	Каталоги	Производители	Статьи	Контакты	О проекте

Направляющие качения

В предыдущем номере мы рассмотрели линейные подшипники, являющиеся простейшим вариантом направляющих качения. Сегодня предметом нашего рассмотрения станут накладные направляющие качения с кареткой.

На мой взгляд, направляющие качения ярко иллюстрируют тенденции современного машиностроения - развитие рынка комплектующих, производимых специализированными предприятиями. Рассмотрим, к примеру, эволюцию направляющих металлорежущих станков (рис. 1). Классические направляющие скольжения в форме, например, ласточкиного хвоста выполнялись заодно со станиной (рис. 1, а). В целях повышения долговечности направляющие стали выполняться накладными, в виде накладных планок или призм, которые прикрепляются на винтах к соответствующим поверхностям литых корпусных деталей. Следующим шагом стало создание направляющих качения (рис. 1, б), имеющих ряд преимуществ перед направляющими скольжения (см. предыдущий номер). Вначале были созданы направляющие качения с сепаратором, большим по длине, чем направляющая каретка. Затем для больших ходов или длинных кареток появились роликовые опоры - самостоятельные узлы с замкнутым движением тел качения (рис. 1, в). Дальнейшим развитием таких роликовых опор и стали рассматриваемые сегодня накладные направляющие качения с кареткой (рис. 1, г). Сегодня они используются в металло- и деревообрабатывающих станках, робототехнике, подъемно - транспортном оборудовании, измерительных машинах, медицинском оборудовании и т.д.

а) Направляющие скольжения

б) Направляющие качения

в) Роликовые опоры

г) Накладные направляющие качения

Рис. 1 Развитие конструкции направляющих

На нашем рынке присутствуют направляющие следующих производителей (перечислены в алфавитном порядке): BOSCH (Германия), HIWIN (Тайвань), THK (Япония), SKF (Швеция). Каталоги этих фирм использованы при написании настоящей статьи.

Применение направляющих качения у нас сдерживается их дороговизной. Попробуем взглянуть на проблему стоимости шире. На рисунке 2 представлены два шлифовальных станка приблизительно с одинаковыми характеристиками: один с направляющими скольжения, другой - с направляющими качения. Сравнительные технические характеристики станков приведены в таблице 1 (данные фирмы THK). Расход электроэнергии станка с направляющими качения меньше в 10,3 раза! Существенно ниже будет и стоимость гидропривода.

а) Шлифовальный станок с направляющими скольжения

б) Шлифовальный станок с направляющими качения

Рис. 2 Общий вид шлифовальных станков

Таблица 1 Сравнительные технические данные

Габариты станка, мм	13000 х 3200	12600 х 2600
Масса станка в целом, кг	17000	16000
Масса стола, кг	5000	5000
Размеры обрабатываемых деталей, мм	5000 х 700	5000 х 700
Тип направляющих	Направляющие скольжения треугольной (V-образной) формы	Направляющие качения
Потребление электроэнергии, кВт	38	3,7
Усилие сопротивления, Н	23600	2270
Гидропривод (диаметр штока, мм х давление, МПа)	160 х 1,2	65 х 0,7
Расход масла на гидропривод, л/год	400	250
Расход смазки, л/год	60 (масло)	3,6 (пластичная смазка)

Широкое распространение направляющие качения получили благодаря следующим преимуществам: низкий коэффициент трения (0,002 … 0,003); плавное перемещение при малых зазорах; точность перемещения и позиционирования; жесткость во всех направлениях действия нагрузки; повышенная нагрузочная способность; долговечность; высокая допускаемая скорость (до 3 м/с) и ускорение (до 250 м/с2), простая смазка.

Преимущества направляющих качения перед рассмотренными ранее линейными подшипниками наглядно демонстрирует рис. 3. На нем представлены в одинаковом масштабе линейный подшипник и направляющая качения с приблизительно равными номинальными динамическими грузоподъемностями. Результаты сравнения очевидны.

Рис. 3 Линейный подшипник и направляющая качения

Направляющая качения (рис. 4) состоит из направляющего рельса и каретки. На рельсе выполнены шлифованные установочные поверхности и закаленные дорожки качения. Каретка состоит из: корпуса; тел качения; обоймы, обеспечивающей оптимальную рециркуляцию тел качения; торцевых крышек с размещенными в них концевыми уплотнениями скребкового типа.

