Материал: Проект модернизации механизма резания фрезернопильного обрезного станка мод Ц2Д1Ф

а - скольжения; б - качения

Винтовые передачи подразделяются на такие основные группы как: установочные винты, применяемые для фиксации деталей в машинах и механизмах; грузовые винты для перемещения грузов и передачи усилий и ходовые винты для преобразования вращательного движения в поступательное.

Передачи винт-гайка используются от измерительных приборов высокого класса точности до прокатных станов, их тяжелонагруженных устройств. Такие передачи широко применяются в съемниках, зажимных устройствах, различных механизмах подачи станков, в винтовых прессах и домкратах, стяжках различного вида, для нагружения в различных испытательных машинах и так далее.

Передачи винт-гайка очень разнообразные по конструктивным решениям и схемам исполнения. В большинстве случаев используются конструкции, где гайка является неподвижной, а винт подвижный (осуществляет вращательное и поступательное движение), но бывают передачи, использующие в качестве ведущего элемента гайку (гайка вращается, а производит поступательные движения, в зависимости от того, в какую сторону идет вращение гайки), такие передачи используются в прижимах и домкратах и так далее.

К достоинствам передачи винт-гайка можно отнести очень высокую точность перемещения (измеряется в десятках микрон); малые габариты передачи; медленное поступательное перемещение (устанавливается за счет уменьшения шага винтовой линии) при больших оборотах электродвигателя; большой выигрыш в силе; возможность обеспечить самоторможение винтовой пары; простота конструкции. Недостатки передач скольжения заключаются в больших потерях на трение и следовательно низком КПД. В передачах качения этот недостаток отсутствует, но конструкция сложнее и требуется значительная герметичность самой передачи (предотвращение попадания на винт мелких абразивных частиц, пыли и прочих отходов лесопильного производства), и стоимость так же становится выше чем у передачи скольжения.

.1 Передача винт-гайка качения

станок пиление резание гайка

Винтовая передача качения включает в себя гайку и винт на которых нарезаны винтовые канавки криволинейного профиля, выступающие в роли дорожек для роликов или шариков. Эта передача служит для преобразования вращательного движения в поступательное. Ведущим звеном может выступать как гайка, так и винт. Наиболее широко применяются в ходовых винтах передачи с шариками. Шарико-винтовая передача называется сокращенно - ШВП.

Достойнствами ШВП являются: высокий КПД (≈0,9) по сравнению с передачей скольжения; равномерное поступательное движение с высокой точностью; значительный ресурс работы передачи. при малых габаритах обладает высокой осевой несущей способностью.

В недостатках можно выделить: неспособность к самоторможению; сложность конструкции гайки; высокая точность изготовления, что несет в себе большие затраты и предусмотрение защиты передачи от загрязнений и повреждений.

ШВП используют: в следящих системах; ответственных силовых передачах; исполнительных механизмах (робототехника, станкостроительные предприятия и так далее.).

Больше всего получила распространение резьба с полукруглым профилем в ШВП, потому что она позволяет создавать конструкции шарико-винтовых пар с регулируемым предварительным натягом (рисунок 4.2). Такой натяг нужен для избавления от осевого зазора в сопряжении винт-гайка, увеличения точности перемещения и осевой жесткости ведомого элемента шарико-винтовой. По конструкции предварительный натяг получается установкой двух гаек, при использовании канавок с полукруглым профилем. Гайки размещают в одном и том же корпусе со смещением их относительно оси вращения. Для получения смещения гаек устанавливают прокладки между ними (рисунок 4.2 а) или же их относительным угловым поворотом (рисунок 4.2 б).

Для соединения гаек 3 и 4 с корпусом 2 используют зубчатые муфты 6 и 7, у которых внутренние зубья нарезаны в корпусе, а наружные зубья нарезаны на фланцах.

Рисунок 4.2 - Конструкция шарико-винтовой пары с регулируемым предварительным натягом:

- винт; 2 - корпус гайки; 3, 4 - гайки; 5 - прокладки; 6, 7 - зубчатые муфты

У муфт числа зубьев z1 и z2 отличаются на единицу, это позволяет производить поворот на малый угол одной гайки относительно другой, производя осевое смещение на очень малую величину. Для поворота гаек относительно друг друга существуют специальные оправки, на них производится настройка натяга.

Вращение винта осуществляет поступательное перемещение гайки. Во время работы ШВП шарики перемещаются по винтовым канавкам, после прохождения канавок резьбы они возвращаются в первоначальное положение через канал возврата шариков. Тем самым, по замкнутой траектории внутри гайки происходит движение шариков во время работы. Чаще всего встречается конструкция шарико-винтовой пары с каналом возврата, соединяющим два соседних витка (рисунок 4.3). Число рабочих витков в гайке может быть от 1 до 6.

Рисунок 4.3 - Устройство возврата шариков в гайке качения

На станкостроительных предприятиях применяются гайки с числом рабочих витков равным трем. Канал для возврата тел качения выполняется в специальном вкладыше, вставляемый в овальное окно гайки.

