Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Трапецеидальная резьба представляет собой тип ходовой резьбы с симметричным профилем в форме равнобедренной трапеции. Данный тип резьбы получил широкое распространение в механизмах преобразования вращательного движения в поступательное благодаря оптимальному сочетанию технологичности изготовления, прочности и приемлемого коэффициента трения.
В передачах винт-гайка грузоподъемных механизмов (домкратов, прессов, подъемных столов) трапецеидальная резьба является основным конструктивным решением. Её применение обусловлено способностью выдерживать значительные осевые нагрузки при обеспечении условий самоторможения, что критически важно для безопасной эксплуатации подъемного оборудования.
Обозначение трапецеидальной резьбы включает буквы Tr (от англ. trapezoidal), номинальный диаметр и шаг. Например, обозначение Tr 20x4 указывает на трапецеидальную резьбу с наружным диаметром 20 мм и шагом 4 мм.
Профиль трапецеидальной резьбы формируется равнобедренной трапецией с углом между боковыми сторонами 30 градусов (угол профиля 2а = 30 градусов, угол наклона боковой стороны а = 15 градусов). Такой профиль обеспечивает компромисс между прочностью витков и величиной сил трения в передаче.
Средний диаметр: d2 = d - 0,5P
Внутренний диаметр винта: d3 = d - P - ac (где ac - зазор по вершине)
Рабочая высота профиля: H1 = 0,5P
Высота исходного треугольника: H = P / (2 x tg15) = 1,866P
Трапецеидальная резьба стандартизована как в отечественной, так и в международной практике. Основными нормативными документами являются группа стандартов ГОСТ серии 9484 и немецкий стандарт DIN 103.
Немецкий стандарт DIN 103 устанавливает размеры метрической трапецеидальной резьбы ISO. Профиль резьбы по DIN 103 идентичен профилю по ГОСТ 9484-81, что обеспечивает взаимозаменяемость резьбовых деталей. Стандарт охватывает диаметры резьбы от Tr 8 до Tr 300 мм с соответствующими шагами от 1,5 до 44 мм.
Винты Tr 20x4 и Tr 30x6 относятся к наиболее распространенным типоразмерам, применяемым в грузоподъемных механизмах средней грузоподъемности. Выбор данных размеров обусловлен оптимальным сочетанием несущей способности и условий самоторможения.
Tr 20x4-7e - трапецеидальная однозаходная резьба с номинальным диаметром 20 мм, шагом 4 мм и полем допуска среднего диаметра 7e (для наружной резьбы).
Tr 30x6-7H - трапецеидальная однозаходная резьба с номинальным диаметром 30 мм, шагом 6 мм и полем допуска среднего диаметра 7H (для внутренней резьбы).
Самоторможение является ключевым свойством винтовых передач грузоподъемных механизмов. Под самоторможением понимается состояние, при котором статическая осевая нагрузка на винт не вызывает самопроизвольного вращения гайки (или винта) и опускания груза.
Самоторможение обеспечивается, когда угол подъема винтовой линии меньше приведенного угла трения:
Условие самоторможения: psi < phi'
где:
psi - угол подъема винтовой линии по среднему диаметру;
phi' - приведенный угол трения.
Угол подъема: tg(psi) = P / (pi x d2)
Приведенный угол трения: tg(phi') = f / cos(alpha)
где f - коэффициент трения; alpha = 15 градусов - угол наклона боковой стороны профиля.
Условие самоторможения справедливо для статических нагрузок. При вибрациях и ударных воздействиях коэффициент трения существенно снижается (до 0,02 и менее), что может привести к нарушению условия самоторможения. В таких случаях применяются дополнительные меры: стопорные устройства, тормозные механизмы или храповые механизмы.
Правильный выбор материалов пары винт-гайка определяет работоспособность, долговечность и эффективность передачи. Материалы должны образовывать антифрикционную пару с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью.
Оловянные и алюминиевые бронзы являются основным материалом гаек для ответственных передач. Они обеспечивают низкий коэффициент трения (0,08-0,12), высокую износостойкость и хорошую прирабатываемость.
Антифрикционные чугуны применяются в тихоходных передачах с умеренной нагрузкой. Их основное преимущество - низкая стоимость при достаточной износостойкости.
Винтовой домкрат представляет собой механизм для подъема груза, основанный на передаче винт-гайка. Грузоподъемность винтовых домкратов достигает 50 тонн при высоте подъема до 400-600 мм. КПД винтовой передачи домкрата составляет 0,3-0,4.
