов вал трябва да остане под своята допустима критична скорост.

Това са различни граници. Сферичната гайка може да има циркулационна система, способна на висока скорост, докато самият винтов вал вече се доближава до резонанс. Обратно, един къс и твърд винт може да има голям запас от критична скорост, докато сферичната гайка достигне своята DN или термична граница първа.

Какво означава „висока скорост“ за сферична гайка?

Високата линейна скорост и високата скорост на въртене са свързани, но не са едно и също нещо.

Връзката е:

Обороти в минута на винта = линейна скорост ÷ водеща

Когато линейната скорост е изразена в mm/min, а изпреварването в mm/rev, резултатът е обороти на винта в минута.

Например, да предположим, че една ос трябва да се движи при30 м/мин, или 30 000 мм/мин.

Сачмен винт	Необходими обороти при 30 m/min
5 мм	6000 оборота в минута
10 мм	3000 оборота в минута
20 мм	1500 оборота в минута
25 мм	1200 об./мин

Това илюстрира защо сачмено-винтовите шайби с голямо олово често се използват за бързо линейно движение. По-голямата преднина позволява да се достигне същата линейна скорост при по-ниска скорост на въртене.

обачевисоката преднина не означава автоматично висока скорост. Циркулационната система на гайката, винтовият вал, опорните лагери, смазването и предварителното натоварване все още трябва да са подходящи за необходимата работна скорост.

Сферичната гайка има собствено ограничение на скоростта

В сферичната гайка стоманените топчета не просто се търкалят по безкрайна права пътека.

Те преминават през натоварената пътека между винта и гайката, напускат натоварената зона, преминават през обратна пътека и отново влизат в канала.

С увеличаване на скоростта на въртене:

• топките циркулират през гайката по-често;
• ускорението на топката вътре в системата за връщане се увеличава;
• въздействието при прехода към и извън обратния път става по-важно;
• смазването става по-трудно за поддържане;
• топлината от триене се увеличава;
• шумът и вибрациите могат да се увеличат;
• центробежните и инерционните ефекти стават по-значими.

Ето защо дизайнът на циркулацията има голямо значение при високоскоростна сферична гайка.

Какво е DN или Dm-N стойност?

Стойността DN или Dm-N обикновено се използва за описание на способността за скорост на гайката на сачмен винт и нейната система за циркулация на сачмата.

В опростена форма:

DN = Референтен диаметър × Скорост на въртене

или за каталози, използващи диаметъра на окръжността на топката:

Dm-N = Dm × N

където:

• Дм= определен референтен или диаметър на окръжността на делителя на топката;
• Н= скорост на въртене в rpm.

Една важна подробност е, че производителите не винаги използват точно същия референтен диаметър, когато публикуват DN или Dm-N граници.

Следователно не изчислявайте стойност, като използвате номиналния диаметър на винта и директно я сравнявайте с ограничението Dm-N на производителя, освен ако и двете стойности не използват една и съща дефиниция.

Прост пример за DN

Само за предварително сравнение, да предположим, че номиналният диаметър на винта е използван като референтен.

25 mm сачмен винт, въртящ се с 4000 rpm, дава:

25 × 4000 = 100 000

Ако скоростта на въртене се увеличи до 6000 об/мин:

25 × 6000 = 150 000

Обърнете внимание, че увеличаването на диаметъра на винта не решава автоматично проблема с ограничението на DN. При същите обороти в минута по-големият референтен диаметър всъщност води до по-висока DN стойност.

Ако скоростта на гайката се превърне в ограничаващ фактор, възможните решения включват:

• използване на по-голяма преднина за намаляване на необходимите обороти в минута;
• избор на циркулационна структура на гайка, проектирана за по-висока стойност DN/Dm-N;
• намаляване на целевата линейна скорост;
• преглед на предварително натоварване и смазване;
• обмисляне на друга схема на задвижване за изключително дълги или бързи оси.

Критичната скорост и ограничението на скоростта на сферичната гайка не са едно и също

Това разграничение е един от най-важните моменти при избора на високоскоростни сферични винтове.

