Специфики при избора на линейни задвижвания

Механични системиСп. Инженеринг ревю - брой 7/2016 • 08.11.2016

При разработване на приложения, изискващи линейно задвижване – независимо дали това е асемблиращ автомат тип pick-and-place, опаковъчна линия или портален кран за пренос на материали, проектирането на линейно задвижване “от нулата”, намирането на необходимите компоненти, оразмеряването и сглобяването им не са най-ефективния процес.

Затова конструкторите предпочитат да използват предварително разработени и сглобени линейни задвижвания. На пазара са налични толкова много опции с различен тип, размер и принцип на действие предварително разработени и сглобени линейни задвижвания, че изборът им също не е лесна задача.

Първата стъпка при избор на линейно задвижване е да се избере какъв предавателен механизъм е най-подходящ за конкретното приложение. Повечето производители предлагат поне два типа предавателни механизми, като най-често те са зъбно-ремъчна предавка и сачмено-винтова двойка, като сериозно приложение намират и пневматичните и линейни задвижвания.

По-долу са посочени факторите, които улесняват избора на двата най-популярни типа линейни задвижвания – зъбно-ремъчна предавка и сачмено-винтова двойка.

Дължина на хода
Разстоянието, което линейното задвижване изминава в една посока, познато като дължина на хода, е първото изискване, на което е необходимо да се обърне внимание при избора между зъбно-ремъчна предавка и сачмено-винтова двойка.

Сачмено-винтовите двойки обикновено имат дължина на хода до 1000 mm или по-малка, въпреки че понякога се използват и двойки с дължина на хода 3000 mm. Каква ще е максималната дължина на хода зависи от критичната скорост на сачмено-винтовата двойка.

Колкото по-голяма е дължината на хода, критичната скорост, или скоростта, която предизвиква огъващи вибрации, намалява. При използване на зъбно-ремъчно задвижване от решаващо значение е способността за разтягане на ремъка, която ограничава максималната му дължина.

Чрез използване на ремъци с по-голяма ширина (по-голяма контактна зона) и по-голям брой на зъбците, зъбно-ремъчните задвижвания се прилагат често, когато е необходима дължина на хода до 10-12 m.

Скорост
Друг важен фактор при избора на линейно задвижване е скоростта. Максималната скорост на повечето ремъчни задвижвания е 5 m/s, като това се дължи на направляващата система, в която най-често се използват линейни лагери с рециркулация на сачмите.

Когато са необходими по-високи скорости, до 10 m/s, ремъчното задвижване може да се използва в комбинация с ролкови търкалящи лагери вместо с рециркулиращи линейни лагери.

Обикновено сачмено-винтовата двойка може да достигне скорости до 1,5 m/s при дължина на хода, по-малка от 1 метър. Опорите на сачмено-винтовите двойки могат да предоставят допълнителна коравина, като се намали неподдържаната с опори дължина на двойката, което позволява на задвижването да достигне по-високи скорости и по-големи ходове.

Експертите съветват при избор на лагерни опори за сачмено-винтови двойки фирмите да се консултират с производителя за съдействие относно необходимата скорост и изчислението на дължината на хода.

Прецизност
Под прецизност най-често се разбира комплекс от фактори, обхващащ точността на придвижване (къде е разположена каретката по време движение), точността на позициониране (доколко задвижването достига целевата позиция) или повторяемостта (доколко задвижването достига една и съща позиция при всеки ход).

Макар че точността на придвижване зависи изключително от структурата, базирането и монтажа на линейното задвижване, точността на позициониране и повторяемостта са преди всичко функции на задвижващия механизъм.

Особено ако са натоварени, сачмено-винтовите двойки имат по-висока точност на позициониране спрямо зъбно-ремъчните предавки поради коравината си. Неточността в позиционирането обаче може да се измери и компенсира чрез системата за управление на линейното задвижване.

Поради тази причина повторяемостта често е решаващ фактор в приложения с висока прецизност. За високата повторяемост е от изключително значение коравината на задвижващия механизъм, затова и сачмено-винтовата двойка е по-подходящото решение.

Монтиране
При вертикален монтаж предизвикателствата, възникващи както при борба с гравитацията, така и при работа с нейна помощ, не се отнасят само до натоварването. В някои случаи ориентацията на линейното задвижване определя кой задвижващ механизъм е най-подходящ.

И сачмено-винтовите двойки, и зъбно-ремъчните задвижвания са подходящи за хоризонтален и наклонен монтаж, но приложенията, изискващи вертикален монтаж, е добре да бъдат преценени по-внимателно.

Тъй като всяка система, която премества товар вертикално, се нуждае от вградени механизми за безопасност, сачмено-винтовите двойки обикновено се смятат за по-безопасни от зъбно-ремъчните задвижвания.

Това се дължи на факта, че сачмено-винтовите двойки, в зависимост от натоварването, хода на винта и триенето в системата, не могат да променят посоката си на въртене в случай на повреда на спирачката или на цялата система. Ако се предпочете ремъчно задвижване във вертикално приложение, експертите препоръчват да се използва външна спирачка или балансиращ товар.

