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温度如何影响滚珠丝杠组件?

经过丹尼尔•柯林斯|2015年12月11日

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作为工业机械和工艺的一个组成部分,滚珠丝杠组件经常在高温环境下工作。热可以由机器中的其他机械和电子部件产生,在某些情况下,是这个过程本身的副产品。而且,和其他具有滑动或滚动摩擦的运动产品一样,滚珠丝杠在运行时也会产生热量。这种热量,特别是随着时间的推移而发生的温度变化,会对螺丝的功能产生有害的影响。但是,有一些方法可以减轻热量,降低其对寿命和准确性的影响。

用于滚珠丝杠组件的操作温度建议在制造商之间变化,但最常见的滚珠丝杠的典型上限为80°C,用于短,瞬时暴露和50°C,连续占空比。对于标准退火螺钉,100℃的温度可导致拉伸强度降低,并应与制造商讨论。

除了滚珠丝杠接触的环境温度外,丝杠本身也会产生热量,主要是由于摩擦扭矩和转速。外部温度和内部产生的热量这两个因素都能引起螺杆轴的热膨胀,足以影响其精度和性能。温度每升高一度,滚珠丝杠轴每米长度膨胀12微米,由热膨胀方程表示:

ΔL=ρ*ΔT* l

在哪里:

ΔL=螺杆轴的轴向膨胀(收缩)(mm)

ρ=热膨胀系数(12 x 10-6/°C)

Δt =螺杆轴温度变化(℃)

l =有效螺纹长度(mm)

热量的影响

热膨胀最重要的结果可能是它对滚珠丝杠引线的影响。作为螺杆伸长,引线变化或扩展,导致精度损失。为了补偿这一点,铅通常在制造过程中朝向其负方面设定,并且施加旅行补偿因子(实验和基于施用类型确定)。螺杆轴膨胀也会增加滚珠丝杠支撑轴承上的负荷,因此必须在施加和设计组件时考虑这一点。

密封件和其他塑料材料,如拾取手指和再循环片,也会受到热量的影响。在高温应用中,最好的选择是从组装件上尽可能多地拆卸非金属部件。但这几乎是不可能的,因为再循环机制是操作所必需的,密封和雨刷保护球螺母免受污染,并保持球螺母内部的润滑。为了使滚珠丝杠在高温应用中使用,大多数制造商提供特殊的塑料材料,如Viton,可以承受100°C以上的温度。

预防和缓解

有几个措施来防止或补偿高温环境和螺杆轴的热膨胀。最直接的预防措施是选择尽可能多的铅。引线越大,每转一圈就走得越远,所以螺旋在给定时间内走给定距离的速度就越慢。转速越慢,产生的热量越低。

另一种预防措施包括为应用选择适当的预载。预载通常与刚性相关,但其对刚性的影响远不如对热发电的影响。为了帮助避免过度发热,设计人员应该选择适用于应用的最低预加载,并依赖于此端轴承配置提供必要的刚性。

滚珠螺杆

滚珠螺杆

与5%和10%的预紧力相比,较高的预紧力使温升增加了一倍以上,但对刚度的影响很小。
图片信用:NSK Ltd.

温升与润滑也有一定的关系。随着时间的推移,润滑会产生热量,当润滑剂具有较高的基础油粘度时,这种影响更加明显。因此,当应用涉及高温时,最好选择粘度较低的润滑剂。另一个重要的因素是应用适当的润滑量,因为这将有助于避免由于滚动或滑动摩擦产生热量。

从滚珠丝杠总成设计的角度来看,有几个选项可以减轻热的影响。首先,螺丝可以安装在张力,以帮助抵消任何膨胀由于温度上升的螺丝。此外,空心螺杆可以与内部冷却机制一起使用,以降低螺杆的温度。外部强制空气冷却也可以有效地降低热量,而且通常比内部冷却更容易实现。

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丹尼尔•柯林斯

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