Jaki jest współczynnik tarcia w liniowym układzie wałów?

Wał liniowy nie ma jednego niezależnego współczynnika tarcia. Tarcie powstaje w całym układzie stykowym: powierzchnia wału, łożysko liniowe lub tuleja ślizgowa, elementy toczne, uszczelnienia, smar, luz, obciążenie, ustawienie, prędkość i temperatura.

Gdy używany jest hartowany wał liniowy z liniową tuleją kulkową z recyrkulacją, kulki toczą się pomiędzy wałem a bieżniami łożyska. W normalnych warunkach pracy reprezentatywny współczynnik tarcia wynosi w przybliżeniu0,001–0,003. Jednakże ten zakres na poziomie katalogu nie obejmuje wszystkich źródeł oporu w zainstalowanej maszynie.

Dlaczego sam wał nie ma stałego współczynnika tarcia

Ten sam wał liniowy może wytwarzać bardzo różne tarcie w zależności od poruszającego się wzdłuż niego elementu.

Na przykład jeden wał ze stali hartowanej może być używany z:

• Tuleja kulkowa liniowa z recyrkulacją
• Łożysko ślizgowe polimerowe
• Łożysko ślizgowe z brązu lub kompozytu
• Uszczelka filcowa lub elastomerowa
• Niestandardowy wózek przesuwny

Każdy układ ma inny mechanizm styku. Tuleja kulkowa wytwarza głównie opór toczenia, podczas gdy zwykła tuleja wytwarza tarcie ślizgowe na większej powierzchni styku.

Dlatego właściwym pytaniem inżynierskim nie jest:

To jest:

Reprezentatywne wartości tarcia według typu prowadnicy

Zakres 0,001–0,003 należy traktować jako wartość reprezentatywną dla liniowej tulei kulkowej, a nie wartość gwarantowaną dla każdego liniowego zespołu wału.

Konkretny katalog może definiować swój współczynnik pod warunkami takimi jak:

• Normalny luz promieniowy
• Brak dodatkowego obciążenia wstępnego
• Określony procent nośności dynamicznej
• Smarowanie olejem lub smarem
• Brak zanieczyszczeń zewnętrznych
• Prawidłowa tolerancja i wyrównanie wału

Jak obliczyć opór tarcia łożyska liniowego

Do wstępnych obliczeń wymagany ciąg można oszacować za pomocą:

To równanie oddziela dwa różne źródła oporu:

• Opór toczenia zależny od obciążenia:w przybliżeniu proporcjonalne do przyłożonego obciążenia promieniowego
• Odporność na uszczelnienia i smary:mogą pozostać znaczące nawet wtedy, gdy obciążenie zewnętrzne jest niewielkie

Przykład obliczeń

Załóżmy, że w wózku zastosowano liniowe tuleje kulkowe z:

• Całkowite obciążenie promieniowe W = 1000 N
• Szacunkowy współczynnik tarcia dynamicznego μ = 0,002
• Połączony opór uszczelniający i pomocniczy f = 4 N

W tym przykładzie obliczony opór toczenia wynosi tylko 2 N, podczas gdy uszczelka i opór pomocniczy wnoszą 4 N. To pokazuje, dlaczego sam współczynnik tarcia może zaniżać ciąg silnika w przypadku lekko obciążonego uszczelnionego układu.

Ostateczny wybór napędu powinien uwzględniać także:

• Siła przyspieszenia
• Siła procesowa
• Rezystancja łańcucha kablowego
• Wydajność śruby kulowej, paska lub skrzyni biegów
• Grawitacja na osi pionowej lub nachylonej
• Odpowiedni margines bezpieczeństwa

Tarcie statyczne i tarcie dynamiczne są różne

Tarcie statyczne określa siłę potrzebną do rozpoczęcia ruchu. Tarcie dynamiczne opisuje opór po tym, jak wózek już się porusza.

W prawidłowo zamontowanym tocznym łożysku liniowym różnica między oporami rozruchu i pracy jest zwykle niewielka. Jest to jeden z powodów, dla których liniowe tuleje kulkowe mogą zapewnić płynny ruch od niskiej prędkości bez wyraźnego efektu stick-slip charakterystycznego dla niektórych prowadnic ślizgowych.

Jednakże siła odrywająca może nadal wzrosnąć z powodu:

• Uszczelki stykowe, które były nieruchome przez długi czas
• Smar o wysokiej lepkości lub niskotemperaturowy
• Nadmiar smaru wewnątrz łożyska
• Korozja na wale
• Zanieczyszczenie pod wargą uszczelki
• Nieprawidłowe dociśnięcie łożyska wewnątrz obudowy
• Niewspółosiowość wału lub naprężenie montażowe

W przypadku zastosowań związanych z pozycjonowaniem należy zmierzyć zarówno siłę odrywającą, jak i siłę biegu stałego. Wózek może mieć akceptowalny opór jazdy, ale nadal wymaga nadmiernej siły do ​​uruchomienia po długim postoju.