Рис. 4 Устройство направляющей

Расчет и выбор направляющих качения основан на понятиях номинальной долговечности, номинальной динамической грузоподъемности, статической грузоподъемности, допустимого статического момента и эквивалентной нагрузки.
Номинальная долговечность - такое число часов работы, которое выдерживают 90% или более систем линейного перемещения одной группы, выполненных из одинаковых материалов и заданным качеством, и работающих в идентичных условиях.
Динамическая грузоподъемность C, Н - нагрузка, постоянная по величине и направлению, которую может выдержать система линейного перемещения в течение 100000 метров при вероятности безотказной работы 90%. Некоторые фирмы принимают за базовый пробег 50 км для линейных систем, использующих шарики и 100 км для систем, использующих ролики. В дальнейшем мы будем говорить в основном о шариковых системах, соответственно, примем пробег в 50 км.

Статической грузоподъемность называют нагрузку C0, Н, которая вызывает общую остаточную деформацию наиболее нагруженного тела качения с дорожкой качения, равную 10-4 Dw (Dw - диаметр тела качения).

Допустимым статическим моментом называют момент M0, Нм, который вызывает общую остаточную деформацию наиболее нагруженного тела качения с дорожкой качения, равную 10-4 Dw.

Эквивалентная нагрузка определяется исходя из схемы нагружения всего механизма. Она может быть постоянной, переменной или сопровождаться ударами. Если на каретку направляющей действуют переменные по величине и времени действия, но постоянные по направлению нагрузки (рис. 5, а), то средняя динамическая нагрузка Fср может быть вычислена по формуле

где
Fср, Н - средняя динамическая нагрузка;
F1, F2, …, Fn, Н - ступенчатые дискретные динамические нагрузки;
L1, L2, …, Ln, мм - длины участков, на которых действуют дискретные нагрузки F1, F2, …, Fn;
L, мм - длина направляющей.
При линейном изменении нагрузки (рис. 5, б) от Fmin до Fmax средняя нагрузка

.
При синусоидальном нагружении (рис. 5, в)

а) дискретная нагрузка

б) линейная нагрузка

в) синусоидальная нагрузка

Рис. 5 Виды нагрузок, действующих на направляющую

Каретка направляющей может воспринимать силы и моменты, действующие в различных направлениях: вертикальную силу FV, Н; горизонтальную FH, Н; момент М, Нм. При действии на нее более одной силы, расчеты необходимо производить по эквивалентной нагрузке F, Н. Формулы для различных случаев нагружения приведены в таблице 2.

Значения динамической грузоподъемности C, статической грузоподъемности C0 и допустимого динамического Mt и статического Mt0 моментов приводятся в каталогах направляющих качения. Изготовители производят различные типоразмеры направляющих: стандартные, укороченные, самоустанавливающиеся, для повышенных нагрузок, компактные и т.д. Сводные данные от различных фирм для наиболее часто применяемых типов направляющих приведены в таблице 3.

