Что такое ходовой винт?

Глава 1: Ходовой винт

Ходовой винт — это разновидность механического линейного привода, преобразующего вращательное движение в линейное. Его работа основана на скольжении вала винта и резьбы гайки без шарикоподшипников между ними. Вал винта и гайка непосредственно соприкасаются друг с другом на большой площади контакта, поэтому возникают более высокие потери энергии из-за трения. Однако конструкция ходовой винтовой резьбы была усовершенствована для минимизации трения.

Ходовые винты являются экономичной альтернативой шариковым винтам для применения в системах малой мощности и малой и средней мощности. Поскольку они имеют низкий КПД, их использование не рекомендуется для непрерывной передачи электроэнергии. В отличие от шариковых винтов, они работают бесшумно, без вибрации и имеют более компактные размеры. Обычно они используются в качестве кинематической пары (рычага), а также для приведения в действие и позиционирования в таком оборудовании, как токарные станки, сканеры, самописцы, устройства для склеивания проволоки и тестеры дисководов. Они используются для передачи усилий в испытательных машинах, прессах и винтовых домкратах.

 

Глава 2: Конструкция ходового винта

Ходовой винт состоит из следующих компонентов:

Винтовой вал

Вал винта представляет собой цилиндрический стержень, который имеет одну или несколько канавок, проходящих по спирали по всей его длине; это называется внешней резьбой.

Нитки

Резьба — это структура, отвечающая за преобразование вращательного движения в линейное, когда вал винта и гайка скользят друг по другу.

Гайка

Гайка ходового винта представляет собой цилиндрическую секцию, внутренняя резьба которой совпадает с внешней резьбой вала винта.

 

Ходовыми винтами можно управлять двумя возможными способами. В одном из режимов работы либо вал винта, либо гайка вращается и перемещается линейно, в то время как другой компонент неподвижен. Этот режим обычно используется в принтерах и винтовых парах. Другой режим работы — либо вал винта, либо гайка вращаются, но не линейно. Этот режим обычно используется в прессах и токарных станках.

Конструктивные особенности ходовых винтов следующие:

Основной диаметр

Основной диаметр — это наибольший диаметр резьбы. Основной диаметр вала винта равен расстоянию между двумя противоположными выступами, в то время как основной диаметр гайки равен расстоянию между двумя противоположными выступами.

Малый диаметр

Малый диаметр — это наименьший диаметр резьбы. Малый диаметр вала винта — это расстояние между двумя противоположными выступами, в то время как малый диаметр гайки — это расстояние между двумя противоположными выступами.

Гребень

Гребень — это приподнятая винтовая структура во внешней резьбе (стержень винта) и утопленная винтовая структура во внутренней резьбе (гайка).

Корневой

Корень — это утопленная винтовая структура во внешней резьбе (стержень винта) и приподнятая винтовая структура во внутренней резьбе.

Глубина резьбы

Глубина резьбы — это расстояние от основания до гребня, измеряемое радиально.

Фланцевый

Бортик — это поверхность, соединяющая корень с гребнем.

Диаметр шага

Диаметр шага, или эффективный диаметр, находится концентрически и примерно посередине между большим и меньшим диаметрами. Это диаметр воображаемого цилиндра, окружность которого пересекает половину шага резьбы.

Шаг

Шаг — это осевое расстояние между двумя соседними резьбами, измеряемое параллельно оси. Это эквивалентно 1 / количеству резьб на дюйм.

Ходовой

Ход — это линейное расстояние, проходимое валом винта или гайкой вдоль своей оси за один полный оборот (3600 оборотов). С увеличением хода линейная скорость также увеличивается, но грузоподъемность ходового винта уменьшается.

 

Начинается резьба

Количество пусков относится к количеству независимых резьб, проходящих по всей длине резьбы. Ход винта определяется путем умножения количества независимых резьб на шаг.

Большинство ходовых винтов имеют один, два или четыре пуска. У ходового винта с одним пуском ход равен его шагу. Ходовые винты с несколькими пусками используются, когда требуются более высокие скорости и грузоподъемность. Чем больше число пусков, тем больше линейное расстояние, проходимое за один оборот. Например, в ходовых винтах с двойным запуском ход эквивалентен удвоенному его шагу, что означает, что осевое расстояние, проходимое за один оборот, составляет единицы с двумя шагами.