Jak wykończenie powierzchni wału wpływa na tarcie

Powierzchnia wału jest bieżnią w przypadku liniowej tulei kulkowej i powierzchnią ślizgową w przypadku tulei gładkiej. Jakość powierzchni wpływa zatem na odporność, zużycie uszczelek, retencję smaru, hałas i żywotność.

Szorstki wał może:

• Zwiększ opór uszczelki
• Uszkodzić powierzchnię stykową kuli lub tulei
• Usuń smar ze strefy kontaktu
• Przyspiesz zużycie
• Wytwarzają niespójny opór jazdy

Jednak zasada „im płynniej, tym lepiej” nie jest pełną zasadą. Powierzchnia musi mieć również odpowiednią geometrię, twardość, teksturę i kompatybilność ze środkami smarnymi. Nieodpowiedni proces polerowania może zmienić średnicę wału lub spowodować powstanie powierzchni, która nie zachowa wymaganego filmu smarnego.

W zależności od specyfikacji wału, wały liniowe DLY mogą wykorzystywać chropowatość powierzchniRa 0,4–0,8 μm. Ostateczne wymaganie powinno odpowiadać wybranemu typowi łożyska i zastosowaniu, a nie być wybierane wyłącznie na podstawie chropowatości.

Twardość wpływa głównie na zużycie i długoterminową stabilność tarcia

Utwardzona powierzchnia nie tworzy automatycznie stałego, niskiego współczynnika tarcia. Jego główną rolą jest odporność na wgniecenia, zmęczenie spowodowane toczeniem, zadrapania i zużycie.

Jeśli powierzchnia wału jest zbyt miękka dla liniowej tulei kulkowej, powtarzający się kontakt kulek może spowodować powstanie rowków. Łożysko może początkowo poruszać się płynnie, ale w miarę uszkodzenia bieżni może wystąpić większy opór, wibracje, hałas i luz.

W wałach liniowych DLY powszechnie stosuje się stal łożyskową GCr15 lub stal średniowęglową C45. W zależności od materiału, średnicy i wymagań produkcyjnych odpowiednie konfiguracje mogą obejmować utwardzoną warstwę o grubości ok0,6–3,5 mm.

Materiał, twardość, głębokość obudowy, tolerancja średnicy, prostoliniowość i wykończenie powierzchni należy oceniać łącznie. Twardy, ale wygięty lub nieprawidłowo dobrany wał nie zapewni niskich i stabilnych oporów pracy.

Aby zapoznać się z pełnym procesem kontroli, przeczytajJak zapewnić jakość wału liniowego.

Smarowanie może zarówno zmniejszyć, jak i zwiększyć zmierzony opór

Prawidłowe smarowanie zmniejsza kontakt metal-metal, zużycie, korozję i naprężenia toczne. Jest to niezbędne do uzyskania niezawodnej żywotności większości liniowych tulei kulkowych.

Jednak lepkość i ilość smaru również mają wpływ na opór ruchu.

Zastosowanie o niskim tarciu niekoniecznie wymaga demontażu uszczelek lub pracy łożyska na sucho. Może to zmniejszyć krótkotrwały opór, jednocześnie umożliwiając przedostanie się zanieczyszczeń i skrócenie żywotności.

Luz, napięcie wstępne i dopasowanie obudowy wpływają na tarcie

Promieniowe powiązanie między wałem a tuleją liniową wpływa na luz, sztywność i opór.

Normalny luz roboczy zazwyczaj zapewnia niższy opór i łatwiejszy montaż. Zmniejszony luz może poprawić prowadzenie i ograniczyć ruch promieniowy, ale wymaga ściślejszej kontroli średnicy wału, otworu oprawy, prostoliniowości i współosiowości.

Nadmierny wcisk lub źle dobrany rozmiar obudowy mogą zdeformować zewnętrzną tuleję łożyska i ścisnąć obwody kulkowe wokół wału. Objawy mogą obejmować:

• Wysoka siła robocza natychmiast po montażu
• Nierówny opór podczas obrotu wału lub ruchu wózka
• Nagrzewanie łożysk
• Skrócona trwałość zmęczeniowa
• Uszkodzenie elementu ustalającego kulkę

Dociśnięcie jednej śruby ustalającej bezpośrednio do zewnętrznej strony standardowej tulei liniowej może również ją zniekształcić. Tolerancja oprawy i sposób mocowania osiowego powinny być zgodne z instrukcją montażu wybranego producenta łożysk.

