Расчет размеров линейного актуатора подразумевает определение необходимых параметров силы, скорости и хода, а затем сопоставление этих значений с реальными возможностями актуатора. Также необходимо учитывать рабочий цикл, условия эксплуатации и способ монтажа. Не забывайте о запасах прочности, поскольку они должны быть в 1,5-2 раза больше, чем рассчитанные минимальные требования.
Шаг 1: Определите требуемую силу и рассчитайте входную мощность двигателя.
В первую очередь необходимо определить, какая сила толкания или тяги требуется вашему приводу. Здесь действуют различные силы, и все они суммируются.
Статическая сила
Это самая простая часть. Возьмите вес перемещаемого предмета, умножьте массу на силу тяжести и добавьте трение. Если вы поднимаете что-то вертикально, сила тяжести будет бороться с вами на протяжении всего движения. А если перемещаете предметы горизонтально? В основном вы будете бороться с трением.
Динамическая сила, возникающая из-за инерции.
А вот тут начинается самое интересное. Когда вы ускоряете или замедляете свой груз, вступает в действие инерция, а это требует дополнительных усилий. Математика довольно проста:
- Сила равна произведению массы на ускорение.
- Чтобы найти ускорение, разделите желаемую скорость на время, необходимое для достижения этой цели.
- Для движения по треугольной траектории (от нуля до пиковой скорости, а затем немедленное возвращение к нулю) требуются самые высокие силы ускорения.
- Трапецеидальный профиль нагрузки (постепенное нарастание, движение с постоянной скоростью, затем постепенное снижение) распределяет нагрузки и снижает пиковые значения потребляемой мощности.
Угловые нагрузки и коэффициенты запаса прочности
Если ваш привод толкает или тянет под углом, а не прямо, вам необходимо рассчитать составляющую силы вдоль центральной оси привода. Наиболее сложный случай обычно возникает, когда он полностью втянут, поскольку именно в этом положении угол наиболее крутой.
После того, как вы все суммируете, умножьте на коэффициент запаса прочности от 1,5 до 2. Этот запас прочности позволяет справиться с непредвиденными ситуациями и обеспечивает надежную работу системы в долгосрочной перспективе.
Рассчитайте требуемую входную мощность двигателя.
Зная силы и скорости на каждом этапе цикла, вы можете рассчитать, что должен обеспечивать двигатель. Для каждого этапа цикла вам потребуется:
Входной крутящий момент: Мин = (F · p · 100) / (2π · ηscrew) · 100 / (i · ηcoupler)
Где:
- F = Требуемая сила на этом этапе (Н)
- p = Шаг винта (мм)
- ηscrew = КПД шнека (%)
- i = Коэффициент уменьшения
- ηcoupler = Эффективность соединителя (%)
Скорость ввода: нин = (60 · i · v) / p
Где:
- v = Требуемая скорость вращения шнека на данном этапе (мм/с)
- i = Коэффициент уменьшения
- p = Шаг винта (мм)
Эти расчеты показывают, какой крутящий момент и скорость должен развивать двигатель в каждой точке цикла, что помогает вам. выберите подходящий двигатель для сопряжения с вашим актуатором.
Шаг 2: Определение требований к скорости и частоте гребков.
Как только вы определите необходимую силу, пришло время составить схему фактического движения вашего груза.
Длина хода
Измерьте, какое расстояние перемещается ваш груз от одного конца до другого. Это расстояние и будет требуемым ходом, и выбранный вами привод должен обеспечивать как минимум такое же перемещение.
Профиль скорости и движения
С какой скоростью должен перемещаться ваш груз? Обычно скорость измеряется в миллиметрах в секунду или дюймах в секунду. Важно помнить: в большинстве приводов скорость и сила работают в противовес друг другу. Большая толкающая сила, как правило, означает меньшую максимальную скорость из-за особенностей конструкции шестерен.
Определите, с какой скоростью вам нужно набрать скорость и с какой скоростью нужно остановиться. Это напрямую связано с расчетами сил:
- Треугольные профили движутся быстрее всего, но требуют больших усилий.
- Трапецеидальные профили требуют больше времени, но снижают потребность в максимальной силе.
- Более быстрое ускорение всегда приводит к более высоким динамическим силам.
Шаг 3: Проверьте соответствие требуемой скорости предельным значениям привода.
Ваш привод не работает в идеальных лабораторных условиях, поэтому реальные условия и механические ограничения здесь действительно имеют значение. Вам необходимо проверить три разных значения скорости, чтобы убедиться, что привод способен справиться с требуемыми параметрами.
Проверка 1: Критическая скорость против максимальной скорости
Длинные ходовые винты могут резонировать на определенных скоростях, подобно вибрации гитарной струны. Эта критическая скорость зависит от длины хода и способа крепления винта. Стандартную критическую скорость (Vcr_std) можно найти в техническом описании привода в зависимости от конфигурации подшипника (фиксированный, свободный или фиксированный с одинарной опорой).
