Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Универсальные испытательные (разрывные) машины Instron, ZwickRoell и Shimadzu являются основным оборудованием для определения механических свойств материалов -- прочности на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, циклической усталости. Точность результатов испытаний напрямую зависит от качества механических компонентов привода траверсы: шариковинтовых пар (ШВП), направляющих колонн и подшипниковых узлов. В данной статье рассмотрена конструкция и особенности этих комплектующих для серий Instron 5900/6800/8800, ZwickRoell Z005-Z600 и Shimadzu AGX-V2/AGS-X2/AGS-V.
Электромеханическая универсальная испытательная машина представляет собой силовую раму с подвижной траверсой (кроссхедом), перемещаемой вертикально посредством привода на основе шариковинтовых пар. Типичная конструкция включает жёсткое основание (базовую балку), две или четыре колонны с направляющими, подвижную траверсу, один или два прецизионных ШВП с приводом от серводвигателя через зубчатые ремни или редукторы, датчик силы (тензометрический или на основе технологии Dynacell), экстензометр для измерения деформации.
Вращение ШВП преобразуется в поступательное движение траверсы. Направляющие колонны обеспечивают прямолинейность хода и воспринимают боковые нагрузки. Подшипники в опорах ШВП воспринимают осевые усилия от испытания и обеспечивают точность вращения винта. Жёсткость всей системы -- рамы, ШВП, подшипников, траверсы -- определяет качество получаемых данных: модуль упругости, предел текучести, деформацию при разрушении.
Серия Instron 5900 (выпускалась в 2010-2022 гг., заменена серией 6800) включала модели 5940 (одноколонные), 5960 (двухколонные настольные) и 5980 (напольные). Согласно руководству оператора Instron 5960, каждая колонна состоит из направляющей и шариковинтовой пары. Траверса установлена одновременно на направляющей колонне и на ШВП. Вращение ШВП обеспечивает вертикальное перемещение траверсы, а направляющая колонна предотвращает её поворот и воспринимает боковые нагрузки.
Согласно технической документации Instron, напольные модели 5980 (100-600 кН) используют предварительно нагруженные подшипники и прецизионные шариковинтовые пары. Также применяются массивная траверса и базовая балка повышенной толщины, приводные ремни с низким удлинением. Эти элементы обеспечивают высокую жёсткость рамы, что особенно важно при испытаниях высокопрочных материалов -- авиационных композитов, металлических сплавов, кристаллических полимеров.
Точность измерения силы во всех моделях серий 5900 и 6800 составляет +/-0,5% от показания вплоть до 1/1000 ёмкости датчика силы (при использовании датчиков серии 2580). Это достигается, в частности, за счёт минимизации люфтов в механической цепи привода -- в ШВП и их подшипниковых опорах.
В отличие от электромеханических машин серий 5900/6800, серия Instron 8800 представляет собой сервогидравлические системы для динамических и усталостных испытаний. Модели 8801, 8802, 8803-8808 используют не ШВП, а гидравлический актуатор двойного действия с сервоклапаном. Нагрузка достигает от 100 кН (модель 8801) до 5000 кН (высоконагрузочные системы).
В сервогидравлических системах 8800 серии используются гидростатические подшипники актуатора (опционально, для повышенной боковой жёсткости и критически важных испытаний, таких как малоцикловая усталость). Также применяются прецизионные направляющие колонны рамы с двухколонной конструкцией высокой жёсткости (модель 8801) или Т-образным основанием (модель 8802). Для системы 8801 предусмотрены гидравлические подъёмники и фиксаторы верхней траверсы.
Все системы серии 8800 оснащаются цифровым контроллером 8800MT с 19-битным разрешением по всему диапазону датчиков, частотой синхронного сбора данных до 10 кГц, запатентованной системой настройки на основе жёсткости (Stiffness Based Tuning), адаптивным управлением и защитой образца (Specimen Protect). Контроллер совместим с программным обеспечением WaveMatrix 3 для динамических испытаний и Bluehill Universal для квазистатических испытаний.
ZwickRoell выпускает несколько линеек электромеханических испытательных машин. AllroundLine (модели Z010-Z250) -- универсальные настольные и напольные машины с нагрузкой до 250 кН. ProLine (Z005-Z100) -- машины для стандартизированных испытаний с акцентом на простоту эксплуатации. E-серия (Z330ES-Z2500ES) -- тяжёлые напольные машины с нагрузкой до 2500 кН.
Все электромеханические машины ZwickRoell оснащены приводом на основе шариковинтовых пар. Тяжёлые машины E-серии имеют раму с четырьмя хромированными направляющими колоннами, массивными базовой и подвижной траверсами, что обеспечивает отличные направляющие свойства и высокую жёсткость конструкции. Привод осуществляется бесщёточными серводвигателями переменного тока с цифровым управлением и инновационной системой обратной связи.