Лимит	Основен компонент	Основно безпокойство при повреда	Основни влияещи фактори
DN / Dm-N граница	Сферична гайка и система за рециркулация	Топлина, удар, шум и прекомерна скорост на циркулация на топката	Дизайн на гайката, референтен диаметър, RPM, структура на връщане на топката и смазване
Критична скорост	Въртящ се винтов вал	Резонанс, биене и странична вибрация	Диаметър на корена, неподдържана дължина и състояние на крайна опора

Дълъг, тънък сачмен винт често е ограничен от критичната скорост на вала, преди гайката да достигне максималната си циркулационна способност.

Къс винт с голям диаметър може да се държи различно: валът може да има висока критична скорост, докато DN/Dm-N или температурата стават практическата граница.

За изчислението от страната на вала вижтеКритична скорост на сферичния винт: как да го изчислим и защо има значение.

Защо дизайнът на циркулацията на топката има значение при висока скорост?

Всеки път, когато една топка напусне натоварената пътека и навлезе в пътя за рециркулация, нейната посока и скорост се променят.

При ниска или умерена скорост тези преходи са относително лесни за управление. При висока скорост на въртене повтарящото се ускорение и удар могат да се превърнат в основен източник на:

• шум;
• вибрации;
• топлина;
• носене на топки;
• напрежение на връщащия компонент.

Поради това високоскоростните гайкови структури се фокусират не само върху ниското триене, но и върху това да направят връщането на топката възможно най-плавно.

Крайната капачка и други оптимизирани циркулационни структури могат да бъдат полезни, тъй като пътят на топката може да бъде проектиран така, че да намали резките промени в движението на топката.

SFS и SFE решават различни проблеми с висока скорост

DLY доставя няколко конструкции със сферична гайка. Две серии, често свързвани с по-бързо движение, са SFS и SFE, но те не трябва да се третират като идентични.

Серия	Основно направление на дизайна	Защо може да помогне при по-висока скорост
SFS	Безшумен тип единична гайка с циркулация на крайната капачка и компактна структура	Плавно връщане на топката и работа с по-нисък шум за подходящи оси със средна до висока скорост
SFE	Гайка с фланец с високо олово	По-големият ход на оборот позволява високо линейно подаване при по-ниски обороти на винта

Гайките DLY SFS използват циркулационна структура на крайния капак и се предлагат в по-големи комбинации от изводи като 10, 20, 32, 40 и 50 mm в зависимост от модела. Те се избират, когато са важни гладката циркулация, компактният монтаж и по-ниският работен шум.

Гайките SFE се характеризират предимно с дизайна си с голям олово. Модели като SFE1616, SFE2020 и други конфигурации с висока преднина могат да постигнат по-голям ход на оборот на винта.

Следователно:

Действителната максимална скорост на която и да е серия все още трябва да бъде потвърдена за избрания диаметър, ход и работно състояние.

Голямата преднина не означава неограничена скорост

Сферичната гайка с високо съдържание на олово може да намали значително оборотите на винта, но има компромиси.

По-голям оловен ефект	Резултат
Повече линеен ход на оборот	По-висока линейна скорост при същите RPM
По-ниски обороти за същата скорост на подаване	Може да помогне с ограничения на критичната скорост и DN
По-голям ход на оборот на двигателя	По-груба теоретична линейна разделителна способност за същата разделителна способност на енкодера
Различна геометрия на спиралата	Трябва да се проверят изискванията за въртящ момент на двигателя и задвижване

Това означава, че правилният проводник трябва да бъде избран от пълните изисквания на машината, а не просто чрез избиране на най-големия наличен проводник.

Смазването става по-критично с увеличаване на скоростта

Високоскоростната работа увеличава броя на въртящите се контакти и циклите на циркулация на топката за единица време.

Ако смазването е недостатъчно, системата може да изпита:

• по-високо триене;
• бързо повишаване на температурата;
• износване на канали;
• носене на топки;
• повишен шум;
• съкратен експлоатационен живот.

Но повече смазка не означава автоматично по-добро.