Таблица 3 Размеры и характеристики направляющих

Размер	15	20	25	30	35	45	55	65
Bosch Тип 1651
A₂, мм	15	20	23	28	34	45	53	63
A, мм	47	63	70	90	100	120	140	170
H, мм	24	30	36	42	48	60	70	90
B, мм	54	70	81	94	105	133	159	188
L_min L_max, мм	116 2996	116 3956	116 3956	156 3996	156 3996	38 3986	38 3986	38 3986
C, кН	7 800	18 800	22 800	31 700	41 900	68 100	98 200	160 000
C₀, кН	13 500	24 400	30 400	41 300	54 000	85 700	121 400	192 700
M_t, Нм	74	240	320	540	890	1 830	3 100	6 300
HIWIN Тип LGH-CA
A₂, мм	15	20	23	28	34	45	53	63
A, мм	34	44	60	70	70	86	100	126
H, мм	28	30	40	45	55	70	80	90
B, мм	60,6	77,3	85,6	104,4	118,4	139,2	164,8	197,6
L_min L_max, мм	160 1960	220 2980	220 4000	280 3960	280 3960	570 3930	780 3900	1270 3970
C, кН	10 400	16 500	24 100	33 800	41 800	60 200	97 400	149 400
C₀, кН	16 800	26 700	38 800	54 600	67 400	97 100	132 200	209 900
M_t0, Нм	135	281	466	793	1181	2235	3849	7388
THK Тип SSR
A₂, мм	15	20	23	28	34	Имеются размеры другого типа направляющей
A, мм	34	42	48	60	70
H, мм	24	28	33	42	48
B, мм	57	66,5	83	97	111
L_min L_max, мм	160 1540	220 2140	220 2440	280 2920	280 2920
C, кН	14 700	19 600	31 500	46 500	64 600
C₀, кН	16 500	23 400	36 400	52 700	71 600
M_t, Нм	40	70	120	360	600
SKF Тип LLBHS TA
A₂, мм	15	20	23	28	34	45	53	63
A, мм	47	63	70	90	100	120	140	170
H, мм	24	30	36	42	48	60	70	85
B, мм	71	91	97	111	128	158	189	225
L_max, мм	1500	3000	3000	3000	3000	3000	3000	3000
C, кН	7 350	12 900	17 000	23 600	31 500	48 000	75 000	114 000
C₀, кН	11 600	20 800	26 000	35 500	46 500	72 000	112 200	162 800
M_t, Нм	110	260	380	610	960	1960	3570	6290

При выборе направляющей качения необходимо иметь приведенные ниже исходные данные.

1. Область применения направляющей. В каталогах часто приводятся рекомендуемые данной фирмой типы направляющих для конкретной сферы работы.

2. Конструктивные требования к направляющей. К ним относятся: максимально допустимые размеры; число кареток; число рельсов; направление установки (горизонтальное, вертикальное, наклонное) и т.д.

3. Класс точности изготовления направляющей. В зависимости от точности изготовления различают 5 классов точности: нормальный (N или P001), высокий (H или P01), точный (P или P1), сверхточный (SP или P3), ультра точный (UP или P5). При этом регламентируются отклонения размеров и поверхностей, приведенных на рисунке 6. Ориентировочные классы точности в зависимости от сферы применения направляющих приведены в таблице 4.

Рис. 6 Отклонения размеров направляющей

Таблица 4 Ориентировочные классы точности

Класс точности	Станкостроение	Промышленные роботы	Производство электроники	Общее машиностроение
UP	+
SP	+		+
P	+		+
H	+	+	+	+
N		+		+

4. Допустимая величина радиального зазора и требуемая жесткость. Радиальный зазор в направляющей и ее жесткость регулируются путем создания предварительного натяга. Различные производители предлагают направляющие с различным предварительным натягом. Фирма BOCSH - 4 класса: с зазором; натяг 0,02С; натяг 0,08С; натяг 0,13С. Фирма HIWIN - 6 классов: с зазором ZF; очень легкий натяг Z0; легкий натяг Z1; средний натяг Z2; тяжелый натяг Z3; сверхтяжелый натяг Z4. Фирма SKF - 5 классов: без натяга T (зазор 0,02 мм); легкий натяг T0 (зазор 0 мм); средний натяг T1 (0,04С); тяжелый натяг T2 (0,08С) и T3 (0,12С). Фирма THK - 3 класса: без натяга; легкий натяг C1; средний натяг C0. В таблице 5 приведены рекомендации фирмы SKF по назначению натяга. Ориентируясь на эти условия можно выбрать класс натяга и для продукции других фирм.

Таблица 5 Рекомендации по назначению предварительного натяга

Класс предварительного натяга	Условия применения	Область применения
Тяжелый натяг T2, T3	Тяжело нагруженная резка или формовочные операции с сильными толчками и вибрацией. Переменная нагрузка.	Обрабатывающие центры. Фрезерные станки. Вертикальные оси машин.
Средний натяг T1	Резка или формовочные операции со средними толчками и вибрацией. Небольшая пиковая или переменная нагрузка.	Шлифовальные станки. Роботы. Лазерные машины. Легко нагруженные сверлильные станки. Высокоскоростные прессы
Легкий натяг T0	Точные перемещения с небольшой вибрацией или без переменной нагрузки	Точно позиционируемые столы. Столы для оптического измерительного оборудования. Магазины инструментов обрабатывающих центров. Сварочные машины. Манипуляторы.
Без натяга T	Широкий температурный диапазон. Не требуется высокая точность.	Питающие устройства. Оборудование плазменной резки.