Если ваш ход поршня отличается от стандартного, рассчитайте фактическую критическую скорость:
Vcr_l = Vcr_std · (lstd² / ls²)
Где:
- Vcr_std = Стандартная критическая скорость согласно техническим характеристикам (мм/с)
- lstd = Стандартная длина хода (мм)
- ls = Фактическая длина хода (мм)
Убедитесь, что максимальная скорость цикла не превышает эту критическую скорость, иначе возникнет вибрация и ускоренный износ.
Проверка 2: Пиковая выходная скорость в сравнении с требуемой максимальной скоростью
Изучите технические характеристики каждого доступного передаточного отношения и убедитесь, что пиковая выходная скорость (Vp max) превышает требуемую вами максимальную скорость (Vmax). Не все передаточные отношения подойдут, поскольку более высокие передаточные отношения снижают максимальную скорость.
Проверка 3: Непрерывная скорость вывода против средней скорости
Ваш исполнительный механизм может нормально справляться с пиковыми скоростями, но перегреваться, если средняя скорость за весь цикл превышает его номинальную скорость. Рассчитайте среднюю выходную скорость за весь цикл:
Vm = Σ(vi · ti / ttot)
Где:
- vi = Скорость на каждом этапе цикла (мм/с)
- ti = Время, проведенное на данной скорости (с)
- ttot = Общее время цикла (с)
Это средневзвешенное значение показывает, какая непрерывная скорость вам действительно необходима. Убедитесь, что номинальная непрерывная скорость на выходе (Vc max) для выбранного вами передаточного отношения превышает это среднее значение.
Вопросы, касающиеся рабочего цикла
Рабочий цикл показывает, какой процент времени привод работает, а какой находится в режиме ожидания. Рабочий цикл 25% означает, что он работает четверть времени и простаивает остальные три четверти. Для легких нагрузок можно обойтись более низкими показателями, но если вы работаете часто или без перерыва, вам потребуется устройство, рассчитанное на более высокие рабочие циклы или непрерывную работу.
Если превысить допустимый рабочий цикл привода, он перегреется. Выделенный тепло разрушает смазочные материалы и ускоряет износ компонентов, особенно в конструкциях с ходовыми и шариковыми винтами, где смазка обеспечивает плавную работу всех элементов.
Шаг 4: Проверка требуемого уровня силы и условий окружающей среды.
Теперь необходимо убедиться, что исполнительный механизм способен выдерживать прилагаемые усилия без деформации, перегрузки или выхода из строя со временем.
Проверка 1: Сила изгиба против максимальной силы
При больших ходах под сжатием подшипник может деформироваться, подобно колонне, несущей слишком большой вес. В технической документации указана стандартная сила деформации (Fb_std) для данной конфигурации подшипника. Если ход поршня отличается от стандартного, рассчитайте фактическую силу деформации:
Fb_l = Fb_std · (lstd² / ls²)
Где:
- Fb_std = Стандартная сила потери устойчивости из технической документации (Н)
- lstd = Стандартная длина хода (мм)
- ls = Фактическая длина хода (мм)
Убедитесь, что эта сила изгиба превышает вашу максимально необходимую силу (Fmax) с достаточным запасом. Обратите внимание, как более длинные ходы значительно снижают прочность на изгиб, поскольку длина хода в знаменателе возводится в квадрат.
Проверка 2: Пиковая осевая сила против требуемой максимальной силы
Для каждого доступного передаточного отношения убедитесь, что максимальное осевое усилие (Fp max) превышает требуемое максимальное усилие (Fmax). В техническом описании указаны эти пределы для каждого передаточного отношения и ступени привода.
Проверка 3: Непрерывная осевая сила против средней силы
Как и в случае со скоростью, необходимо рассчитать среднюю силу за весь цикл, чтобы убедиться, что она не превышает допустимые значения. Для этого используется расчет среднеквадратичного значения, поскольку сила влияет на износ гораздо сильнее, чем скорость.
Fm = ³√[Σ(Fj³ · nj · tj / ttot) / нм]
Где:
- Fj = Сила на каждом шаге цикла (Н)
- nj = Количество изменений направления при данном уровне силы
- tj = Время, проведенное под действием данной силы (с)
- ttot = Общее время цикла (с)
- нм = Общее количество изменений направления за цикл
Убедитесь, что максимально допустимая непрерывная осевая сила (Fc max) для выбранного вами передаточного отношения превышает рассчитанную среднюю силу.