Niewspółosiowość często powoduje większy opór niż współczynnik katalogowy

Współczynnik tarcia zakłada, że ​​wał i łożysko pracują z odpowiednią geometrią. W prawdziwej maszynie błąd wyrównania może spowodować obciążenie boczne i momenty, które nie są uwzględnione we współczynniku podstawowym.

Typowe przyczyny obejmują:

• Dwa równoległe wały zainstalowane w różnych odległościach między osiami
• Podpory wału montowane na różnych wysokościach
• Wygięte lub niewystarczająco podparte wały
• Płyta wózka, która skręca się po dokręceniu śrub
• Obudowy łożysk, które nie są współosiowe
• Niecentryczne obciążenie zewnętrzne tworzące duży moment
• Zbyt mała odległość pomiędzy dwiema tulejami przenoszącymi obciążenie momentowe

W przypadku tulei liniowych obciążenia momentowe powinny zazwyczaj być przenoszone przez wiele łożysk o wystarczających odstępach. Nie należy oczekiwać, że pojedyncza krótka tuleja skoryguje duży błąd kątowy lub przeniesie niekontrolowany moment wywracający.

Układ, który porusza się swobodnie przed ostatecznym dokręceniem, ale zacina się po dokręceniu wszystkich śrub, zwykle ma problem z instalacją lub strukturą, a nie wyjątkowo wysoki współczynnik tarcia materiału wału.

Prostość i ugięcie wału wpływają na opór jazdy

Długi wał może mieć dokładną wymiarowo średnicę, ale nadal uginać się pod własnym ciężarem, obciążeniem wózka lub przesuniętą siłą procesową.

Gdy wał się zgina, łożysko musi podążać po zakrzywionej ścieżce lub kompensować niewspółosiowość kątową. Może to zwiększyć opór w określonych pozycjach wzdłuż skoku.

W zależności od rozmiaru wału i konfiguracji produkcyjnej, wały liniowe DLY mogą osiągać prostoliniowość do≤5 μm na 100 mm. Jednak zainstalowane ugięcie zależy również od:

• Średnica wału
• Nieobsługiwany zakres
• Stan podparcia końcowego
• Obciążenie i położenie wózka
• Konstrukcja z wałem pełnym lub drążonym
• Czy używana jest podparta szyna wału

Gdy głównym problemem jest ugięcie, zwiększenie średnicy wału, zmniejszenie rozpiętości, dodanie ciągłego podparcia lub zmiana na profilowaną prowadnicę liniową może być skuteczniejsze niż zmiana smaru.

Kierunek obciążenia i orientacja łożyska mają znaczenie

Nośność liniowej tulei kulkowej może zmieniać się w zależności od orientacji jej rzędów kulek w stosunku do przyłożonego obciążenia. Wewnętrzny rozkład obciążenia wpływa również na tarcie i żywotność.

Podczas montażu tulei otwartej lub regulowanej należy sprawdzić:

• Lokalizacja sekcji otwartej
• Kierunek pierwotnego obciążenia promieniowego
• Orientacja zalecana przez producenta łożyska
• Sposób regulacji i mocowania obudowy

Nieprawidłowa orientacja może skoncentrować obciążenie na niekorzystnej części łożyska, powodując większe lokalne naprężenia i nierówny ruch, nawet jeśli całkowite obciążenie promieniowe wydaje się akceptowalne.

Jak prędkość i temperatura zmieniają tarcie

Współczynnik tarcia nie zawsze jest stały od uruchomienia do maksymalnej prędkości.

W niskiej temperaturze smar staje się bardziej lepki i może wzrosnąć siła odrywająca. W miarę nagrzewania się łożyska opór może się zmniejszyć. Przy dużej prędkości ubijanie smaru, uszczelki i recyrkulujące kulki mogą generować więcej ciepła.

Temperatura może również wpływać na:

• Wymiary wału i obudowy
• Luz promieniowy
• Twardość uszczelnienia i siła docisku
• Konsystencja smaru i lepkość oleju
• Korozja i trwałość smaru

W przypadku maszyn pracujących w szerokim zakresie temperatur należy przetestować wózek po rozruchu na zimno i ponownie przy stabilnej temperaturze roboczej. Pojedynczy pomiar siły w temperaturze pokojowej może nie stanowić najbardziej wymagającego warunku.

Jak zmierzyć tarcie na zmontowanym wale liniowym

Najbardziej użyteczną wartością przy doborze silnika jest często zmierzona rezystancja całego wózka, a nie teoretyczny współczynnik dla jednego elementu.

