南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇 211178） 王守玨

20世紀(jì)80年代，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副在機(jī)床上開(kāi)始了廣泛應(yīng)用，隨著幾十年的發(fā)展，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的應(yīng)用日益增多，涵蓋了機(jī)床、軍工、航天及交通等領(lǐng)域。但在實(shí)際選型應(yīng)用過(guò)程中，由于涉及到的計(jì)算非常復(fù)雜，不乏設(shè)計(jì)人員對(duì)選型計(jì)算并不夠了解，在計(jì)算、選型過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，甚至還有設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用導(dǎo)軌副過(guò)程中只憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有計(jì)算選型過(guò)程，這都是不科學(xué)的。

圖 1

圖 2

圖 3

1. 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選型軟件的基本參數(shù)設(shè)置

一般情況下導(dǎo)軌副的安裝方向、類型、運(yùn)動(dòng)速度、受力狀態(tài)及環(huán)境溫度等是影響精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副使用壽命的主要因素，在設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有的使用條件不會(huì)是一成不變的，所以導(dǎo)軌副各種情況的安裝方向、類型、運(yùn)動(dòng)速度及受力狀態(tài)在實(shí)際使用中都會(huì)發(fā)生。

導(dǎo)軌副的安裝方向有水平、掛壁和豎直等，在選型軟件中都可以找到對(duì)應(yīng)的安裝方向。當(dāng)設(shè)計(jì)者的安裝方向不確定時(shí)，只要使用軟件選項(xiàng)中的“空間三維力計(jì)算”即可以完成各種類型的計(jì)算，或者說(shuō)“空間三維力計(jì)算”包含了所有的導(dǎo)軌副安裝方向。在軟件的初始界面中第一個(gè)選項(xiàng)即為設(shè)置其安裝方向（見(jiàn)圖1）。

在選完安裝方向后，就要確定導(dǎo)軌副的基本分布了（見(jiàn)圖2），這里包含了一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副中導(dǎo)軌的使用數(shù)量和每根導(dǎo)軌的滑塊使用數(shù)量，一定要選擇正確，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)的后臺(tái)計(jì)算公式是不一樣的。

導(dǎo)軌副的種類按滾動(dòng)體分有鋼球型和滾柱型。其中，鋼球型又分為GGB四方向等載荷型、GSB靜音型及GGD徑向重載型；滾柱型又有GZB滾柱重載型等。根據(jù)不同的需求選擇不同的導(dǎo)軌副類型（見(jiàn)圖3），例如，一般情況下使用GGB型導(dǎo)軌副即可，對(duì)于噪聲要求較高的可以選擇GSB型靜音導(dǎo)軌副，對(duì)于掛壁、傾斜使用的一般是GGD型徑向重載型導(dǎo)軌副，對(duì)于重載、剛性要求非常高的選擇GZB型導(dǎo)軌副。由于GZB型導(dǎo)軌滾動(dòng)體為滾柱型，剛性非常好，這就對(duì)安裝精度條件要求較高，在選擇時(shí)應(yīng)慎重考慮，對(duì)于安裝精度條件不好的工況，導(dǎo)軌副的使用結(jié)果有可能會(huì)適得其反。

然后再選擇用于計(jì)算的導(dǎo)軌副規(guī)格（見(jiàn)圖4），由于每種規(guī)格的額定動(dòng)載荷和額定靜載荷都不一樣，因此會(huì)帶來(lái)不同的計(jì)算結(jié)果，且計(jì)算結(jié)果的差異會(huì)比較大，因?yàn)檐浖?jì)算的速度快而且比較精確，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，在初次計(jì)算時(shí)可以選擇任意一種，通過(guò)過(guò)程中計(jì)算的情況再適當(dāng)調(diào)整即可。

再點(diǎn)擊下一步對(duì)于導(dǎo)軌副的運(yùn)行速度、加速度及運(yùn)動(dòng)頻率（每分鐘往復(fù)次數(shù)）等進(jìn)行設(shè)置（見(jiàn)圖5），由于實(shí)際使用中的運(yùn)動(dòng)頻率和計(jì)算中的頻率總是會(huì)有一定的差異，這個(gè)軟件允許使用者對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)整。