AllroundLine допускает нагрузки до 110% от номинальной для компенсации массы тяжёлых захватов и приспособлений. Скорость траверсы не зависит от нагрузки, что обеспечивается системой управления серводвигателем с обратной связью по положению через энкодер.
Shimadzu производит испытательные машины серии AUTOGRAPH более 100 лет. Текущая флагманская линейка AGX-V2 обеспечивает частоту сбора данных 10 кГц и управление траверсой с частотой 1 кГц благодаря многопроцессорной архитектуре контроллера. Серия AGS-X2 -- прецизионные машины среднего класса с нагрузкой до 300 кН. Серия AGS-V -- новое настольное поколение (до 10 кН) с расширенным гарантированным диапазоном точности до 1/1000 ёмкости датчика.
Shimadzu AGX-V2 оснащена "интеллектуальной" траверсой, которая постоянно распознаёт своё текущее положение. Система автоматически останавливает траверсу при обнаружении сближения захватов, контакта с препятствием или превышения ёмкости датчика силы. Строб-ограничители хода выполнены с пружинным механизмом фиксации, предотвращающим ошибки настройки. Настольные машины серии AGS-V (до 10 кН) обеспечивают расширенный гарантированный диапазон точности измерения силы до 1/1000 ёмкости датчика, что позволяет анализировать начальный участок кривой нагружения без смены датчика.
ШВП являются ключевым элементом привода электромеханических испытательных машин. В испытательных машинах Instron, ZwickRoell и Shimadzu используются прецизионные шлифованные ШВП класса точности C3-C5 по стандарту ISO 3408 (соответствует DIN 69051 и JIS B 1192). Типичная конфигурация -- два ШВП, установленных параллельно по обеим сторонам рамы, приводимых синхронно через зубчатые ремни от одного или двух серводвигателей.
ШВП для разрывных машин должны обеспечивать высокую осевую жёсткость для минимизации упругих деформаций под нагрузкой, минимальный люфт (предварительный натяг гаек), плавность хода при очень низких скоростях (от 0,001 мм/мин и менее), длительный ресурс при знакопеременных нагрузках (растяжение-сжатие), коррозионную стойкость рабочих поверхностей.
Для ШВП класса C3 максимальный диапазон отклонений хода на длине 300 мм (параметр v300 по ISO 3408-3) составляет порядка 6-8 мкм (зависит от шага и диаметра винта). Для класса C5 -- порядка 18-23 мкм на 300 мм. При определении модуля упругости материала, где относительная деформация измеряется с точностью до единиц микрометров, класс точности ШВП должен быть не ниже C5, а для прецизионных испытаний -- C3. Применение высокоточных опор ШВП является обязательным условием для достижения заявленных характеристик машин.
Направляющие колонны испытательных машин обеспечивают прямолинейность перемещения траверсы и воспринимают боковые нагрузки, возникающие при несимметричном нагружении образца. В конструкциях Instron, ZwickRoell и Shimadzu применяются различные типы направляющих.
В двухколонных настольных машинах (Instron 5960/6800, ZwickRoell AllroundLine Z010-Z100, Shimadzu AGS-X2/AGS-V) используются цилиндрические хромированные колонны с линейными подшипниками скольжения или качения. В тяжёлых напольных машинах (Instron 5980, ZwickRoell E-серии Z330ES-Z2500ES) применяются четыре хромированные направляющие колонны повышенного диаметра. Роликовые рельсовые направляющие (высокоточные роликовые рельсы Schneeberger, роликовые рельсы Bosch Rexroth) обеспечивают наивысшую жёсткость и точность в прецизионных моделях.
Для прецизионных испытательных машин важна не только точность самих направляющих, но и качество кареток. Высокоточные роликовые каретки Schneeberger обеспечивают минимальное трение и высокую жёсткость, что критически важно при испытаниях на очень низких скоростях перемещения траверсы.
Опоры шариковинтовых пар в испытательных машинах являются критически важным узлом, определяющим осевую жёсткость привода и отсутствие люфтов. В зависимости от конструкции применяются различные типы подшипников.
Наиболее распространённый тип -- радиально-упорные (конические) роликовые подшипники, установленные парами по схеме "спина к спине" (back-to-back, DB). Такая установка обеспечивает восприятие осевых усилий в обоих направлениях (растяжение и сжатие), высокую осевую и радиальную жёсткость, компенсацию температурных деформаций винта. Предварительный натяг подшипников выбирается из условия обеспечения нулевого люфта при максимальной рабочей нагрузке.