Монтажната ориентация е сред ключовите специфики при оразмеряване и избор на линейни задвижвания. В зависимост от типа на използваните линейни направляващи някои линейни задвижвания може да поддържат по-високи натоварвания във вертикално направление от страничните натоварвания, както и да се справят с усукващите моменти по-добре от въртящите – това са важни условия при избора на линейно задвижване за вертикално приложение.

Типът на задвижващия механизъм също оказва влияние при избора на линейно задвижване за вертикално приложение. Машинни елементи като сачмено-винтовите двойки и винтогаечните предавки като цяло са предпочитани пред ремъчните предавки и линейните двигатели за вертикално пренасяне на товари, но те имат своите ограничения.

Поддръжка
Главната причина за повреда на линейните задвижвания е липсата на смазване. И при ремъчните предавки, и при сачмено-винтовите двойки е необходимо редовно смазване на направляващата система. При сачмено-винтовите двойки обаче трябва да се смазва още един компонент.

Някои производители предоставят системи, които са смазани до края на експлоатационния им цикъл (при определено изминато разстояние, брой обороти при конкретно натоварване, скорост и работна среда), но редица приложения попадат извън зададените параметри и в крайна сметка е необходимо да бъдат смазвани след определен период от време.

Въпреки че зъбно-ремъчните задвижвания имат по-малко компоненти за поддръжка, когато работната среда съдържа прахови частици, добре е при избора на компановка да се намали до минимум вероятността за замърсяване на ролковата система. Това ще увеличи експлоатационния срок на лагерите и ще намали износването на самия ремък.

Повечето каретки с винтова предавка разполагат с отвори за смазване и от четирите страни, преди всичко за да осигурят достъп, ако някой от отворите се запуши. В някои конструкции ориентацията на монтаж определя кои отвори за смазване да се използват.

Тъй като гравитацията пречи да се смаже горната част на линейната направляваща или външната резба на винтовете, е от особена важност да се прегледа ръководството на производителя за смазване във вертикални приложения.

В редица случаи производителите ще препоръчат да не се използват течни смазки при вертикален монтаж. Също така, при смазване с грес, модулите са снабдени със специални канали с цел греста да достигне всички критични повърхности.

Замърсяване
Предимство на линейните задвижвания с вертикална ориентация е, че течните замърсители обикновено се оттичат, което намалява риска от корозия. При все това много фини и леки частици, като например остатъци от стъклопласти или керамичен прах, е по-вероятно да се полепят по повърхността на винтовете и да се натрупат върху крайните уплътнения, като постепенно увеличат риска от замърсяване на винтовете.

Според експертите, за да се осигури най-добрата защита във вертикални приложения, е най-добре да се използват линейни направляващи както с предни, така и със странични уплътнения.

Наред с това, подходящи са и задвижвания със собствен механизъм за уплътняване или покриване (препоръчително е да е цялостно уплътнение с контактни елементи), които предоставят допълнителна защита както срещу прахови, така и срещу течни замърсители.

Натоварване
Въпреки че ориентацията на товара е сред първите параметри, на които се обръща специално внимание във всяко приложение, тя е още по-важна при избора на линейни задвижвания с вертикална ориентация. Тъй като линейното задвижване се съпротивлява на гравитацията при ход нагоре, а гравитацията му помага при ход надолу, и в двата случая натоварванията се различават независимо от процеса (пресоване, изтегляне или транспортиране например).

Това се отразява не само върху издръжливостта на лагерите на направляващите и механизма на задвижване, но и върху необходимия въртящ момент на двигателя. Освен това, гравитационната сила върху товара при стартиране и спиране оказва влияние върху инерцията на системата, което от своя страна е от значение както при избора на задвижване, така и при оразмеряване на двигателя.

При вертикално приложение на линейните задвижвания е препоръчително да се използват два лагерни възела за всяка направляваща. Благодарение на тях модулът може да поддържа товари, които предизвикват усукване при ускоряване или намаляване на скоростта.

По сходен начин паралелната работа на две направляващи на линейното задвижване ще спомогне то да може да поеме усукващи моменти вследствие на неравномерно разпределени товари или дължащи се на външни сили, които са част от процеса. Ако разполагате с достатъчно пространство, съветват експертите, най-добре е да изберете линейно задвижване с две направляващи, като и двете са с двустранно лагеруване.

При работа с винтова предавка или ходов винт във вертикално приложение пълното натоварване се проявява като осова сила, която може да предизвика извиване и в крайна сметка поддаване на предавките. Критичното натоварване се определя по диаметъра на основата на предавката, по свободната дължина и типа лагеруване.

Подредбата на крайните лагери е от решаващо значение за критичното натоварване. Колкото по-устойчиво е монтиран винтовият модул, толкова по-високо ще бъде допустимото му критично натоварване. Например допустимото критично натоварване на винтова система с двустранно фиксирано лагеруване е 16 пъти по-високо от това на винтова система с един фиксиран и един свободен край.

