Содержание статьи
- Введение
- Конструкция наклонно-поворотных позиционеров
- Подшипники оси поворота
- Подшипники оси наклона
- Червячные передачи с самоторможением
- Расчет грузоподъемности и нагрузок
- Типы подшипников для позиционеров
- Материалы и термообработка
- Смазка и обслуживание подшипниковых узлов
- Часто задаваемые вопросы
Введение
Наклонно-поворотные столы сварочных позиционеров представляют собой технически сложное оборудование, предназначенное для установки свариваемых деталей в оптимальное положение. Надежность работы позиционера напрямую зависит от правильного подбора и эксплуатации подшипниковых узлов осей наклона и поворота. Подшипники в этих механизмах воспринимают комбинированные радиальные и осевые нагрузки, а также значительные опрокидывающие моменты, возникающие при размещении крупногабаритных свариваемых изделий.
Сварочные позиционеры классифицируются по количеству осей перемещения. Одноосевые обеспечивают вращение в одной плоскости, двухосевые позволяют осуществлять наклон и поворот планшайбы, трехосевые дополнительно регулируют высоту установки детали. Подшипниковые узлы каждой оси испытывают специфические нагрузки, что определяет требования к их конструкции и параметрам.
Конструкция наклонно-поворотных позиционеров
Двухосевой наклонно-поворотный позиционер состоит из опорной рамы, механизма наклона и поворотного стола с планшайбой. Планшайба представляет собой круглую металлическую плиту с радиальными Т-образными пазами для крепления свариваемых деталей. Вращение планшайбы обеспечивается приводом через систему подшипников оси поворота, а наклон осуществляется посредством механизма наклона с червячной передачей или зубчатыми секторами.
Ось поворота располагается вертикально и обеспечивает вращение планшайбы на 360 градусов. Ось наклона расположена горизонтально в опорных цапфах рамы и позволяет изменять угол наклона планшайбы относительно горизонтальной плоскости. Типовой диапазон наклона составляет от 0 до 90 или 120 градусов в зависимости от конструкции позиционера.
Основные узлы и элементы
Конструкция позиционера включает следующие основные элементы: опорная рама с установочными отверстиями для монтажа, поворотная колонна или ось с подшипниковыми опорами, планшайба с механически обработанной рабочей поверхностью, механизм наклона с зубчатыми секторами или червячным приводом, электропривод с частотным преобразователем для регулировки скорости вращения, система управления с пультом дистанционного управления.
| Элемент конструкции | Функциональное назначение | Воспринимаемые нагрузки |
|---|---|---|
| Подшипники оси поворота | Обеспечение вращения планшайбы | Радиальные, осевые, опрокидывающий момент |
| Подшипники оси наклона | Обеспечение наклона планшайбы | Радиальные, значительный опрокидывающий момент |
| Червячная передача | Привод наклона с самоторможением | Крутящий момент, статические нагрузки |
| Зубчатые сектора | Передача усилия наклона | Контактные напряжения, изгибающие усилия |
Подшипники оси поворота
Ось поворота сварочного позиционера оснащается опорно-поворотными устройствами или комбинацией радиально-упорных подшипников. Опорно-поворотные устройства представляют собой крупногабаритные подшипники качения, способные одновременно воспринимать радиальные и осевые нагрузки, а также опрокидывающие моменты. Конструкция ОПУ включает внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, тела качения в виде шариков или роликов, сепаратор и уплотнения.
Опорно-поворотные устройства
В сварочных позиционерах применяются различные типы ОПУ в зависимости от грузоподъемности. Для малых позиционеров с грузоподъемностью до 500 кг используются однорядные шариковые ОПУ с четырехточечным контактом. Позиционеры средней грузоподъемности от 500 до 3000 кг оснащаются ОПУ с перекрестными роликами, расположенными под углом 90 градусов друг к другу. Для тяжелых позиционеров свыше 3000 кг применяются ОПУ с тремя рядами роликов или комбинированные конструкции.
