Пошаговое руководство по выбору ШВП
Основные принципы выбора
Выбор шарико-винтовой передачи — это комплексная инженерная задача, требующая учета множества факторов. Правильный выбор обеспечивает оптимальное соотношение цены, качества и производительности оборудования.
Шаг 1: Определение нагрузок
Расчет всех действующих сил: статических, динамических, инерционных
Шаг 2: Выбор диаметра
На основе нагрузок и требуемой жесткости системы
Шаг 3: Определение шага
Баланс между скоростью перемещения и передаваемым усилием
Шаг 4: Класс точности
В зависимости от требований к позиционированию
Шаг 5: Тип гайки
Одинарная или сдвоенная, с учетом требований к люфту
Шаг 6: Опорные блоки
Схема закрепления и типы опор
Расчет нагрузок
Определение осевой нагрузки
Fa = Fg + Fr + Fc + Fi
где:
Fa - полная осевая нагрузка, Н
Fg - сила тяжести перемещаемых масс, Н
Fr - сила трения в направляющих, Н
Fc - усилие резания (для станков), Н
Fi - инерционная сила при разгоне/торможении, Н
Расчет составляющих:
1. Сила тяжести:
Fg = m × g × sin(α)
где:
m - масса перемещаемого узла, кг
g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения
α - угол наклона к горизонту (0° для горизонтальной, 90° для вертикальной оси)
2. Сила трения:
Fr = μ × m × g × cos(α)
где:
μ - коэффициент трения в направляющих
(0,003-0,005 для качения, 0,1-0,15 для скольжения)
3. Инерционная сила:
Fi = m × a
где:
a - ускорение при разгоне/торможении, м/с²
Эквивалентная динамическая нагрузка
Для переменных режимов работы:
Fm = ∛[(F₁³×t₁ + F₂³×t₂ + ... + Fₙ³×tₙ) / (t₁ + t₂ + ... + tₙ)]
где:
Fi - нагрузка на i-м режиме
ti - время работы на i-м режиме
Пример расчета нагрузки
Дано:
- Горизонтальный стол фрезерного станка
- Масса стола с заготовкой: m = 100 кг
- Направляющие качения: μ = 0,005
- Усилие резания: Fc = 1000 Н
- Ускорение: a = 5 м/с²
Решение:
Fg = 100 × 9,81 × sin(0°) = 0 Н (горизонтальная ось)
Fr = 0,005 × 100 × 9,81 × cos(0°) = 4,9 Н
Fi = 100 × 5 = 500 Н
Fa = 0 + 4,9 + 1000 + 500 = 1504,9 Н ≈ 1,5 кН
Выбор: С учетом коэффициента безопасности 2, требуется ШВП с динамической грузоподъемностью не менее 3 кН. Подходит SFU1605 (C = 6,3 кН).
Расчет ресурса ШВП
Базовая формула расчета ресурса
L = (C / Fm)³ × 10⁶ оборотов
где:
L - ресурс в оборотах
C - динамическая грузоподъемность, Н
Fm - эквивалентная нагрузка, Н
Перевод в часы работы
Lh = L / (60 × nm)
где:
Lh - ресурс в часах
nm - средняя частота вращения, об/мин
Модифицированный расчет с учетом условий эксплуатации
L = (C / Fm)³ × fw × ft × 10⁶
где:
fw - коэффициент нагрузки (0,7-1,2)
ft - температурный коэффициент (0,9 при 100°C, 1,0 при 20-80°C)
Пример расчета ресурса для станка с ЧПУ
Условия:
- Выбрана передача SFU2010 (C = 9,7 кН)
- Средняя нагрузка Fm = 2 кН
- Средняя скорость вращения nm = 300 об/мин
- Нормальные условия: fw = 1,0, ft = 1,0
Расчет:
L = (9700 / 2000)³ × 1,0 × 1,0 × 10⁶ = 114 × 10⁶ оборотов
Lh = 114 × 10⁶ / (60 × 300) = 6333 часов
При 8-часовой смене и 250 рабочих днях: 6333 / 2000 = 3,2 года
Расчет критической скорости вращения
Критическая скорость по резонансу винта
nc = (λ² × d × 10⁷) / (60 × L²) [об/мин]
где:
λ - коэффициент закрепления концов
d - диаметр винта, мм
L - расстояние между опорами, мм
Коэффициенты закрепления λ:
- Оба конца зафиксированы (BK-BK): λ = 4,73
- Фиксированный-свободный (BK-свободный): λ = 1,88
- Фиксированный-плавающий (BK-BF): λ = 3,93
- Оба конца плавающие (BF-BF): λ = 3,14
Ограничение по DN-числу
DN = d × n ≤ DNmax
где:
d - диаметр винта, мм
n - частота вращения, об/мин
DNmax = 50000-70000 для стандартных ШВП
Пример расчета критической скорости
Дано:
- Винт SFUR2010 (d = 20 мм)
- Длина между опорами L = 1000 мм
- Схема закрепления BK-BF
Расчет:
nc = (3,93² × 20 × 10⁷) / (60 × 1000²) = 515 об/мин
