Jak zmierzyć sztywność łożyska śruby kulowej?

Sztywność śruby kulowej wpływa na dokładność pozycjonowania, stabilność obróbki i reakcję układu ruchu liniowego pod obciążeniem osiowym. Jednakże wartość mierzona na zmontowanej osi nie jest wyznaczana przez samą nakrętkę kulkową. Wał śrubowy, łożyska oporowe, obudowy łożysk, wspornik nakrętki i przyrząd pomiarowy mogą mieć wpływ na mierzone przemieszczenie.

Z tego powodu pomiar sztywności osiowej śruby kulowej wymaga czegoś więcej niż tylko przyłożenia siły i zarejestrowania pojedynczej wartości przemieszczenia. Należy również kontrolować kierunek obciążenia, napięcie wstępne, warunki montażu, temperaturę i odkształcenie sprzętu badawczego.

Co to jest sztywność osiowa śruby kulowej?

Sztywność osiowa opisuje odporność zespołu śruby kulowej na przemieszczenie sprężyste pod obciążeniem osiowym. W określonym zakresie obciążenia można to wyrazić jako:

Sztywność śruby kulowej jest zwykle wyrażana w N/μm lub N/mm. Wyższa wartość oznacza, że ​​przy tym samym obciążeniu osiowym występuje mniejsze przemieszczenie sprężyste.

Zależność obciążenia od przemieszczenia w kontakcie kulka-rowek nie jest idealnie liniowa. Dlatego też sztywność powinna być zwykle podawana dla określonego zakresu obciążenia, a nie jako jedna uniwersalna wartość. W zależności od celu testu inżynierowie mogą zastosować:

• Sieczna sztywność:zmiana obciążenia podzielona przez całkowitą zmianę przemieszczenia w określonym przedziale czasu.
• Sztywność styczna:lokalne nachylenie krzywej obciążenia i przemieszczenia przy określonym obciążeniu eksploatacyjnym.

Komponenty wpływające na zmierzoną sztywność

Gdy testowana jest kompletna oś śruby kulowej, zmierzony wynik reprezentuje łączną sztywność kilku elementów:

• Nakrętka śruby kulowej i styki kulka-bieżnia
• Osiowe wydłużenie lub ściskanie wału śruby
• Układ łożyskowy po stronie stałej i podpartej
• Obudowa nakrętki i wspornik montażowy
• Obudowa łożyska i konstrukcja maszyny
• Uchwyt testowy, czujnik wagowy i układ mocowania czujnika

Elementy te zachowują się mniej więcej jak sprężyny połączone szeregowo. Łączną sztywność osiową można przedstawić wzorem:

To wyjaśnia, dlaczego zmontowana oś może mieć znacznie niższą sztywność niż teoretyczna wartość sztywności podana dla samej nakrętki kulowej.

Testowanie obciążenia statycznego

Statyczne obciążenie osiowe jest najbardziej bezpośrednią metodą pomiaru sztywności śruby kulowej. Śruba kulowa jest montowana w uchwycie testowym lub w jej rzeczywistym układzie maszyny, a następnie przykładana jest kontrolowana siła osiowa i rejestrowane jest powstałe przemieszczenie.

Wymagany sprzęt

• Sztywna rama testowa
• Hydrauliczne, pneumatyczne, śrubowe lub elektromechaniczne urządzenie załadowcze
• Kalibrowane ogniwo obciążnikowe
• LVDT, laserowy czujnik przemieszczenia lub czujnik zegarowy o wysokiej rozdzielczości
• Czujniki temperatury, gdy efekty termiczne mogą mieć wpływ na wynik

