СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ НА РЕЛСОВИ ТЪРКАЛЯЩИ
НАПРАВЛЯВАЩИ ЗА МЕТАЛОРЕЖЕЩИ МАШИНИ С ЦПУ
Пламен
Угринов
Резюме. Извършен е сравнителен анализ на релсовите
търкалящи направляващи, предлагани от водещи световни производители като INA (Schaeffler Group), THK, Schneeberger, SBC, SKF, HIWIN, NB, NSK, Rexroth Bosch Group. Анализът е
извършен по следните технически характеристики: носеща способност,
точност, статична стабилност, коефициент на триене, скорости, ускорения, шум,
експлоатационен ресурс. Резултатите
от анализа могат да се използват от производителите и занимаващите се с ремонт
на металорежещи машини с ЦПУ като насочване към информиран избор на релсови
търкалящи направляващи, адекватни на условията на експлоатация.
Ключови думи: металорежещи машини с ЦПУ, релсови направляващи,
ролкови, сачмени, носеща способност, статична стабилност, коефициент на триене,
стик-слип ефект, скорост, ускорение, шум, експлоатационен ресурс
1.
Въведение.
Направляващите са едни от
най-важните елементи от носещата система на металорежещите машини с ЦПУ. Те
определят поведението на подвижния орган, а именно точността на траекторията на
неговото движение, линейната и ъгловата му стабилност, виброустойчивостта,
скоростта и ускорението на подвижния орган, наличието на стик-слип ефект, възможността
за движение при малки скорости, минималният инкремент на преместването, отработването
на единични импулси, експлоатационния ресурс и др. Видът на направляващите влияе съществено
върху себестойността на машината. Направляващите са лимитиращ фактор за
максималната скорост на движение на подвижните органи. Степента на износването
им е един от основните аргументи при вземане на решение за предаване на
машината за основен ремонт.
Релсовите търкалящи направляващи
са основният вид направляващи, от които се изгражда носещата система на
съвременните металорежещи машини с ЦПУ и по-специално на най-разпространените
им типоразмери- от лекия до средния.
Отсъствието на сравнителен
анализ не позволява на потребителя на релсови търкалящи направляващи да обхване
цялото многообразие и да вземе информирано решение. В тази връзка въпросът за
провеждането на сравнителен анализ на релсовите търкалящи направляващи,
предназначени за металорежещите машини с ЦПУ, е особено актуален.
2.
Показатели на
сравнителния анализ.
Сравнителният анализ се извършва
по следните технически характеристики на релсовите търкалящи направляващи:
носеща способност, точност, статична стабилност, коефициент на триене,
скорости, ускорения, шум, експлоатационен ресурс.
3.
Носеща способност.
Параметрите, които
характеризират носещата способност на направляващите, са базовата статичната
товароносимост С0, базовата динамичната товароносимост С,
допустимият статичен момент М0 (MOX, MOY, MOZ) [1, 5, 7, 8, 10, 12,
14].
Носещата способност
зависи в голяма степен от пълната площ на контакта, която е сума от
елементарните площи на контакт на всяко търкалящо тяло с работния профил на
релсовата шина. За нарастване на пълната площ се увеличава броят на потоците, а
във всеки поток се покачва броят на търкалящите тела. Колички с особено висока
носеща способност се наричат суперколички [2].
Най-висока стойност на
носещата способност имат ролковите релсови направляващи, при които най-голямото
статично натоварване върху една ролка може да достигне (в зависимост от диаметъра
и дължината на ролката) от 0,127 до 4,36 kN, като броят на ролките в един поток достига до 32...60 броя
[3].
Носещата способност на
сачмените релсови направляващи е значително по-малка при равни размери на
сечението. Статичното натоварване върху една сачма (в зависимост от диаметъра
й) е не повече от 15...240 N, като диаметърът може да се променя от 5 до
При използване на кръгов профил и сачми с
близки радиуси и удължена количка (с цел увеличаване на броя на търкалящите
тела в един поток) носещата способност на сачмените релсови направляващи може
да се окаже по-голяма от аналогичния типоразмер ролкови релсови направляващи.
