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壓力速度關系對導螺桿設計的影響
在對使用聚合物螺母的導螺桿裝置進行正確設計與選型時，壓力速度(PV) 因子是一個關鍵設計參數(shù)。雖然大多數(shù)工程聚合物都列出了PV 參數(shù)，但在考慮螺母負荷額定值時，這個參數(shù)一般都被忽略了，更多地被應用于徑向襯套和滑動應用。 PV 參數(shù)通過螺母和螺桿之間壓力和速度的乘積來定義導螺桿裝置的性能范圍。塑料具有一個固有的PV 額定限值，而在某些條件下運行的系統(tǒng)的PV 可以計算出來。簡單地說，施加到導螺桿上的負荷越大，就必須將它轉(zhuǎn)動得越慢，以避免超過螺母的PV 限值。反之亦然，速度越大，負荷容量越小。 塑料的PV 額定值是由特定產(chǎn)品的材料復合人員賦予的。常見的復合塑料有杜邦公司的Delrin AF、Quadrant 公司的Torlon 和GE Plastics 公司的LNP Lubriloy。材料復合人員負責對所選的樹脂和添加劑進行配方設計。添加劑通常用來提高結(jié)構(gòu)和摩擦性能。材料復合人員通常使用材料圓盤在一個鋼表面上進行PV 測試。通過改變樣品的負荷和速度，可測出磨損拐點，因而測出材料的PV 限值。雖然基礎樹脂具有一個特定PV 額定值，但通過添加潤滑劑和其他復合物，可將該額定值大大提高。這樣就為設計人員提供了很大的靈活性，可以針對他們的應用取得適宜的PV 范圍。應該注意的是，各個公司的測試方法有所不同，因此在選擇一種材料時，最好要對來自單一材料復合人員的不同塑料進行比較。我們將會看到，也可以通過改變導螺桿部件的幾何形狀來改變系統(tǒng)的PV 值。 令人吃驚的是，大多數(shù)設計人員在設計他們的系統(tǒng)時，只是簡單地考慮螺母負荷額定值，而忽略速度的影響，這會導致迅速而突然的失效。導螺桿的主要失效模式為磨損和PV。當摩擦產(chǎn)生的熱量積累到超過螺母的最高使用溫度時，會導致PV失效。在較低的PV 值下，磨損速度增加，從而會縮短螺母的使用壽命。通過在PV 值范圍內(nèi)進行設計，可以使得失效只是因磨損而發(fā)生。磨損是一種較慢和線性程度較大的失效類型，可以在設計中加以考慮。 任意給定材料的PV 限值可在一個PV 圖上來表示（見圖1）。這是通過將壓力和速度的乘積設置為材料的PV 限值來實現(xiàn)的（見等式1）。壓力被定義為施加到螺母上的軸向力除以它的投影軸承面積所得的結(jié)果，而速度被定義為兩個表面之間的滑動速度。通過求解壓力（或速度），就可以繪制出所需速度（或壓力）范圍內(nèi)的曲線。為了防止失效，必須將系統(tǒng)的PV 值保持在材料PV 曲線的下面。 為了確定材料的PV 限值如何與導螺桿裝置的系統(tǒng)PV 值相關，需要對它的幾何形狀進行分析。先通過獲得螺旋線長度來計算螺母和螺桿的螺紋之間的投影接合面積（見等式5）。這是在發(fā)生理論螺紋接合的節(jié)圓直徑上沿螺紋行進的一條假想線。通過將螺紋的螺旋線展開，我們可以通過一個三角形對它進行分析，其中，直角三角形的斜邊代表螺紋旋轉(zhuǎn)一圈的螺旋線長度（見等式4）。節(jié)圓直徑和螺紋導程為直角三角形的底和高。