Излишната грес може да увеличи устойчивостта на разбиване вътре в гайката, особено при по-високи скорости. Това може да увеличи въртящия момент и температурата, вместо да подобри работата.

Поради това високоскоростното смазване се нуждае от правилното:

• тип смазка;
• вискозитет;
• количество;
• интервал на повторно смазване;
• метод на доставка.

Подходящото решение зависи от скоростта, натоварването, работния цикъл, структурата на гайката, работната температура и околната среда.

Защо високоскоростната сферична гайка генерира топлина?

Сферичният винт е ефективен, но не е без триене.

При висока скорост топлината може да идва от:

• търкаляне и плъзгане от топка към пътека;
• взаимодействие топка с топка;
• преходи за връщане на топката;
• уплътнения и чистачки;
• разбиване на смазка;
• предварително натоварване;
• опорни лагери.

Температурата има значение, защото валът на винта се разширява при нагряване.

След това термичното разширение може да повлияе на точността на позициониране, особено при дълги прецизни оси.

Следователно за високоскоростна прецизна машина не е достатъчно просто да се докаже, че гайката "може да се върти с необходимите обороти в минута". Термичното поведение на цялата ос също трябва да се провери при реалистични условия на работен цикъл.

Помага ли повече предварително зареждане при висока скорост?

Предварителното натоварване може да намали аксиалната хлабина и да увеличи твърдостта, което е полезно за прецизно позициониране.

Въпреки това, предварителното натоварване също увеличава вътрешната контактна сила.

При висока скорост прекомерното предварително натоварване може да допринесе за:

• по-висок въртящ момент;
• допълнително генериране на топлина;
• по-голяма нужда от смазване;
• по-високо напрежение на лагера и пистата;
• по-кратък живот, ако работните условия не са подходящи.

Следователно максималното предварително натоварване не е автоматично най-добрият избор за високоскоростна ос.

Подходящото предварително натоварване трябва да балансира:

Твърдост + Луфт + Скорост + Топлина + Живот

Зареждането все още има значение при висока скорост

Сферичната гайка може да удовлетвори изискването си за скорост и пак да бъде неподходяща поради натоварване.

Високоскоростната автоматизация често съчетава:

• бързо ускорение;
• бързо забавяне;
• често обръщане;
• кратки времена на цикъла;
• непрекъсната работа.

Ускорението създава допълнителна инерционна сила:

F = m × a

Тази сила трябва да бъде включена заедно с нормалното работно натоварване, когато се оценява еквивалентното динамично натоварване и експлоатационния живот на сачмено-винтовия винт.

Високоскоростна ос за вземане и поставяне със сравнително лек полезен товар все още може да изпита значително динамично натоварване, ако ускорението е агресивно.

Високата скорост и високата точност са различни изисквания

Друга често срещана грешка е да се приеме, че най-бързата топка трябва да бъде и най-точна.

Възможността за скорост и точността на позициониране са отделни спецификации.

Точността зависи от фактори като:

• степен на точност на сферичния винт;
• водеща грешка;
• предварително натоварване или аксиален хлабина;
• твърдост на носещата опора;
• подравняване на инсталацията;
• термично разширение;
• резолюция на двигателя и енкодера;
• твърдост на конструкцията на машината.

Например, изборът на SFE структура с висока преднина може да помогне на дадена ос да достигне висока скорост на подаване при по-ниски обороти в минута, но необходимият клас на точност C3, C5 или C7 все още трябва да бъде избран отделно според изискванията за позициониране.

Не пренебрегвайте опорните лагери

Сферичната гайка не е единственият компонент на въртящата се система с ограничение на скоростта.

Опорните лагери с фиксиран край трябва също така да понасят:

• необходими RPM;
• аксиално предварително натоварване;
• аксиално работно натоварване;
• температура;
• смазване;
• непрекъснато дежурство.

Сферична гайка, способна на високоскоростна циркулация, не осигурява никаква полза, ако опорният лагер или съединителят стане действителното ограничение на скоростта.

