Dacă instinctul tău este șurubul cu role, acest instinct poate costa proiectarea mașinii tale mai mult decât trebuie. Progresele înregistrate în tehnologia șuruburilor cu bile cu sarcină mare din ultimul deceniu au schimbat considerabil calculul - și, pentru multe aplicații cu sarcini grele, un șurub cu bile cu sarcină mare oferă acum performanțe echivalente la mai puțin de jumătate din costul unui șurub cu role comparabil.
Acest articol abordează modul în care cele două tehnologii diferă la nivel de mecanică de contact, unde fiecare are performanțe mai bune, cum arată costurile reale și compensațiile{0}}de dimensiune și cum să structurați decizia de selecție pentru sarcina, cursa și ciclul de funcționare specific.
De ce diferă capacitatea de încărcare: Contact Mechanics
Diferența fundamentală dintre un șurub cu bile și un șurub cu role este geometria elementului de rulare și contactul pe care acesta îl face cu forma filetului.
Șurub cu bile: Punct de contact
Într-un șurub cu bile convențional, bile de oțel se rotesc între canelurile elicoidale ale arborelui și piuliță. Fiecare bilă intră în contact cu canelura într-un singur punct (sau o elipsă de contact foarte mică sub sarcină). Sarcina este distribuită pe toate bilele din circuit, dar fiecare punct de contact individual poartă o parte semnificativă din forța totală.
Contactul punctual generează stres local ridicat în zona de contact. În cazul sarcinilor grele, acest stres limitează durata de viață, deoarece daunele cauzate de oboseală provin din aceste-puncte de solicitare ridicată. Capacitatea de încărcare a unui șurub cu bile standard este, prin urmare, constrânsă de solicitarea maximă de contact pe care o poate suporta bila și materialul căii de rulare pe durata numărului necesar de cicluri.
Șurub cu role: Linie de contact
Într-un șurub cu role, un set de role filetate înlocuiește bilele ca elemente de rulare. Fiecare rolă intră în contact cu filetul șurubului de-a lungul unei linii, mai degrabă decât într-un punct - cu o geometrie de contact fundamental diferită. Linia de contact distribuie sarcina pe o suprafață mult mai mare, ceea ce reduce stresul de contact de vârf pentru aceeași forță aplicată.
Rezultatul este că un șurub cu role de același diametru nominal ca un șurub cu bile poate suporta sarcini semnificativ mai mari și poate susține mai multe cicluri de funcționare înainte ca daunele cauzate de oboseală să se acumuleze. De asemenea, șuruburile cu role mențin acest avantaj pe întreaga gamă de viteze de funcționare.
Șurub cu bile de sarcină mare: punct de contact proiectat
Șuruburile cu bile de sarcină mare ocupă o a treia categorie. În loc să schimbe geometria contactului de la un punct la altul, designul mărește numărul și dimensiunea punctelor de contact prin profile de filet modificate și diametre mai mari ale bilelor. Geometriile specializate ale filetului -, inclusiv profilele arcului gotic optimizate pentru unghiuri de contact mari - măresc suprafața de contact per bilă, cresc capacitatea de încărcare pe unitatea de lungime a piuliței și distribuie sarcina mai uniform pe circuitul cu bile.
Rezultatul este un șurub cu bile cu o sarcină dinamică de patru până la opt ori mai mare decât un șurub cu bile convențional de același diametru, realizat fără complexitatea de fabricație a formei filetului șurubului cu role.
Capacitatea de încărcare și costul: numerele reale
Îmbunătățirea performanței șuruburilor cu bile de sarcină mare vine cu o comparație simplă a costurilor.
La valori de sarcină dinamică echivalente și condiții de operare comparabile, un șurub cu bile de sarcină mare costă de obicei cu 40-60% mai puțin decât un șurub cu role. Diferența de cost provine din complexitatea producției: formele filetului șurubului cu role necesită prelucrare de precizie atât a profilelor filetului șurubului, cât și a filetului rolei, asamblare precisă a preîncărcării rolelor și toleranțe mai strânse pe tot parcursul. Șuruburile cu bile - chiar și variantele de sarcină mare - utilizează un proces de fabricație mai simplu, care a fost perfecționat de-a lungul deceniilor de producție industrială.
