運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用滾珠絲杠而不是梯形絲杠,其原因之一是滾珠絲杠能夠在更高的速度下穩(wěn)定運(yùn)行。然而,滾珠絲杠本身也有速度限制,了解這些限制將有助于優(yōu)化滾珠絲杠組件在各種應(yīng)用(包括從小型實(shí)驗(yàn)室流體泵、大型高架龍門到高性能機(jī)械)中的性能。
滾珠絲杠基礎(chǔ)知識(shí)
滾珠絲杠組件由絲杠和帶循環(huán)滾珠軸承的螺母構(gòu)成。絲杠與螺母之間通過(guò)滾珠軸承連接,其中滾珠在螺母和絲杠軸內(nèi)以配對(duì)形式滾動(dòng)。這可實(shí)現(xiàn)將力分配到多個(gè)滾珠上,使每個(gè)滾珠承受的負(fù)載相對(duì)較低并降低摩擦系數(shù),從而有助于提高運(yùn)行速度(圖1)。
圖1. 滾珠絲杠的摩擦系數(shù)較低,這是因?yàn)槠湄?fù)載分布在多個(gè)滾珠上,這些滾珠會(huì)隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而循環(huán)滾動(dòng)。
絲杠和螺母通常有獨(dú)特的最大轉(zhuǎn)速限制,因此選擇高效的滾珠絲杠組件需要同時(shí)注意這兩個(gè)限制。
限制最大轉(zhuǎn)速(RPM)的滾珠絲杠設(shè)計(jì)
影響最大轉(zhuǎn)速的絲杠軸設(shè)計(jì)參數(shù)主要有末端固定、絲杠導(dǎo)程和絲杠直徑。
每個(gè)滾珠絲杠都有一個(gè)固有諧振頻率,并會(huì)在該頻率下發(fā)生過(guò)度振動(dòng),這被稱為滾珠絲杠的臨界速度。當(dāng)應(yīng)用速度與臨界速度一致時(shí),絲杠會(huì)發(fā)生諧振(圖2)。然后,絲杠固有的不平衡會(huì)與之共振,導(dǎo)致過(guò)度彎曲、弓拱、振動(dòng)并最終導(dǎo)致故障。
圖2. 絲杠軸可能在高轉(zhuǎn)速下發(fā)生振動(dòng)。
末端固定
末端固定選項(xiàng)包括:一端固定在推力軸承中;兩端使用浮動(dòng)軸承支撐;一端固定同時(shí)另一端使用浮動(dòng)軸承支撐;兩端固定在推力軸承中。當(dāng)滾珠絲杠兩端固定時(shí),可以達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。固定末端可以承受彎矩載荷,因此滾珠絲杠會(huì)與支撐軸承的平面保持垂直。
然而,相比于其他固定方式,兩端固定可能成本更高且難以安裝。因?yàn)檫M(jìn)行兩端固定時(shí),支架之間的距離是不可調(diào)的,從而使安裝孔難以對(duì)準(zhǔn)。
絲杠導(dǎo)程
假設(shè)輸入速度恒定,則較高的導(dǎo)程將使螺母更快地沿絲杠移動(dòng),從而提高線速度。當(dāng)比較線速度恒定的兩個(gè)不同導(dǎo)程的絲杠時(shí),導(dǎo)程越高則輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速就越低。但是,較高的絲杠導(dǎo)程會(huì)增大轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠所需的扭矩。
絲杠直徑
絲杠直徑越大,負(fù)載能力和額定最大轉(zhuǎn)速(RPM)就越高。反之,絲杠直徑越小,則最大轉(zhuǎn)速(RPM)就越低。當(dāng)絲杠導(dǎo)程相同時(shí),較大直徑的絲杠的額定轉(zhuǎn)速更大。
限制最大轉(zhuǎn)速(RPM)的滾珠螺母特點(diǎn)
滾珠螺母的最大轉(zhuǎn)速(RPM)受限于滾珠循環(huán)通過(guò)滾珠螺母的速度。如果轉(zhuǎn)速超過(guò)滾珠螺母的最大轉(zhuǎn)速,則可能對(duì)滾珠循環(huán)部件造成永久性損壞。滾珠軸承可能會(huì)脫離或堵塞循環(huán)系統(tǒng),從而可能導(dǎo)致裝置完全失效。
滾珠循環(huán)系統(tǒng)主要有三種類型:內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)(圖3)。滾珠返回的目的是實(shí)現(xiàn)滾珠在螺母中的循環(huán)。循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)影響螺母的速度限值。外循環(huán)系統(tǒng)通常使用伸入滾珠溝槽的撿拾齒將滾珠導(dǎo)入循環(huán)路徑中。當(dāng)高速運(yùn)行時(shí),由于滾珠軸承的持續(xù)撞擊,該撿拾齒會(huì)彎曲并最終斷裂。單循環(huán)和內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)通常更加穩(wěn)固,且運(yùn)行速度要高于外循環(huán)系統(tǒng)。
圖3. 滾珠循環(huán)系統(tǒng)的比較(從左到右):內(nèi)循環(huán)、單循環(huán)和外循環(huán)。
結(jié)論
系統(tǒng)的速度優(yōu)化可通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn):
- 使用末端支撐來(lái)固定滾珠絲杠組件
- 使用更高的導(dǎo)程來(lái)提高線速度
- 使用大直徑絲杠來(lái)提高負(fù)載能力和額定最大轉(zhuǎn)速(RPM)
- 滾珠螺母采用內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)
然而,許多其他因素也會(huì)對(duì)速度造成影響,例如負(fù)載特性、位置精度、可重復(fù)性、所需預(yù)期壽命、尺寸限制、輸入功率要求、環(huán)境條件和可用預(yù)算等。
大多數(shù)因素對(duì)速度的影響都是可以計(jì)算的。滾珠絲杠制造商通常會(huì)指定其產(chǎn)品的建議最大速度,并提供有助于精確進(jìn)行物理權(quán)衡計(jì)算的工具。
類似圖示這種直徑1”的絲杠的最大轉(zhuǎn)速會(huì)因長(zhǎng)度不同而有很大差異:從長(zhǎng)度36”時(shí)的2938 RPM,到長(zhǎng)度144”時(shí)的184 RPM(額定轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的80%,簡(jiǎn)單支撐)。數(shù)值可參考Machinery Handbook(機(jī)械手冊(cè))。圖片由Motion Industries提供。
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