Ролико винтовые пары (передачи). Восстановление винтовых пар Номинальный срок службы в км Lkm

Героторные пары

В этой статье хочется рассказать о принципе работы винтовых (или героторных) насосов. Насосы этого типа широко распространены в промышленности, а описание их работы встречается далеко не везде.
При одинаковом внешнем виде, эти насосы могут иметь совершенно разные рабочие параметры.
Попробуем разобраться, в чем отличие.

На рисунке представлен типовой винтовой насос в разрезе:

Где: 1. Подшипниковый узел, 2. Уплотнение вала, 3. Шарниры, 4. Тягя, 5. Винт (ротор), 6. Обойма (статор).

Героторной парой (рабочим органом винтового насоса), называют пару ротор-статор (или винт-обойма). При вращении ротора в статоре жидкость движется по спиралеобразному каналу статора. Таким образом, происходит перекачка жидкости.

Статор – это внутренняя n+1-заходная спираль, изготовленная, как правило, из эластомера (резины), нераздельно (либо раздельно) соединенного с металлической обоймой (гильзой).
Ротор – это внешняя n-заходная спираль, которая изготавливается, как правило, из стали с последующим покрытием или без него.
Стоит указать, что наиболее распространены в настоящее время агрегаты с 2-заходными статором и 1-заходным ротором, такая схема является классической практически для всех производителей винтового оборудования.

Важным моментом, является то, что центры вращения спиралей, как статора, так и ротора смещены на величину эксцентриситета, что и позволяет создать пару трения, в которой при вращении ротора внутри статора создаются замкнутые герметичные полости вдоль всей оси вращения. При этом количество таких замкнутых полостей на единицу длины винтовой пары определяет конечное давление агрегата, а объем каждой полости – его производительность.

Отличием насосов друг от друга как раз и является применение разных по геометрии героторных пар.
Существуют четыре основных типов героторных пар, которые принято обозначать буквами латинского алфаита: S, L, D, P.
В нашей стране и странах ближнего зарубежья, пока выпускают насосы только с парами S и L. Более сложные в изотовлении пары D и P делают только за границей, например в Германии.

Типы героторных пар:

1. Геометрия "S":
Витков: 1/2
Производительность:100%
Диффер. давление: 12 бар

Преимущества геометрии S:
очень плавная подача
компактные габариты несмотря на большое число ступеней
большая площадь сечения входа
низкая скорость потока/высокая всасывающая способность
возможна перекачка спрессованных частиц
перекачка больших частиц

Следует отметить, что обойма с геометрией "S" являтся "запирающей", т.е. через неё при остановленном насосе жидкость протекать не будет.

2. Геометрия "L":
Витков: 1/2
Производительность:200%
Диффер. давление: 6 бар

Преимущества геометрии L:
хорошие объёмные характеристики при длительном межремонтном периоде благодаря длинной линии контакта между ротором и статором
компактные габариты при высокой производительности
меньшая скорость трения

Обойма этого типа является "незапирающей". При остановленном насосе жидкость может протекать через героторную пару.

3. Геометрия "D":
Витков: 2/3
Производительность:150%
Диффер. давление: 12 бар

Преимущества геометрии D:
очень малые габариты при высоком давлении и производительности
почти безпульсационная перекачка
высокая точность дозации

4. Геометрия "P":
Витков: 2/3
Производительность:300%
Диффер. давление: 6 бар

Преимущества геометрии P:
компактные размеры при очень высокой производительности
почти отсутствует пульсация
высокая точность дозации
хорошие объёмные показатели, длительный межремонтный период благодаря длинной контактной линии между ротором и статором

Мы привели примеры геометрии героторных пар одинаковой длины. Из рисунков видно, что количество витков у пар "S" в два раза выше чем у пары "L" при одиноковой длине. Это сказывается на максимальном давлении героторной пары. Чем болье витков, тем выше максимальное давление.

Как можно заметить, каждая героторная пара выдает определенное максимальное давление (если рассматривать пары одной длины).
Возникает вопрос: что делать, если давление на выходе нужно большее (или меньшее), чем выдает та или иная пара.
В этом случае, увеличивают (уменьшают) длину героторной пары. Так, например, увеличение длины пары "S" в два раза, приводит к увеличению маквимального давления насоса в 2 раза, т.е. давление возрастет до 12 атмосфер.

Винтовые насосы также могут изготавливаться в различных исполнениях для работы в тех или иных условиях.