 

Угол наклона спирали

Угол наклона спирали — это угол, образованный между спиралью резьбы и линией, перпендикулярной оси вращения. Как правило, ходовой винт с большим углом наклона спирали имеет меньшие потери на трение и, следовательно, более высокую эффективность. Это связано с тем, что количество оборотов для вращения такого винта меньше, чем у винта с меньшим углом закручивания при том же пройденном линейном расстоянии. Однако для вращения винта требуется больший крутящий момент.

Угол хода

Ходовой угол — это дополнительный угол к углу поворота спирали. Это угол, образованный между спиралью резьбы и линией, параллельной оси вращения.

Угол резьбы

Угол резьбы — это угол, образованный между двумя соседними резьбами.

Удобство использования винта

Возможность завинчивания относится к направлению, в котором резьба проходит по длине винта. Ходовой винт может быть правосторонним или левосторонним. В правосторонних и левосторонних винтах резьба проходит по всей длине винта по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно.

Глава 3: Типы ходовой резьбы

Ниже приведены типы резьбы ходового винта в зависимости от их профиля:

 

Квадратная резьба

Боковые стороны квадратной резьбы расположены под прямым углом к оси винта. На гайку не действует радиальное или разрывное давление, поскольку квадратная резьба имеет угол резьбы 00. Квадратная резьба обладает меньшим сопротивлением движению и меньшим трением.

Квадратная резьба обычно используется в электропередачах. Типичные области применения квадратной резьбы — токарные станки и винтовые домкраты. Однако они сложны и дороги в изготовлении. Они изготавливаются с использованием одноточечного режущего инструмента. Их грузоподъемность также самая низкая, поскольку площади гребня и корня зуба одинаковы.

 

Резьба Acme

Резьба acme имеет угол резьбы 290мм. Эта модификация квадратной резьбы была разработана в середине 1800-х годов. Резьба Acme обладает большей нагрузочной способностью, чем квадратная резьба, потому что зуб имеет более широкое основание. Еще одним преимуществом этого типа является низкое количество резьбы на дюйм, что увеличивает ход. Износ резьбы можно компенсировать. Однако они менее эффективны, чем квадратные резьбы, из-за трения, создаваемого углом резьбы.

Наклонные боковые стороны резьбы acme позволяют изготавливать их проще, чем квадратные резьбы, многоточечным режущим инструментом. Типичные области применения резьбы acme — в настольных тисках, зажимах, стержнях клапанов, токарных станках и линейных приводах.

Существует три типа резьбы acme: общего назначения, центрирующая и заглушка acme. Как на резьбах общего назначения, так и на центрирующих резьбах acme глубина резьбы эквивалентна половине ее шагового диаметра. Центрирующие резьбы acme имеют более жесткие допуски между внешней и внутренней резьбой для предотвращения заклинивания при приложении радиальной нагрузки. Заглушка acme на резьбе имеет глубину резьбы менее половины ее шага, при этом адаптируются характеристики общего назначения и централизованной резьбы acme.

Трапециевидная резьба похожа на резьбу acme, за исключением того, что угол резьбы равен 300. Изготавливается в метрических размерах; вот почему его называют «метрическим ходовым винтом» или «метрическим винтом acme».

 

Контрфорсная резьба

Упорная резьба предназначена для выдерживания высоких осевых нагрузок и передачи мощности в одном направлении; направление зависит от ориентации несущих и задних боковых сторон. Несущая кромка стандартной упорной резьбы имеет наклон 70, в то время как задняя кромка имеет наклон 450. Зуб упорной резьбы имеет более широкое основание, что придает винту примерно вдвое большую прочность на сдвиг, чем квадратной резьбе. Эффективность почти равна квадратной резьбе из-за низких потерь на трение.

Упорная резьба используется в больших винтовых прессах, домкратах, вертикальных подъемниках, токарном и фрезерном оборудовании. Однако он идеально подходит только для наложения однонаправленной резьбы и плохо работает, если осевая нагрузка приложена в противоположном направлении.