Поради това двигателят, съединителят, лагерният възел с неподвижна страна, лагерът с опорната страна и винтовият вал трябва да бъдат проверени като една задвижваща система.

Дългите сферични винтове имат различен проблем с високата скорост

За дълга ос критичната скорост на винтовия вал често става по-рестриктивна.

Критичната скорост намалява бързо с увеличаване на дължината на неподдържания винт. Дълъг вал може да започне да бие, въпреки че самата гайка все още е удобно под границата на DN.

Възможните решения включват:

• увеличаване на диаметъра на корена на винта;
• намаляване на неподдържаната дължина;
• използване на по-твърдо устройство за крайна опора;
• увеличаване на преднината за намаляване на необходимите обороти;
• използване на междинна опора, където конструкцията на машината позволява;
• обмисляне на разположение на въртяща се гайка за много дълги високоскоростни оси.

За пълна дискусия на системно ниво вижтеКак да изберете сферичен винт за високоскоростна работа.

Кога въртящата се сферична гайка има смисъл?

В конвенционалната сферична винтова ос валът на винта се върти, докато гайката се движи линейно.

За много дълга високоскоростна ос това може да създаде основен проблем: по-дългият винтов вал трябва да се върти с високи обороти в минута, което прави управлението на критичната скорост все по-трудно.

Системата с въртяща се топка и гайка обръща това разположение. Винтовият вал остава неподвижен, докато гайката се върти и се движи по протежение на винта.

Това може да бъде полезно, когато:

• пътуването е много дълго;
• целевата скорост на подаване е висока;
• критичната скорост на въртящия се вал е основното ограничение;
• структурата на машината може да побере задвижващ блок с въртяща се гайка.

Това обаче е различна механична архитектура и изисква специален лагер на гайка, корпус и устройство за задвижване. Тя не се създава просто като вземете обикновена сферична гайка и я завъртите.

Какво ще кажете за DLY високоскоростните сферично-винтови възли?

DLY също доставявисокоскоростни сачмено-винтови възлиза приложения, където се изискват по-висока скорост на въртене, нисък шум и стабилно ускорение.

Текущата високоскоростна серия DLY е проектирана около оптимизирана структура за връщане на топката и публикува висока Dm-N способност над 220 000 за приложимата серия.

Това не означава, че всяка сферична гайка DLY или всеки диаметър на винта може да работи автоматично при еднакви обороти в минута. Действителната допустима скорост все още трябва да бъде потвърдена за избраните:

• серия;
• диаметър;
• олово;
• структура на гайка;
• дължина на винта;
• поддържащо устройство;
• натоварване;
• предварително натоварване;
• състояние на смазване.

Пример: Избиране на преднина за ос 24 m/min

Да предположим, че една автоматизирана ос се нуждае от максимална линейна скорост от:

24 m/min = 24 000 mm/min

Сравнете три възможни потенциални клиенти:

Олово	Необходими обороти на винта	Първоначална високоскоростна оценка
5 мм	4800 об./мин	Висока скорост на въртене; критичната скорост и DN изискват внимателна проверка
10 мм	2400 об/мин	По-управляеми обороти в минута, в зависимост от диаметъра и дължината на винта
20 мм	1200 об./мин	Много по-ниски обороти, потенциално полезни за дълги или бързи оси

Това не доказва, че 20 мм кабел автоматично е най-добрият избор.

Дизайнерът все пак трябва да провери:

• въртящ момент на двигателя;
• ускорение;
• разделителна способност на позициониране;
• аксиално натоварване;
• размер на сферичната гайка;
• критична скорост;
• DN/Dm-N граница;
• необходима точност.

Но демонстрира защо оловото е един от първите параметри за преглед, когато изискваната скорост на подаване е висока.

Признаци, че сферична гайка се бори с висока скорост

По време на тестването на машината следете за промени, които се появяват само с увеличаване на скоростта.