對斜邊進行求解，并乘以螺母中的螺紋圈數(shù)和螺紋線數(shù)，就會得到螺旋線總長度。將螺旋線長度乘以螺母與螺桿之間的螺紋接合深度，可計算出二者之間的接觸面積（見等式2）。表面速度可通過將每圈的螺旋線長度乘以旋轉(zhuǎn)速度來計算（見等式3）。 實際操作中會產(chǎn)生一個復雜因素。由于螺母所用聚合物材料的固有剛度，在螺母和螺紋之間會發(fā)生偏轉(zhuǎn)（見圖2 ）。這種偏轉(zhuǎn)可導致螺母的螺紋發(fā)生像梁彎曲中發(fā)生的那種旋轉(zhuǎn)，使螺母與螺桿之間的接觸面降低。隨著這種接觸面降低的發(fā)生，接觸面進一步向?qū)U螺紋的牙側(cè)上方移動，直到大部分負荷被施加到螺紋大徑附近（見圖3）。這種情況將對給定負荷下兩個部件之間的壓力產(chǎn)生負面影響。實際上，很難計算出這種面積的減少究竟有多大。不幸的是，面積會隨負荷的增加而降低，這樣就加重了與PV 有關的失效的趨勢，從而保持在性能范圍以內(nèi)顯示十分重要。要解決這個問題，需要將一個校正因子(Cf) 應用于投影面積。隨著負荷從輕負荷增加到滿額定負荷容量，此因子通常在大約0.75 至0.25 范圍內(nèi)。 通過計算螺旋線長度、測定壓力并將壓力乘以表面速度，就可以計算出一個系統(tǒng)PV 值。確保單位為psi ft/min 或MPa m/s，這樣就可以將結(jié)果與材料的PV 額定值進行比較。建議使用安全因子2。人們已注意到，當系統(tǒng)壓力超過PV 限值的二分之一時，磨損就會加速。因此，雖然不會發(fā)生突然失效，但系統(tǒng)的磨損壽命將會縮短。 另外，還可以繪制一個負荷對RPM 或螺母線性速度的曲線圖。通過將壓力除以校正后的接觸面積，可繪制一條對負荷的PV 曲線，并且可以對RPM 進行求解（見等式3），以便可以將表面速度表示為旋轉(zhuǎn)速度。其結(jié)果就是，可以針對特定導螺桿系統(tǒng)繪制出一個允許負荷與速度的便利圖形關系曲線。當位于曲線下面區(qū)域中時，導螺桿裝置的失效形式主要是磨損失效。 控制PV 范圍的方式主要有以下幾種：改變聚合物復合材料或基礎樹脂可導致PV 限值增加，這樣就可有效地將PV 曲線在PV 圖上向上和向右移動，從而提高系統(tǒng)的性能（圖1）；降低部件之間的摩擦也可導致PV 限值增加，降低摩擦的方式包括將潤滑劑復合到塑料中、向螺桿中加入潤滑脂和使用干膜潤滑劑；改變螺母的幾何尺寸可降低給定負荷和速度下的系統(tǒng)PV 值，例如，較長的螺母將會降低螺紋上的壓力，在一個長度為螺桿直徑4 倍的螺母周圍的某個位置上，會發(fā)生回程減小。 由于在計算導螺桿系統(tǒng)的PV 值時具有某種程度的固有復雜性，因此所得的結(jié)果總存在某些不確定性。但是，如果對相互關系和相互作用加以了解，將會非常有助于進行合理設計。另外，導螺桿的注塑件加工商還應該提供應用支持。這或許是對PV 值進行驗證的最好方法，因為他們擁有最可靠的材料和系統(tǒng)PV 信息。在缺乏這種信息的情況下，請參考以下經(jīng)驗：假定多數(shù)產(chǎn)品目錄負荷額定值在大約500 rpm 的轉(zhuǎn)速下都是準確的，高于該值的轉(zhuǎn)速可能需要工作負荷的相應降低。如果在應用中需要超過PV 值一個較大量，則應將負荷系數(shù)保持在10％或20%。