在圖5中點(diǎn)擊下一步即可進(jìn)入受力參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)圖6），在這里受力的大小、方向及力的數(shù)量是不受限制的，不同方向的力都可以根據(jù)正交分解成Fx、Fy、Fz方向，對(duì)于力的數(shù)量只要在軟件中點(diǎn)擊“添加數(shù)據(jù)” 即可以不受限制增加力的數(shù)量。

這些參數(shù)設(shè)置好，點(diǎn)擊下一步，后臺(tái)通過(guò)計(jì)算并記錄對(duì)導(dǎo)軌副的某瞬時(shí)、某滑塊的最大載荷，滑塊的當(dāng)量載荷，最大等效載荷及各滑塊的不同運(yùn)行狀態(tài)中的受力情況，并將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)提供給壽命計(jì)算界面。

圖 4

圖 5

圖 6

2. 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選型軟件的壽命計(jì)算

根據(jù)滾動(dòng)體不同，導(dǎo)軌副的額定壽命計(jì)算公式也不一樣，在國(guó)際中通用的導(dǎo)軌副壽命計(jì)算公式有兩種，一種是滾動(dòng)體為滾柱的導(dǎo)軌副的壽命計(jì)算；另一種是滾動(dòng)體為鋼球的導(dǎo)軌副的壽命計(jì)算。根據(jù)選擇的導(dǎo)軌副類型，軟件會(huì)自動(dòng)選擇正確的壽命計(jì)算公式。

對(duì)于滾動(dòng)體為滾柱的導(dǎo)軌副，以長(zhǎng)度（km）為單位的額定壽命為

對(duì)于滾動(dòng)體為鋼球的導(dǎo)軌副，以長(zhǎng)度（km）為單位的額定壽命為

式中，L是額定壽命（k m）；C是額定動(dòng)載荷（kN）；Pc是當(dāng)量載荷（kN）；fh是硬度系數(shù)；ft是溫度系數(shù)；fc是接觸系數(shù)；fa是精度系數(shù)；fw是載荷系數(shù)。

由于產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定，滾道硬度不得低于58HRC，故通常可取fh=1。接觸系數(shù)、精度系數(shù)和載荷系數(shù)可分別查表1、表2和表3。

這些參數(shù)可在軟件的“設(shè)定壽命條件”中自動(dòng)完成（見(jiàn)圖7），并不需要自行查表。

表1 接觸系數(shù)

這樣就完成了導(dǎo)軌副選型所有參數(shù)的設(shè)定，若對(duì)軟件的計(jì)算結(jié)果不滿意，需要改變導(dǎo)軌副類型，可以通過(guò)圖7中“手動(dòng)選型”進(jìn)行快速計(jì)算，軟件還可以提供3D/2D設(shè)計(jì)模型、計(jì)算結(jié)果的報(bào)表等，通過(guò)報(bào)表還可以進(jìn)一步研究每只滑塊的受力狀態(tài)，這樣可以看出滑塊的分布是否合理，從而可以對(duì)滑塊的分布做進(jìn)一步的優(yōu)化。

表2 精度系數(shù)

表3 載荷系數(shù)

圖 7

3. 結(jié)語(yǔ)

我公司的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副選型軟件可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)導(dǎo)軌副滑塊受力情況、壽命情況等進(jìn)行計(jì)算，大大降低了導(dǎo)軌副選型計(jì)算的難度和導(dǎo)軌副計(jì)算選型工作的門檻，但更重要的是我們能對(duì)這個(gè)軟件進(jìn)行舉一反三的應(yīng)用、能夠?qū)^(guò)程中各種結(jié)果進(jìn)行分析，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文中提到的對(duì)各種空間力的正交分解大幅拓展了軟件的應(yīng)用范圍，對(duì)滑塊各個(gè)狀態(tài)的受力情況進(jìn)行分析，優(yōu)化了滑塊的分布。