Ако линеен вал се огъва твърде много под натоварване, просто избирането на по-твърда стомана или добавянето на повърхностно покритие обикновено няма да реши истинския проблем. За кръгъл линеен вал най-ефективните начини за подобряване на твърдостта саувеличете диаметъра на вала, намалете неподдържания обхват, подобрете метода на поддържане и увеличете твърдостта на околната структура на машината.
В повечето приложения на линейни лагери твърдостта на огъване е много по-важна от якостта на опън или повърхностната твърдост на вала. Това разграничение е важно, тъй като един вал може да има отлична твърдост и устойчивост на износване, като същевременно се отклонява прекомерно, ако диаметърът му е твърде малък или неговата необвързана дължина е твърде дълга.
Какво определя твърдостта на линейния вал?
За кръгъл вал, използван като водач за линейни лагери, основната грижа обикновено е огъването при радиално натоварване. Полезна инженерна връзка е отклонението на просто поддържан вал с точково натоварване, приложено близо до центъра:
δ = F × L³ / (48 × E × I)
I = π × d4 / 64
където:
- δ= деформация на вала
- Е= приложен товар
- Л= неподдържан обхват на вала
- И= модул на еластичност на материала на вала
- аз= втори момент от площта на напречното сечение на вала
- d= диаметър на вала
Точното уравнение на деформация се променя с опорното състояние и позицията на натоварване, но връзката дава важно правило за проектиране:
Това означава, че диаметърът и неподдържаната дължина обикновено имат много по-голямо влияние върху твърдостта на вала, отколкото малките разлики между обикновените марки стомана.
1. Увеличете линейния диаметър на вала
Увеличаването на диаметъра на вала обикновено е един от най-ефективните начини за подобряване на твърдостта на линеен вал без опора.
За плътен кръгъл вал:
I ∝ d⁴
Тъй като диаметърът е повишен на четвърта степен, относително малко увеличение на диаметъра може да доведе до голямо увеличение на твърдостта на огъване.
| Промяна на диаметъра | Относителна коравина на огъване | Прибл. Деформация при същото натоварване и обхват |
|---|---|---|
| 16 mm → 20 mm | 2,44× | 41% от оригинала |
| 20 mm → 25 mm | 2,44× | 41% от оригинала |
| 25 mm → 30 mm | 2,07× | 48% от оригинала |
| 20 mm → 30 mm | 5,06× | 20% от оригинала |
Например, промяната от 20 мм вал на 25 мм вал не увеличава визуално диаметъра много, но теоретичната коравина на огъване се увеличава приблизително 2,44 пъти, когато материалът, обхватът и условията на опора остават същите.
Увеличаването на диаметъра обаче изисква и по-голям съответстващ линеен лагер, по-големи опори на вала и повече пространство за монтаж. Следователно най-големият наличен диаметър не е автоматично най-добрият дизайн.
2. Намалете обхвата на неподдържания вал
Дължината на вала е също толкова важна. По-конкретно, инженерите трябва да разгледатнеподдържан участък между ефективните опори, а не само общата закупена дължина на вала.
Деформацията се увеличава приблизително с куба на неподдържания участък:
δ ∝ L³
Ако ефективният неподкрепен обхват се намали с 20%, теоретичната деформация става приблизително:
0,8³ = 0,512
С други думи, деформацията се намалява почти наполовина, ако приемем, че натоварването, диаметърът, материалът и граничните условия остават непроменени.
| Промяна на диапазона | Относително отклонение | Относителна твърдост |
|---|---|---|
| 600 mm → 500 mm | 58% | 1,73× |
| 600 mm → 480 mm | 51% | 1,95× |
| 600 mm → 400 mm | 30% | 3,38× |
Ето защо дълъг неподдържан вал може да стане гъвкав дори когато самият вал е направен от висококачествена закалена стомана.
3. Променете от Крайна поддръжка към Непрекъсната поддръжка
Когато необходимият ход е дълъг, многократното увеличаване на диаметъра на вала може вече да не е най-ефективното решение. След това трябва да се преразгледа методът на структурната опора.
Конвенционален кръгъл вал без опора обикновено се поддържа близо до краищата си. Средната част трябва да издържа на огъване чрез собствената твърдост на напречното сечение на вала.
