چگونه می‌توان سختی شفت خطی را بهبود بخشید: قطر، طول و تکیه‌گاه

اگر یک شفت خطی تحت بار بیش از حد خم شود، به سادگی انتخاب یک فولاد سخت تر یا افزودن یک پوشش سطحی معمولاً مشکل واقعی را حل نمی کند. برای یک محور خطی گرد، موثرترین راه برای بهبود سختی این استافزایش قطر شفت، کاهش دهانه بدون پشتیبانی، بهبود روش پشتیبانی و افزایش صلبیت ساختار دستگاه اطراف.

در اکثر کاربردهای بلبرینگ خطی، سختی خمشی بسیار مهمتر از استحکام کششی یا سختی سطح شفت است. این تمایز اهمیت دارد زیرا یک شفت می تواند سختی و مقاومت در برابر سایش عالی داشته باشد در حالی که اگر قطر آن خیلی کوچک باشد یا طول بدون تکیه گاه آن بیش از حد طولانی باشد، همچنان به شدت منحرف می شود.

 

چه چیزی سختی شفت خطی را تعیین می کند؟

برای یک محور گرد که به عنوان راهنما برای یاتاقان های خطی استفاده می شود، نگرانی اصلی معمولاً خم شدن تحت بار شعاعی است. یک رابطه مهندسی مفید، انحراف یک محور ساده با یک بار نقطه ای اعمال شده در نزدیکی مرکز است:

کجا:

• δ= انحراف شفت
• اف= بار اعمال شده
• L= دهانه شفت پشتیبانی نشده
• و= مدول الاستیک مواد شفت
• من= لحظه دوم سطح مقطع شفت
• د= قطر شفت

معادله دقیق انحراف با شرایط پشتیبانی و موقعیت بار تغییر می کند، اما این رابطه یک قانون طراحی مهم را ارائه می دهد:

این به این معنی است که قطر و طول بدون تکیه گاه معمولاً تأثیر بسیار بیشتری بر صلبیت شفت نسبت به تفاوت های کوچک بین گریدهای فولادی معمولی دارند.

 

1. قطر شفت خطی را افزایش دهید

افزایش قطر شفت معمولاً یکی از مؤثرترین راه‌ها برای بهبود سفتی شفت خطی بدون پشتیبانی است.

برای یک محور دایره ای جامد:

من ∝ d4

از آنجایی که قطر تا توان چهارم افزایش می یابد، افزایش نسبتاً کمی در قطر می تواند افزایش زیادی در سفتی خمشی ایجاد کند.

تغییر قطر	سفتی خمشی نسبی	تقریبا انحراف در بار و دهانه یکسان
16 میلی متر → 20 میلی متر	2.44×	41 درصد اصلی
20 میلی متر → 25 میلی متر	2.44×	41 درصد اصلی
25 میلی متر → 30 میلی متر	2.07×	48 درصد اصلی
20 میلی متر → 30 میلی متر	5.06×	20 درصد اصل

به عنوان مثال، تغییر از یک شفت 20 میلی متری به یک شفت 25 میلی متری از نظر بصری قطر را به میزان زیادی افزایش نمی دهد، اما سفتی خمشی نظری تقریباً 2.44 برابر افزایش می یابد که شرایط مواد، دهانه و پشتیبانی ثابت بماند.

با این حال، افزایش قطر به یک یاتاقان خطی همسان بزرگتر، تکیه گاه شفت بزرگتر و فضای نصب بیشتر نیاز دارد. بنابراین، بزرگترین قطر موجود به طور خودکار بهترین طراحی نیست.

 

2. دهانه شفت پشتیبانی نشده را کاهش دهید

طول شفت به همان اندازه مهم است. به طور خاص، مهندسان باید به این موضوع نگاه کنندفاصله پشتیبانی نشده بین پشتیبانی موثر، نه تنها کل طول شفت خریداری شده.

انحراف تقریباً با مکعب دهانه پشتیبانی نشده افزایش می یابد:

δ ∝ L³

اگر بازه موثر پشتیبانی نشده تا 20% کاهش یابد، انحراف نظری تقریباً می شود:

0.8³ = 0.512

به عبارت دیگر، انحراف تقریباً به نصف کاهش می یابد، با فرض اینکه بار، قطر، مواد و شرایط مرزی بدون تغییر باقی می مانند.