Конструктивно домкрат включает:
- грузовой винт с трапецеидальной резьбой;
- грузовую гайку, закрепленную в корпусе;
- грузовую чашку (пяту) на верхнем конце винта;
- механизм привода (рукоятка или червячная передача).
Грузоподъемность до 3 т: резьба Tr 20x4 - Tr 24x5
Грузоподъемность 3-10 т: резьба Tr 30x6 - Tr 40x7
Грузоподъемность 10-20 т: резьба Tr 44x8 - Tr 50x8
Грузоподъемность более 20 т: резьба Tr 55x9 и более
В винтовых прессах трапецеидальный винт обеспечивает передачу усилия от привода к рабочему инструменту. Особенностью является требование самоторможения для удержания пуансона в любом положении без дополнительных стопорных устройств.
Для ручных винтовых прессов применяют однозаходную резьбу с малым углом подъема, что обеспечивает большой выигрыш в силе и надежное самоторможение.
В механизмах подъемных столов трапецеидальные винты работают в вертикальном положении, воспринимая вес платформы и груза. Особенностью является распределение нагрузки между несколькими винтами (2-4 стойки), что требует синхронизации их вращения.
Для подъемных столов грузоподъемностью до 500 кг типичным является применение винтов Tr 20x4 или Tr 24x5 в каждой стойке.
Основным критерием работоспособности передачи винт-гайка грузоподъемных механизмов является износостойкость резьбы. Расчет ведется по допускаемому удельному давлению в резьбе.
Средний диаметр резьбы:
d2 = корень квадратный из (F / (pi x psi_H x psi_h x [p]))
F - осевая сила на винте, Н;
psi_H = H/d2 - коэффициент высоты гайки (1,2-2,5 для цельных гаек);
psi_h = H1/P - коэффициент высоты профиля (0,5 для трапецеидальной резьбы);
[p] - допускаемое удельное давление, МПа.
Грузоподъемность домкрата: Q = 3000 кг = 30000 Н
Материал винта: Сталь 45
Материал гайки: Бронза БрО10Ф1
Допускаемое давление: [p] = 10 МПа
Коэффициент высоты гайки: psi_H = 2,0
d2 = корень квадратный из (30000 / (3,14 x 2,0 x 0,5 x 10)) = 30,9 мм
По ГОСТ 24738-81 принимаем резьбу Tr 32x6 (d2 = 29 мм)
tg(psi) = 6 / (3,14 x 29) = 0,0659
psi = 3,77 градуса
При f = 0,12: phi' = arctg(0,12 / cos15) = 7,08 градуса
Условие psi < phi' выполнено (3,77 < 7,08), самоторможение обеспечено.
Грузовой винт домкрата испытывает сжатие и кручение. Проверка прочности выполняется по эквивалентному напряжению:
Напряжение сжатия: sigma_сж = F / A
где A = (pi x d3^2) / 4 - площадь поперечного сечения по внутреннему диаметру.
Касательное напряжение: tau = T_р / W_p
где T_р - момент в резьбе; W_p = (pi x d3^3) / 16 - момент сопротивления кручению.
Эквивалентное напряжение: sigma_экв = корень квадратный из (sigma_сж^2 + 3 x tau^2) <= [sigma]
При большой свободной длине винта необходима проверка на продольную устойчивость. Критическая сила определяется по формуле Эйлера с учетом гибкости винта:
Гибкость винта: lambda = mu x l / i
где l - свободная длина винта; i - радиус инерции сечения; mu - коэффициент приведения длины (1,0 для шарнирно закрепленных концов).
Условие устойчивости: F <= phi x [sigma] x A
где phi - коэффициент снижения допускаемых напряжений, определяемый по таблицам в зависимости от гибкости.
Правильная смазка обеспечивает снижение трения, предотвращение износа и коррозии. Для винтовых пар грузоподъемных механизмов применяются:
- консистентные смазки (Литол-24, ЦИАТИМ-201) для механизмов периодического действия;
- масла индустриальные (И-40А, И-50А) для непрерывно работающих передач;
- графитовые смазки для работы при повышенных нагрузках.
Износ резьбовой пары контролируется по величине осевого люфта. Допустимый люфт определяется требованиями к точности позиционирования и безопасности. Для грузоподъемных механизмов предельный износ обычно составляет 10-15% от рабочей высоты профиля.
Признаки критического износа:
- увеличение осевого люфта;
- появление металлического шума при работе;
- неравномерность хода;
- повышение усилия на приводе.