Șuruburile cu bile de sarcină mare sunt disponibile în:
| Parametru | Gama tipică |
|---|---|
| Diametrul arborelui | Până la 160 mm |
| Lungimea șurubului | Până la 15 metri |
| Configurare | Piuliță simplă sau piuliță dublă |
| Capacitate de sarcină dinamică (Ca) | Până la 1.440 kN |
| Gradul de precizie | C3–C7 în funcție de aplicație |
Aceste specificații acoperă majoritatea aplicațiilor de mașini-unelte grele, turnare prin injecție și formare a metalelor în care șuruburile cu role au fost specificate în trecut.
Unde fiecare tehnologie funcționează mai bine
Nicio tehnologie nu este universal superioară. Alegerea corectă depinde de trei parametri primari de aplicare: mărimea sarcinii, ciclul de lucru și lungimea cursei.
Când șuruburile cu bile de sarcină mare sunt alegerea mai bună
Sarcini mari la cicluri de lucru moderate.Dacă axa suportă sarcini axiale mari, dar nu rulează continuu - unități de prindere prin injecție, axe de presare, mașini de îndreptat - șurubul cu bile de sarcină mare oferă capacitatea de încărcare necesară la un cost semnificativ mai mic. Ciclul de funcționare oferă circuitului cu bile timp să se recupereze termic între ciclurile de sarcină.
Curse lungi sub sarcină mare.Șuruburile cu bile de sarcină mare sunt produse pe lungimi de arbore de până la 15 metri. Șuruburile cu role de lungime echivalentă și capacitate de încărcare sunt semnificativ mai scumpe și mai dificil de găsit. Pentru axele grele cu cursă lungă-{4}} mese mari de mașini-unelte, linii de transfer - șurubul cu bile de sarcină mare este adesea singura soluție practică de tip bile-.
Aplicații-sensibile la costuri, unde performanța echivalentă este acceptabilă.Atunci când capacitatea de încărcare a unui șurub cu bile de sarcină mare se potrivește sau depășește cerințele aplicației, nu există nicio justificare mecanică pentru costul suplimentar al șurubului cu role. Prima plătește pentru avantajele geometriei contactului care contează doar în condițiile în care șurubul cu bile de sarcină mare este deja constrâns.
Extinderea duratei de viață în aplicațiile existente cu șuruburi cu bile.Dacă un șurub cu bile standard se defectează prematur sub sarcină mare, înlocuirea acestuia cu un șurub cu bile cu sarcină mare de același diametru poate dubla capacitatea de încărcare și poate prelungi durata de viață de până la opt ori fără nicio modificare a structurii mașinii sau a configurației unității de susținere.
Când șuruburile cu role sunt alegerea corectă
Încărcături extreme într-un plic compact.Atunci când cerințele de sarcină depășesc ceea ce poate furniza un șurub cu bile de sarcină mare în diametrul arborelui disponibil -, de obicei, peste 1.500–2.000 kN pentru cele mai mari dimensiuni de șurub cu bile de sarcină mare -, un șurub cu role oferă o densitate de sarcină mai mare pe unitate de diametru. Dacă spațiul de instalare împiedică utilizarea unui șurub cu bile cu diametru mai mare, un șurub cu role de diametru mai mic poate fi singura soluție.
Cicluri de lucru foarte mari la sarcină mare.Funcționarea continuă sub sarcină mare generează căldură la contactul cu bila-canalului de rulare. Șuruburile cu bile, chiar și modelele cu sarcină mare, au o limită termică stabilită de geometria punctului de contact. Șuruburile cu role, cu suprafața lor de contact mai mare și solicitarea de contact mai mică pe unitatea de sarcină, generează mai puțină căldură per unitate de forță transmisă și pot susține cicluri de lucru mai mari fără a supraîncălzi piulița.
Costul-de proprietate pe termen lung în producția industrială cu ciclu înalt-.În aplicațiile care rulează în mai multe schimburi pe zi la linii de presă pentru automobile cu sarcină mare -, formarea continuă a metalului - durata de viață mai lungă la oboseală a șuruburilor cu role poate compensa costul lor inițial mai mare. Acest compromis- necesită un calcul al costului ciclului de viață specific aplicației, mai degrabă decât o regulă generală.