تغییر دهانه	انحراف نسبی	سفتی نسبی
600 میلی متر → 500 میلی متر	58%	1.73×
600 میلی متر → 480 میلی متر	51%	1.95×
600 میلی متر → 400 میلی متر	30%	3.38×

به همین دلیل است که یک شفت بلند بدون تکیه گاه می تواند انعطاف پذیر شود حتی زمانی که خود شفت از فولاد سخت شده با کیفیت بالا ساخته شده باشد.

 

3. از End Support به Continuous Support تغییر دهید

هنگامی که سفر مورد نیاز طولانی است، افزایش مکرر قطر شفت ممکن است دیگر کارآمدترین راه حل نباشد. سپس روش حمایت سازه ای باید مورد بازنگری قرار گیرد.

یک شفت گرد معمولی بدون تکیه گاه معمولاً در نزدیکی انتهای آن پشتیبانی می شود. بخش میانی باید در برابر خم شدن از طریق سفتی مقطع خود محور مقاومت کند.

الفشفت خطی پشتیبانی شدهمانند ساختار SBR یا TBR، در طول آن بر روی پایه پشتیبانی نصب می شود. پایه نگهدارنده تا حد زیادی شرایط خمش آزاد موثر شفت را کاهش می دهد و بنابراین برای بسیاری از کاربردهای طولانی مدت بسیار مناسب است.

ساختار	مشخصه اصلی	استفاده معمولی
محور گرد پشتیبانی نشده	ساختار ساده؛ شفت خود بار خمشی را بین تکیه گاه ها حمل می کند	سکته مغزی کوتاه و بارهای سبک تر
شفت پشتیبانی شده / SBR / TBR	پشتیبانی ارائه شده در طول شفت	سفر طولانی تر یا نیاز به سختی بالاتر
راهنمای خطی نمایه	ریل به طور مداوم بر روی یک پایه ماشین سفت و سخت نصب شده است	سختی بیشتر، بار لحظه ای و الزامات دقت

اگر انحراف شفت در حال حاضر عامل محدود کننده در طراحی باشد، تغییر ساختار تکیه گاه ممکن است بهبود بیشتری نسبت به انتخاب ساده قطر شفت بعدی ایجاد کند.

برای بحث دقیق تر در مورد انحراف مجاز و زمانی که یک محور بدون پشتیبانی باید پشتیبانی اضافی دریافت کند، به مقاله ما درانحراف شفت خطی و انتخاب پشتیبانی.

 

4. استحکام مواد را با سفتی خمشی اشتباه نگیرید

یک اشتباه رایج این است که فرض کنیم یک فولاد با مقاومت بالاتر یا سخت تر به طور خودکار شفت خطی بسیار سفت تری ایجاد می کند.

برای سختی خمشی، خاصیت ماده مهم این استمدول الاستیک Eاستحکام کششی یا سختی سطحی نیست.

فولادهای کربنی معمولی و فولادهای باربر دارای مقادیر مدول الاستیک نسبتاً مشابهی هستند. بنابراین، تغییر از یک گرید فولادی به گرید دیگر در حالی که دقیقاً همان قطر، طول و شرایط پشتیبانی را حفظ می‌کند، معمولاً تنها یک تغییر محدود در انحراف خمشی الاستیک ایجاد می‌کند.

به عنوان مثال، DLY معمولا شفت های خطی را با استفاده از آن تامین می کندفولاد بلبرینگ GCr15 و فولاد پر کربن C45. انتخاب ماده برای ویژگی‌هایی مانند سختی سطح، مقاومت در برابر سایش، عملکرد تماس یاتاقان، الزامات پردازش و هزینه مهم است، اما قطر شفت و دهانه پشتیبانی زمانی که مشکل اصلی سفتی خمشی است، متغیرهای غالب باقی می‌مانند.

5. صلبیت تکیه گاه شفت و قاب ماشین را بهبود بخشید

یک محاسبه شفت نظری فرض می‌کند که تکیه‌گاه‌ها همانطور که در نظر گرفته شده است رفتار می‌کنند. ماشین های واقعی پیچیده تر هستند.

انحراف اندازه گیری شده در کالسکه می تواند شامل تغییر شکل از چندین بخش از سیستم باشد:

• خود شفت خطی؛
• بلوک های پشتیبانی شفت؛
• صفحات نصب؛
• قاب ماشین؛
• فاصله یاتاقان خطی؛
• اتصالات بست؛
• تغییر شکل محفظه کالسکه یا بلبرینگ.