Варианты компоновки насосов:

1. Классическая горизонтальная компоновка с подшипниковой стойкой

2. Горизонтальная компоновка без подшипниковой стойки

3. Дополнительный подпорный шнек

4. Бункер и шнековый питатель

5. Дополнительный мецератор (измельчитель)

Видео работы бочкового винтового насоса

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

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:

Силовые параметры шарико-винтовых передач
Диаметр × шаг, мм	Грузоподъемность, Н		Осевая жесткость, Н/мкм
	Статическая	Динамическая	Корпусных ШВП	Бескорпусных ШВП
16 × 2,5	9600	5000	—	230
32 × 5	37500	17710	700	760
50 × 10	112500	57750	1000	1100
80 × 10	197700	66880	1700	1900
125 × 20	729000	278000	—	2850
Примечание: осевая жесткость указана для класса точности C1.

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).

Винтовая пара представляет собой две детали (винт и гайку), соединенные по винтовой поверхности. Винтовую пару используют для преобразования вращательного движения в поступательное, или наоборот.

Винтовые пары бывают с треугольным, прямоугольным и круглым профилем винтовой поверхности.

В технике винтовую поверхность часто называют резьбой. Резьбы с треугольным профилем подразделяют на метрические, дюймовые, трапецеидальные и упорные.

Основные геометрические параметры метрической резьбы по ГОСТ 9150–81 (рис. 5.3):

Н – высота исходного профиля (равносторонний треугольник);

d , d 2 , d 1 – диаметры наружный, средний и внутренний;

Рис. 5.5. Винтовые пары с прямоугольной и треугольной резьбой:

в – винт, г – гайка, Р и d 2 – шаг и средний диаметр резьбы

шаг Р – расстояние между ближайшими сходственными точками контура по линии, параллельной оси резьбы;

угол профиля  = 60;

угол подъема винтовой линии резьбы  (рис. 5.4).

Рис. 5.6. Винтовая пара:

v t и v a – окружная и осеваяскорости гайки;d г – наружный диаметр гайки;– угол подъема винтовой линии

ередаточное отношениеi винтовой пары равно отношению окружной v t и осевой v a скоростей гайки (винта) (рис. 5.6).

или

Здесь t – период вращательного движения.

Период вращательного движения гайки

где  и n – угловая скорость и частота вращения гайки.

Скорость поступательного перемещения гайки

Трение в винтовой паре

Рассмотрим винтовую пару с прямоугольным профилем резьбы (рис. 5.7). Полагаем, что осевая нагрузка F а на винт сосредоточена на одном витке и что реакция гайки приложена по средней линии резьбы, т. е. по d 2 .

Рис. 5.7. К определению сил трения в винтовой паре с прямоугольным профилем резьбы

Перемещение гайки по винту можно рассматривать как движение ползуна по наклонной плоскости с углом наклона  (рис. 5.8).

При равномерном движение ползуна справедливым является следующее уравнение равновесия:

где F t = М /r 2 – горизонтальная сила, действующая на ползун (гайку), М – крутящий момент пары сил, приложенных к гайке на расстоянии r 2 от оси винта в плоскости, перпендикулярной оси (в горизонтальной плоскости).

Из плана сил (рис. 5.9) видно, что движущая сила F t , необходимая для равномерного движения ползуна вверх по наклонной плоскости, связана с величиной осевой силы F а соотношением

F t = F а tg ( + ),

а крутящий момент М пары, приложенный к гайке, будет

М = F t r 2 = F а tg ( + ) r 2 .

Из закона Кулона–Амонтона следует

F т = f N = N tg .

Из плана сил определим силу трения, действующую в винтовой паре:

Разделив числитель и знаменатель этого выражения на cos  и учитывая, что f = tg , получим

В винтовой паре с треугольной резьбой нормальная сила N > F а (рис. 5.10), поэтому сила трения F т больше, чем в рассмотренной выше винтовой паре с прямоугольным профилем резьбы. Соответственно

Рис. 5.10 . Соотношения между нормальнойи осевой силами в винтовых парах с треугольным и прямоугольным профилями резьбы

угол трения  и коэффициент трения f у винтовой пары с треугольной резьбой будут больше, чем в винтовой паре с прямоугольным профилем резьбы.

В винтовой паре с треугольной резьбой коэффициент и угол трения будут

и
.

Полученные для винтовой пары с треугольным профилем резьбы коэффициент f  и угол  трения называются приведенными коэффициентом и углом трения.

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.