Kako poboljšati krutost linearnog vratila: prečnik, raspon i podrška

Ako se linearna osovina previše savija pod opterećenjem, jednostavno biranje tvrđeg čelika ili dodavanje površinskog premaza obično neće riješiti pravi problem. Za okruglo linearno vratilo, najefikasniji načini za poboljšanje krutosti supovećati prečnik osovine, smanjiti raspon bez oslonca, poboljšati metodu potpore i povećati krutost okolne strukture mašine.

U većini primjena linearnih ležajeva, krutost na savijanje je mnogo važnija od vlačne čvrstoće ili površinske tvrdoće osovine. Ova razlika je važna jer osovina može imati odličnu tvrdoću i otpornost na habanje, a da se i dalje pretjerano deformiše ako je njen promjer premali ili je njegova dužina bez oslonca preduga.

Šta određuje krutost linearne osovine?

Za okruglo vratilo koje se koristi kao vodilica za linearne ležajeve, glavna briga je obično savijanje pod radijalnim opterećenjem. Koristan inženjerski odnos je skretanje jednostavno oslonjene osovine s točkastim opterećenjem primijenjenim blizu centra:

gdje:

• δ= otklon osovine
• F= primijenjeno opterećenje
• L= nepodržani raspon osovine
• I= modul elastičnosti materijala osovine
• I= drugi moment površine poprečnog presjeka osovine
• d= prečnik osovine

Tačna jednadžba skretanja mijenja se sa stanjem potpore i položajem opterećenja, ali odnos daje važno pravilo dizajna:

To znači da promjer i dužina bez oslonca obično imaju mnogo veći utjecaj na krutost osovine nego male razlike između uobičajenih vrsta čelika.

1. Povećajte promjer linearne osovine

Povećanje promjera osovine je obično jedan od najefikasnijih načina za poboljšanje krutosti linearne osovine bez oslonca.

Za čvrstu kružnu osovinu:

I ∝ d⁴

Budući da je promjer povećan na četvrtu potenciju, relativno malo povećanje promjera može proizvesti veliko povećanje krutosti na savijanje.

Na primjer, promjena sa osovine od 20 mm na osovinu od 25 mm ne povećava vizualno mnogo promjera, ali se teoretska krutost na savijanje povećava za približno 2,44 puta kada materijal, raspon i uvjeti oslonca ostanu isti.

Međutim, povećanje promjera također zahtijeva veći usklađeni linearni ležaj, veće oslonce osovine i više prostora za ugradnju. Stoga najveći dostupni prečnik nije automatski najbolji dizajn.

2. Smanjite raspon osovine bez podrške

Dužina osovine je podjednako važna. Konkretnije, inženjeri bi trebali pogledatinepodržani raspon između efektivnih oslonaca, a ne samo ukupnu kupljenu dužinu osovine.

Otklon se povećava približno s kockom raspona bez oslonca:

δ ∝ L³

Ako se efektivni raspon bez oslonca smanji za 20%, teoretski otklon postaje približno:

0,8³ = 0,512

Drugim riječima, otklon se smanjuje za gotovo polovicu, pod pretpostavkom da opterećenje, promjer, materijal i granični uvjeti ostanu nepromijenjeni.

Zbog toga duga osovina bez oslonca može postati fleksibilna čak i kada je sama osovina izrađena od visokokvalitetnog kaljenog čelika.

3. Promijenite sa Krajnje podrške na Kontinuiranu podršku

Kada je potreban hod dugačak, višestruko povećanje promjera osovine možda više nije najefikasnije rješenje. Metodu strukturalne potpore tada treba ponovo razmotriti.

Uobičajena okrugla osovina bez oslonca je normalno oslonjena blizu svojih krajeva. Srednji dio mora biti otporan na savijanje kroz vlastitu krutost poprečnog presjeka.

Apoduprta linearna osovina, kao što je SBR ili TBR struktura, postavljena je na potpornu osnovu duž svoje dužine. Podloga za potporu uvelike smanjuje efektivno stanje slobodnog savijanja osovine i stoga je mnogo prikladnija za mnoge primjene na dugim hodovima.