Винты изготавливаются из легированных сталей марок: 8ХВ, 20Х3МВФ, ХВГ; а гайки: 12ХН3А, ХВГ, ШХ15, 18ХВГ. Шарики изготавливаются из хромистых сталей марок ШХ20СГ и ШХ15. Материалы гайки, винта и тел качения нужно термообработать до твердости поверхности не ниже 61 HRC.

При сборке гайки полости заполняют пластичным смазочным материалом марки ЦИАТИМ - 203 или ЦИАТИМ - 201.

Основные силовые характеристики и геометрические параметры ШВП регламентированы отраслевыми стандартами (таблица 4.1):- шаг резьбы; - число заходов резьбы (обычно z = 1);

- диаметр шарика,  

 - номинальный диаметр резьбы; - наружный диаметр резьбы винта,

 - внутренний диаметр резьбы винта,  

- угол подъема винтовой линии на диаметре .

- статистическая грузоподъемность - статистическая центральная осевая нагрузка, соответствующая расчетному контактному напряжению в зоне контакта шарика, равному 3000 МПа.

 - динамическая грузоподъемность - постоянная центральная осевая нагрузка, которую шарико-винтовая передача может воспринимать при базовом ресурсе.

Причины в следствии которых выходят из строя шарико-винтовые передачи:

. Изнашивание происходящее посредством повышенного скольжения в контакте тел качения с винтом и гайкой или плохой защиты шарико-винтовой передачи от попадания абразивных частиц. Для уменьшения износа винтов в качестве защиты применяются телескопические трубы или гофрированные чехлы, а на гайке устанавливают устройство для очистки резьбы от загрязнений.

. Из-за местных пластических деформаций под действием вибрационных, ударных и значительных статических нагрузок происходит смятие рабочих поверхностей и тел качения (лунки и вмятины).

. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей дорожек и шариков в следствии переменных контактных напряжений. Усталостное повреждение в виде выкрашивания, образования раковин или отслаивания является основным видом разрушения ШВП в обычных условиях при хорошем смазывании и защите от попадания абразивных частиц.

. При использовании длинных винтов (от 2 до 8 м.) под действием осевой силы сжатия происходит потеря устойчивости.

Таблица 4.1 - Параметры шариковых передач винт-гайка

В основном для стандартной ШВП производят расчеты основанные на критериях отсутствия усталостного выкрашивания и пластического деформирования шариков и поверхностей их катания.

Целью расчета является определение основных геометрических размеров стандартной ШВП, которые будут обеспечивать ее работоспособность при заданных условиях нагружения.

. Из расчета на совместное действие кручения и сжатия винта производится определение внутреннего его диаметра d3 резьбы.

. Определение ориентировочного значения требуемой динамической осевой грузоподъемности гайки.

где  - внешняя сила действующая на ось вращения, Н;

 - коэффициент учитывающий вероятность безотказной работы (таблица 4.2);

 - коэффициент точности передачи, Kα= 0,8 ÷ 1,0;

 - коэффициент, учитывающий качество выплавки стали (обычная плавка = 1,0; плавка с вакуумной дегазацией = 1,25; для электрошлаковой стали = 1,4; для стали вакуумной выплавки = 1,7).

Таблица 4.2 - Коэффициент вероятности безотказной работы ШВП

. Производится подбор по каталогу шарико-винтовой передачи с ближайшим большим значением динамической грузоподъемности  (таблица 4.1).

. Вычисление ресурса подобранной передачи

, млн об,

где  - фактическая динамическая осевая грузоподъемность, Н

, Н,

 - табличное значение динамической грузоподъемности гайки, Н;

 - эквивалентная внешняя осевая сила при переменных

режимах нагружения, полученная в результате расчета, Н. При постоянной, равномерной нагрузке .

Формула расчета ресурса передачи винт - гайка качения в часах

, ч,

где nср - среднее число оборотов, мин-1.

Условие пригодности ШВП

 или ,

где - расчетный ресурс, млн об (ч);

 - требуемый ресурс, млн об (ч).

. Проверочный расчет гайки на статическую контактную прочность.

При выполнении условия того, что наибольшая осевая сила  не превосходит скорректированную статическую осевую грузоподъемность , статическая контактная прочность будет обеспечена.

Условие статической контактной прочности

, Н,

где - наибольшая осевая сила. Для передач с натягом

, Н.

С целью получения высоких значений КПД желательно выполнение условия:

 - статическая грузоподъемность шарико-винтовой передачи (таблица 4.1);

 - коэффициент, учитывающий точность расчетов.

. Проверка винта на статическую устойчивость

Статическая устойчивость обеспечена, если

, Н,

где  - наибольшая осевая сила, нагружающая винт на длине L, Н.

 - значение критической силы по Эйлеру, Н.

, Н,

где Е - модуль упругости материала винта (для стали );

 - диаметр резьбы по впадинам, мм; = 3 - коэффициент запаса;

μ - коэффициент, зависящий от способа закрепления винта;- длина нагруженного участка винта, мм.

. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИНТОВОЙ ПЕРЕДАЧИ КАЧЕНИЯ

Требуется рассчитать и подобрать подходящую винтовую пару для позиционирования фрезерно-пильного узла массой 300 кг с ресурсом работы

Так как нам нужно перемещать массу 200 кг сталь по стали со смазкой, коэффициент трения , следовательно нужно применять усилие