Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Шарико-винтовые передачи (ШВП) представляют собой высокоточные механизмы преобразования вращательного движения в линейное перемещение. В современных автоматизированных крановых системах ШВП находят применение в механизмах позиционирования грузовой тележки, регулировки вылета стрелы и других исполнительных устройствах, требующих точного контроля положения.
Автоматизация башенных и мостовых кранов направлена на повышение точности позиционирования груза, снижение влияния человеческого фактора и увеличение производительности грузоподъемных операций. В системах автоматического управления положением тележки крана ШВП обеспечивают преобразование вращения сервопривода в точное линейное перемещение с минимальным люфтом и высокой повторяемостью позиционирования.
Шарико-винтовая передача состоит из трех основных элементов: винта с резьбовой канавкой, гайки с ответной канавкой и шариков, циркулирующих между винтом и гайкой. В отличие от передач скольжения, в ШВП реализовано трение качения, что обеспечивает КПД до 90-95%.
Система возврата шариков определяет характеристики ШВП и влияет на допустимую скорость вращения. Существует несколько типов рециркуляции:
В ШВП применяется профиль типа "готическая арка" с углом контакта 40-45 градусов. Такой профиль обеспечивает четырехточечный контакт шарика с канавками винта и гайки, равномерное распределение нагрузки между шариками и минимальный момент сопротивления при вращении. Контактное пятно между шариком и канавкой имеет эллиптическую форму, что снижает контактные напряжения по сравнению с двухточечным контактом.
Точность шарико-винтовой передачи определяется допусками на отклонение хода и регламентируется международным стандартом ISO 3408 (части 1-5, редакция 2006 года), а также национальным стандартом JIS B 1192 (Япония, актуальная редакция 2018 года). В России применяется отраслевой стандарт ОСТ 2 Р31-4-88 на классы кинематической и геометрической точности ШВП. Классы точности разделяются на прецизионные (C0-C5 по JIS, P0-P5 по ISO) и транспортные (C7-C10 по JIS, T7-T10 по ISO).
Для систем автоматического позиционирования тележки башенного крана класс точности C7 является оптимальным выбором с точки зрения соотношения цены и характеристик. При типичной длине хода тележки 30-50 метров накопленная погрешность позиционирования для класса C7 составит порядка 6-10 мм, что приемлемо для большинства строительных операций. При необходимости более высокой точности применяют класс C5 в сочетании с системой внешней обратной связи.
Для ШВП класса C7 с ходом тележки 40 м:
Максимальная погрешность хода (ep) = (40000 мм / 1000 мм) x 0,210 мм = 8,4 мм
Для сравнения, класс C5 даст погрешность: (40000 / 1000) x 0,040 = 1,6 мм
Примечание: для точного позиционирования при больших ходах применяют системы с внешним линейным энкодером.
При необходимости более точного позиционирования (например, в автоматизированных складских кранах-штабелерах) рекомендуется применять ШВП класса C5 в сочетании с системой обратной связи по положению на базе линейных энкодеров.
В автоматизированных башенных кранах ШВП применяются для точного позиционирования грузовой тележки вдоль стрелы. Система включает:
Способ закрепления концов винта существенно влияет на критическую скорость вращения и допустимую осевую нагрузку. Для крановых применений с большой длиной хода рекомендуется схема "фиксированный-поддерживающий" или "фиксированный-фиксированный".
Тайваньская компания HIWIN производит широкий спектр ШВП для промышленного применения. Продукция соответствует стандартам JIS и ISO, выпускаются как катаные (классы C7-C10), так и шлифованные (классы C0-C5) шарико-винтовые передачи.
Основные серии HIWIN для автоматизации:
Японская корпорация THK является пионером в области линейных направляющих качения. Шарико-винтовые передачи THK соответствуют стандартам ISO 3408 и JIS B 1192, отличаются высоким качеством изготовления.
Серии ШВП THK:
Компания NSK выпускает ШВП под торговой маркой Monocarrier - интегрированные линейные актуаторы, объединяющие ШВП, линейную направляющую и опорные подшипники в едином компактном модуле.
При выборе ШВП для механизма передвижения тележки крана необходимо определить следующие исходные данные:
Fa = m * a + m * g * f
где:
ncr = k * 107 * dr / Ls2
Рекомендуется работать на скорости не более 80% от критической.
