Линейна техника за работа в агресивни среди

Системите за линейно движение са изложени на редица агресивни условия в екстремните индустриални приложения. Внимателното специфициране и подбор на компонентите могат да намалят рисковете, свързани с износване и повреда на системата вследствие негативното влияние на фактори от околната среда.

Критична стъпка в проектирането на всяка механична система е именно оценката на средата, в която тя ще оперира. Основните съображения по отношение на дизайна включват: температури, нива на запрашеност и замърсяване, химически агенти, промивни процеси, вибрации и удар, радиация, както и всякакви други, свързани с работната среда фактори, които могат да повлияят работата на линейната техника.

При избора на материал, от който да бъдат изработени компонентите на системата за линейно задвижване, тези ключови фактори е препоръчително да бъдат прецизно документирани на базата на актуални данни и проучвания върху неизправности на предходно използвани в същата среда изделия и системи.
Освен на материал за компонентите, важен е и изборът на покрития и смазки.

Съществен етап преди въвеждането на системата в експлоатация са тестовете за устойчивост на различни стресови натоварвания и агресивни условия, за да се гарантира, че избраната конфигурация предполага експлоатационен цикъл и функционалност на изделието в очакваните времеви граници.
Когато приложението на линейната техника включва продължително излагане на агресивни условия, е препоръчително прилагането на т. нар. HALT (Highly Accelerated Life Test) тестове или ускорено изпитване за издръжливост на системата.

То включва подлагането й на типични стресови сценарии от работната среда с нарастващ интензитет и обикновено се провежда във фазата на разработка. Целта е да се елиминират различни проблеми във връзка с проектирането.

Избор на компоненти
Използването на висококачествени компоненти при задвижващите механизми може да предпази от неизправности промишленото оборудване, работещо в тежки условия. Такива условия са ударните натоварвания, замърсяването с течности, прах или отломки, както и екстремните температури, наличието на вакуум, високата влажност и корозивната атмосфера. Ако изпълнителните механизми са специално създадени да издържат на тези ефекти, то експлоатационният живот на компонентите и оборудването като цяло ще продължи много по-дълго.

Уеб-базирани инструменти или мобилни приложения за оразмеряване и селекция от ново поколение опростяват задачата за избор на подходящи компоненти и материали в сферата на линейната техника, като отчитат аспектите на околната среда при дизайна на системите за линейно движение. Тези приложения позволяват въвеждането на ключови параметри като натоварване на лагера, натоварване на сферичния болт и критична скорост на колелото например. Платформата изисква и въвеждане на спецификите при условията на работната среда, които са от решаващо значение за избора на подходящ материал, предпазна стратегия и схема на смазване.

Сред предварително зададените екстремни сценарии обикновено са: излагане на химически пръски, мъгла или в досег с вода; ударно или постепенно натоварване/ вибрация; излагане на умерен до голям брой прахови частици; омокряне под високо налягане или при висока температура; водно/ химическо омокряне; приложения в чисти помещения и т. н. Инструментите за избор на компоненти могат да препоръчат специфични критерии за избор на критични компоненти като линейни плъзгачи например, сред които: хромирано покритие, изработка от неръждаема стомана или пък модел с полимерни плъзгащи лагери, за да се отговори оптимално на условията на работната среда, зададени в приложението.

Характеристики на компонентите
Водачите на лагерните сачми или носещите релси, валове или алуминиеви повърхности, които поддържа лагерите, обикновено се изработват от стандартна, неръждаема или хромирана стомана. Линейните лагери осигуряват моментния и цялостния капацитет на товароносимост на системата. Примерите включват лагери с плъзгащи втулки, профилни релси, направляващи с ролки или полимерни такива. Повечето от тях се предлагат като стандартни, устойчиви на корозия (с код “CR” - Corrosion Resistant) линейни лагери или полимерни плъзгащи лагери. Възможностите при винтовете, болтовете и гайките типично са стандартна изработка или от неръждаема стомана.

По отношение на уплътненията и защитните покрития за линейните устройства на пазара се предлага широка гама от опции, вариращи от модели без покритие до такива с различни мембрани и обвивки, както и херметични – изцяло уплътнени варианти. Предлагат се различни възможности и при смазочните решения – от стандартно смазване до смазване тип “чиста стая” на линейните модули.

Лагерите с плъзгащи втулки, профилните релси, направляващите с ролки или полимерните такива също съществуват в антикорозионно изпълнение. Те са подходящи за приложения, включващи чисти помещения, излагане на високи температури или омокряне, подлагане на химически струи или мъгла, химическо омокряне и др.
Подходящият клас неръждаема стомана може ефективно да предпази ролковите лагери от влажна или киселинна среда. Лагерите и повърхностите им могат да бъдат защитени и посредством антикорозионно покритие, например твърдо хромиране.