Аподдържан линеен вал, като структура SBR или TBR, е монтирана върху опорна основа по дължината си. Опорната основа значително намалява ефективното състояние на свободно огъване на вала и следователно е много по-подходяща за много приложения с дълги пътувания.
| Структура | Основна характеристика | Типична употреба |
|---|---|---|
| Неподдържан кръгъл вал | Проста структура; самият вал носи натоварване на огъване между опорите | Къс ход и по-леки товари |
| Носен вал / SBR / TBR | Осигурена опора по дължината на вала | По-дълъг ход или изискване за по-голяма твърдост |
| Профилна линейна направляваща | Релса, непрекъснато монтирана към твърда основа на машината | По-високи изисквания за твърдост, моментно натоварване и прецизност |
Ако деформацията на вала вече е ограничаващият фактор в дизайна, промяната на носещата конструкция може да доведе до по-голямо подобрение, отколкото просто избирането на следващия диаметър на вала.
За по-подробно обсъждане на допустимото отклонение и кога неподдържан вал трябва да получи допълнителна опора, вижте нашата статия залинейно отклонение на вала и избор на опора.
4. Не бъркайте силата на материала с твърдостта на огъване
Често срещана грешка е да се приеме, че по-висока якост или по-твърда стомана автоматично създава много по-твърд линеен вал.
За твърдостта на огъване важното свойство на материала емодул на еластичност E, а не якост на опън или повърхностна твърдост.
Обикновените въглеродни стомани и лагерните стомани имат относително сходни стойности на еластичния модул. Следователно, смяната от един клас стомана на друг при запазване на точно същия диаметър, дължина и състояние на опора обикновено води само до ограничена промяна в еластичната деформация при огъване.
Например DLY обикновено доставя линейни валове с помощта наGCr15 лагерна стомана и C45 високовъглеродна стомана. Изборът на материал е важен за характеристики като твърдост на повърхността, устойчивост на износване, контактна производителност на лагера, изисквания за обработка и цена, но диаметърът на вала и обхватът на опората остават доминиращите променливи, когато основният проблем е твърдостта на огъване.
5. Подобряване на твърдостта на опорите на вала и рамата на машината
Теоретичното изчисление на вала предполага, че опорите се държат по предназначение. Истинските машини са по-сложни.
Деформацията, измерена при каретката, може да включва деформация от няколко части на системата:
- самият линеен вал;
- опорни блокове за валове;
- монтажни планки;
- рамка на машината;
- хлабина на линеен лагер;
- крепежни съединения;
- деформация на каретката или корпуса на лагера.
Поради тази причина използването на по-голям вал върху гъвкава монтажна плоча може да доведе до много по-малко подобрение от очакваното.
Опорите на вала трябва да бъдат монтирани върху достатъчно твърда и плоска базова конструкция. Монтажните винтове трябва да бъдат затегнати правилно и опорите не трябва да се изместват забележимо при радиално натоварване.
6. Проверете подравняването на вала, преди да увеличите твърдостта
Високото съпротивление на плъзгане не винаги означава, че валът е твърде гъвкав.
В система с два вала лошият паралелизъм може да принуди линейните лагери да се движат един срещу друг. Тогава машината може да се почувства стегната или нестабилна дори когато всеки вал има достатъчна теоретична коравина.
Преди да увеличите диаметъра на вала, проверете:
- дали двата вала са успоредни;
- дали опорните височини на вала са постоянни;
- дали монтажните повърхности са плоски;
- дали лагерните блокове се движат свободно, преди целият монтаж да бъде затегнат;
- дали каретката въвежда усукване или предварително натоварване поради грешка при сглобяване.
Увеличаването на диаметъра на вала не може да компенсира сериозно разместване на инсталацията. В някои случаи по-твърдият вал може действително да направи прекалено ограниченото сглобяване по-малко толерантно към грешка при подравняване.
7. Добавянето на повече линейни лагери увеличава ли твърдостта на вала?
Не е задължително.
Това е друг момент, който често се разбира погрешно.
Добавянето на втори линеен лагер или увеличаването на разстоянието между лагерните блокове може да подобристабилност на каретката и устойчивост на моментно натоварване. Въпреки това, ако кръглият вал все още се поддържа само в двата си края, добавянето на повече подвижни линейни лагери не увеличава автоматично твърдостта на огъване на самия вал.
Следователно системата трябва да прави разлика между:
- твърдост на огъване на вала- основно се контролира от диаметъра на вала, модула на материала, обхвата и състоянието на опората;
- твърдост на каретката- се влияе от количеството на лагерите, разстоянието между лагерите, хлабината и конструкцията на носещата част;
- твърдост на машинната система- засегнати от вала, лагерите, опорите, основата, ставите и рамката заедно.
Това разграничение е важно при диагностициране на вибрации, грешка при позициониране или неравномерно линейно движение на лагера.
8. Повърхностното втвърдяване или хромирането подобрява ли твърдостта на вала?
Не е значително при нормална конструкция с линеен вал.
Повърхностното втвърдяване е важно, тъй като сачмите на линейния лагер многократно контактуват с повърхността на вала. Твърдата, прецизно шлифована повърхност помага да се устои на износване и поддържа стабилен контакт с лагера.