Podstawowy test siły ciągnącej

1. Odłącz silnik, śrubę kulową, pasek lub cylinder, aby wózek prowadzący mógł poruszać się niezależnie.
2. Upewnij się, że wały, łożyska, uszczelki i smarowanie są w normalnym stanie po zmontowaniu.
3. Zamocuj miernik siły zgodnie z kierunkiem jazdy.
4. Powoli zwiększaj siłę i zapisuj siłę odrywania.
5. Poruszaj wózkiem ze stałą, małą prędkością i zapisz siłę jazdy.
6. Powtórzyć test w obu kierunkach i w kilku pozycjach wzdłuż skoku.
7. Powtórzyć w reprezentatywnych warunkach obciążenia i temperatury.

Jeżeli znane jest obciążenie promieniowe W i można osobno oszacować lub zmierzyć stałą rezystancję uszczelnienia, efektywny współczynnik można w przybliżeniu obliczyć jako:

Ta obliczona wartość dotyczy tylko testowanego zestawu i warunków. Nie należy go automatycznie przenosić na inne łożysko, wykończenie wału, uszczelnienie, smar, obciążenie lub temperaturę.

Diagnozowanie nadmiernego tarcia liniowego wału

Jak wybrać system wału liniowego o niskim tarciu

1. Najpierw wybierz typ łożyska.Zdecyduj, czy do zastosowania potrzebna jest tuleja kulkowa, czy łożysko ślizgowe pracujące na sucho.
2. Zdefiniuj obciążenie promieniowe i momenty.Uwzględnij poruszającą się masę, siły procesowe, przyspieszenie i obciążenie niecentryczne.
3. Potwierdź średnicę wału i rozpiętość podpory.Ugięcie wału może spowodować większy opór niż współczynnik nominalny.
4. Dopasuj tolerancję wału i wykończenie do łożyska.Nie należy wybierać wymiarów wału niezależnie od specyfikacji tulei.
5. Ostrożnie wybierz luz lub napięcie wstępne.Wyższa sztywność zwykle zwiększa wrażliwość na błędy produkcyjne i ustawienie.
6. Uwzględnij rezystancję uszczelnienia.Jest to szczególnie ważne w przypadku małych łożysk i lekko obciążonych wózków.
7. Wybierz smarowanie pod kątem prędkości i temperatury.Najniższe teoretyczne tarcie nie jest przydatne, jeśli smar nie zapewnia wystarczającej ochrony przed zużyciem.
8. Projekt do wyrównania.Zapewnij dokładne podpory wałów, sztywne obudowy łożysk i wystarczający odstęp łożysk.
9. Zmierz cały wózek.Przed ostatecznym wyborem silnika sprawdź siłę odrywania i siłę roboczą.

Zaopatrzenie DLYwały liniowew różnych średnicach, długościach, materiałach i konstrukcjach dla automatyki przemysłowej i systemów ruchu liniowego.

W zależności od wymagań projektu dostępne opcje mogą obejmować materiał GCr15 lub C45, konstrukcje pełne lub puste, wały podparte, długości niestandardowe, obróbkę końcową, obróbkę powierzchni i wymagania kontrolne.

Informacje wymagane przed wyceną

Aby wybrać kombinację wału i łożyska o odpowiednim tarciu i trwałości użytkowej, należy podać:

• Wymagana średnica i długość wału
• Solidna, pusta lub podparta konstrukcja wału
• Model łożyska lub tulei
• Ilość i rozstaw łożysk
• Obciążenie promieniowe i momentowe
• Skok, prędkość, przyspieszenie i cykl pracy
• Instalacja pozioma, pionowa lub nachylona
• Wymagany luz lub napięcie wstępne
• Temperatura pracy i warunki zanieczyszczenia
• Wymagania dotyczące smarowania i uszczelnień
• Wymagania dotyczące chropowatości, prostoliniowości i twardości powierzchni
• Rysunek obróbki końcowej i montażu

Wniosek

Wał liniowy nie ma jednego uniwersalnego współczynnika tarcia. Rzeczywista wartość odnosi się do kompletnej kombinacji wału, łożyska, uszczelnienia, środka smarnego, obciążenia i instalacji.

W przypadku prawidłowo nasmarowanej liniowej tulei kulkowej pracującej na odpowiednim precyzyjnym wale reprezentatywny współczynnik tarcia dynamicznego wynosi w przybliżeniu 0,001–0,003. Stanowi to przydatny punkt wyjścia, ale opór uszczelnienia, napięcie wstępne, lepkość smaru, wyrównanie, ugięcie wału, zanieczyszczenie i temperatura mogą mieć większy wpływ na końcowy wymagany ciąg.

W przypadku doboru silników i zastosowań precyzyjnych należy obliczyć opór początkowy, korzystając z danych producenta łożyska, a następnie zmierzyć siły odrywające i robocze całego zmontowanego wózka.

← Powrót do bloga DLY