Например, компанията THK
показва сравнение на две релсови направляващи от нейната продуктова гама от
един типоразмер. Базовата статична товароносимост на сачмената удължена количка
SNR25LC е С0 = 57 kN, докато при ролковата SRG25LC тя е по малка- С0
= 34,2 kN [1].
Сред сачмените релсови
направляващи с най-голяма носеща способност в радиално направление има
Х-схемата с α = 450 и β = 900.
В табл.1 са посочени
стойностите на носещата способност на релсови търкалящи направляващи на
произволно избрани производители [5, 7, 10, 14]. За съпоставимост са избрани
типоразмерите
Таблица 1. Носеща способност на релсови търкалящи
направляващи
|
|
Обозначение |
Фирма |
Вид* |
С, N |
C0, N |
M0X, Nm |
M0Y, Nm |
M0Z, Nm |
|
1 |
RUE35-E |
INA |
Р |
59 000 |
140 000 |
1 200 |
2 150 |
1 950 |
|
2 |
RUE35-E-L |
INA |
Р,У |
70 000 |
175 000 |
1 500 |
3 350 |
3 000 |
|
3 |
KUVE25-B-KT |
INA |
С, К |
16 200 |
32 000 |
370 |
210 |
200 |
|
4 |
KUVE25-B-KT-L |
INA |
С,К,У |
21 100 |
47 000 |
535 |
430 |
410 |
|
5 |
KUVE25-B |
INA |
С |
17 900 |
37 000 |
510 |
395 |
395 |
|
6 |
KUVE25-B-L |
INA |
С,У |
23 400 |
54 000 |
745 |
825 |
825 |
|
7 |
SRG25C |
THK |
Р |
27 900 |
57 500 |
770 |
610 |
610 |
|
8 |
SRG35C |
THK |
Р |
59 100 |
119 000 |
2 430 |
1 630 |
1 630 |
|
9 |
SBS25SV |
SBC |
С |
11 290 |
21 109 |
190 |
170 |
170 |
|
10 |
SBS35SLL |
SBC |
С,У |
46 070 |
90 405 |
1260 |
1310 |
1310 |
|
11 |
TS25AN |
NSK |
С |
21800 |
26000 |
320 |
217 |
217 |
|
12 |
TS35AN |
NSK |
С |
46500 |
53000 |
970 |
635 |
635 |
*) Р- ролкови; С- сачмени; У- удължена количка; К- с квадрозвена
Данните от табл.1
потвърждават казаното по-горе:
1. С най-високи
стойности на базовата статична и динамична товароносимост и на статичните
моменти са ролковите релсови направляващи (вж. ролковите 1, 2, 7 и 8).
2. С увеличаване на
дължината на количката носещата способност нараства (вж. 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 9
и 10).
3. Релсовите търкалящи
направляващи с пълен комплект търкалящи тела имат по-висока носеща способност
от тези с непълен (с квадрозвена) (вж. 3 и 5).
4. О-схемата осигурява
по-висока стойност на М0Х в сравнение с Х-схемата (вж. 1 и 8).
4.
Точност.
Фирмите-производители
предлагат различни класове на точност на релсовите търкалящи направляващи.
Например, Schneeberger изработва
направляващите според четири класа на точност: G0, G1,
G2 и G3 [11]; HIWIN също има четири класа: H, P, SP
и UP [4]; при SBC класовете на точност са три: N, H и
P [10]; SKF също има три класа: Р1, Р3 и Р5
[12].
Като пример се използват
класовете на точност на сачмените 4-редови релсови направляващи от серията KUVE на INA, които се изготвят в четири
класа на точност- от G0
до G4. Допуските на
успоредност са в зависимост от дължината
на релсовата шина LРЕЛ и класа на точност.
Стандартният клас на точност на INA е G3 [5].