 

Обычно при изготовлении ходовых винтов используются следующие методы:

Накатка резьбы

При накатывании резьбы металлический стержень (материал заготовки) сжимается между двумя роликовыми матрицами, содержащими профиль резьбы. Матрицы деформируют поверхность заготовки после нескольких проходов; это переносит профиль резьбы на заготовку. Резьбонакатка — это процесс холодной штамповки металла; следовательно, резьба приобретает более высокую прочность и твердость. Продукты резьбонакатки — это «прокатанные нити«.

 

Закручивание резьбы

При намотке резьбы металлический стержень зажимается в вращающейся головке и устанавливается под нужным углом закручивания спирали. Вращающаяся головка вращает стержень с высокой скоростью, медленно прижимая его к одному режущему инструменту. Закручивание резьбы позволяет изготавливать резьбу всего за один проход. Он способен выполнять более глубокие и точные нарезки резьбы. Продукты для намотки резьбы — это «нарезанные резьбы.»

 

Глава 4: Ходовые винты

Приводы ходовых винтов

Линейные приводы — это устройства, которые перемещают грузы по одноосной прямой траектории. Они могут приводиться в движение ходовыми винтами. Существует два типа приводов, в которых могут использоваться ходовые винты:

1. Вал винта закреплен на концах гайкой, вращающейся при перемещении взад-вперед по длине вала винта. Вращение гайки приводится в действие электродвигателем.
2. Вал винта вращается шаговым двигателем с помощью балочной муфты. Вращение вала винта приводит к линейному перемещению гайки по длине вала винта. Балочная муфта учитывает перекосы, которые могут возникнуть при движении на высокой скорости.

Гайка толкает и перемещает груз линейно. Для повышения устойчивости и грузоподъемности она обычно поддерживается линейной направляющей, которая состоит из направляющих, подшипников и каретки. Гайка оснащена механизмом предотвращения люфта для обеспечения точности и повторяемости линейного перемещения.

 

Таблицы ходовых винтов

Стол для ходовых винтов — это усовершенствование приводов для ходовых винтов, которое имеет более широкую платформу, на которой может быть установлен груз. Ходовой винт обычно устанавливается параллельно между двумя направляющими, а гайка размещается внутри каретки линейной направляющей. Таблицы ходовых винтов используются в системах позиционирования объектов большего размера.

 

Ступени ходового винта

Ступени ходового винта — это приводы, используемые в системах точного позиционирования. Они обладают высокой жесткостью на кручение и оснащены механизмом фрикционной фиксации, что делает их совместимыми как для горизонтального, так и для вертикального применения. Некоторые типы ступеней ходового винта могут перемещаться более чем по одной оси. Ступени ходового винта доступны в конфигурациях X, X-Y и X-Y-Z.

 

Глава 5: Конструкционные материалы для ходовых винтов

На эффективность и износ ходовых винтов большое влияние оказывает коэффициент трения между сопрягаемыми поверхностями гайки и вала винта. Коэффициент трения является неотъемлемым свойством материала. Материалы для вала винта и гайки должны быть совместимы друг с другом. Следует избегать твердых материалов, поскольку они в значительной степени способствуют износу ходового винта. Другими желательными свойствами материалов для ходовых винтов являются высокая прочность на растяжение и сжатие, сопротивление усталости, жесткость, а также коррозионная и химическая стойкость.

Материалы, обычно используемые для изготовления вала винта, включают углеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминий и титан. Между тем, материал гайки заменен пластиком или бронзой:

• Пластиковые гайки имеют более низкий коэффициент трения и обладают более высокой коррозионной и химической стойкостью, но их рабочая температура ограничена низкими температурами. Пластмассы, используемые при изготовлении гайки, включают нейлон, полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ), поливинилиден (PVDF), сополимер ацеталя (POM-C) и другие.
• Бронзовые гайки позволяют преодолеть ограничения пластиковых гаек при работе при более высоких температурах. Стальные гайки заменены бронзовыми для снижения потерь на трение при сохранении высокой грузоподъемности, ударопрочности и долговечности. Они также обладают хорошей коррозионной и химической стойкостью. Однако бронзовые гайки имеют более высокий коэффициент трения, чем пластиковые, и выделяют больше тепла.

