Powszechne problemy z śrubami kulkowymi: analiza przyczyn i rozwiązania

I. Nadmierna reakcja

1Niewystarczająca preloada

• Przyczyna: Brak lub niewystarczające przedładowanie powoduje poślizg matiek z powodu samopoważnienia w instalacjach pionowych, co powoduje znaczące reakcje przeciwne w warunkach braku obciążenia.
• Analiza: Niezaładowane śruby kulkowe mogą wykazywać reakcje przeciwne przekraczające 0,05 mm, co wpływa na dokładność pozycjonowania i ogranicza stosowanie do zastosowań o niskim obciążeniu i niskiej precyzji.
• Rozwiązania:
  ▶ Wykorzystanie przenoszenia równoważnego 1 ‰ 3% znamionowego obciążenia dynamicznego przy użyciu podwójnej muszki lub wiosny;
  ▶ W celu dokładności wybierz konstrukcje z pojedynczym węzłem z wbudowanym przedładowaniem (klasa precyzji C5 lub wyższa).

2. Nadmierne odchylenie skrętowe

• Przyczyna: Niewłaściwe obróbki cieplne (niewystarczająca twardość, nierównomierne rozkład twardości lub materiał miękki) lub zbyt wysoki stosunek długości do średnicy (L/D > 70) zmniejszający sztywność.
• Analiza: stosunek L/D przekraczający 70 może powodować opuchnięcie śruby ze względu na wagę własną, co prowadzi do niewłaściwego ustawienia matiek i zwiększonego reakcji przeciwnej; niestandardowa twardość materiału przyspiesza zużycie.
• Rozwiązania:
  ▶ Utrzymuj L/D ≤ 60 i używaj podtrzymań stałych z dwoma końcami (zamiast podtrzymań z jednej strony) do ciężkich obciążeń;
  ▶ Wybierz stali stopowej o wysokiej wytrzymałości (np. SUJ2) i upewnij się, że obróbka cieplna spełnia standardy twardości w przemyśle (kulek: HRC 62?? 66, matica: HRC 58?? 62, śrubka: HRC 56?? 62).

3Niewłaściwy wybór i montaż łożyska

• Przyczyna: użycie łożysk kulkowych głębokiego rowu zamiast łożysk kątowych lub niewłaściwe ustawienie podczas montażu łożyska (błąd prostopadłości > 0,02 mm/m).
• Analiza: łożyska kulkowe z głębokim rowu nie wytrzymują obciążeń osiowych, powodując rozgrywki osiowe; nachylenie łożyska prowadzi do okresowych zmian reakcji przeciwnej.
• Rozwiązania:
  ▶ Należy przyznać pierwszeństwo łożyskom kątowym o kącie kontaktu 60° (np. serii 7000), zainstalowanym z tyłu na tył;
  ▶ W trakcie obróbki należy zapewnić prostopadłość siedzenia łożyska do ramienia śruby w zakresie tolerancji 0,01 mm, przy użyciu podwójnych zacisków zapobiegających rozluźnianiu.

4Nieodpowiednia sztywność wsparcia

• Przyczyna: Materiały o cienkiej ścianie lub niskiej wytrzymałości (np. żelazo odlewane zamiast stali) do siedzeń orzechowych lub łożysk.
• Analiza: Deformacja elastyczna pod obciążeniem przesunięcia osi śruby, skutecznie zwiększając reakcję przeciwnej.
• Rozwiązania:
  ▶ Zwiększyć grubość ścian podtrzymujących (zalecane ≥ 15 mm) lub wzmocnić strukturami z żebrami;
  ▶ W przypadku składników krytycznych należy stosować stal 45# z tłumieniem i hartowaniem (twardość HB220-250).

II. Problemy z nieregularnym ruchem

1Wady precyzji obróbki

• (1) Nadmierne szorstkość powierzchni
  • Przyczyna: Niewystarczająca precyzja szlifowania dla sznurków/ołówek (Ra > 0,4 μm) lub błąd okrągłości kuli > 0,001 mm.
  • Rozwiązania: Wprowadzenie procesów superwykończenia w celu kontroli szorstkości szlaku przy Ra ≤ 0,2 μm; kulki ekranowe dla błędu okrągłości ≤ 0,0005 mm.
• (2) Odchylenie ołowiu/pichsu
  • Przyczyna: Nieodpowiednia precyzja narzędzi obróbki nici (np. kumulacyjny błąd pasma > ± 0,015 mm/300 mm).
  • Rozwiązania: użyć wysokoprecyzyjnych szlifierów (dokładność pozycjonowania ± 0,005 mm) i w pełni sprawdzić gotowe śruby za pomocą instrumentów pomiarowych laserowych.
• (3) Nieprawidłowość systemu recyrkulacji
  • Przyczyna: niewłaściwe ustawienie rur recyrkulacyjnych (> 0,5 mm przesunięcia) lub wgniecenia wewnątrz rur powodujące zablokowanie kul.
  • Rozwiązania: użyć urządzeń ustawiania pozycji do wyrównania rur rekirkulacyjnych z szlakami; przeprowadzić badania bezobciążenia przy prędkościach ≥ 500 mm/s po montażu.