Точността на движението се
установява чрез прилагане на стандартните процедури за измерване на успоредност
на базовите повърхнини на количката спрямо траекторията на движението й.
5. Статична
стабилност.
Статичната стабилност на
релсовите търкалящи направляващи зависи от вида на самите направляващи (ролкови,
сачмени), от предварителната стегнатост и др.
Стабилността се оценява в
радиална посока ССТR, в обратна на радиалната посока ССТR, в странично направление ССТQ.
Производителите на релсови
търкалящи направляващи предпочитат да не информират за стабилността на отделна
количка върху релсовата шина, а в монтирано състояние с подвижния орган. Като
изключение THK дава във фирмения си
каталог данни за ролковата релсова направляваща SRG45LC:
ССТR= 300 daN/μm, ССТS= 250 daN/μm, ССТQ= 110 daN/μm [1, 14].
Сравнени с аналогични данни за
подвижен орган върху танкети (от серията RUS на INA),
стойностите на стабилността на SRG45LC
са 2...6 пъти по-високи.
Предварителната стегнатост
оказва съществено влияние върху стабилността. Стабилността ССТR на сачмената релсова
направляваща на ТНК HSR35R (при натоварване със
сила F= 2450 N) може да се промени близо 5
пъти при изменение на предварителната стегнатост в интервала z= 0...-35/μm [14].
Използват се различни класове
предварителна стегнатост, които при отделните производители се различават както
по самия брой, така и по заложените стойности. Нещо повече, един производител
може да използва различни по брой класове за отделните си продукти. Например, INA предлага 3 класа на предварителна
стегнатост V0 , V1 и V2 за сачмените направляващи и
един клас V3 за ролковите
направляващи [5].
Прието е предварителната
стегнатост да се задава като част от базовата динамична товароносимост С,
например, 0,04С съответства при INA на клас на стегнатост V1, 0,1С- на клас на
стегнатост V2 и V3. Класът V1 e приет за стандартен [5]. При SBC трите класа на предварителна стегнатост са К1
(не се препоръчва за металорежещи машини с ЦПУ), К2- с лека предварителна
стегнатост, съответства на 0,05С, К3- с висока предварителна стегнатост,
съответства на 0,08С [10].
При Schneeberger класовете на
предварителната стегнатост и препоръчителните условия за работа на ролковите
направляващи са следните [11]:
-V0- особено ниска
степен на предварителна стегнатост, равняваща се на 0...0,02С; подходяща за
направляващи с много нисък коефициент на триене при равномерно натоварване и
минимални трептения;
-V1- ниска степен на предварителна стегнатост,
равняваща се на 0,03С; подходяща за направляващи с нисък коефициент на триене
при равномерно натоварване и слаби трептения;
-V2- средна степен на
предварителна стегнатост, равняваща се на 0,08С; подходяща за направляващи със
средно по големина променливо натоварване, придружено от трептения;
-V3- висока степен на предварителна стегнатост,
равняваща се на 0,13С; подходяща за направляващи с голямо ударно натоварване,
трептения и усукващи моменти.
SKF има 3 класа на предварителна
стегнатост за сачмените си направляващи: Т0- от 0 до лека предварителна
стегнатост; Т1- лека предварителна стегнатост 0,02С; средна предварителна
стегнатост 0,08С [12].
NB предлага три класа на
предварителна стегнатост: стандартен клас, лек Т1 и среден Т2 [6].
HIWIN използва 3 класа на
предварителна стегнатост: Z0, ZA, ZB [4].
NSK има само един клас- Z3, съответстващ на 0,1С [7].
Rexroth монтира своите сачмени релсови
направляващи с 4 класа на предварителна стегнатост: с хлабина до 10 μm, с предварителна стегнатост
0,02С, с предварителна стегнатост 0,08С, с предварителна стегнатост 0,13С [9].
THK предлага направляващите с 3 класа на предварителна
стегнатост: нормален, лек С1 и среден С0 [14].