Zalecana procedura testowa

1. Zamontować śrubę kulową w przewidzianym układzie podporowym.Zapisz, czy zastosowano montaż stały-stały, stały-podparty czy stały-wolny.
2. Wyrównaj oś ładowania.Przyłożona siła powinna być koncentryczna z osią śruby, aby zapobiec uwzględnieniu zginania w odczycie przemieszczenia.
3. Zamontuj czujnik przemieszczenia blisko mierzonego interfejsu.Pomiar niepotrzebnych elementów osprzętu spowoduje dodanie ich deformacji do wyniku.
4. Zastosuj niewielkie obciążenie siedziska.Pomaga to w ustaleniu styków i zmniejsza błędy spowodowane niepełnym osadzeniem lub luzem montażowym.
5. Załaduj złożenie w kontrolowanych przyrostach.Zanotuj siłę i przemieszczenie na każdym etapie, nie przekraczając określonego obciążenia roboczego lub dopuszczalnego obciążenia osiowego.
6. Rozładuj zespół w tych samych odstępach.Porównanie krzywych obciążenia i rozładowania może ujawnić luz, histerezę, tarcie lub ruch w urządzeniu.
7. Powtórzyć test w przeciwnym kierunku osiowym.Wyniki dwukierunkowe są ważne dla oceny napięcia wstępnego i luzu osiowego.
8. Oblicz sztywność w odpowiednim zakresie obciążenia.Wybrany zakres powinien odpowiadać rzeczywistemu obciążeniu roboczemu maszyny.

Jak interpretować krzywą obciążenia i przemieszczenia

Wstępnie naprężona śruba kulowa powinna normalnie wytwarzać gładką krzywą obciążenia i przemieszczenia przy stosunkowo małym przemieszczeniu w pobliżu punktu odwrócenia obciążenia. Widoczna martwa strefa wokół zerowego obciążenia może wskazywać na luz osiowy, luźne części montażowe lub ruch pomiędzy nakrętką a jej wspornikiem.

Jeżeli krzywe obciążenia i rozładunku nie przebiegają tą samą ścieżką, różnicą jest histereza. Możliwe przyczyny to tarcie uszczelki, opór smaru, niewielka niewspółosiowość, osiadanie styków lub deformacja konstrukcji montażowej.

Ponieważ sztywność zmienia się wraz z obciążeniem, raport z badań powinien, jeśli to możliwe, zawierać pełną krzywą obciążenia i przemieszczenia. Powinien zawierać co najmniej:

Zmierzona sztywność i jednostka

Zakres obciążenia używany do obliczeń

Kierunek załadunku

Model śruby kulowej i stan napięcia wstępnego

Długość śruby i położenie nakrętki

Układ łożysk podporowych

Temperatura badania i warunki smarowania

Oddzielanie sztywności śruby kulowej od deformacji uchwytu

Częstym błędem pomiarowym jest traktowanie całkowitego ruchu ramy badawczej jako odkształcenia śruby kulowej. Nawet sztywno wyglądający uchwyt może ugiąć się pod dużym obciążeniem osiowym.

Zgodność mocowania można określić poprzez kalibrację lub testowanie elementu odniesienia o znacznie większej sztywności. Następnie od całkowitego zmierzonego przemieszczenia można odjąć przemieszczenie mocowania przy każdym obciążeniu:

W przypadku zmontowanej osi maszyny czujniki można również umieścić w różnych interfejsach, aby określić, gdzie występuje przemieszczenie. Na przykład pomiar pomiędzy wałem śruby a obudową nakrętki koncentruje się bardziej na zespole nakrętki, podczas gdy pomiar ruchu stołu względem podstawy maszyny obejmuje całą konstrukcję podajnika.

Dynamiczne badanie sztywności

Testy statyczne oceniają odkształcenie pod powoli przykładanymi obciążeniami. Testy dynamiczne stosuje się, gdy ważne są wibracje, rezonans i reakcja serwomechanizmu. Zespół można wzbudzać za pomocą młotka udarowego, wytrząsarki lub sterowanego wejścia silnika podczas pomiaru siły, przyspieszenia lub przemieszczenia.

Analiza modalna może zidentyfikować częstotliwości naturalne, tłumienie i kształty modów. Jednakże sama częstotliwość drgań własnych nie zapewnia sztywności śruby kulowej, chyba że znana jest również efektywna masa ruchoma i warunki brzegowe. Dla uproszczonego układu o jednym stopniu swobody:

Tutaj,Mjest masą efektywną iF_Njest częstotliwością naturalną. Rzeczywiste systemy podawania śrubowo-tocznego mają zwykle kilka trybów wibracji, dlatego wyniki dynamiczne należy interpretować przy użyciu odpowiedniego modelu systemu.