Ako je ugib osovine već ograničavajući faktor u dizajnu, promjena potporne strukture može proizvesti veće poboljšanje od jednostavnog odabira sljedećeg promjera osovine.

Za detaljniju raspravu o dozvoljenom otklonu i kada bi osovina bez oslonca trebala dobiti dodatnu potporu, pogledajte naš članak olinearni otklon osovine i izbor oslonca.

4. Nemojte brkati čvrstoću materijala sa krutošću na savijanje

Česta greška je pretpostavka da čelik veće čvrstoće ili tvrđi čelik automatski stvara mnogo čvršću linearnu osovinu.

Za krutost na savijanje, važno svojstvo materijala jemodul elastičnosti E, ne vlačna čvrstoća ili površinska tvrdoća.

Uobičajeni ugljični čelici i čelici za ležajeve imaju relativno slične vrijednosti modula elastičnosti. Stoga, promjena iz jedne klase čelika u drugu uz zadržavanje potpuno istog promjera, dužine i stanja potpore obično proizvodi samo ograničenu promjenu u elastičnom savijanju.

Na primjer, DLY obično isporučuje linearne osovine koristećiGCr15 ležajni čelik i C45 visokougljični čelik. Odabir materijala je važan za karakteristike kao što su površinska tvrdoća, otpornost na habanje, performanse kontakta ležaja, zahtjevi obrade i cijena, ali promjer osovine i raspon potpore ostaju dominantne varijable kada je glavni problem krutost na savijanje.

5. Poboljšajte krutost oslonaca osovine i okvira mašine

Teoretski proračun osovine pretpostavlja da se oslonci ponašaju kako je predviđeno. Prave mašine su komplikovanije.

Otklon izmjeren na vagonu može uključivati ​​deformacije iz nekoliko dijelova sistema:

• sama linearna osovina;
• blokovi nosača osovine;
• Montažne ploče;
• okvir stroja;
• linearni zazor ležaja;
• spojevi za pričvršćivanje;
• deformacija nosača ili kućišta ležaja.

Iz tog razloga, korištenje veće osovine na fleksibilnoj montažnoj ploči može proizvesti mnogo manje poboljšanja od očekivanog.

Nosači osovine trebaju biti postavljeni na dovoljno krutu i ravnu referentnu strukturu. Montažni vijci moraju biti pravilno zategnuti, a oslonci se ne bi trebali značajno pomicati pod radijalnim opterećenjem.

6. Provjerite poravnanje osovine prije povećanja krutosti

Visok otpor klizanja ne znači uvijek da je osovina previše fleksibilna.

U sistemu s dvije osovine, loša paralelnost može natjerati linearne ležajeve da se kreću jedan prema drugom. Stroj se tada može osjećati zategnuto ili nestabilno čak i kada svako vratilo ima dovoljnu teoretsku krutost.

Prije povećanja promjera osovine provjerite:

• da li su dvije osovine paralelne;
• da li su visine nosača osovine konzistentne;
• da li su montažne površine ravne;
• da li se blokovi ležajeva slobodno kreću prije nego što se kompletan sklop zategne;
• da li nosač uvodi uvijanje ili predopterećenje zbog greške pri montaži.

Povećanje promjera osovine ne može kompenzirati ozbiljno neusklađenost instalacije. U nekim slučajevima, čvršća osovina zapravo može učiniti da sklop koji je prekomjerno stegnut može biti manje tolerantan na greške u poravnanju.

7. Da li dodavanje više linearnih ležajeva povećava krutost vratila?

Nije nužno.

Ovo je još jedna tačka koja se često pogrešno shvata.

Dodavanje drugog linearnog ležaja ili povećanje udaljenosti između blokova ležaja može poboljšatistabilnost kolica i otpornost na momentno opterećenje. Međutim, ako je okrugla osovina još uvijek poduprta samo na svoja dva kraja, dodavanje više pokretnih linearnih ležajeva ne povećava automatski krutost samog vratila na savijanje.

Sistem bi stoga trebao razlikovati između:

• krutost osovine na savijanje- uglavnom kontrolisan prečnikom osovine, modulom materijala, rasponom i stanjem oslanjanja;
• krutost kolica- pod uticajem količine ležaja, razmaka ležajeva, zazora i strukture nosača;
• krutost mašinskog sistema- pod utjecajem osovine, ležajeva, nosača, baze, spojeva i okvira zajedno.