На всеки клас на предварителна
стегнатост съответстват стойности на стегнатостта. Например, на типоразмер 25
на сачмените релсови направляващи на SBC съответстват следните допустими интервали на стойностите,
μm: клас К1: -6...+4; клас
К2: -16...-6; клас К1: -26...-16 [10].
Производителите не винаги
предоставят зависимости, свъзващи статичната стабилност с предварителната
стегнатост; обикновено се отбелязва, че с нарастване на предварителната
стегнатост статичната стабилност се увеличава. Rexroth привежда подробни данни за стабилността на своите
сачмени релсови направляващи. Например, за стоманени колички с предварителна
стегнатост 0,08С стабилността е следната [8]:
- типоразмер 15: ССТR= 30 daN/μm, ССТS= 18 daN/μm; ССТQ= 24 daN/μm;
- типоразмер 65: ССТR= 160 daN/μm, ССТS= 96 daN/μm; ССТQ= 128 daN/μm.
За алуминиеви колички с
стегнатост 0,02С стабилността е в обхвата 10...40 daN/μm, стабилността на „широките”
направляващи при същата стегнатост е 20...100 daN/μm. предварителна
При THK стабилността на направляващите
от типоразмера NR45LR при предварителна стегнатост
0,04С е ССТR= 220 daN/μm, ССТS= 140 daN/μm [14].
Успоредно с положителния
ефект, свързан с повишаване на статичната стабилност, предварителната
стегнатост има и негативно въздействие. Колкото по-голяма е нейната стойност,
толкова по-кратък е експлоатационният ресурс на направляващите, толкова
по-голям е коефициентът на триене, толкова по-малки са скоростните възможности
на количките. Тъй като предварителната стегнатост предизвиква еластични
деформации на търкалящите елементи, те губят способността си да компенсират
грешките при монтажа; следователно, колкото по-висока е предварителната
стегнатост, толкова по-високи са изискванията към точността на монтажните
операции при установяване на направляващите върху машината.
6. Коефициент на триене.
Коефициентът на триене при
ролковите и сачмените направляващи е в границите на μ= 0,002...0,01.
По-малки стойности на μ могат да се получат при сачмените направляващи с
намален брой на търкалящите тела- за изпълнението с квадрозвена INA посочва μ=
0,0007...0,0015 [5].
Силата на триене в
чистачите-уплътнения Fупл не зависи от изпълнението
на количката и предварителната стегнатост. За релсови търкалящи направляващи
среден типоразмер Fупл= 20...50 N [5, 10, 14].
Ниският
коефициент на триене, практическото отсъствие на разлика между коефициентите на
триене при покой и движение предпоставя редица достойнства на релсовите
търкалящи направляващи като малка стойност на задвижващата сила, плавен и спокоен ход благодарение на практическото
отсъствие на стик-слип ефект, възможност за отработване на много малки
премествания и движение с много малки подавателни скорости, точно
позициониране, възможност за движение с особено високи скорости и ускорения,
висока стабилност, висока точност при реверсиране на движение повишено
съпротивление при възприемането на знакопроменливи натоварванияа, голяма носеща
способност, значително повишен експлоатационен ресурс. Недостатък е известното
наличие на механичен хистерезис, дължащ се на неизбежното плъзгане при
деформиране на контанктните повърхнини при търкаляне и наличието на плъзгащи се
чистачи-уплътнители.
7. Скорости.
Максималната скорост на движение
на количката обикновено надхвърля скоростите на установъчните движения при
съвременните металорежещи машини с ЦПУ. Допустимите максимални скорости при
ролковите и сачмените релсови направляващи практически не се различават. Например, при ролковите направляващи на Schneeberger V=180...300 m/min,
(като при заявяване на по-високи скорости производителят предлага специални
решения) [11], при INA V=180 m/min [5]. При сачмените направляващи се предлага обикновено V=180 m/min; Rexroth допуска движение с V=300 m/min, но препоръчителната е V=180 m/min [8]. Тези стойности съответстват на горната граница на
реализираните върху съвременните металорежещи машини с ЦПУ скорости.