Szacowanie analityczne

Sztywność śruby kulowej można również oszacować przed badaniem fizycznym. Obliczenia mogą obejmować odkształcenie styku Hertza pomiędzy kulkami a bieżniami, odkształcenie osiowe wału śruby, sztywność łożyska nośnego i odkształcenie konstrukcji montażowej.

Analiza elementów skończonych może być przydatna do oceny złożonych obudów i wsporników, ale jej dokładność zależy od realistycznych warunków kontaktu, właściwości materiału, obciążenia wstępnego i warunków brzegowych. Dlatego też, gdy dokładność pozycjonowania ma kluczowe znaczenie, należy zweryfikować wartości analityczne z danymi testowymi.

Czynniki, które należy kontrolować podczas testowania

Napięcie wstępne i luz osiowy

Napięcie wstępne zmniejsza luz osiowy i zwiększa sztywność nakrętki, utrzymując kontakt pomiędzy kulkami i bieżniami. Jednakże nadmierne napięcie wstępne zwiększa tarcie, wytwarzanie ciepła i obciążenie wewnętrzne, co może skrócić żywotność. Stan napięcia wstępnego stosowany podczas testów powinien odpowiadać zamierzonym warunkom pracy.

Długość śruby i położenie nakrętki

Wał śruby rozciąga się lub ściska pod obciążeniem osiowym. Jego udział w całkowitym przemieszczeniu wzrasta wraz z efektywną długością wału i maleje wraz ze wzrostem średnicy stopki. W rezultacie sztywność mierzona przy nakrętce znajdującej się blisko jednego końca śruby może różnić się od sztywności mierzonej w innym miejscu.

Łożyska podporowe

Rodzaj, rozmieszczenie i napięcie wstępne łożysk podporowych bezpośrednio wpływają na sztywność układu. Układ nieruchomy – nieruchomy zasadniczo zachowuje się inaczej niż montaż nieruchomy – podparty lub nieruchomy – swobodny. Należy również wziąć pod uwagę sztywność obudowy łożyska i pasowanie końca wału.

Dopasowanie dostaw DLYzespoły wsporników śrub kulowychdla różnych końcówek wału i układów mocowania.

Temperatura

Zmiany temperatury mogą zmienić napięcie wstępne, długość śruby i pasowanie łożyska. Przed testowaniem poczekaj, aż sprzęt montażowy i pomiarowy osiągnie stabilną temperaturę. Temperaturę należy również rejestrować przy porównywaniu pomiarów wykonanych w różnym czasie.

Smarowanie

Smarowanie ma większy bezpośredni wpływ na tarcie, temperaturę i histerezę niż na podstawową sztywność sprężystą elementów stalowych. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, należy używać określonego smaru i utrzymywać spójność rodzaju, ilości i dystrybucji smaru pomiędzy testami.

Wniosek

Najbardziej praktycznym sposobem pomiaru sztywności osiowej śruby kulowej jest przyłożenie kontrolowanego obciążenia osiowego i zarejestrowanie odpowiedniego przemieszczenia w obu kierunkach. Dokładne wyniki wymagają starannego ustawienia, skalibrowanych czujników obciążenia i przemieszczenia, jasno określonego zakresu obciążenia i kompensacji deformacji osprzętu.

Gdy mierzona jest cała oś posuwu, wynik reprezentuje łączną sztywność nakrętki kulowej, wału śruby, łożysk podporowych, wsporników i konstrukcji maszyny. Elementy te należy oceniać oddzielnie, gdy zmierzona sztywność jest niższa od oczekiwanej.

Aby zapoznać się z doborem śrub kulowych, opcjami napięcia wstępnego lub wymaganiami dotyczącymi obróbki końca wału, zapoznaj się z DLYasortyment śrub kulowychlub prześlij nam średnicę śruby, skok, skok, obciążenie i sposób montażu.

← Powrót do bloga DLY