Однорядные шариковые ОПУ имеют простую конструкцию и обеспечивают восприятие комбинированных нагрузок при ограниченных габаритах. Шарики контактируют с дорожками качения в четырех точках, что позволяет воспринимать радиальные и осевые нагрузки одновременно. ОПУ с перекрестными роликами обладают повышенной жесткостью и грузоподъемностью благодаря большей площади контакта роликов с дорожками качения.
| Тип ОПУ | Грузоподъемность, кг | Диапазон диаметров, мм | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Однорядные шариковые | До 500 | 200-800 | Компактность, низкий момент трения |
| С перекрестными роликами | 500-3000 | 400-1500 | Высокая жесткость, точность вращения |
| С тремя рядами роликов | 3000-10000 | 800-2500 | Максимальная грузоподъемность |
| Комбинированные | 1000-5000 | 600-2000 | Оптимальное распределение нагрузок |
Радиально-упорные подшипники
При использовании стандартных подшипников качения ось поворота оснащается комбинацией радиально-упорных шариковых или роликовых конических подшипников. Радиально-упорные шариковые подшипники по ГОСТ 831-75 устанавливаются в О-образной или Х-образной схеме для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях. Угол контакта подшипников выбирается в зависимости от соотношения осевых и радиальных нагрузок: для преимущественно радиальных нагрузок применяются подшипники с углом контакта 12-26 градусов, для значительных осевых нагрузок используются подшипники с углом 36-40 градусов.
Подшипники оси наклона
Ось наклона позиционера испытывает значительные нагрузки от веса планшайбы и размещенной детали. Цапфы оси наклона устанавливаются в подшипниковых опорах, выполненных в боковых стойках рамы позиционера. В качестве подшипниковых узлов применяются роликовые конические подшипники, радиально-упорные шариковые подшипники или сферические роликоподшипники.
Конические роликоподшипники
Конические роликовые подшипники по ГОСТ 27365-2023 обеспечивают восприятие комбинированных радиальных и осевых нагрузок при значительных опрокидывающих моментах. Способность к восприятию осевой нагрузки определяется углом конусности наружного кольца. С увеличением угла конусности осевая грузоподъемность возрастает при снижении радиальной. Для осей наклона сварочных позиционеров применяются конические роликоподшипники повышенной грузоподъемности с оптимизированным профилем роликов.
Установка конических роликоподшипников производится парами в О-образной или Х-образной схеме. О-образная схема обеспечивает восприятие опрокидывающего момента при большом плече между подшипниками. Х-образная схема характеризуется повышенной жесткостью опоры при ограниченных габаритах. Между подшипниками устанавливается осевой зазор, величина которого определяется расчетной температурой рабочего процесса.
Пример расчета осевого зазора
Для оси наклона позиционера с расстоянием между подшипниками L = 800 мм при температурном перепаде ΔT = 40 градусов Цельсия осевой зазор определяется по формуле:
δ = α × L × ΔT
где α = 12×10⁻⁶ 1/градус Цельсия - коэффициент линейного расширения стали
δ = 12×10⁻⁶ × 800 × 40 = 0,384 мм
Осевой зазор принимается с учетом допусков посадочных поверхностей в диапазоне 0,3-0,5 мм.
Сферические роликоподшипники
Сферические роликовые подшипники по ГОСТ 5721-75 применяются в конструкциях с возможностью небольших перекосов осей. Бочкообразные ролики и сферическая дорожка качения на наружном кольце обеспечивают самоустанавливаемость подшипника при угловых смещениях до 2-3 градусов. Это свойство особенно важно для позиционеров с большим расстоянием между опорами оси наклона, где возможны упругие деформации рамы под нагрузкой.
Червячные передачи с самоторможением
Механизм наклона сварочных позиционеров оснащается червячной передачей, обеспечивающей эффект самоторможения. Самоторможение червячной передачи заключается в невозможности передачи вращения от червячного колеса к червяку, что обеспечивает надежную фиксацию планшайбы в наклонном положении без применения дополнительных тормозных устройств.