Cadrul decizional
| Parametru de aplicație | Favorizați șurubul cu bile de sarcină mare | Favoare șurub cu role |
|---|---|---|
| Sarcina axiala | Până la ~1.440 kN | Peste 1.500 kN sau densitate de sarcină extremă |
| Ciclu de funcționare | Moderat spre ridicat (intermitent) | Continuu, foarte ridicat |
| Lungimea cursei | Oricare, inclusiv mișcări lungi | Scurt spre mediu |
| Prioritate inițială a costurilor | Da | Mai puțin critic |
| Spatiu de instalare | Flexibil | Sever constrâns |
| Înlocuire pentru șurubul cu bile existent | Cale naturală de upgrade | Mai puțin compatibil |
Calculul duratei de viață: ce înseamnă cifrele în practică
Înțelegerea beneficiului duratei de viață necesită analizarea formulei de viață L10. Durata de viață nominală a unei piulițe cu șurub cu bile este proporțională cu cubul raportului dintre sarcina dinamică și sarcina dinamică echivalentă:
L10=(Ca / Pm)³ × constantă
Unde Ca este sarcina dinamică nominală și Pm este sarcina medie echivalentă.
Această relație cubică înseamnă că dublarea Ca a șurubului - pe care o face un șurub cu bile cu sarcină mare față de un șurub cu bile standard - înmulțește durata de viață cu 2³=8. În aceleași condiții de funcționare, un șurub cu bile cu sarcină mare cu dublul Ca față de un șurub cu bile standard durează de opt ori mai mult.
Exemplu practic:Un șurub cu bile standard care rulează într-un centru de prelucrare greu la sarcină mare poate calcula până la 3-4 luni de viață L10. Înlocuirea acestuia cu un șurub cu bile de sarcină mare de același diametru nominal, cu de două ori mai mare decât Ca, extinde această durată estimată la 24–32 de luni - aproape un ordin de mărime îmbunătățire fără nicio modificare a structurii mașinii.
Acesta este argumentul cheie tehnic pentru șuruburile cu bile de sarcină mare în aplicațiile în care sarcina este mare, dar nu depășește capacitatea nominală a șurubului cu bile de sarcină mare: în loc să plătiți mai mult pentru un șurub cu bile, specificați un șurub cu bile de sarcină mare și utilizați capacitatea de încărcare suplimentară ca rezervă de viață.
Cerințe unității de asistență pentru aplicații cu sarcină mare
Șuruburile cu bile de sarcină mare impun forțe axiale în mod corespunzător asupra rulmenților de susținere la capătul fix al arborelui șurubului. Unitățile de sprijin standard BK/BF concepute pentru șuruburi cu bile convenționale nu sunt adecvate pentru aplicațiile cu șuruburi cu bile de sarcină mare. Unitatea de sprijin trebuie să fie dimensionată pentru a se potrivi cu sarcina nominală a șurubului.
Selectarea tipului de rulment
Tipul de rulment din unitatea de sprijin-fixă este determinat de mărimea sarcinii axiale:
Rulmenți cu bile cu contact unghiular (unghi de contact de 60 de grade):Folosit pentru aplicații cu sarcină mare, unde rotația lină și frecarea minimă sunt priorități. Unghiul de contact de 60 de grade asigură rigiditate axială mare și capacitate de încărcare în raport cu dimensiunea rulmentului. Rulmenții de calitate P4 sunt standard pentru unitățile de susținere a șuruburilor cu bile cu sarcină mare pentru a minimiza curele și pentru a menține precizia de poziționare.
Rulmenti cu role conice:Specificat atunci când combinația dintre sarcina axială foarte mare și sarcina radială mare depășește ceea ce pot suporta rulmenții cu bile cu contact unghiular. Rulmenții cu role conice oferă o capacitate de încărcare combinată mai mare, dar necesită o setare mai precisă a preîncărcării și generează mai multă frecare la viteză mare.
Rulmenți adânci cu bile:Folosit la capătul plutitor (sprijinit) al arborelui șurub, unde este nevoie doar de constrângere radială, iar rulmentul trebuie să permită dilatarea termică axială a arborelui fără a genera solicitări interne.