2Wniknięcie materiału obcego i awaria smaru

• (1) Zanieczyszczenie torów wyścigowych
  • Przyczyna: brak zabezpieczenia przed pyłem (np. odkurzacze), co pozwala na wprowadzanie szczypów obróbkowych (> 50 μm) lub pyłu do przewodów.
  • Rozwiązania: zainstalowanie uszczelnień podwójnych (ochrona IP54); oczyszczanie koryt petrolem i uzupełnianie tłuszczu na bazie litu (NLGI Grade 2) co 200 godzin pracy.
• (2) Niewystarczające smarowanie
  • Przyczyna: przekroczenie odstępów smarowania (>200 godzin) lub niewłaściwe stosowanie smaru (np. na bazie wapnia zamiast na bazie litu).
  • Rozwiązania: Zintegrowanie systemów automatycznego smarowania (interwał smarowania ≤ 8 godzin) dla urządzeń automatycznych; stosowanie tłuszczu z dysulfuru molibdenu w środowiskach o wysokiej temperaturze.

3- Nieprawidłowe ustawienie instalacji.

• Przyczyna: błąd równoległości pomiędzy siedliskiem matice a szybą kierowniczą > 0,1 mm/m lub błąd koaksjalizmu pomiędzy otworem siedliska łożyska a ośmią śruby > 0,03 mm.
• Analiza: Obciążenie ekscentryczne zwiększa tarcie na torze o ponad 30% z powodu jednostronnego obciążenia kul.
• Rozwiązania: kalibracja wskaźnikiem tarczy podczas montażu (równoległość ≤ 0,05 mm/m, koaksjalizm ≤ 0,02 mm); w razie potrzeby stosowanie okien do wyrównania.

III. Problemy z awariami komponentów

1Złamanie kulki.

• Przyczyna:
  ▶ Wady materiału (np. włączenia) lub obróbka podciśnieniowa (twardota)▶ Koncentracja naprężenia termicznego (różnica temperatur > 50°C powodująca naprężenie > 800MPa z powodu współczynnika niespójności rozszerzenia).
• Rozwiązania:
  ▶ Wybierz kulki stalowe łożyska SUJ2 i odrzuć uszkodzone poprzez kontrolę cząstek magnetycznych;
  ▶ Dodać konstrukcje chłodzące (np. śruby puste z płynem chłodzącym) do zastosowań o dużych prędkościach, ograniczając wzrost temperatury ≤30°C.

2Uszkodzenie rur rekirkulacyjnych

• Przyczyna: Przesunięcie (zgryz przekraczający skuteczny cios o > 10 mm) lub uderzenie podczas montażu (siła > 50 N).
• Analiza: Deformowane rury blokują krążenie kuli, powodując lokalne wzloty ciśnienia i rozbijanie się torów wyścigowych (skrócenie trwałości zmęczenia o 70%).
• Rozwiązania:
  ▶ Ustawić podwójne granice (twarde + miękkie) z marginesem bezpieczeństwa ≥ 5 mm w oprogramowaniu sterującym;
  ▶ Używaj odpornych na uderzenia rur rekirkulacyjnych z nylonu (zamiast tworzyw sztucznych) i po montażu sprawdzaj limity uderzeń.

3- Złamanie ramienia.

• Przyczyna:
  ▶ Wady konstrukcyjne (promianę2.5);
  ▶ Nierówny moment obrotowy (odchylenie > ± 10%) powodujący wypływ ramienia > 0,02 mm.
• Rozwiązania:
  ▶ optymalizować konstrukcję ramienia z promieniami przejściowymi R5 R8 mm i przeprowadzać analizę elementów skończonych (czynnik bezpieczeństwa ≥ 2,0);
  ▶ Przytrzymaj zaciski za pomocą klucza obrotowego (np. orzeł M20: 150~180N·m) i upewnij się, że wyciąg ramienia wynosi ≤0,01 mm.

IV. Zalecenia dotyczące konserwacji zapobiegawczej

1. Regularne inspekcje:
   • pomiar reakcji przeciwnej: do sprawdzenia reakcji przeciwnej (bez obciążenia ≤0,01 mm, przy pełnym obciążeniu ≤0,03 mm) należy użyć wskaźnika tarczy;
   • Analiza drgań: monitorowanie drgań za pomocą akcelerometrów (wartość RMS ≤ 1,5 m/s2).
2. Zarządzanie smarowaniem:
   • ręczne smarowanie: stosowanie smaru (1/3 objętości orzecha) co 100 godzin pracy;
   • Automatyczne smarowanie: stosować rozrzucacze progresywne z 0, 5 ml tłuszczu na wstrzyknięcie, w odstępie 4 godzin.
3. Zarządzanie częściami zamiennymi:
   • Krytyczne części zamienne: kulki (równie duża partia), rurki recyrkulacyjne i uszczelki;
   • Planowana wymiana: wymiana śrub kulkowych co 3 lata lub 10 000 godzin w warunkach dużych prędkości.