Условия самоторможения
Статическое самоторможение достигается при условии, когда угол подъема винтовой линии червяка меньше угла трения сопряженных поверхностей в состоянии покоя. Полное самоторможение обеспечивается в передаче с углом подъема винтовой линии червяка не более 3,5 градусов. При больших углах подъема для обеспечения самоторможения необходимо учитывать динамический коэффициент полезного действия передачи. Свойство самоторможения начинает проявляться при передаточных числах от 35 и выше.
Динамическое самоторможение характеризуется коэффициентом полезного действия червячной передачи менее 50 процентов. Динамический коэффициент трения для червячных редукторов в стандартных условиях эксплуатации находится в диапазоне от 0,02 до 0,05, что соответствует динамическому углу трения от 1 до 3 градусов.
| Параметр передачи | Обозначение | Значение для самоторможения |
|---|---|---|
| Угол подъема винтовой линии | γ | ≤ 3,5 градусов (полное самоторможение) |
| Передаточное число | u | ≥ 35 (для проявления эффекта) |
| КПД передачи | η | меньше 0,5 (для динамического самоторможения) |
| Динамический угол трения | φд | 1-3 градуса (при стандартных условиях) |
Материалы червячной пары
Для изготовления червяка применяется закаленная сталь с твердостью поверхности витков 45-55 HRC. Червячное колесо изготавливается с бронзовым венцом для обеспечения требуемых антифрикционных свойств и износостойкости. Применяются оловянные бронзы марок БрО10Ф1 или БрО10Н1Ф1 для высоконагруженных передач, алюминиевые бронзы марок БрА9Ж3Л или БрА10Ж4Н4 для передач средней нагруженности.
Расчет грузоподъемности и нагрузок
Расчет подшипниковых узлов сварочного позиционера выполняется с учетом всех действующих нагрузок: вес планшайбы, вес свариваемой детали, динамические нагрузки от ускорений при пуске и торможении, опрокидывающий момент от эксцентричного расположения детали. Опрокидывающий момент представляет собой наиболее критическую нагрузку для подшипников оси поворота и оси наклона.
Определение нагрузок на ось поворота
Осевая нагрузка на подшипники оси поворота определяется весом планшайбы и размещенной детали с учетом динамического коэффициента. Радиальная нагрузка возникает при несоосности центра тяжести детали с осью вращения планшайбы. Опрокидывающий момент рассчитывается как произведение веса детали на расстояние от центра тяжести детали до оси вращения.
Пример расчета нагрузок
Исходные данные: Грузоподъемность позиционера G = 1000 кг, диаметр планшайбы D = 1000 мм, максимальное смещение центра тяжести детали e = 300 мм, динамический коэффициент kд = 1,2.
Осевая нагрузка: Fa = G × kд = 1000 × 1,2 = 1200 кгс = 11,77 кН
Радиальная нагрузка: Fr = G × (e/D) × kд = 1000 × (300/1000) × 1,2 = 360 кгс = 3,53 кН
Опрокидывающий момент: M = G × e × kд = 1000 × 0,3 × 1,2 = 360 кгс×м = 3,53 кН×м
Расчет подшипников оси наклона
Подшипники оси наклона воспринимают вес планшайбы с деталью и опрокидывающий момент, возникающий при отклонении планшайбы от горизонтального положения. Величина опрокидывающего момента зависит от угла наклона планшайбы и расстояния от центра тяжести детали до оси наклона. При максимальном угле наклона опрокидывающий момент достигает наибольшего значения.
Реакции опор оси наклона определяются из условий равновесия системы с учетом расстояния между подшипниковыми опорами. Большее расстояние между опорами снижает нагрузки на отдельные подшипники, но увеличивает габариты конструкции. Оптимальное расстояние между опорами составляет 0,6-0,8 диаметра планшайбы.
Расчет реакций опор
Для оси наклона с расстоянием между опорами L = 800 мм при весе системы планшайба-деталь G = 1000 кг и смещении центра тяжести относительно средней линии a = 200 мм реакции опор составляют:
R1 = G × (L/2 + a) / L = 1000 × (400 + 200) / 800 = 750 кгс
R2 = G × (L/2 - a) / L = 1000 × (400 - 200) / 800 = 250 кгс
Более нагруженная опора воспринимает радиальную нагрузку R1 = 750 кгс = 7,36 кН.