Configurații unități de suport
Trei aranjamente de rulmenți sunt utilizate în unitățile de sprijin cu șuruburi cu bile cu sarcină mare-:
DF (Față-în-față):Doi lagăre cu contact unghiular montați în direcții opuse. Manevrează sarcina axială în ambele direcții cu capacitate egală. Alegere standard pentru aplicații generale cu sarcină mare în care are loc inversarea sarcinii.
DFD (Tandem + față):Un rulment pe o parte și doi rulmenți pe cealaltă. Dispunerea asimetrică pentru aplicații cu o direcție dominantă a sarcinii axiale - partea cu doi rulmenți suportă o sarcină axială semnificativ mai mare decât configurația DF. Folosit la axele de presare și de prindere unde sarcina cursei de lucru este mult mai mare decât cursa de retur.
DFF (Tandem + tandem):Doi rulmenti in fiecare directie. Capacitate maximă de încărcare axială în ambele direcții. Specific pentru aplicațiile cu cea mai mare sarcină unde aranjamentul DF este insuficient.
Preîncărcare lagăr
Rulmenții fix-din unitățile de susținere a sarcinii mari sunt preîncărcați din fabrică-pentru a elimina jocul intern și pentru a îmbunătăți rigiditatea axială. Mărimea preîncărcării determină cuplul de pornire al unității de sprijin - o proprietate inerentă a aranjamentului lagărelor care trebuie luată în considerare în bugetul de cuplu al sistemului de antrenare.
Rulmenții sunt pre-unsați pentru instalarea inițială. Pentru aplicații cu sarcini mari cu cicluri de lucru solicitante, orificiile opționale pentru unsoare permit relubrefierea periodică fără a demonta unitatea de sprijin.
Exemple de aplicații
Topoare pentru mașini-unelte grele
Centrele de prelucrare mari, morile de alezat de tip podea-și mașinile de frezat-pentru sarcini grele utilizează antrenări cu șurub cu bile pe axe care suportă forțe de tăiere în intervalul 50-500 kN. La aceste niveluri de sarcină, șuruburile standard cu bile defectează prematur, indiferent de regimul de lubrifiere și întreținere.
Șuruburile cu bile de sarcină mare abordează acest lucru prin creșterea Ca până la un nivel în care calculul duratei standard oferă un interval de întreținere realist. În loc să înlocuiască șurubul cu bile la câteva luni, mașina poate funcționa ani de zile între reviziile planificate.
Unități de prindere prin turnare prin injecție
Mașinile electrice de turnat prin injecție necesită o forță axială mare pe o cursă scurtă pentru a închide și a bloca matrița -, de obicei, 200–600 kN pe 10–50 mm cursa finală de strângere. Cursa completă a unității de strângere acoperă o distanță mult mai mare la forță redusă, forța mare aparând doar în porțiunea finală.
Șuruburile cu bile de sarcină mare se potrivesc bine cu acest ciclu de funcționare, deoarece porțiunea de forță mare a cursei este scurtă, iar sarcina este mai degrabă intermitentă decât continuă. În această aplicație, un șurub cu role nu oferă niciun avantaj asupra duratei de viață față de un șurub cu bile cu sarcină mare, deoarece condițiile de contact sunt favorabile pentru șuruburile cu bile - ciclul de funcționare permite recuperarea termică între lovituri.
Echipamente de formare și îndreptare a metalelor
Mașinile de îndreptat, echipamentele de îndoit țevi și presele de formare a metalelor necesită forță axială mare față de deplasarea controlată. Aceste aplicații sunt adesea un substitut direct pentru cilindrii hidraulici, unde antrenările electrice cu șurub cu bile oferă un control mai bun al poziției, profile de forță programabile și o întreținere mai mică decât sistemele hidraulice.
Șuruburile cu bile de sarcină mare pot furniza forțe comparabile cu multe aplicații de cilindri hidraulici într-un pachet mai simplu din punct de vedere mecanic. Pentru forțele de peste 1.000 kN, șuruburile cu role devin opțiunea preferată, deoarece asigură o densitate mai mare a sarcinii în anvelopa de instalare.
Greșeli frecvente în selectarea șuruburilor de sarcină mare
Implicit la șuruburi cu role pentru orice sarcină peste 100 kN fără a verifica specificațiile șuruburilor cu bile de sarcină mare.