За изключително корозивни условия могат да се вземат предвид и други по-нестандартни материали, включително керамика. Те обаче могат да бъдат доста скъпи или да доведат до негативни ефекти във връзка с дизайна и свойствата на материала като редукция при максималната скорост и допустимото натоварване на лагерите. В дадени случаи може да се използват и инженерни пластмаси, ако скоростта и натоварването го позволяват.
Отвъд възможностите за избор на материал за изработка на лагерите съществуват различни методи за запечатване и смазване, които повишават възможностите за защита на линейната техника от флуиди.

Линейни направляващи
Течности и прах могат да замърсят търкалящите се елементи при линейните направляващи. Частиците с по-голяма дебелина от тази на смазочния филм могат да доведат до разбиване и повреда на лагера. Липсата на смазка или излагането на влага пък могат да доведат до задиране и неравномерно износване на лагерните компоненти като следствие от корозия, която причинява сериозно скъсяване на жизнения цикъл на лагерите и рискове от настъпване на неизправност.

Лагерите тип направляваща ролка са поначало по-защитени от агресивната и замърсена среда. При тях обаче оказват влияние други аспекти на проектирането и изработката. Най-скъпият параметър на всяка лагерна технология е трудът за сглобяване и предварително напрягане с цел редуциране или премахване на луфтовете за постигане на стабилност на каретката. Ефективен от гледна точка на разходите подход за предварително напрягане би бил да се позволи известно ниво на съвместима интерференция между ролките и пръстена, като така се цели оптимална издръжливост на системата.

Задвижване на конвейeри
Общите механизми за задвижване на конвейери включват зъбчати ремъци, валове с лагерувана задвижваща резба, валове със задвижваща резба, линейни мотори, фрикционни дискове и задвижвания с гребен и зъбно колело. Ремъчните предавки могат да работят в замърсена среда, докато замърсяването не стане толкова голямо, че да блокира конвейера или достатъчно абразивно, че да увреди ремъците с течение на времето. Стоманените корди предлагат по-малко разтягане от тези от кевлар или от фибростъкло. Употребата им обаче е препоръчително да се избягва в мокри приложения, където пукнатини в основния ремък могат да позволят на влагата да проникне до кордата и да предизвика корозия или авария.

Валовете с лагерувана задвижваща резба са чувствителни към течности от гледна точка на корозията и замърсяването, водещи до настъпване на неизправности при лагера. Биха могли да се добавят уплътнения към всеки край на лагерната гайка. По правило обаче сложната форма на запечатване по-трудно може да постигне 100% ефективност при предотвратяване на замърсяването.

Поради това при задвижващите устройства, които използват валове с лагерувана задвижваща резба, е препоръчително да се отделя специално внимание за минимизиране на замърсяването на лагерната двойка.
Линейните двигатели могат да бъдат проектирани така, че да работят добре както във влажна, така и в силно замърсена среда в зависимост от дизайна. Размерът на замърсяващите частици трябва да се следи и да не се допускат прониквания в пролуката между буталото и магнитната пътечка.

Приложения и решения
Ако е нужен евтин задвижващ механизъм, който да работи в сурова среда, то зъбният ремък, комбиниран със система от ролкови направляващи, е сред доказано най-издръжливите комбинации. Тези компоненти се полагат в корпус, който е устойчив на корозия, а кожухът се конструира така, че да ограничава проникването на течности или замърсители. Така системата за линейно задвижване може да осигури безпроблемна работа без поддръжка в продължение на дълги години.
Повечето високопрецизни системи за задвижване се нуждаят от някакво прикритие, подобно на силфон.

Трикове, като монтиране на зъбите на гребена отдолу или отстрани, позволяват на отломките да не засядат в тях. За приложения с обилно омокряне или други агресивни среди съществуват варианти от неръждаема стомана или в термопластично изпълнение. Те могат да се използват в сценарии, в които плавността на движение е от значение, а точността не е приоритет.

В средите с висока влажност решенията за осигуряване на устойчивост на корозия включват изработка от неръждаема стомана или специално антикорозионно покритие, като тънък плътен хром (thin dense chrome, TDC) или покритие с никелова сплав.

В сурови среди, където са налице метални или дървени стърготини, прилагането на технология за запечатване на компонентите на линейните задвижвания е задължително, ако се цели дълъг живот на лагерната система. Добрата запечатваща функция ще запази смазката вътре в лагера, а замърсителите – извън системата. От решаващо значение е целият интерферентен контакт около периметъра на компонента и материала да бъде непроницаем за околните замърсители.

Безбутални задвижвания
Запрашените среди, които изискват приложение на устройства за линейно задвижване, са сравнително често срещани. Прахът, генериран например при работата с хартия, картонени материали или текстил в предприятията, обикновено е сух и относително лек. Повечето линейни задвижващи механизми с бутала могат да работят в такава среда без отрицателни ефекти. Добавянето на чистачки към буталата допълнително увеличава способността на задвижващия механизъм да държи праха далече от вътрешните си компоненти.