Условия окружающей среды
Подумайте о том, где это устройство будет реально работать. При каких температурах оно будет подвергаться воздействию? Будет ли в воздухе пыль, влага или химические вещества, которые могут вызвать проблемы? Все это определяет необходимый уровень защиты. IP67 хорошо справляется с пылью и кратковременным воздействием воды, а IP68 обеспечивает более высокий уровень защиты для более сложных условий.
Если вы имеете дело с агрессивными средами или проблемами загрязнения, ищите защитные покрытия и герметичную конструкцию. Современные линейные электрические актуаторы обычно поставляются с Степень защиты IP67 В стандартной комплектации, при необходимости доступен класс защиты IP68, а также коррозионностойкое покрытие, выдерживающее суровые условия промышленной эксплуатации.
Продолжительность жизни
Сколько циклов должен совершить этот привод за весь срок службы? Шариковинтовые приводы обычно служат дольше и обеспечивают более точное позиционирование, чем винтовые, но и стоят дороже. Если речь идёт о миллионах циклов, это становится очень важным.
Шаг 5: Рассчитайте требуемую мощность и проверьте свой выбор.
Последняя проверка заключается в том, чтобы убедиться, что ваш исполнительный механизм способен обеспечить механическую мощность, необходимую для вашего приложения.
Рассчитайте механическую мощность
Для каждого этапа цикла рассчитайте необходимую механическую мощность:
Pj = (vj · Fj) / 1000
Где:
- vj = Скорость на этом этапе (мм/с)
- Fj = Сила на этом этапе (Н)
- Результат выражен в ваттах (Вт).
Найдите максимальную мощность на всех этапах цикла. Эта пиковая мощность (Pmax) должна оставаться ниже предельной выходной мощности привода (Pout_max) для выбранного вами передаточного отношения. В техническом описании указаны эти пределы мощности для каждого этапа привода.
Сопоставьте технические характеристики с доступными моделями.
Теперь вы сравниваете свои расчеты с тем, на что способны исполнительные механизмы на самом деле. При изучении технических характеристик учитывайте следующие ключевые особенности:
| Спецификация | На что обратить внимание |
| Диапазон сил | От 2000 Н до 40000 Н в зависимости от ваших потребностей. |
| Режимы управления | Режимы работы: включено/выключено, модулированный или непрерывный. |
| Системная интеграция | При необходимости доступны варианты интеллектуального управления или полевой шины. |
| Охрана окружающей среды | Взрывозащищенный корпус для опасных зон |
Требования к мощности и физическим возможностям
Убедитесь, что требуемые напряжение и ток соответствуют вашему блоку питания. Несколько моментов, которые нельзя пропустить:
- Максимальное потребление тока происходит во время разгона, когда мощность достигает максимума.
- Физическая совместимость как в сложенном, так и в полностью выдвинутом положениях.
- Место для монтажных кронштейнов и любых поворотных элементов.
- Место для прокладки кабелей и доступа для технического обслуживания.
Способ крепления и функции безопасности
Убедитесь, что выбранная конфигурация крепления подходит для вашего применения. К распространенным вариантам относятся шарнирные крепления, если требуется поворот, фланцевые крепления для стационарных установок и цапфовые крепления для применений, требующих вращения вокруг центральной оси привода.
Обратите внимание на встроенные функции безопасности, такие как электрические концевые выключатели, которые автоматически останавливают перемещение и предотвращают повреждение из-за чрезмерного хода. Обратная связь по положению становится важной, если вам требуется точное управление или вы интегрируете устройство в автоматизированную систему. Современные компактные конструкции упрощают установку, но вам все равно необходимо подтвердить совместимость с вашей конкретной системой.
При необходимости повторите действия.
Если после проведения этих расчетов ни один из вариантов не соответствует всем вашим требованиям, у вас есть несколько альтернатив. Можно уменьшить скорость или ускорение, чтобы снизить требуемую силу. Можно отрегулировать геометрию крепления для повышения механического преимущества. Или же сменить технологию привода, например, перейти от винтовой передачи к шариковинтовой. Иногда оказывается, что другое передаточное число решает сразу несколько проблем.
Подводя итоги, мы объединяем все воедино.
Правильный подбор размеров подразумевает выполнение следующих пяти шагов в указанном порядке: расчет усилий с учетом необходимых буферов безопасности, составление профиля движения с учетом требуемого крутящего момента и скорости, проверка пределов критической скорости и устойчивости к изгибу относительно длины хода, сравнение номинальных параметров с расчетными средними значениями с использованием соответствующих формул, а затем подтверждение выходной мощности и работоспособности крепления.
Вероятно, вам придётся несколько раз перебирать варианты, прежде чем вы найдёте решение, отвечающее всем вашим требованиям, и это нормально. Вносите корректировки по мере возможности, пока не найдёте вариант, который действительно вам нужен и обеспечивает надёжную работу в течение длительного времени.