Ако винтовата система с фиксиран лагер се разположи в горната част, винтовата система ще бъде подложена на опън, като по този начин ще се избегнат прекомерните компресиращи сили върху винтовата система. Повечето винтови предавки и ходови винтове разполагат с фиксиран лагер върху задвижвания край (от страната на двигателя), но е важно да се провери подредбата на лагерите и линейното задвижване да се монтира така, че фиксираният лагер да е в горната част.

Несамозадържане
Поради съображения за безопасност винтогаечните предавки са предпочитани пред ремъчните предавки и линейните двигатели за вертикални приложения, тъй като те спомагат за предотвратяване на катастрофални последици, ако прекъсне захранването на двигателя.

Винтогаечните предавки обаче също могат да “пропаднат” под собственото си тегло в зависимост от триенето на лагерите, от аксиалния ход и от коефициента им на полезно действие.

Вероятността за несамозадържане на винтогаечната система под собственото си тегло може да се определи чрез изчисляване на въртящия момент при промяна на посоката на въртене и сравняването му със силата на триене на системата (съпротивителния момент на гайката, триенето на уплътненията и триенето в лагерите). Ако усукващият момент при промяна на посоката на въртене е по-нисък от триенето на системата, е малко вероятно товарът да пропадне под собственото си тегло.

И зъбно-ремъчните задвижвания, и сачмено-винтовите двойки имат своите предимства. При първоначален избор трябва да се има предвид, че зъбно-ремъчните задвижвания обикновено са по-подходящи, когато се нуждаете от дълъг ход и висока скорост, съветват експертите, докато сачмено-винтовите двойки е по-добре да се използват при необходима висока повторяемост или вертикален монтаж.

В някои приложения и двата задвижващи механизма ще отговарят но посочените по-горе критерии. В тези случаи производителят на линейното задвижване винаги може да осигури помощ при избора въз основа на по-прецизни детайли, като ускорение, работни условия и време за установяване.

Начини за спестяване на пространство с линейни задвижвания
На пазара са налични разнообразни типове и размери линейни задвижвания, които на практика за приложими навсякъде – релсови, с вал или търкалящи лагери; с винтове, ремъци или линейни двигатели; със и без защитни покрития и широк набор от функции за специализирани приложения и технически изисквания.

Всички тези опции в известна степен улесняват избора на подходящо задвижване за конкретното приложение. Но след като намерите най-подходящия тип, намирането на място за него в машината или системата може да е по-голямо предизвикателство.

Посочените по-долу фактори могат да спомогнат за преодоляването на ограниченията с пространството, без да се направи компромис с функционалността.

Монтиране на двигателя
Поради разнообразните методи за свързване на двигателя към задвижването според експертите двигателят е първият компонент, който може да вдъхнови идеи за пестене на пространство. При задвижванията с винтова предавка стандартният метод за свързване е двигателят да се монтира към водещия винт директно или чрез съединител.

Така двигателят се поставя след редуктора и това значително увеличава дължината на системата. За да се избегне този проблем, използването на зъбен ремък и ролкова система (странично задвижване) позволява двигателят да се постави под, над или от двете страни на линейното задвижване, което от своя страна намалява до минимум допълнителната дължина и съвсем малко увеличава ширината (или височината, в зависимост от ориентацията).

Ако се използва по-малка ролкова система на задвижващия вал от тази на водещия винт, страничното задвижване може също да осигури по-малки предавателно отношение на зъбните предавки – обикновено 1.5:1 или 2:1 – за по-точно съответствие между инерцията на двигателя и тази на линейното задвижване и товара.

В задвижваните с ремък системи монтирането на двигателя директно към задвижващия вал увеличава ширината на системата, тъй като задвижващият вал е разположен перпендикулярно на ремъка и ролковата система.

Поради големите диаметри на ролковата система и хода (разстоянието, изминато с всeки оборот на ролковата система), в ремъчните линейни задвижвания често се използват редуктори, които допълнително увеличават ширината на системата. Ъгловите редуктори помагат за справяне с този проблем, тъй като позволяват двигателят да се монтира паралелно на хода на движение.

По-компактно решение, което предлагат някои производители, е задвижващата ролка да се вгради директно в редуктора. Това значително намалява ширината, която редукторът добавя към системата.

Уплътнения
Както вече стана ясно, в някои случаи защитата на линейното задвижване от замърсяване, по-конкретно с течности и по-едри частици, може да се осигури чрез монтирането му наопаки или странично без да са необходими допълнителни компоненти. Но при наличие на аерозолни частици или фин прах най-добрият начин за защита на вътрешните компоненти е надеждното уплътняване.

Широко използван метод за предпазване на линейните задвижвания е монтирането на полиуретанови уплътнения тип хармоника (силфони). Но в този случай дължината на линейното задвижване се увеличава с почти 20%, затова и те не са особено подходящи за приложения с ограничено пространство. Алтернативно решение е да се използват гъвкави уплътнителни ленти от гума или от неръждаема стомана.

За разлика от уплътненията тип хармоника, гъвкавите уплътнителни ленти заемат малко допълнително пространство по дължина - достатъчно, за да може да бъдат захванати от двете страни. Освен това гъвкавите уплътнителни ленти увеличават незначително височината на тялото на линейните задвижващи модули и имат отлични уплътнителни характеристики.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top