Хромирането може също да подобри издръжливостта на повърхността и устойчивостта на корозия за подходящи приложения.
Въпреки това, тези обработки не трябва да се третират като основни методи за увеличаване на структурната твърдост на огъване на вала. Основните им функции са свързани спроизводителност на повърхността, а не общата EI твърдост на огъване на вала.
Линейните валове DLY се предлагат в опции, включително лагерна стомана GCr15, високовъглеродна стомана C45, закалени валове, шлифовани и полирани валове, хромирани валове и поддържани конструкции на валове. Можете да видитеДиапазон на линеен вал DLYкогато сравнявате конструкции на шахти и опции за материали.
9. Плътен срещу кух вал: Кое е по-твърдо?
Ако плътен вал и кух вал иматсъщият външен диаметър, същият материал и същата дължина, твърдият вал има по-висока коравина на огъване.
За кух кръгъл вал:
I = π × (D4 − dаз⁴) / 64
където D е външният диаметър и dазе вътрешният диаметър.
Премахването на материала от центъра намалява втория момент на площта. Въпреки това, кухите валове все още могат да осигурят полезно съотношение твърдост към тегло, когато външният диаметър може да се увеличи. Следователно правилното сравнение зависи от това дали дизайнът е ограничен от външен диаметър, тегло, място за монтаж или инерция на движение.
Кой метод трябва да използвате за подобряване на твърдостта на линейния вал?
| проблем | Най-добро първо действие | защо |
|---|---|---|
| Късият вал се огъва при по-голямо натоварване | Увеличете диаметъра на вала | Твърдостта на огъване нараства с d4 |
| Дълъг неподдържан вал се огъва в средата | Намалете обхвата или добавете непрекъсната опора | Деформацията се увеличава бързо с L³ |
| Системата с дълъг ход се нуждае от по-добра стабилност | Оценете SBR/TBR или профилен водач | Структурната опора е по-ефективна, отколкото да се разчита само на диаметъра на вала |
| Каретни скали под моментно натоварване | Проверете количеството и разстоянието между лагерите | Проблемът може да е твърдостта на каретката, а не само твърдостта на вала |
| Движението става стегнато след монтажа | Първо проверете подравняването | Несъответствието може да имитира проблем със сковаността |
| Повърхността на вала се износва бързо | Проверете материала, твърдостта и повърхностната обработка | Това е преди всичко проблем с износването, а не проблем с огъване и твърдост |
Каква информация трябва да се провери, преди да изберете по-твърд вал?
Преди просто да увеличите диаметъра на вала, потвърдете пълното работно състояние:
- диаметър на вала;
- обща дължина на вала;
- ефективен неподдържан обхват;
- дължина на пътуването;
- движещ се товар;
- посока на натоварване;
- местоположение на товара спрямо лагерите;
- брой и разстояние на паралелни валове;
- метод на опора на вала;
- модел на линеен лагер;
- необходима стабилност на позициониране;
- налично място за монтаж;
- твърдост на рамката на машината.
С тези параметри става много по-лесно да се определи дали по-доброто решение е по-голям вал, по-къс опорен обхват, поддържан линеен вал, различно разположение на лагерите или профилна линейна направляваща.
Заключение
Най-ефективният начин за подобряване на твърдостта на линейния вал не е просто да изберете по-твърд материал. За неподдържан кръгъл вал,диаметър, неподдържан обхват и състояние на опора доминират при огъване.
Тъй като твърдостта на огъване на вала се променя приблизително с d4, увеличаването на диаметъра може да доведе до голямо подобрение. Тъй като деформацията се променя с L³, намаляването на неподдържания обхват може да бъде еднакво ефективно. За системи с дълъг ход преминаването от вал с крайна опора към непрекъснато поддържана конструкция може да бъде по-практично от продължаването на увеличаване на диаметъра на вала.
Материалът, твърдостта, шлайфането и повърхностната обработка остават важни за устойчивостта на износване и плавната работа на линейните лагери, но те решават различни инженерни проблеми. Надеждният дизайн трябва да оценява вала, лагерите, опорите, каретката и рамата на машината като една цялостна система за линейно движение.
Свържете се с DLY
Ако избирате линеен вал и не сте сигурни дали диаметърът или носещата конструкция са достатъчни, изпратете ни диаметъра на вала, дължината, натоварването, хода, модела на лагера и монтажния чертеж. DLY може да ви помогне да сравните твърди валове, поддържани валове и други опции за линейно движение според вашето приложение.
Имейл: dlyexport2@dlybearing.com|WhatsApp: +86 166 0578 8856
