Что вам никто не расскажет о грузоподъемности SFU1605

Каталожный номер не является ограничением полезной нагрузки.

Как правило, динамическая грузоподъемность гайки SFU1605 составляет от 7 до 8 кН, в зависимости от конфигурации гайки и производителя. Это примерно 700–800 кг силы.

Раз в несколько недель кто-нибудь, прочитав эту цифру, спрашивает меня, смогут ли они поднять 500 кг на SFU1605.

Нет. Это число не является показателем грузоподъемности. Это параметр усталостной долговечности. Он показывает, как винт будет вести себя при многократной нагрузке в течение миллионов оборотов. Предполагается идеальная смазка, идеальное выравнивание, чисто осевая нагрузка и отсутствие деформации или вибрации. В реальной машине таких условий не существует.

Динамический ресурс — это лишь один из параметров, учитываемых при расчете срока службы. Он не является ответом на вопрос «какую нагрузку можно нагрузить этим винтом».

Если вы ничего больше не запомните из этой статьи, запомните это.

Что на самом деле ограничивает возможности SFU1605?

На практике четыре фактора ограничивают возможности SFU1605 задолго до того, как это сделает каталожный рейтинг.

Прогиб. Когда винт давит на стол, он находится в сжатом состоянии. Длинный винт под сжатием ведет себя как колонна и может прогнуться вбок. Чем больше длина незакрепленной части, тем ниже нагрузка, вызывающая прогиб. Винт SFU1605 длиной 300 мм может выдержать большой сжатый вес. Винт SFU1605 длиной 1200 мм — нет.

Критическая скорость. При вращении винта он совершает резкие колебания при определенной частоте вращения. Более длинные винты совершают такие колебания на более низких скоростях. На длинной оси SFU1605 это обычно является ограничивающим фактором, а не нагрузка.

Крутящий момент двигателя. 5-миллиметровый вывод обеспечивает хорошее механическое преимущество, но двигатель все равно должен развивать достаточный крутящий момент. Шаговые двигатели теряют крутящий момент на высоких скоростях. Если вам нужно работать на 2000 об/мин, чтобы достичь высокой скорости, двигатель может не обеспечить тот крутящий момент, который вы предполагали, исходя из технических характеристик.

Жесткость гайки и опоры. Стандартная гайка SFU1605 с небольшим предварительным натяжением подходит для общего позиционирования. Для оси обработки с изменяющимися силами резания может потребоваться большее предварительное натяжение и более жесткая опора на конце. Это изменяет трение и требования к двигателю.

Какой бы из этих четырех показателей ни достигался первым, он становится реальным пределом. Это почти никогда не бывает показатель динамической нагрузки.

Горизонтальная ось: то, что фактически видит винт.

Рассмотрим типичный случай. Портал массой 40 кг расположен на горизонтальной оси X. Линейные направляющие поддерживают этот вес. Винт обеспечивает усилие для перемещения и ускорения массы, а также дополнительную силу резания, возникающую в процессе работы.

Для ускорения действует следующее основное соотношение:

F = ma

При скорости 1 м/с² это 40 Н. При 5 м/с² — 200 Н. Добавьте трение, силу резания и некоторый запас, и вы получите осевую силу, действующую на винт, в диапазоне от 400 до 600 Н.

Это далеко не соответствует динамическому пределу в 7 кН. С точки зрения чистой нагрузки винт работает нормально.

Проблема обычно кроется в чем-то другом. В том, может ли двигатель создавать достаточный крутящий момент при требуемой скорости. Или в том, достаточно ли длинный винт, чтобы ограничением стало вибрирование. Или в том, может ли ось разгоняться достаточно быстро, чтобы время цикла было приемлемым.

Я видел, как 40-килограммовые портальные краны годами работали на SFU1605. Я также видел, как гораздо более легкие машины испытывали трудности, потому что винт был слишком длинным, и двигатель не мог вращать его достаточно быстро.

Проблема редко заключается в нагрузке. Обычно проблема в остальной части системы.

Вертикальная ось: одинаковая масса, разные расчеты.

Если поместить те же 40 кг на вертикальную ось Z, все изменится.

Теперь сила тяжести постоянно действует вдоль оси винта. Статическая нагрузка составляет:

40 × 9,81 = 392 Н

Если вы также ускоряетесь вверх со скоростью 1 м/с²:

40 × (9,81 + 1) = 432 Н

И это еще до учета трения, силы резания или каких-либо запасов прочности.