8. Ускорения.
Максимално допустимите ускорения
при сачмените релсови направляващи са съществено по-високи, отколкото при
ролковите. Например, при ролковите направляващи на Schneeberger и INA максимално допустимото
ускорение е a=
100 m/s2 (10g) [5, 11], докато при сачмените
достига до a= 150 m/s2 (15g) при INA [5] и a= 250 m/s2 (25g) при Rexroth [8]. Тези стойности са
значително по-големи от реализираните върху съвременните металорежещи машини с
ЦПУ ускорения, които не надхвърлят 5g.
9. Шум.
Шумът се намалява при използване
на челни плочи от пластмаса. Благодарение на това ТНК е ограничила шума на
сачмените си релсови направляващи до 50 dB при скорост на движение V=50 m/min [1]. Шумът намалява също така
при прилагането на пластмасово покритие на възвратния канал и при всички мерки,
водещи до подобряване на условията на влизане и излизане на търкалящите тела
в/от възвратния канал.
Използването на сепаратор от
подходящ материал оказва съществено влияние върху нивото на шума. При движение
със скорост V= 150 m/min нивото на шума при
сачмените релсови направляващи на SBC е 75 dB без сепаратор и 65 dB със сепаратор [10], на ТНК е 65 dB без сепаратор и 53 dB със сепаратор [14].
10. Експлоатационен ресурс.
Експлоатационният ресурс зависи от условията на
експлоатация, от предварителната стегнатост. Високата предварителна стегнатост
ускорява износването на работните повърхнини на релсовите шини. По този начин
след определен период е възможно превръщането на стегнатостта в хлабина, което
води до намаляване на статичната стабилност и точността на движение. Това обстоятелство
бележи края на експлоатационния ресурс на направляващата. Други причини за
намаляване на експлоатационния ресурс са бринелирането на работните повърхнини
(при недопустимо големи статични и динамични натоварвания), последствията от
умората на материала, поява на корозия и др. За предотвратяване на корозията се
прилагат като опции различни фирмени покрития, най-известните от които са: на INA- Corrotect®- цинкова сплав, която защитава детайлите от корозия; Protect- тънкослойно покритие от хром,
увеличаващо съпротивлението срещу износване [5]; на Schneeberger- твърдо хромово
покритие [11]; на Bosch Rexroth- твърдо хромово покритие [9]; на NB, SBC- Raydent- защита от корозия и антифрикционни свойства [6, 10]; на NSK- нискотемпературни хромово и
флуор-хромово покритие [7].
Фирмите-производители посочват
ресурса на релсовите търкалящи направляващи при идеални условия на
експлоатация. Като стандартен се приема експлоатационен ресурс от
11. Резултати от изследването.
Носещата способност на ролковите
релсови направляващи принципно е по-висока от тази на сачмените. Благодарение
на специалното изпълнение на контакта на сачмите с работните повърхнини на
релсовата шина площта на контакта нараства и в редица случаи носещата
способност на сачмените релсови направляващи може да се окаже по-висока от тази
при ролковите. В продуктовите каталози се предлагат супер-колички с особено
висока носеща способност, която се постига чрез увеличаване на броя и размерите
на търкалящите тела (удължени колички), за изготвянето на телата на количките и
търкалящите тела се използват специални стомани, прилага се обемно закаляване
на телата на количките и т.н.
Релсовите търкалящи направляващи
могат да се изготвят в различни класове на точност, като класовете на точност
при различните фирми- производители се отличават както по своя брой, така и по
абсолютните стойности.
Статичната стабилност на един и
същи типоразмер релсови търкалящи направляващи може да бъде променяна в широки граници
чрез вариране на предварителната стегнатост. Класът на предварителната
стегнатост е в пряка зависимост от условията на работа- при по-тежки условия се
избира по-висока предварителна стегнатост. Фирмите-производители предлагат
различни фирмени политики на предлаганите класове на предварителна стегнатост.