به همین دلیل، استفاده از یک شفت بزرگتر بر روی یک صفحه نصب انعطاف پذیر ممکن است بهبود بسیار کمتری نسبت به انتظار ایجاد کند.

تکیه گاه های شفت باید بر روی یک ساختار مرجع به اندازه کافی صلب و مسطح نصب شوند. پیچ های نصب باید به درستی سفت شوند و تکیه گاه ها نباید تحت بار شعاعی جابجا شوند.

 

6. تراز شفت را قبل از افزایش سفتی بررسی کنید

مقاومت بالا در لغزش همیشه به معنای انعطاف بیش از حد شفت نیست.

در یک سیستم دو شفت، موازی ضعیف می‌تواند یاتاقان‌های خطی را مجبور کند که در مقابل یکدیگر قرار بگیرند. پس از آن ممکن است ماشین احساس سفت یا ناپایداری کند، حتی زمانی که هر شفت دارای سفتی نظری کافی باشد.

قبل از افزایش قطر شفت، بررسی کنید:

• آیا دو شفت موازی هستند یا خیر.
• آیا ارتفاع تکیه گاه شفت سازگار است یا خیر.
• آیا سطوح نصب صاف هستند.
• آیا بلوک های بلبرینگ قبل از سفت شدن کامل مجموعه آزادانه حرکت می کنند یا خیر.
• این که آیا کالسکه به دلیل خطای مونتاژ، چرخش یا پیش بارگذاری را ایجاد می کند.

افزایش قطر شفت نمی تواند ناهماهنگی جدی نصب را جبران کند. در برخی موارد، شفت سفت‌تر ممکن است در واقع یک مجموعه بیش از حد محدود را نسبت به خطای تراز کمتر تحمل کند.

 

7. آیا افزودن بلبرینگ های خطی بیشتر باعث افزایش سفتی شفت می شود؟

نه لزوما.

این نکته دیگری است که اغلب اشتباه گرفته می شود.

افزودن یاتاقان خطی دوم یا افزایش فاصله بین بلوک های بلبرینگ می تواند بهبود یابدپایداری حمل و مقاومت بار لحظه ای. با این حال، اگر شفت گرد هنوز فقط در دو انتهای خود پشتیبانی شود، افزودن بلبرینگ های خطی متحرک بیشتر به طور خودکار سفتی خمشی خود شفت را افزایش نمی دهد.

بنابراین سیستم باید بین:

• سفتی خمش شفت- عمدتاً توسط قطر شفت، مدول مواد، دهانه و شرایط پشتیبانی کنترل می شود.
• سفتی کالسکه- متاثر از مقدار یاتاقان، فاصله یاتاقان، ترخیص و ساختار حمل.
• سختی سیستم ماشین- تحت تأثیر شفت، بلبرینگ، تکیه گاه، پایه، مفاصل و قاب با هم.

این تمایز هنگام تشخیص ارتعاش، خطای موقعیت یا حرکت خطی ناهموار یاتاقان مهم است.

 

8. آیا سخت شدن سطح یا آبکاری کروم سفتی شفت را بهبود می بخشد؟

در طراحی شفت خطی معمولی به طور قابل توجهی نیست.

سخت شدن سطح مهم است زیرا توپ های بلبرینگ خطی به طور مکرر با سطح شفت تماس می گیرند. سطح سخت و دقیق زمین به مقاومت در برابر سایش و حفظ تماس پایدار یاتاقان کمک می کند.

آبکاری کروم همچنین می تواند دوام سطح و مقاومت در برابر خوردگی را برای کاربردهای مناسب بهبود بخشد.

با این حال، این درمان ها نباید به عنوان روش های اولیه برای افزایش سفتی خمشی ساختاری شفت در نظر گرفته شوند. توابع اصلی آنها مربوط می شودعملکرد سطح به جای سفتی کلی خمشی EI شفت.

شفت‌های خطی DLY در گزینه‌هایی از جمله فولاد بلبرینگ GCr15، فولاد پرکربن C45، شفت‌های سخت شده، شفت‌های زمینی و صیقلی، شفت‌های روکش کروم و سازه‌های محور پشتیبانی شده در دسترس هستند. می توانید مشاهده کنیدمحدوده شفت خطی DLYهنگام مقایسه ساختارهای شفت و گزینه های مواد.

 

9. جامد در مقابل شفت توخالی: کدام یک سفت تر است؟

اگر یک شفت توپر و یک شفت توخالی دارایهمان قطر بیرونی، همان مواد و طول یکسان، شفت جامد دارای سفتی خمشی بالاتری است.