Mulți ingineri selectează șuruburi cu role pe baza familiarității generale cu tehnologia, mai degrabă decât a verifica dacă un șurub cu bile de sarcină mare este evaluat pentru aplicație. Pentru sarcini de până la aproximativ 1.000–1.500 kN, un șurub cu bile de sarcină mare trebuie evaluat întotdeauna înainte de a specifica un șurub cu role.
Folosind unități de sprijin standard BK/BF cu șuruburi cu bile de sarcină mare.
Unitățile de sprijin standard sunt evaluate pentru o fracțiune din sarcinile axiale pe care le poate genera un șurub cu bile de sarcină mare. Utilizarea unităților de susținere subdimensionate transferă sarcina către carcasa rulmentului și structura mașinii în moduri pentru care nu sunt proiectate, provocând defecțiuni premature ale rulmentului de sprijin și potențiale daune structurale.
Dimensionarea șurubului la sarcina maximă instantanee fără a verifica durata de viață a L10 la sarcina echivalentă medie.
Sarcina maximă asupra șurubului poate apărea doar pentru scurt timp în timpul accelerației sau la sfârșitul cursei. Dimensionarea strict la sarcina maximă peste-specifică șurubul. Calculul duratei de viață L10 utilizează sarcina medie echivalentă pe întreg ciclul de funcționare, care ține cont de distribuția reală a sarcinilor și vitezele pe care le experimentează piulița în timpul funcționării normale.
Nu se ține cont de dilatarea termică axială a arborilor șuruburilor cu bile lungi de sarcină mare.
Un arbore cu șurub cu bile cu sarcină înaltă de 10-metri se va extinde cu aproximativ 0,12 mm pe grad Celsius. Într-o configurație de suport fix-fix, această dilatare termică generează stres de compresiune în arbore care crește preîncărcarea în piuliță și lagărele de susținere. Șuruburile lungi cu bile de sarcină mare trebuie să utilizeze o configurație de suport fix-flotante pentru a permite dilatarea termică axială fără a genera stres intern.
Rezumat: Cum să structurați decizia de selecție
Când vă confruntați cu o aplicație de sarcină axială mare, utilizați această secvență:
- Definiți sarcina axială maximă, sarcina echivalentă medie, cursa și ciclul de funcționarecu cât mai multă precizie. Calculul de viață L10 este la fel de bun ca și datele de intrare.
- Verificați dacă un șurub cu bile de sarcină mare este disponibil în Ca.Șuruburile cu bile de sarcină mare au o sarcină dinamică de până la 1.440 kN. Dacă aplicația se încadrează în acest interval, un șurub cu bile de sarcină mare ar trebui să fie prima opțiune evaluată.
- Calculați durata de viață L10 pentru șurubul cu bile de sarcină mare la sarcina echivalentă medie.Dacă durata de viață calculată îndeplinește cerințele privind intervalul de întreținere, specificați șurubul cu bile de sarcină mare. Dacă nu, fie măriți diametrul arborelui, fie evaluați un șurub cu role.
- Selectați configurația unității de suportbazat pe sarcina axială maximă, direcționalitatea sarcinii și viteza. Verificați dacă valoarea nominală a rulmentului suport depășește sarcina axială maximă cu o marjă de siguranță adecvată.
- Evaluați costul total de proprietate, nu doar costul inițial al componentei. Un șurub cu role care durează de două ori mai mult decât un șurub cu bile cu sarcină mare nu este neapărat mai rentabil-dacă șurubul cu bile cu sarcină mare este o-treime din preț.
- Specificați un șurub cu role numai cândsarcina depășește intervalul șurubului cu bile de sarcină mare, ciclul de funcționare este continuu la sarcină mare sau spațiul de instalare împiedică utilizarea unui șurub cu bile cu diametru mai mare de sarcină mare.
Aveți nevoie de ajutor pentru a alege un șurub cu bile de sarcină mare?
Dacă comparați un șurub cu bile de sarcină mare cu un șurub cu role pentru aplicații cu încărcături grele, DLY vă poate ajuta să confirmați diametrul șurubului, plumbul, tipul piuliței, aranjamentul unității de susținere și durata de viață adecvată în funcție de condițiile dvs. de lucru.
Pentru a primi o specificație tehnică și o ofertă, vă rugăm să împărtășiți sarcina axială maximă, lungimea cursei, ciclul de funcționare, precizia necesară și spațiul de instalare.