При эксплуатации грузоподъемных механизмов с трапецеидальными винтами необходимо:
- не превышать номинальную грузоподъемность;
- обеспечивать соосность нагрузки с осью винта;
- исключать боковые нагрузки на винт;
- периодически проверять состояние резьбы и смазки;
- при наличии вибраций применять дополнительные стопорные устройства.
Самоторможение обеспечивается при угле подъема винтовой линии менее 6 градусов для стандартных условий трения (коэффициент трения 0,1-0,15). Для однозаходных трапецеидальных резьб с предпочтительными шагами угол подъема составляет 2,5-4,5 градуса, что гарантирует надежное самоторможение. При использовании антифрикционных покрытий или смазок с очень низким коэффициентом трения следует дополнительно проверять условие самоторможения.
Бронза обеспечивает коэффициент трения по стали 0,08-0,12, что в 2-3 раза ниже, чем у пары сталь-сталь (0,15-0,25). Кроме того, бронза обладает антизадирными свойствами - при перегрузке или недостаточной смазке бронзовая гайка не схватывается со стальным винтом. При износе пары преимущественно изнашивается более мягкая бронзовая гайка, которую легче и дешевле заменить, чем винт. Также бронза хорошо удерживает смазку благодаря пористой структуре.
Антифрикционные чугуны (марок АЧВ, АЧК, АЧС) применяют в тихоходных передачах с умеренной нагрузкой, где основным критерием является экономичность. Чугунные гайки используют для винтов 3-4 класса точности, в механизмах периодического действия, а также при больших диаметрах резьбы, когда изготовление бронзовой гайки нецелесообразно. Допускаемое удельное давление для пары сталь-чугун составляет 5-7 МПа (против 7-13 МПа для стали-бронзы).
Средний диаметр резьбы определяется из расчета на износостойкость по формуле: d2 = корень квадратный из (F / (pi x psi_H x psi_h x [p])), где F - осевая сила (грузоподъемность), psi_H - коэффициент высоты гайки (1,6-2,5 для домкратов), psi_h = 0,5 для трапецеидальной резьбы, [p] - допускаемое давление (10-12 МПа для пары сталь-бронза при кратковременной работе). По расчетному значению выбирают ближайший больший стандартный размер по ГОСТ 24738-81.
ГОСТ 9484-81 и DIN 103 устанавливают идентичный профиль трапецеидальной резьбы с углом 30 градусов. Основные геометрические параметры (диаметры, шаги, высота профиля) также совпадают. Различия касаются системы допусков и обозначений. Резьбовые детали, изготовленные по ГОСТ и DIN, взаимозаменяемы при одинаковых номинальных размерах. ГОСТ соответствует международному стандарту ISO 2904.
КПД трапецеидальной винтовой передачи составляет 25-40% в зависимости от угла подъема резьбы, материалов пары и качества смазки. Для однозаходных самотормозящих резьб КПД обычно находится в диапазоне 28-37%. Бронзовые гайки обеспечивают КПД до 37%, латунные - 28-33%, чугунные - 25-30%. Низкий КПД является следствием самоторможения - энергия расходуется на преодоление сил трения. Для повышения КПД применяют многозаходные резьбы, но при этом теряется свойство самоторможения.
Периодичность смазки зависит от интенсивности эксплуатации. Для домкратов периодического применения рекомендуется смазывать резьбу не реже одного раза в 6 месяцев или через каждые 500 циклов подъема-опускания. Перед смазкой необходимо очистить резьбу от загрязнений и старой смазки. Применяют консистентные смазки типа Литол-24, ЦИАТИМ-201 или графитовую смазку. Смазку наносят тонким слоем на всю рабочую поверхность резьбы.
Многозаходная трапецеидальная резьба имеет больший угол подъема винтовой линии и, как правило, не обеспечивает самоторможение. В грузоподъемных механизмах, где требуется удержание груза без дополнительных тормозных устройств, применяют только однозаходную резьбу. Многозаходные резьбы используют в механизмах быстрого перемещения, где самоторможение не требуется или обеспечивается отдельным тормозом. В некоторых домкратах многозаходную резьбу применяют для механизма горизонтального перемещения, где самоторможение не критично.
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего информирования технических специалистов. Автор не несет ответственности за любые последствия использования информации, содержащейся в статье. Все расчеты и конструктивные решения должны выполняться квалифицированными инженерами с учетом конкретных условий эксплуатации и действующих нормативных документов. При проектировании и эксплуатации грузоподъемного оборудования необходимо руководствоваться актуальными стандартами, правилами безопасности и требованиями надзорных органов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.