Ova razlika je važna kada se dijagnostikuje vibracija, greška pozicioniranja ili neravnomjerno linearno kretanje ležaja.

8. Da li površinsko očvršćavanje ili hromiranje poboljšavaju krutost osovine?

Nije značajno u normalnom linearnom dizajnu osovine.

Površinsko očvršćavanje je važno jer kuglice linearnog ležaja stalno dodiruju površinu osovine. Tvrda, precizno brušena površina pomaže u otpornosti na habanje i održava stabilan kontakt ležaja.

Kromiranje također može poboljšati izdržljivost površine i otpornost na koroziju za odgovarajuće primjene.

Međutim, ove tretmane ne treba tretirati kao primarne metode za povećanje strukturalne krutosti osovine na savijanje. Njihove glavne funkcije vezane su zapovršinske performanse, a ne ukupnu EI krutost osovine na savijanje.

DLY linearne osovine su dostupne u opcijama uključujući GCr15 čelik za ležajeve, C45 visokougljični čelik, kaljene osovine, brušene i polirane osovine, hromirane osovine i oslonjene strukture vratila. Možete pogledatiOpseg linearnog vratila DLYkada se porede strukture osovina i opcije materijala.

9. Čvrsta naspram šuplje osovine: Što je tvrđe?

Ako puna i šuplja osovina imajuisti vanjski prečnik, isti materijal i ista dužina, čvrsta osovina ima veću krutost na savijanje.

Za šuplju kružnu osovinu:

I = π × (D⁴ − d_i⁴) / 64

gdje je D vanjski prečnik i d_ije unutrašnji prečnik.

Uklanjanje materijala iz centra smanjuje drugi moment površine. Međutim, šuplje osovine i dalje mogu pružiti koristan omjer krutosti i težine kada se dozvoli povećanje vanjskog promjera. Stoga, ispravno poređenje ovisi o tome da li je dizajn ograničen vanjskim prečnikom, težinom, prostorom za ugradnju ili pokretnom inercijom.

Koju metodu treba koristiti za poboljšanje krutosti linearne osovine?

Koje informacije treba provjeriti prije odabira tvrđe osovine?

Prije jednostavnog povećanja promjera osovine, potvrdite kompletno radno stanje:

• prečnik osovine;
• ukupna dužina osovine;
• efektivni raspon bez potpore;
• dužina putovanja;
• pokretno opterećenje;
• smjer opterećenja;
• položaj opterećenja u odnosu na ležajeve;
• broj i razmak paralelnih osovina;
• metoda oslonca osovine;
• model linearnog ležaja;
• potrebna stabilnost pozicioniranja;
• raspoloživi montažni prostor;
• krutost rama mašine.

S ovim parametrima postaje mnogo lakše odrediti da li je bolje rješenje veće vratilo, kraći raspon nosača, poduprto linearno vratilo, drugačiji raspored ležajeva ili profilna linearna vodilica.

Zaključak

Najefikasniji način za poboljšanje krutosti linearne osovine nije jednostavno odabir tvrđeg materijala. Za okruglo vratilo bez oslonca,prečnik, nepodržani raspon i stanje potpore dominiraju performansama savijanja.

Budući da se krutost osovine na savijanje mijenja približno s d⁴, povećanje promjera može dovesti do velikog poboljšanja. Budući da se ugib mijenja s L³, smanjenje raspona bez oslonca može biti jednako učinkovito. Za sisteme sa dugim hodom, prelazak sa osovine s krajnjim osloncem na konstrukciju s kontinuiranim osloncem može biti praktičniji od nastavka povećanja promjera osovine.

Materijal, tvrdoća, brušenje i površinska obrada ostaju važni za otpornost na habanje i nesmetan linearni rad ležaja, ali rješavaju različite inženjerske probleme. Pouzdan dizajn treba da proceni osovinu, ležajeve, oslonce, nosač i okvir mašine kao jedan kompletan sistem linearnog kretanja.

← Povratak na DLY blog