برای یک محور دایره ای توخالی:

I = π × (D4 - d_من4) / 64

که در آن D قطر بیرونی و d است_منقطر داخلی است.

برداشتن مواد از مرکز لحظه دوم منطقه را کاهش می دهد. با این حال، شفت‌های توخالی همچنان می‌توانند نسبت سختی به وزن مفیدی را زمانی که قطر بیرونی اجازه افزایش می‌یابد، ارائه دهند. بنابراین، مقایسه صحیح بستگی به این دارد که آیا طراحی توسط قطر بیرونی، وزن، فضای نصب یا اینرسی متحرک محدود شده است.

 

برای بهبود سختی شفت خطی از کدام روش باید استفاده کرد؟

مشکل	بهترین اکشن اول	چرا
شفت کوتاه تحت بار بیشتر خم می شود	قطر شفت را افزایش دهید	سفتی خمشی با d4 افزایش می یابد
محور طولانی بدون تکیه گاه در وسط خم می شود	فاصله را کاهش دهید یا پشتیبانی مداوم را اضافه کنید	انحراف با L³ به سرعت افزایش می یابد
سیستم سفر طولانی به ثبات بهتری نیاز دارد	SBR/TBR یا راهنمای پروفایل را ارزیابی کنید	تکیه گاه سازه ای مؤثرتر از تکیه بر قطر شفت است
سنگ های کالسکه را تحت بار لحظه ای حمل کنید	مقدار و فاصله بلبرینگ را بررسی کنید	مشکل ممکن است سختی کالسکه باشد تا سفتی شفت به تنهایی
حرکت پس از مونتاژ تنگ می شود	ابتدا تراز را بررسی کنید	ناهماهنگی می تواند مشکل سفتی را تقلید کند
سطح شفت به سرعت فرسوده می شود	مواد، سختی و عملیات سطح را بررسی کنید	این در درجه اول یک مشکل سایش است، نه یک مشکل خمشی-سفتی

 

 

قبل از انتخاب شفت سفت تر چه اطلاعاتی باید بررسی شود؟

قبل از اینکه به سادگی قطر شفت را افزایش دهید، شرایط کار کامل را تأیید کنید:

• قطر شفت؛
• طول کل شفت؛
• بازه موثر پشتیبانی نشده؛
• طول سفر؛
• بار متحرک؛
• جهت بار؛
• محل بار نسبت به یاتاقان ها؛
• تعداد و فاصله شفت های موازی؛
• روش پشتیبانی شفت؛
• مدل بلبرینگ خطی;
• ثبات موقعیت مورد نیاز؛
• فضای نصب موجود؛
• استحکام قاب دستگاه

با این پارامترها، تعیین اینکه آیا راه‌حل بهتر شفت بزرگ‌تر، دهانه پشتیبانی کوتاه‌تر، محور خطی پشتیبانی‌شده، آرایش یاتاقان‌های متفاوت یا راهنما خطی پروفیل است، بسیار آسان‌تر می‌شود.

 

نتیجه گیری

موثرترین راه برای بهبود سفتی شفت خطی، انتخاب یک ماده سخت تر نیست. برای یک محور گرد بدون پشتیبانی،قطر، دهانه بدون تکیه گاه و شرایط تکیه گاه بر عملکرد خمشی غالب هستند.

از آنجا که سفتی خمش شفت تقریباً با d4 تغییر می کند، افزایش قطر می تواند بهبود زیادی ایجاد کند. از آنجا که انحراف با L³ تغییر می کند، کاهش دهانه پشتیبانی نشده می تواند به همان اندازه موثر باشد. برای سیستم‌های سفر طولانی، تغییر از یک شفت با تکیه گاه انتهایی به یک ساختار با پشتیبانی مداوم ممکن است عملی‌تر از ادامه افزایش قطر شفت باشد.

مواد، سختی، سنگ زنی و عملیات سطح برای مقاومت در برابر سایش و عملکرد بلبرینگ خطی صاف مهم هستند، اما آنها مشکلات مهندسی مختلف را حل می کنند. یک طراحی قابل اعتماد باید شفت، یاتاقان ها، تکیه گاه ها، کالسکه و قاب ماشین را به عنوان یک سیستم حرکت خطی کامل ارزیابی کند.

← بازگشت به وبلاگ DLY