Проверка DN: DN = 20 × 515 = 10300 < 50000 ✓
Рекомендация: Рабочая скорость не должна превышать 0,8 × nc = 412 об/мин
Расчет крутящего момента
Момент для преодоления осевой нагрузки
T = (Fa × Ph) / (2π × η) + Tp
где:
T - полный крутящий момент, Н·м
Fa - осевая нагрузка, Н
Ph - шаг резьбы, м
η - КПД передачи (0,9-0,95)
Tp - момент преднатяга (для сдвоенных гаек)
Момент инерции системы
J = Jm + Jr × (2π/Ph)² + Jвинт
где:
Jm - момент инерции двигателя
Jr - момент инерции перемещаемых масс
Jвинт - момент инерции винта
Динамический момент при разгоне
Tдин = J × ε
где:
ε - угловое ускорение, рад/с²
Выбор класса точности
Классы точности по ГОСТ 33731-2016 (ISO 3408-3)
Допустимые отклонения для различных классов точности
| Класс | Тип | Накопленная погрешность на 300 мм, мкм | Вариация на 2π, мкм | Применение |
|---|---|---|---|---|
| C0 | Шлифованный | ±3,5 | 2,5 | Ультрапрецизионное оборудование |
| C1 | Шлифованный | ±5 | 3,5 | Высокоточные станки |
| C3 | Шлифованный | ±12 | 6 | Прецизионные станки с ЧПУ |
| C5 | Шлифованный | ±23 | 13 | Стандартные станки с ЧПУ |
| C7 | Катаный | ±52 | 25 | 3D-принтеры, простые станки |
| C10 | Катаный | ±210 | 70 | Подъемные механизмы |
Рекомендация: Для большинства применений оптимален класс C7, обеспечивающий хороший баланс точности и стоимости. Винты SFUR производства Inner Engineering имеют класс точности C7.
Применение в станках с ЧПУ
Типовые конфигурации для различных осей
Ось X (продольное перемещение)
- Длина хода: 300-1500 мм
- Рекомендуемые винты: SFUR2010, SFUR2510
- Гайки: DFU для высокой точности или SFU для экономии
- Опоры: BK-BF для L<1500 мм, BK-BK для L>1500 мм
Ось Y (поперечное перемещение)
- Длина хода: 200-800 мм
- Рекомендуемые винты: SFUR1610, SFUR2010
- Гайки: Обычно SFU достаточно
- Опоры: BK-BF стандартная схема
Ось Z (вертикальное перемещение)
- Длина хода: 100-500 мм
- Особенность: Постоянная нагрузка от веса шпинделя
- Рекомендуемые винты: SFUR1605, SFUR2005 (малый шаг для точности)
- Гайки: DFU для компенсации веса без люфта
- Опоры: BK снизу (воспринимает вес), BF или без опоры сверху
Расчет для типового фрезерного станка
Фрезерный станок 600×400×300 мм
Ось X (600 мм):
- Винт: SFUR2010-700 (с запасом на концы)
- Гайка: DFU2010-4
- Опоры: BK15 + BF15
- Кронштейн: DSG2005
Ось Y (400 мм):
- Винт: SFUR1610-500
- Гайка: SFU1610
- Опоры: BK12 + BF12
- Кронштейн: DSG1605
Ось Z (300 мм):
- Винт: SFUR1605-400
- Гайка: DFU1605-4
- Опоры: BK12 + консоль
- Кронштейн: DSG1605
Применение в 3D-принтерах
Особенности выбора для аддитивных технологий
3D-принтеры имеют специфические требования:
- Малые нагрузки (обычно < 50 Н)
- Высокие скорости перемещения (до 300 мм/с)
- Умеренные требования к точности (±0,1 мм)
- Минимальный шум и вибрации
Рекомендуемые конфигурации
Для осей X/Y (CoreXY, H-Bot)
- Обычно используются ремни, но для больших принтеров:
- Винты: SFUR1204 или SFUR1605
- Гайки: SFU стандартные
- Длинный шаг (10 мм) для высокой скорости
Для оси Z
- Винты: SFUR1204 (экономичный вариант)
- Винты: SFUR1605 (повышенная жесткость)
- Гайки: SFU1204 или SFU1605
- Короткий шаг (4-5 мм) для точности слоев
- Опоры: BK10/BK12 снизу, свободный конец сверху
Пример: 3D-принтер 300×300×400 мм
Конфигурация оси Z (два винта):
- 2 × SFUR1204-450 (винты)
- 2 × SFU1204 (гайки)
- 2 × BK10 (нижние опоры)
- 2 × DSG1204 (кронштейны)
- Синхронизация ремнем между винтами
Преимущества:
- Стабильность платформы
- Отсутствие провисания по центру
- Возможность автокалибровки
Инструкция по монтажу ШВП
Подготовка к монтажу
Внимание! Перед началом монтажа внимательно изучите инструкцию по сборке гаек и винтов (страница 2 каталога). Не снимайте предохранительную трубку до полного завинчивания гайки!