Постоянная нагрузка в 400 Н на ось SFU1605 по-прежнему находится в пределах возможностей винта. Но теперь двигатель должен удерживать эту нагрузку, когда ось остановлена, и поднимать её против силы тяжести во время движения вверх. Если двигатель недостаточно мощный, ось будет смещаться, терять шаги или выходить из строя.

Есть ещё и вопрос безопасности. Вертикальная ось должна быть оборудована тормозом или противовесом, а не полагаться только на шариковый винт для удержания нагрузки. Шариковый винт не является предохранительным устройством. Я видел, как шпиндель падал, потому что кто-то предположил, что его удержит винт. Он действительно удержал его — до тех пор, пока не соскользнула муфта.

Поэтому, когда меня спрашивают, может ли SFU1605 выдержать вертикальную нагрузку, мой первый вопрос касается не самого винта. Он касается двигателя, тормоза и противовеса.

Длина кабеля 5 мм — это компромисс, а не преимущество.

Провод диаметром 5 мм обеспечивает двигателю значительное механическое преимущество. Именно поэтому SFU1605 хорошо работает на небольших машинах со скромными двигателями. Тяга на единицу крутящего момента высока:

F ≈ 2πTη / L

При длине провода 5 мм и приемлемой эффективности вы получаете примерно 1130 Н тяги на каждый 1 Н·м крутящего момента двигателя. Это отличный результат для небольшого винта.

Но компромисс заключается в скорости. Для перемещения со скоростью 10 м/мин винт должен вращаться со скоростью 2000 об/мин. Для перемещения со скоростью 15 м/мин ему требуется 3000 об/мин. На шаговом двигателе крутящий момент при 2000 об/мин часто составляет половину или меньше удерживающего момента. На более длинном винте критическая скорость может быть и так ниже 3000 об/мин.

Таким образом, зазор в 5 мм отлично подходит для создания тяги, но плохо для скорости. Насколько это оптимальный компромисс, зависит от станка. Небольшой фрезерный станок, обрабатывающий древесину со скоростью 5 м/мин и умеренным ускорением, будет чувствовать себя прекрасно. А вот станок, которому требуется высокая скорость 20 м/мин на оси 1200 мм, — нет.

Поэтому я не рекомендую использовать этот провод, пока не узнаю требуемую скорость вращения и длину винта.

Длина винта — это тот момент, когда конструкция обычно дает сбой.

Не могу не подчеркнуть это. Короткий SFU1605 и длинный SFU1605 — это практически разные продукты.

На 400-миллиметровой оси с неподвижными плавающими опорами винт SFU1605 демонстрирует очень хорошие характеристики. Он без нареканий работает со скоростью от 2000 до 3000 об/мин, без проблем выдерживает несколько сотен ньютонов и служит долго.

На оси длиной 1200 мм критическая скорость вращения винта составляет примерно от 2000 до 2500 об/мин. Это может быть достаточно, если вам нужно всего 8-10 м/мин. Если же вам требуется 15 м/мин, то для этого потребуется 3000 об/мин, и винт начнет сильно вращаться.

Она также сильнее провисает. Она сильнее деформируется под нагрузкой. Она более чувствительна к соосности. Критическая нагрузка снижается. Вся механическая картина меняется.

Итак, прежде чем ответить на вопрос "сможет ли SFU1605 выдержать эту нагрузку", я хочу знать длину без опор между опорами. Не общую длину. Именно длина без опор определяет критическую скорость и устойчивость к изгибу.

Многие клиенты присылают мне общую длину, потому что именно она указана в каталоге. На самом деле важна длина без опоры.

Предварительная нагрузка может уменьшить запас прочности двигателя.

Стандартная гайка SFU1605 поставляется с небольшим предварительным натяжением или без него. Если вам нужна большая жесткость, вы можете заказать гайку с предварительным натяжением.

Однако предварительное натяжение увеличивает трение. Это означает, что от двигателя требуется больший крутящий момент, в гайке выделяется больше тепла, и потенциально сокращаются интервалы смазки.

На небольшом винте со скромным двигателем добавление предварительной нагрузки может привести к превышению предельных возможностей двигателя. Я видел, как производители добавляли предварительную нагрузку, чтобы устранить проблему с жесткостью, и в итоге получали ось, которая перегревалась и теряла положение после часа работы. Предварительная нагрузка решила одну проблему и создала две другие.