L10 = (Ca / Pm)3 * 106
1. Осевая нагрузка: Fa = 5000 * 0,5 + 5000 * 9,81 * 0,02 = 2500 + 981 = 3481 Н
2. Выбор шага: при шаге 20 мм и скорости 0,5 м/с частота вращения n = 500 / 20 = 25 об/с = 1500 об/мин
3. Критическая скорость (диаметр сердечника 45 мм, схема фикс.-поддерж., k=15,1): ncr = 15,1 * 107 * 45 / 400002 = 425 об/мин
4. Вывод: расчетная критическая скорость (425 об/мин) существенно ниже требуемой (1500 об/мин). Необходимо увеличить диаметр винта или применить схему с вращающейся гайкой.
Правильный монтаж определяет точность и ресурс работы ШВП. Основные требования:
Для смазки ШВП применяются консистентные смазки на литиевой основе или масла для подшипников качения. Не допускается применение смазок, содержащих твердые добавки (MoS2, графит).
Интервал замены смазки зависит от условий эксплуатации и составляет:
Шарико-винтовая передача обеспечивает более высокую точность позиционирования (до 0,02 мм повторяемости), минимальный люфт при использовании преднатяга, плавность хода без рывков и высокий КПД до 90-95%. Зубчато-реечная передача имеет преимущество при очень больших ходах (более 10-15 м) и высоких скоростях перемещения, но уступает в точности из-за неизбежного бокового зазора.
Для большинства строительных кранов достаточно класса точности C7 (Ct7) с колебанием хода до 50 мкм на 300 мм. Класс C5 рекомендуется для складских кранов-штабелеров и систем с повышенными требованиями к точности позиционирования, где допустимое колебание хода составляет не более 18 мкм на 300 мм. Классы C3 и выше применяются в прецизионном оборудовании и для большинства крановых систем избыточны с точки зрения соотношения цена-качество.
Для защиты ШВП от внешних воздействий применяют: телескопические защитные кожухи (гармошки), скребки и очистители резьбы винта, системы наддува сухим воздухом, специальные уплотнения гайки с повышенной степенью защиты. Также рекомендуется применять консистентные смазки с антикоррозионными присадками и сокращать интервалы обслуживания.
Катаные (накатные) ШВП изготавливаются методом холодной пластической деформации и соответствуют транспортным классам точности Ct7-Ct10. Они более доступны по цене и выпускаются длиной до 6000 мм и более. Шлифованные ШВП обрабатываются абразивным инструментом и обеспечивают прецизионные классы точности C0-C5. Они имеют меньшую шероховатость поверхности дорожек качения, более плавный ход и повышенную долговечность, но максимальная длина обычно ограничена 3000-4000 мм из-за сложности обеспечения точности на большой длине.
Преднатяг - это создание начального усилия в контакте шариков с канавками винта и гайки, которое устраняет осевой люфт. Преднатяг реализуется применением шариков увеличенного диаметра или двойной гайкой со смещением. Он необходим для точного позиционирования в системах с ЧПУ, при реверсивном движении и когда требуется повышенная жесткость системы. Однако преднатяг увеличивает момент холостого хода и снижает КПД.
Максимальная скорость ограничивается двумя факторами: критической скоростью винта (зависит от диаметра, длины между опорами и схемы закрепления) и DN-значением гайки (зависит от конструкции системы рециркуляции шариков). Рабочая скорость должна быть не более 80% от критической скорости винта. DN-значение рассчитывается как произведение номинального диаметра в мм на частоту вращения в об/мин и не должно превышать значения, указанного производителем.
Для ШВП применяются специальные радиально-упорные шариковые подшипники с углом контакта 60 градусов, обеспечивающие высокую осевую жесткость. Используются парные комплекты подшипников в компоновке "тандем" или "спина к спине" в зависимости от схемы нагружения. Подшипники устанавливаются с предварительным натягом для исключения осевого люфта.
Отраслевой стандарт ОСТ 2 Р31-4-88 выделяет позиционные (П1, П3, П5, П7) и транспортные (Т1, Т3, Т5, Т7, Т9, Т10) классы точности. Приблизительное соответствие международным стандартам: П1 соответствует IT1/C1, П3 - IT3/C3, П5 - IT5/C5, Т5 - Ct5, Т7 - Ct7. Точное сопоставление допусков следует выполнять по соответствующим стандартам, так как методики измерения и нормируемые параметры могут различаться. При заказе ШВП рекомендуется указывать требуемые допуски явно, а не только класс точности.
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего информирования специалистов о принципах применения шарико-винтовых передач в автоматизированных крановых системах. Представленная информация не является руководством к действию и не может заменить инженерные расчеты, выполненные квалифицированными специалистами с учетом конкретных условий эксплуатации.
Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, возникшие в результате использования информации из данной статьи. При проектировании и эксплуатации грузоподъемного оборудования необходимо руководствоваться действующими нормативными документами и рекомендациями производителей комплектующих.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.