Необходимые инструменты:
- Индикатор часового типа (0,01 мм)
- Уровень точности 0,02 мм/м
- Динамометрический ключ
- Набор щупов
- Штангенциркуль
Последовательность монтажа
1. Установка опорных блоков
- Установите опоры BK/BF на базовую поверхность
- Проверьте параллельность монтажных поверхностей (допуск 0,02 мм)
- Предварительно закрепите опоры
- Проверьте соосность отверстий индикатором
- Окончательно затяните крепежные болты
2. Монтаж винта
- Аккуратно вставьте обработанные концы винта в опоры
- Для BK: установите контргайку и затяните с моментом согласно таблице
- Проверьте свободное вращение винта
- Измерьте биение винта по всей длине (допуск 0,1 мм/м)
3. Установка гайки
- Срежьте транспортировочный хомут на гайке
- Заведите конец винта в предохранительную трубку
- Медленно накручивайте гайку, вращая ее по направлению резьбы
- После полного завинчивания снимите предохранительную трубку
- Установите гайку в кронштейн DSG
4. Выверка и регулировка
- Проверьте параллельность винта направляющим
- Отрегулируйте положение опор при необходимости
- Проверьте плавность хода по всей длине
- Измерьте люфт в крайних положениях
Моменты затяжки контргаек
| Размер резьбы | Момент затяжки, Н·м | Примечание |
|---|---|---|
| M10×1 | 14 | BK10 |
| M12×1 | 23 | BK12 |
| M15×1 | 46 | BK15 |
| M20×1 | 65 | BK20 |
| M25×1,5 | 130 | BK25 |
| M30×1,5 | 180 | BK30 |
Смазка и обслуживание
Типы смазочных материалов
Консистентные смазки
Рекомендуемые:
- Литол-24 ГОСТ 21150-87
- Shell Gadus S2 V100
- Mobil Mobilux EP2
- SKF LGMT 2
Преимущества: Длительный интервал обслуживания, защита от загрязнений
Недостатки: Ограничение по скорости (DN < 50000)
Жидкие смазки
Рекомендуемые:
- Масло И-20А ГОСТ 20799-88
- Mobil Vactra Oil No.2
- Shell Tonna S2 M 68
Преимущества: Высокие скорости, лучший теплоотвод
Недостатки: Требует системы подачи, частое обслуживание
Периодичность смазки
График смазки в зависимости от условий работы
| Условия работы | Консистентная смазка | Жидкая смазка |
|---|---|---|
| Легкие (v < 5 м/мин) | Каждые 6 месяцев | Каждые 100 часов |
| Средние (v = 5-15 м/мин) | Каждые 3 месяца | Каждые 50 часов |
| Тяжелые (v > 15 м/мин) | Ежемесячно | Каждые 20 часов |
| С загрязнениями | Каждые 2 недели | Ежедневно |
Количество смазки
Q = 0,005 × D × B
где:
Q - количество смазки, см³
D - наружный диаметр гайки, мм
B - длина гайки, мм
Важно: Избыток смазки так же вреден, как и недостаток. Он приводит к повышенному сопротивлению вращению и перегреву.
Устранение неисправностей
Типичные проблемы и их решения
Диагностика и устранение неисправностей
| Проблема | Возможные причины | Решение |
|---|---|---|
| Повышенный шум |
• Недостаток смазки • Загрязнение • Износ шариков • Неправильная центровка |
• Добавить смазку • Очистить и промыть • Заменить гайку • Проверить соосность |
| Люфт |
• Износ гайки • Ослабление крепления • Износ опорных подшипников |
• Заменить на DFU • Подтянуть крепеж • Заменить подшипники |
| Тугой ход |
• Перекос при монтаже • Избыток смазки • Деформация винта • Перетяжка подшипников |
• Переустановить • Удалить лишнюю смазку • Заменить винт • Отрегулировать натяг |
| Вибрация |
• Превышение критической скорости • Дисбаланс • Резонанс конструкции |
• Снизить скорость • Балансировка • Усилить конструкцию |
| Перегрев |
• Высокая скорость • Перегрузка • Недостаток смазки • Неправильный преднатяг |
• Снизить обороты • Уменьшить нагрузку • Проверить смазку • Отрегулировать гайку |
Профилактические меры
- Регулярный осмотр: Визуальная проверка на износ и повреждения
- Контроль температуры: Не должна превышать 60°C при работе
- Проверка люфта: Измерение в крайних положениях ежемесячно
- Чистота: Защита от пыли и стружки кожухами или сильфонами
- Документирование: Ведение журнала обслуживания
Заключение
Правильный выбор и эксплуатация ШВП — ключевые факторы надежной работы современного оборудования. Продукция Inner Engineering обеспечивает оптимальное соотношение цены и качества для широкого спектра применений.
Ключевые принципы успеха:
- Точный расчет: Учет всех нагрузок с необходимыми запасами
- Правильный монтаж: Соблюдение требований к точности установки
- Регулярное обслуживание: Своевременная смазка и контроль состояния
- Качественные компоненты: Использование оригинальных запчастей
Рекомендация: При возникновении сомнений в выборе компонентов обращайтесь к техническим специалистам. Правильно подобранная ШВП прослужит долгие годы без проблем.