Коефициентът на триене при ролковите релсови
направляващи е по-голям от този при сачмените примерно с един до два порядъка.
Силата на триене в чистачите-уплътнения повишава общото ниво на съпротивление
срещу движението и придава на силата на триене нежелателна компонента на
плъзгане.
Скоростите и ускоренията
съответстват напълно на изискванията към кинематичните характеристики на
съвременните металорежещи машини с ЦПУ, в т.ч. и високоскоростните.
Фирмите-производители прилагат
различни мерки за ефективно намаляване на шума при движение.
Експлоатационният ресурс е
достатъчно продължителен и се влияе съществено от редица работни фактори. Важно
условие за увеличаване на ресурса е правилната експлоатация и наличието на
антикорозионно покритие.
12. Изводи.
- Извършен е сравнителен анализ на
релсовите търкалящи направляващи, предлагани от водещи световни производители, в
съответствие със следните технически
характеристики: носеща способност, точност, статична стабилност, коефициент на
триене, скорости, ускорения, шум, експлоатационен ресурс.
- Резултатите от анализа могат
да се използват от производителите и занимаващите се с ремонт на металорежещи
машини с ЦПУ като насочване към информиран избор на релсови търкалящи
направляващи, адекватни на условията на експлоатация.
Литература:
1.
Лурье А.М. Рельсовые направляющие качения. „Сервотехника”
ЗАО. 2006.
2.
Калашников Д. Линейные направляющие качения. Демпфирующие
свойства линейной оси. www.schaefflerrussland.ru.
3. ***Линейные направляющие
качения. //Эксперт оборудование. № 9/2008. www.obo.ru.
4.
***HIWIN. Linear Guideways. Cat.№
G99TE11-0703.
5.
***INA Schaeffler Group. Техника для линейных перемещений. Сентябрь 2007.
6. ***NB. Профильные рельсовые
направляющие. /Акетон. www.aketon.ru.
7.
***NSK. NSK Linear Guides. Roller Guide RA Series.
8.
*** Rexroth
Bosch Group. STAR- Ball and Roller Rail Systems. RE 82 215/2002- 01.
9.
***Rexroth Bosch Group. Роликовые рельсовые направляющие. RRS 82 302/2005-05.
10.
***SBC.
Рельсовые направляющие качения SBC. Инструкция по монтажу и обслуживанию. /Сервотехника. www.servotechnica.ru
11.
***SCHNEEBERGER. Профильные линейные направляющие и встроенные
измерительные системы MONORAIL и AMS.
12.
***SKF. Profile rail guides LLT.
13.
***THK.
Преимущества технологии гибкого сепаратора Caged Ball™. Направляющая линейного перемещения LM Guide® повышенной жесткости с
применением технологии гибкого сепаратора Caged Ball™. Каталог № 234-5 RUS.
14.
***THK.
Linear Motion
Systems. General Catalogue.
VERTICAL MACHINING CENTERS- SINGLE SPINDLE STRUCTURES-
CLASSIFICATION ANALYSIS
Assoc. Prof. Dr.Eng. Plamen Ugrinov
Astract: An comparison research of up-to-date actual linear rail rolling guides, offered
by worldwide manufacturers as INA (Schaeffler Group), THK, Schneeberger, SBC, SKF, HIWIN, NB, NSK, Rexroth Bosch Group is made. Comparison
research is based on technical parameters as follow: load
rate, accuracy, rigidity, coefficient of friction, speeds, accelerations,
noise, term of working life.
Данни за автора:
Пламен Угринов Угринов, доцент д-р инж., катедра „Енергетика и машиностроене” при КЕЕ към ТУ-София, България, София, Студентски град, бл.16 (ниско тяло), тел. 0895-58-99-54, e-mail: ugrinov_mmcpu@yahoo.com,
web-site: www.ugrinov.com.