 

Материалы ходовых винтов обычно покрываются разработанными композитными материалами с самосмазывающимися свойствами для дальнейшего снижения их коэффициента трения, а также повышения их антикоррозийных и термостойких свойств для дополнительной защиты от воздействия агрессивных сред. Покрытие устраняет необходимость в смазке. Материалы для покрытия включают политетрафторэтилен (PTFE), полиэфирэфиркетон (PEEK), Torlon® и Vespel®.

Глава 6: Люфт в ходовых винтах

Люфт определяется как осевое перемещение вала винта и гайки без вращения любого из них. Это считается неотъемлемым свойством ходовых винтов. Это происходит при наличии нежелательного зазора и недостаточной подгонке внутренней и внешней резьбы; это приводит к потере подвижности компонентов ходового винта.

Люфт может повлиять на точность и повторяемость хода ходового винта. Определенный люфт допускается в некоторых приложениях, таких как прессы, домкраты, зажимы и тиски. Однако это может ухудшить производительность систем позиционирования, дозирования и сборки. Это также может увеличить износ ходового винта.

Гайки с защитой от люфта

Гайка с защитой от люфта удерживает вал винта и гайку ближе друг к другу. Следующие категории гаек с защитой от люфта:

Осевые гайки с защитой от люфта

Осевая гайка с защитой от люфта требует использования пружины, размещенной между двумя половинками гайки. Пружина сжимает противоположные стороны внутренней и внешней резьбы и устраняет нежелательные осевые зазоры между ними. Однако осевые гайки с защитой от люфта требуют большего крутящего момента для приведения ходового винта в движение и вызывают большие потери на трение, что делает ходовой винт менее эффективным. Чтобы свести люфт в системе к минимуму, усилие пружины должно превышать нагрузку.

 

Радиальные гайки с защитой от люфта

Радиальные гайки с защитой от люфта сжимают вал винта и резьбу с помощью радиального усилия и устраняют нежелательный радиальный зазор между гребнем и основанием. Люфт устраняется постоянно, независимо от приложенной нагрузки. Радиальное усилие также компенсирует износ резьбы. Уменьшение радиального зазора достигается двумя способами. В первом способе используется корпус гайки с гибкими пальцами, которые прижимаются осевой пружиной. Другой тип радиальных гаек с защитой от люфта оснащен пружиной, обернутой снаружи вокруг корпуса гайки, которую можно регулировать в соответствии с требованиями к предварительному натягу и зазору.

 

Разъемная гайка с прокладкой для защиты от люфта

Еще одним методом устранения осевого люфта является использование прокладки между двумя половинками гайки, скрепленными болтами. Болт удерживает две противоположные стороны вместе, а распорка предотвращает чрезмерное затягивание двух гаек и, следовательно, прикладывает дополнительное сжимающее усилие к валу винта.

 

Люфт можно спрогнозировать и компенсировать электронным способом с помощью программного обеспечения. Это возможно в более автоматизированных и высокотехнологичных системах.

Глава 7: Рекомендации по выбору и эксплуатации ходового винта

Помимо люфта и конструкционных материалов, при выборе, эксплуатации и техническом обслуживании ходового винта учитывайте следующие аспекты:

Номинальная мощность

Номинальная мощность PV обеспечивает максимальное сочетание осевой нагрузки и оборотов в минуту, которые может выдержать ходовой винт, и зависит от тепла, выделяемого при перемещении и износе ходового винта. Значение PV является произведением давления на поверхности контакта и скорости скольжения, которые являются двумя независимыми параметрами ходового винта.

Кривая PV определяет безопасные пределы эксплуатации ходового винта и описывает обратную зависимость между давлением на поверхности контакта и скоростью скольжения для обеспечения безопасной эксплуатации. При большей осевой нагрузке скорость вращения винта должна быть уменьшена. Тот же принцип следует применять всякий раз, когда необходимо изменить осевую нагрузку или частоту вращения.

На величину PV влияет тип материала, используемого при изготовлении ходового винта, а также условия его смазки.

 

Надежность крепления конца

Степень фиксации конца относится к тому, как поддерживается ходовой винт. Это влияет на жесткость, критическую скорость и нагрузку на изгиб ходового винта. Типы фиксации конца: фиксированный-свободный, плавающий-плавающий, фиксированный-плавающий и фиксированный-фиксированный.