В испытательных машинах с нагрузкой свыше 100 кН применяются упорные конические роликовые подшипники и упорные цилиндрические роликовые подшипники повышенной грузоподъёмности. Производители подшипников KOYO и NACHI выпускают специализированные серии для опор ШВП с повышенным классом точности.
Состояние ШВП, направляющих и подшипников непосредственно влияет на достоверность результатов механических испытаний. Основные параметры, зависящие от состояния привода -- это жёсткость рамы, плавность хода траверсы и люфт в механической цепи.
При определении модуля Юнга методом растяжения деформация образца составляет единицы-десятки микрометров. Общая податливость системы "рама + захваты + образец" складывается из деформаций траверсы, упругого прогиба колонн, осевой деформации ШВП и подшипников, деформации датчика силы. Износ подшипников и ШВП увеличивает податливость рамы, что приводит к занижению измеренного модуля упругости. Согласно Instron, применение предварительно нагруженных подшипников и прецизионных ШВП позволяет минимизировать энергию, запасённую в раме во время испытания.
При очень низких скоростях траверсы (менее 1 мм/мин) возможен эффект "stick-slip" (скольжение-рывок), вызванный различием статического и динамического коэффициентов трения в ШВП и направляющих. Этот эффект проявляется как колебания измеренной силы и приводит к зашумлению кривой деформации. Для его минимизации в прецизионных машинах применяются ШВП с предварительным натягом, направляющие с роликовыми элементами качения (а не скольжения), высококачественные смазочные материалы.
Производители испытательных машин рекомендуют регулярное профилактическое обслуживание для поддержания заявленных метрологических характеристик. Shimadzu AGX-V2, например, отслеживает время и количество использований машины и выдаёт уведомление при достижении регламентных значений.
Типичные регламентные операции включают визуальный осмотр ШВП и направляющих на наличие следов износа, коррозии, повреждений, проверку уровня и состояния смазки ШВП и подшипников, проверку предварительного натяга подшипников и отсутствия люфтов, проверку натяжения приводных ремней, калибровку машины по ISO 7500-1 / ASTM E4.
Замена подшипников или ШВП требуется при появлении ощутимого люфта в приводе траверсы, повышенном шуме или вибрации при перемещении траверсы, неравномерности хода (рывках) при низких скоростях, невозможности пройти калибровку по ISO 7500-1 после регулировки, обнаружении видимых повреждений дорожек качения или поверхности винта.
В напольных машинах Instron 5980 (100-600 кН) используются прецизионные шлифованные шариковинтовые пары, установленные параллельно в двух колоннах рамы. Согласно технической документации Instron, ШВП работают совместно с предварительно нагруженными подшипниками и приводными ремнями с низким удлинением, что обеспечивает высокую жёсткость и точность привода траверсы.
Электромеханические машины (серии 5900/6800) используют ШВП с серводвигателем для перемещения траверсы и предназначены преимущественно для квазистатических испытаний (растяжение, сжатие, изгиб). Сервогидравлические машины серии 8800 используют гидравлический актуатор с сервоклапаном и предназначены для динамических/усталостных испытаний с частотами нагружения до десятков герц. В гидравлических системах вместо ШВП применяются гидростатические подшипники актуатора.
Для прецизионных испытательных машин применяются ШВП класса C3-C5 по ISO 3408 (позиционирующего типа). Класс C3 обеспечивает максимальный диапазон отклонений хода (v300) порядка 6-8 мкм на 300 мм, класс C5 -- порядка 18-23 мкм (зависит от шага и диаметра). Для большинства испытаний по ASTM и ISO достаточен класс C5, а для прецизионных испытаний модуля упругости и малых деформаций рекомендуется класс C3.
В фиксированных опорах (BK) используются радиально-упорные (конические) подшипники, установленные парами по схеме "спина к спине" (back-to-back) с предварительным натягом. Это обеспечивает восприятие осевых усилий в обоих направлениях и нулевой люфт. В плавающих опорах (BF) применяются радиальные шарикоподшипники, допускающие осевое перемещение для компенсации температурных деформаций винта.
Износ подшипников опор ШВП приводит к увеличению люфта в приводе, что проявляется как гистерезис на кривой "сила-перемещение", снижение измеренного модуля упругости из-за увеличения податливости рамы, зашумление данных при циклических испытаниях, невозможность прохождения калибровки по ISO 7500-1. Регулярная проверка и своевременная замена подшипников необходимы для поддержания метрологических характеристик машины.