Предварительное натяжение следует выбирать исходя из реальных потребностей оси. Если это фрезерный станок, обрабатывающий древесину, обычно достаточно стандартного предварительного натяжения. Если это обрабатывающая ось с изменяющимися силами резания, может быть оправдано более высокое предварительное натяжение, но двигатель и система терморегулирования должны быть рассчитаны соответствующим образом.

Не стоит добавлять предварительную загрузку только потому, что возникает люфт. Люфт может иметь несколько причин, и предварительная загрузка — лишь одно из решений.

Нагрузку несут линейные направляющие, а не винт.

Это одно из самых распространённых заблуждений, с которыми я сталкиваюсь.

Шариковый винт — это приводной элемент. Он толкает и тянет стол. Он не несет вес стола. Это делают линейные направляющие.

Если в станке имеется значительная консольная нагрузка, то направляющие и монтажная пластина принимают на себя основную нагрузку. Шариковый винт испытывает только осевую силу. Если направляющие имеют недостаточный размер или смещены, винт это почувствует — в виде боковой нагрузки, повышенного трения и вибрации, — но решение не в увеличении размера винта. Необходимо улучшить направляющие или обеспечить более точное выравнивание.

У меня были клиенты, которые спрашивали, стоит ли им перейти с модели SFU1605 на SFU2005, потому что стол "кажется тяжелым". На самом деле проблема заключалась в том, что направляющие блоки были слишком маленькими, и монтажная пластина прогибалась. Более крупный винт не решил бы проблему.

Поэтому при подборе размера SFU1605 одновременно проверьте и направляющую систему. Винт — это лишь одна часть оси.

Что бы я проверил на самом деле, прежде чем сказать «да»?

Если вы отправите мне запрос по коду SFU1605, вот что я хочу узнать, прежде чем сказать, что это сработает:

• Длина винта и длина без опоры

• Горизонтальный или вертикальный

• Движущаяся масса

• Максимальная скорость

• Требуемое ускорение

• Сила резания или внешняя нагрузка

• Тип двигателя и кривая крутящего момента

• Требования к предварительной затяжке гайки

• Соглашение о поддержке

• Рабочий цикл

• Требуемый срок службы

Имея эту информацию, я могу проверить осевую силу, нагрузку, вызывающую потерю устойчивости, критическую скорость и крутящий момент двигателя. Затем я смогу сказать вам, подходит ли вам SFU1605 или вам нужно перейти на SFU2005 или использовать провод большей длины.

Без этого я просто указываю номер детали.

Когда SFU2005 начинает обретать смысл

Если SFU1605 близок к пределу своих возможностей, то следующим естественным шагом станет SFU2005. Это тот же 5-миллиметровый вывод, но диаметром 20 мм. Это даст вам:

• Повышенная устойчивость к изгибу

• Более высокая критическая скорость

• Более высокая жесткость

• Увеличенная грузоподъемность

Но это также влечет за собой компромиссы. Более крупная гайка, более крупные опорные блоки, больше места для установки, большая инерция вращения и более высокая стоимость. Возможно, потребуется изменить размеры двигателя, поскольку изменяется отраженная инерция.

Поэтому я не рекомендую SFU2005 только потому, что нагрузка "немного велика". Я рекомендую его, когда фактически превышается один из пределов SFU1605 — обычно это критическая скорость на длинной оси, или изгиб на оси, нагруженной сжатием, или жесткость на оси обработки со значительными силами резания.

Для короткой горизонтальной оси, предназначенной для легких нагрузок, обычно правильным выбором является SFU1605, а SFU2005 – излишний вариант.

Краткий ответ

Такого нет.

SFU1605 способен выдерживать горизонтальный портал весом 40 кг при наличии соответствующих направляющих и хорошо подобранного двигателя. Он может справиться со столом весом 100 кг, если направляющие выдерживают вес, а ускорение умеренное. Однако он может выйти из строя на более лёгком станке, если винт слишком длинный, двигатель недостаточно мощный или нарушена центровка.

Вам нужна не полезная нагрузка. Это осевая сила, которую винт фактически испытывает в самый неблагоприятный момент цикла. Рассчитайте её. Сравните с деформацией, критической скоростью, крутящим моментом двигателя и сроком службы гайки. Затем примите решение.

В этом и разница между выбором винта и проектированием оси.

Если вы хотите получить точный ответ для вашей машины, отправьте подробности приложения. Несколько минут вычислений обойдутся гораздо дешевле, чем выяснение ответа после сборки машины.