Симптом	Възможна причина
Температурата на ореха се повишава бързо	Прекомерно предварително натоварване, проблем със смазването, прекомерна скорост или разместване
Шумът нараства рязко с оборотите	Проблем с циркулацията на сачмата, смазването, опорния лагер или резонанса
Вибрацията се появява при определени обороти	Възможен резонанс при критична скорост на винта или резонанс на системата
Токът на двигателя нараства с увеличаване на скоростта	Увеличаващо се триене, разбиване на смазка, проблем с предварителното натоварване или подравняването
Позицията се променя, докато машината загрява	Термично разширение на винтова и машинна конструкция
Износване на уплътнение или обратен компонент	Скоростта, замърсяването или състоянието на смазване може да са неподходящи

Не диагностицирайте всяка високоскоростна вибрация като проблем със сферична гайка. Критичната скорост на винта, опорните лагери, подравняването на съединителя и структурата на машината също трябва да бъдат проверени.

Как да изберете сферична гайка за високоскоростна работа

Практическият процес на подбор е:

1. Определете необходимата линейна скорост.Използвайте действителното изискване за максимално подаване, вместо просто да казвате „висока скорост“.
2. Изберете предварителен потенциален клиент.Преобразувайте линейната скорост в необходимите обороти на винта.
3. Проверете критичната скорост на винта.Помислете за диаметъра на основата на винта, неподдържаната дължина и конфигурацията на крайна опора.
4. Проверете DN или Dm-N.Използвайте дефиницията и ограничението, предоставени за избраната серия сферична гайка.
5. Изберете структурата на циркулацията.Помислете за SFS или друга високоскоростна/нискошумна структура, когато връщането на топката стане важно.
6. Оценете високо водеща структура.SFE или друга подходяща серия с голям олово може да намали необходимите обороти на винта.
7. Проверете натоварването и ускорението.Включете инерционните сили от бързото начало-стоп движение.
8. Изберете предварително натоварване внимателно.Използвайте само толкова предварително натоварване, колкото са необходими изискванията за твърдост и луфт.
9. Потвърдете смазването.Изберете тип смазка, количество и интервал за действителната скорост и работен цикъл.
10. Проверете опорните лагери и съединителя.Те също трябва да отговарят на необходимите обороти.
11. Проверете термичното поведение.За прецизни оси вземете предвид разширението на винта и работната температура.
12. Изпълнете реалистичен тестов цикъл.Измерете шума, температурата, въртящия момент и поведението при позициониране при действителни работни условия.

Каква информация трябва да изпратите на DLY?

Ако имате нужда от сферичен винт или сферична гайка за високоскоростна ос, осигурете:

• необходима максимална линейна скорост;
• дължина на пътуването;
• обща дължина на винта;
• предпочитан диаметър на винта, ако вече е избран;
• олово;
• движеща се маса;
• максимално аксиално натоварване;
• ускорение и забавяне;
• работен цикъл;
• необходимата точност на позициониране;
• необходимо предварително натоварване или луфт;
• устройство за крайна опора;
• скорост на двигателя;
• работна среда;
• монтажен чертеж.

С тези параметри изборът може да се провери като цялостна система, вместо да се избере гайка само защото в описанието на продукта пише „висока скорост“.

Заключение

Сферичните гайки могат да работят при висока скорост, но няма универсален RPM, който да се прилага за всяка сферична гайка.

Правилното високоскоростно ограничение зависи от циркулационната структура на гайката, DN или Dm-N капацитет, диаметър, смазване, предварително натоварване, натоварване и топлинни условия.

В същото време винтовият вал има отделно ограничение на критичната скорост, което зависи главно от диаметъра на корена, дължината без опора и разположението на опората.

Следователно надеждният високоскоростен избор трябва да оцени:

За бързо линейно движение по-голямото извеждане може да намали необходимите обороти на винта. Сериите SFE могат да бъдат взети под внимание, когато високото предимство е основното изискване, докато SFS и специалните високоскоростни структури са полезни, когато плавната циркулация на топката и работата с по-нисък шум станат по-важни.

Най-доброто решение не е просто "най-бързата топка". Това е сферичният винт, който достига необходимата линейна скорост, като същевременно остава в своите механични, термични и експлоатационни граници.

← Назад към блога на DLY