Тяжёлые электромеханические машины ZwickRoell E-серии (Z330ES-Z2500ES) имеют раму с четырьмя хромированными направляющими колоннами и массивными базовой и подвижной траверсами. Такая конструкция обеспечивает отличные направляющие свойства и высокую жёсткость машины. Привод от бесщёточного серводвигателя переменного тока с цифровым управлением обеспечивает стабильность скорости независимо от нагрузки.
AGX-V2 -- флагманская серия Shimadzu с многопроцессорным контроллером, частотой сбора данных 10 кГц, управлением траверсой 1 кГц и функцией голосового управления (XV-Talk). Модели доступны от 10 Н до 600 кН. AGS-X2 -- серия среднего класса (до 300 кН) с частотой сбора данных 1 кГц и точностью +/-0,5% в диапазоне 1/500-1/1. Серия AGS-V -- новая настольная линейка (до 10 кН) с расширенным гарантированным диапазоном точности до 1/1000 ёмкости датчика и частотой сбора до 5 кГц.
Интервалы обслуживания определяются производителем машины и зависят от интенсивности эксплуатации. Как правило, смазка ШВП и подшипников проверяется при ежегодном профилактическом обслуживании. Машины Shimadzu AGX-V2 автоматически отслеживают наработку и уведомляют оператора о необходимости обслуживания. Калибровка по ISO 7500-1 или ASTM E4 обычно проводится ежегодно и является индикатором состояния механической системы.
Использование неоригинальных комплектующих допустимо при условии полного соответствия размеров, класса точности, предварительного натяга и материалов. Критически важно обеспечить соответствие класса точности ШВП (не ниже C5, предпочтительно C3) и класса точности подшипников. При замене необходимо провести полную калибровку машины по ISO 7500-1. Ответственность за метрологические характеристики при использовании неоригинальных компонентов несёт конечный пользователь.
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия использования представленной информации. Все технические параметры и рекомендации по обслуживанию и замене комплектующих испытательных машин Instron, ZwickRoell и Shimadzu приведены на основании открытых источников и могут не учитывать особенности конкретных модификаций оборудования. При проведении работ по обслуживанию и ремонту испытательных машин необходимо руководствоваться официальной технической документацией производителя и привлекать квалифицированных сервисных инженеров. Любые действия по замене подшипников, ШВП и иных компонентов должны выполняться в строгом соответствии с сервисными инструкциями производителя. После замены компонентов привода обязательна калибровка машины по ISO 7500-1 или ASTM E4.
1. Instron. 5960 Series Dual Column Table Frames Operator's Guide. Document M10-16247-EN, Revision E.
2. Instron. 5980 Series Floor Model Universal Testing Machine -- Product Specification.
3. Instron. 6800 Series Universal Testing Systems -- Product Brochure.
4. Instron. 8801 Servohydraulic Fatigue Testing System -- Product Brochure.
5. Instron. 8800MT Controller -- Technical Documentation.
6. ZwickRoell. AllroundLine Z005-Z100 Materials Testing Machine -- Product Information (PI EN 02_284).
7. ZwickRoell. ProLine Z005-Z100 Materials Testing Machine -- Product Information (PI EN 02_375).
8. ZwickRoell. Electromechanical Testing Machine Z330ES-Z2500ES -- Product Information.
9. Shimadzu Corporation. AUTOGRAPH AGX-V2 Series -- Product Specifications.
10. Shimadzu Corporation. AUTOGRAPH AGS-X2 Series -- Product Specifications.
11. Shimadzu Corporation. AUTOGRAPH AGS-V Series -- Product Specifications.
12. Shimadzu Corporation. Press Release: Release of Autograph AGS-V Series, May 2025.
13. ISO 7500-1. Metallic materials -- Calibration and verification of static uniaxial testing machines.
14. ASTM E4. Standard Practices for Force Calibration and Verification of Testing Machines.
15. ISO 3408 (Parts 1-5). Ball screws -- Vocabulary, symbols, acceptance conditions, axial static rigidity, static and dynamic axial load ratings and operational life.
16. DIN 69051. Ball screws for machine tools.
17. JIS B 1192. Ball screws (гармонизирован с ISO 3408).
18. THK Co., Ltd. Ball Screw General Catalog -- Lead Angle Accuracy.
19. HIWIN Technologies Corp. Ballscrews Technical Information.
20. NSK Ltd. Ball Screws -- Standard Compact FA (Catalog E3239b).
21. SKF Group. Rolling Bearings -- Main Catalogue, Publication 17000.
22. Schaeffler Technologies. INA Linear Guidance Systems (Catalog LF1).
23. Harris T.A., Kotzalas M.N. Rolling Bearing Analysis. 5th ed. CRC Press, 2006.
24. Решетов Д.Н. Детали машин. 4-е изд. М.: Машиностроение, 1989.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.