Типы подшипников для позиционеров
Выбор типа подшипников для сварочного позиционера определяется величиной и характером нагрузок, условиями эксплуатации, требованиями к точности позиционирования. Для осей поворота и наклона применяются различные типы подшипников качения в зависимости от грузоподъемности позиционера.
Радиально-упорные шариковые подшипники
Радиально-упорные шариковые подшипники по ГОСТ 831-75 характеризуются наличием угла контакта между шариками и дорожками качения, что обеспечивает восприятие комбинированных радиально-осевых нагрузок. Однорядные радиально-упорные подшипники устанавливаются парами или группами для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях. Двухрядные радиально-упорные подшипники по ГОСТ 4252-75 объединяют два ряда шариков в едином корпусе и обеспечивают компактность узла.
Конические роликовые подшипники
Конические роликовые подшипники повышенной грузоподъемности по ГОСТ 27365-2023 применяются в наиболее нагруженных узлах осей наклона. Конические ролики обеспечивают большую площадь контакта с дорожками качения по сравнению с шариками, что позволяет воспринимать значительные радиальные и осевые нагрузки. Подшипники выпускаются в разборном исполнении, что облегчает монтаж и регулировку осевого зазора.
| Тип подшипника | Нормативный документ | Область применения в позиционере | Особенности |
|---|---|---|---|
| Радиально-упорные шариковые | ГОСТ 831-75 | Ось поворота, легкие позиционеры | Высокая частота вращения, точность |
| Конические роликовые | ГОСТ 27365-2023 | Ось наклона, средние нагрузки | Высокая грузоподъемность, разборность |
| Сферические роликовые | ГОСТ 5721-75 | Ось наклона при больших нагрузках | Самоустанавливаемость, большие нагрузки |
| ОПУ с перекрестными роликами | Технические условия производителя | Ось поворота, тяжелые позиционеры | Компактность, высокая жесткость |
Материалы и термообработка
Кольца подшипников изготавливаются из высокоуглеродистых хромистых сталей марок ШХ15 или ШХ15СГ по ГОСТ 801-78 с последующей закалкой и низким отпуском до твердости 60-65 HRC. Тела качения в виде шариков или роликов изготавливаются из той же стали с аналогичной термообработкой. Сепараторы выполняются из латуни, полиамида или стали в зависимости от условий эксплуатации и скорости вращения.
Для опорно-поворотных устройств большого диаметра кольца могут изготавливаться из конструкционных сталей марок 50ХН или 40Х с поверхностной закалкой токами высокой частоты или цементацией. Глубина упрочненного слоя составляет 3-8 мм в зависимости от размеров колец. Твердость дорожек качения после термообработки достигает 55-60 HRC при вязкой сердцевине материала.
Смазка и обслуживание подшипниковых узлов
Подшипники сварочных позиционеров работают при низких скоростях вращения, что обуславливает применение пластичных смазок. Смазка подшипников выполняет функции снижения трения, отвода тепла, защиты от коррозии и герметизации узла. Тип смазки выбирается в зависимости от условий эксплуатации и температурного режима работы.
Типы применяемых смазок
Для подшипников осей поворота и наклона применяются литиевые пластичные смазки общего назначения или специальные смазки для подшипников качения. При нормальных температурных условиях используются смазки на литиевом мыле с добавлением противозадирных и антикоррозионных присадок. В условиях повышенных температур от сварочных процессов применяются высокотемпературные смазки на основе полимочевины или комплексных литиевых мыл.