5. Эквивалентная нагрузка, действующая на направляющую F, Н; ход механизма, который установлен на направляющую s, м; частота повторения полного хода n, мин-1; минимальный долговечность Lh, ч (таблица 6); рабочая температура t, С.

Таблица 6 Рекомендуемая договечность

Машины и оборудование	Lh, ч
Механизмы эпизодического действия	свыше 500
Неответственные механизмы, используемые в течение коротких периодов времени	свыше 4000
Ответственные механизмы, работающие с перерывами	свыше 8000
Машины для односменной работы с неполной нагрузкой	свыше 12000
Машины, работающие с полной нагрузкой в одну смену односменной работы с неполной нагрузкой	свыше 20000
Машины для круглосуточного использования	свыше 40000
Непрерывно работающие машины с высокой нагрузкой	свыше100000

Имея данные п. 1 - 4 предварительно выбирается типоразмер направляющей качения. Следующим этапом является проверка направляющей на работу с заданной долговечностью. Долговечность L в метрах при рабочей температуре до 100 С определяется уравнением

, где C, Н - номинальная динамическая грузоподъемность выбранной направляющей; fH - коэффициент твердости направляющей; ft - температурный коэффициент; fс - коэффициент контакта; fw - коэффициент нагрузки. Долговечность линейного подшипника Lh в часах определяется формулой

Коэффициент твердости направляющей fH определяется по рисунку 7. При этом следует иметь ввиду, что обычно твердость рельса направляющей находится в пределах 58…64 HRCэ.

Рис. 7 Коэффициент твердости направляющей fH

Температурный коэффициент ft определяется рис. 8. Коэффициент контакта fс, зависящий от числа используемых кареток, определяется по таблице 4. Коэффициент нагрузки fw, учитывающий наличие вибрации и толчков при работе, определяется по таблице 5.

Рис. 8 Температурный коэффициент ft

Таблица 4 Коэффициент контакта fc

Число используемых кареток	Коэффициент контакта fc
1	1,0
2	0,81
3	0,72
4	0,66
5	0,61
6 и более	0,6

Таблица 5 Коэффициент нагрузки fw

Вибрация и толчки	Скорость V, м/с	Коэффициент нагрузки fw
Пренебрежительно малые	менее 0,25	1,0 - 1,2
Слабые	от 0,25 до 1,0	1,2 - 1,5
Средние	от 1,0 до 2,0	1,5 - 2,0
Сильные	свыше 2,0	2,0 - 3,5

При невыполнении условия заданной долговечности расчет повторяется для следующего большего типоразмера направляющей.

Направляющие линейного перемещения могут быть установлены на плоской поверхности, на вертикальной плоскости, в перевернутом положении, на наклонной плоскости, на стене. В таблице 6 приведены примеры установки направляющих.

Таблица 6 Примеры установки направляющих


Необходима высокая жесткость во всех направлениях	Высокая жесткость необходима в вертикальном направлении

Необходима высокая жесткость во всех направлениях при ограниченном пространстве	Конструкция с одной осью

Применение направляющих качения сегодня становится требованием времени. И прежде всего это касается станкостроения. Снижение потребной мощности станка в 10 раз - не просто весомый аргумент в пользу применения описанной высокотехнологичной продукции, а настоятельная необходимость. Да и другие отрасли промышленности не проиграют. Представительства BOSCH, HIWIN, THK, SKF найти не сложно. Очень надеюсь, что предварительно подобрать необходимые направляющие поможет настоящая статья. Которую хотелось бы закончить словами Гейделя, сказанными им еще в начале ХХ столетия - Не изобретайте, конструируйте!

Михаил Гранкин, инженер - конструктор
grankin@mail.ru

Все объекты авторского права являются собственностью их владельцев. При подготовке сайта использованы материалы, находящиеся в свободном доступе. Названия фирм-производителей расположены в алфавитном порядке.

Размещение материалов и рекламы на сайте

Не работает ссылка