Безбутални задвижвания също могат да се използват успешно в такъв тип среда, като при много от тях са предвидени капаци, които покриват вътрешните компоненти от проникване на прах. Безбуталните задвижващи механизми могат да бъдат функционално подобрени чрез добавяне на отвор за положително налягане върху корпуса на задвижването, предназначен да изравни вътрешното и външното налягане с цел да държи прашинките далече от евентуални точки на замърсяване. В запрашени приложения IP54 е минималният рейтинг, който трябва да се предвиди. Задвижващ механизъм със степен на защита IP54 е защитен от прах (5) и водни пръски (4), дори пръски да не са налице.

В извънредно запрашени условия, в които се налага рязане на материали, като в дървообработването, леката металообработка или лекото фрезоване, натрупването на прах обикновено е значително по-сериозно. При тези приложения трябва да се вземе под внимание по-висок рейтинг като IP65, което прави устройството прахоустойчиво (6) и защитено от водни струи с ниско налягане (5). Въпреки че може да няма вода в околната среда, запечатващият механизъм против прах обикновено е ефективен за това ниво на защита от водата при ниско налягане.

Задвижванията от бутален тип, които имат чистачки или запечатващи уплътнения, също работят добре при тези условия. Задвижващите механизми без бутала обаче обикновено не биха били най-доброто решение, освен ако производителят на съответната машина не приложи някаква специална технология за защита.
В приложения, в които присъства вода, е важно да се проучат напълно източникът, посоката и обемът на водата, на които ще е подложено задвижването. Да вземем за пример система, в която един задвижващ механизъм тласка пулверизаторна глава, която е насочена настрани от задвижващия механизъм към обработвания продукт. Неизбежно част от водата, мъглата или водната пара ще се утаят върху задвижването.

Задвижващият механизъм трябва да има ниво на защита срещу водни пръски или струи с ниско налягане. Тъй като устройството за запечатване на повечето задвижващи механизми представлява чистачка или бутален уплътнител, задвижванията с клас на защита IP65 биха били задоволителни. Задвижващите механизми без бутала биха претърпели проникване на вода в някакъв момент, освен ако не са приложени специални щитове или предпазители.

Когато от задвижването се изисква да бъде директно на пътя на водата - например задвижващият механизъм премества продукт в диапазона на водните пръски, то е необходима допълнителна защита например IP66 или IP67. Устройствата с такива по-високи рейтинги обикновено разполагат с дублиращи се предпазни средства, като щитове, силфони или капаци, осигуряващи по-дългосрочна функционалност. Безбуталните задвижвания и тук не биха работили добре без допълнителна защита.

Агресивно почистване
Друго популярно индустриално приложение на линейната техника е оборудване, което изисква агресивно почистване. Машините и системите, използвани при приготвянето на храни и напитки, изискват чести и специфични процедури за почистване и стерилизиране. В такива случаи изискванията към задвижванията на изпълнителните механизми са особено стриктни. Това е така, тъй като оборудването често се почиства и изплаква с агресивни препарати, горещи водни или парни струи под високо налягане.

Когато се избират и конфигурират задвижващи устройства за такива приложения, е важно да се вземат предвид две основни съображения. Разбирането на химическия състав на почистващите разтвори е първото важно условие. Въздействието на почистващи разтвори с много високи или много ниски стойности на рН трябва да бъде напълно осъзнато, така че материалите, използвани в устройствата за запечатване, да са съвместими и да не се разграждат. Това също така означава металните детайли, използвани в конструкцията на задвижващия механизъм, да бъдат резистентни към различните почистващи решения.

Друго важно нещо са уплътнителните материали, които са съвместими с почистващите химикали и са устойчиви на струи с високо налягане и висока температура. Задвижванията с рейтинг IP69K са най-подходящи за този тип среда. Въпреки това, винаги е разумно да се правят и допълнителни тестове на решенията за доказване на химическа съвместимост. В приложенията, включващи химически разтвори, се подхожда по различен начин от приложенията, включващи просто проникване на вода.

Информацията за това точно на какви химикали ще бъдат излагани компонентите и устройствата помага на производителя на линейна техника да вложи по-добре подбрани материали, осигуряващи по-дълъг живот на оборудването. Важни фактори, които трябва да се имат предвид освен химическия състав на използваните разтвори, са нивото им на концентрация, продължителността на въздействие върху компонентите, за които се прилагат, и работните температури. Тази информация е от решаващо значение за ефективното използване на линейни задвижващи механизми в агресивни приложения, за да се осигурят оптималната им функционалност и дълголетие.