Опорно-поворотные устройства оснащаются смазочными отверстиями с резьбовыми пресс-масленками, через которые смазка подается непосредственно к дорожкам качения. Периодичность смазывания зависит от интенсивности эксплуатации позиционера и составляет от 250 до 1000 часов работы. Для подшипников оси наклона с червячной передачей учитывается влияние масла из редуктора на состояние подшипниковой смазки.
| Тип смазки | Температурный диапазон, градусов Цельсия | Область применения | Периодичность замены, часы |
|---|---|---|---|
| Литол-24 | от минус 40 до плюс 120 | Общего назначения, стандартные условия | 500-1000 |
| Циатим-221 | от минус 60 до плюс 150 | Широкий температурный диапазон | 800-1500 |
| ШРУС-4 | от минус 40 до плюс 130 | Тяжелонагруженные узлы | 400-800 |
| Высокотемпературная полимочевинная | от минус 30 до плюс 180 | Повышенные температуры | 1000-2000 |
Обслуживание и контроль состояния
Техническое обслуживание подшипниковых узлов включает регулярный контроль уровня вибрации, температуры нагрева корпусов подшипников, наличия посторонних шумов при вращении. Повышенная вибрация свидетельствует о развитии дефектов на поверхностях качения или неправильной установке подшипников. Превышение допустимой температуры нагрева указывает на недостаток смазки, загрязнение или чрезмерную затяжку подшипников.
Осевой зазор в конических роликоподшипниках контролируется индикатором часового типа и поддерживается в пределах 0,05-0,15 мм в зависимости от размеров подшипников. Чрезмерный осевой зазор приводит к ударным нагрузкам и ускоренному износу, недостаточный зазор вызывает перегрев и преждевременный выход подшипников из строя. Регулировка осевого зазора производится установкой компенсационных колец или перемещением наружных колец подшипников.
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Анализ отработанной смазки: диагностика подшипников спектральным методом
- 3D печать подшипников с топологической оптимизацией: технологии и методы
- Аналоги подшипников: как подобрать замену SKF, FAG, NSK
- Роликовые подшипники 30 мм
- Plain bearings (подшипники скольжения)
- Роликовые подшипники 110 мм
- Подшипники шариковые радиальные NACHI
- Роликовые подшипники ISB
- Однорядные радиально-упорные шариковые подшипники ASAHI
- Подшипники 100я, 200я, 300я серия ZKL
- Упорные шариковые подшипники NKE
- Шариковые подшипники FAG
- Роликовые конические подшипники TIMKEN
- Шариковые подшипники SKF
Часто задаваемые вопросы
Для позиционера такой грузоподъемности оптимальным решением является применение опорно-поворотного устройства с перекрестными роликами. Такие ОПУ обеспечивают высокую жесткость опоры, точность позиционирования и способны воспринимать комбинированные нагрузки. Диаметр ОПУ выбирается в диапазоне 800-1200 мм в зависимости от диаметра планшайбы и величины опрокидывающего момента. Альтернативным вариантом может быть комбинация радиально-упорных шариковых или конических роликовых подшипников, установленных в О-образной или Х-образной схеме.
Самоторможение червячной передачи обусловлено геометрией зацепления и силами трения между червяком и червячным колесом. При малом угле подъема винтовой линии червяка, не превышающем 3,5 градусов, силы трения превосходят движущие силы при попытке вращения червячного колеса. Это приводит к блокировке передачи вращения от колеса к червяку. Для обеспечения гарантированного самоторможения передаточное число червячной передачи должно составлять не менее 35, а коэффициент полезного действия быть менее 50 процентов.
Осевой зазор в конических роликоподшипниках определяется с учетом температурного расширения вала и расстояния между подшипниками. Расчетная формула: δ = α × L × ΔT, где α - коэффициент линейного расширения стали (12×10⁻⁶ 1/градус Цельсия), L - расстояние между подшипниками в мм, ΔT - температурный перепад в градусах Цельсия. Типовые значения осевого зазора составляют 0,05-0,15 мм в зависимости от размеров подшипников. Контроль зазора осуществляется индикатором часового типа при монтаже и в процессе эксплуатации.