 

Критическая скорость вращения

Критическая скорость ходового винта — это максимальное количество оборотов в минуту, которое он может вращать; она основана на собственной частоте вращения винта. Если рабочие обороты превысят критическую частоту вращения, возникнут чрезмерные вибрации, которые в конечном итоге приведут к повреждению ходового винта. Критическая частота вращения зависит от его малого диаметра, длины, прямолинейности вала, соосности сборки и фиксации конца. Рекомендуется, чтобы рабочая частота вращения не превышала 80% от расчетной критической частоты вращения.

Нагрузка при изгибе

Нагрузка на изгиб, или прочность стойки, относится к максимальному усилию сжатия, которое ходовой винт может выдержать перед изгибом или выпуклостью. Это важный фактор при выборе размеров ходового винта. При одном и том же типе концевого крепления нагрузка на изгиб увеличивается с увеличением малого диаметра и уменьшением длины между опорами подшипника.

Точность хода

Точность хода — это отклонение фактического линейного расстояния, пройденного ходовым винтом, от теоретического расстояния, рассчитанного на основе его шага и выводов. Это указано в технических характеристиках, раскрытых производителем ходового винта. Винт с меньшим значением точности хода определенно обладает большей точностью.

Глава 8: Преимущества и недостатки ходовых винтов

Преимущества ходовых винтов заключаются в следующем:

• Ходовые винты дешевле и проще в изготовлении. Они более экономичны, чем шариковые винты, для применения с прерывистым движением, на низкой скорости и при легком и среднем весе.
• Ходовые винты эффективны при вертикальном применении.
• Некоторые ходовые винты могут самоблокироваться и не требуют тормозных систем. Самоблокирующееся свойство предотвращает перемещение вала винта и гайки без приложения внешнего усилия. Это обычно присутствует в материалах ходовых винтов с высоким коэффициентом трения.
• Ходовые винты имеют более компактные размеры из-за минимального количества деталей.
• Ходовые винты работают бесшумно.
• Ходовые винты, покрытые самосмазывающимся покрытием, не требуют применения внешней смазки.

Недостатками ходовых винтов являются следующие:

• Ходовые винты имеют более низкий КПД, составляющий всего 20-80%. Следовательно, они не рекомендуются для непрерывной передачи электроэнергии.
• Ходовые винты необходимо заменять чаще, чем шариковые. Износ резьбы ходовых винтов происходит быстрее, поскольку возникает большое трение. Износ можно компенсировать с помощью разъемной гайки.
• Тепло, выделяемое при трении, может вызвать тепловое расширение, что негативно сказывается на точности хода ходового винта.
• Ходовые винты требуют большего крутящего момента и, следовательно, более мощного двигателя.

Заключение

• Ходовой винт — это разновидность механического линейного привода, преобразующего вращательное движение в линейное. Он основан на скольжении вала винта и резьбы гайки без шарикоподшипников между ними.
• Типы ходовых винтов в зависимости от геометрии резьбы: квадратная резьба, резьба acme, трапециевидная резьба и контрфорсная резьба. Ходовые винты могут изготавливаться методом накатывания или наматывания резьбы.
• Эффективность и износ ходовых винтов в значительной степени зависят от коэффициента трения материалов, из которых они изготовлены. В идеале коэффициент трения должен быть ниже.
• Другими желательными свойствами материалов для ходовых винтов являются высокая прочность на растяжение и сжатие, сопротивление усталости, жесткость, а также коррозионная и химическая стойкость.
• Люфт — это потеря движения, вызванная нежелательным зазором и недостаточной установкой компонентов ходового винта. Для предотвращения этого используются гайки с защитой от люфта. К категориям люфтовых гаек относятся осевые гайки с защитой от люфта, радиальные гайки с защитой от люфта и гайки с защитой от люфта с распоркой.
• Другие параметры ходовых винтов включают номинальную мощность, фиксацию конца, критическую скорость, нагрузку на изгиб и точность хода.
• Ходовые винты дешевле, проще в изготовлении и компактнее, поскольку в них меньше компонентов. Они способны к самоблокированию, подходят для вертикального применения и более экономичны при прерывистом движении, низкой скорости вращения и применении с легким и средним весом. Однако они менее эффективны, требуют большего крутящего момента для приведения в действие и создают большее трение; это увеличивает износ резьбы и снижает точность.