Для подшипников сварочных позиционеров рекомендуются литиевые пластичные смазки общего назначения типа Литол-24 при температурах до 120 градусов Цельсия или высокотемпературные смазки на основе полимочевины при температурах до 180 градусов Цельсия. В тяжелонагруженных узлах применяется смазка ШРУС-4 с противозадирными присадками. Опорно-поворотные устройства требуют регулярного пополнения смазки через пресс-масленки каждые 250-1000 часов работы в зависимости от интенсивности эксплуатации. При выборе смазки учитывается температурный режим работы, величина нагрузок и скорость вращения.
Опрокидывающий момент рассчитывается как произведение веса детали на расстояние от центра тяжести детали до оси вращения или наклона: M = G × e × kд, где G - вес детали в кг, e - эксцентриситет в метрах, kд - динамический коэффициент (обычно 1,2-1,5). Полученное значение момента в кгс×м необходимо сравнить с допустимым опрокидывающим моментом для выбранного типа опорно-поворотного устройства или подшипникового узла. Для повышения точности расчета учитываются все массы вращающихся частей и возможные динамические нагрузки при пуске и торможении.
Замена опорно-поворотного устройства на комбинацию стандартных подшипников качения технически возможна, но требует тщательного конструктивного расчета. Необходимо обеспечить восприятие всех действующих нагрузок, включая осевые, радиальные и опрокидывающий момент. Обычно применяется схема из радиально-упорных шариковых или конических роликовых подшипников, установленных в О-образной или Х-образной конфигурации. Важно учитывать, что такая замена приведет к увеличению габаритов узла и усложнению конструкции опорной части. Расчет долговечности подшипников должен выполняться по действующим стандартам с учетом всех нагрузок.
Основные признаки износа подшипников оси наклона включают повышенный уровень вибрации при работе, посторонние шумы и скрежет при наклоне планшайбы, увеличение температуры нагрева корпусов подшипников выше 80 градусов Цельсия, увеличенный люфт в опорах оси, затрудненное перемещение планшайбы при наклоне. Критическим показателем является появление металлической стружки в смазке при ее замене, что свидетельствует о разрушении поверхностей качения. Регулярный контроль состояния подшипников позволяет выявить развивающиеся дефекты до критического износа и своевременно выполнить замену.
Для обеспечения надежного самоторможения передаточное число червячной передачи должно быть не менее 35. Практически эффект самоторможения начинает проявляться при передаточных числах от 35, а гарантированное удержание планшайбы в наклонном положении обеспечивается при передаточных числах 40 и выше. Червячные передачи позиционеров обычно имеют передаточные числа в диапазоне от 40 до 80, что обеспечивает не только самоторможение, но и плавное управление наклоном планшайбы. При этом коэффициент полезного действия передачи составляет 0,3-0,5, что соответствует условиям динамического самоторможения.
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация предназначена для общего понимания принципов работы и конструкции подшипниковых узлов сварочных позиционеров. При проектировании, расчете и эксплуатации реального оборудования необходимо руководствоваться действующими нормативно-техническими документами, стандартами и рекомендациями производителей. Автор не несет ответственности за последствия использования информации из данной статьи в практических целях без проведения соответствующих инженерных расчетов и согласований со специалистами.
Источники:
- ГОСТ 831-75 Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные. Типы и основные размеры
- ГОСТ 27365-2023 Подшипники роликовые конические однорядные повышенной грузоподъемности. Основные размеры
- ГОСТ 5721-75 Подшипники роликовые радиальные сферические двухрядные. Типы и основные размеры
- ГОСТ 4252-75 Подшипники шариковые радиально-упорные двухрядные. Основные размеры
- ГОСТ 801-78 Сталь подшипниковая. Технические условия
- ГОСТ 2144-76 Передачи червячные цилиндрические. Основные параметры
- ГОСТ 19650-97 Передачи червячные цилиндрические. Расчет геометрических параметров
- Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Машиностроение, 2001
- Проектирование механических передач: Учебно-справочное пособие для втузов / С.А. Чернавский и др. Машиностроение, 1984
- Детали машин: Учебник для машиностроительных специальностей вузов / Л.А. Андриенко и др.; Под ред. О.А. Ряховского. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007
