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壓力速度關(guān)系對(duì)導(dǎo)螺桿設(shè)計(jì)的影響
在對(duì)使用聚合物螺母的導(dǎo)螺桿裝置進(jìn)行正確設(shè)計(jì)與選型時(shí)，壓力速度(PV) 因子是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(fù)荷額定值時(shí)，這個(gè)參數(shù)一般都被忽略了，更多地被應(yīng)用于徑向襯套和滑動(dòng)應(yīng)用。 PV 參數(shù)通過(guò)螺母和螺桿之間壓力和速度的乘積來(lái)定義導(dǎo)螺桿裝置的性能范圍。塑料具有一個(gè)固有的PV 額定限值，而在某些條件下運(yùn)行的系統(tǒng)的PV 可以計(jì)算出來(lái)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，施加到導(dǎo)螺桿上的負(fù)荷越大，就必須將它轉(zhuǎn)動(dòng)得越慢，以避免超過(guò)螺母的PV 限值。反之亦然，速度越大，負(fù)荷容量越小。 塑料的PV 額定值是由特定產(chǎn)品的材料復(fù)合人員賦予的。常見(jiàn)的復(fù)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(fù)合人員負(fù)責(zé)對(duì)所選的樹(shù)脂和添加劑進(jìn)行配方設(shè)計(jì)。添加劑通常用來(lái)提高結(jié)構(gòu)和摩擦性能。材料復(fù)合人員通常使用材料圓盤(pán)在一個(gè)鋼表面上進(jìn)行PV 測(cè)試。通過(guò)改變樣品的負(fù)荷和速度，可測(cè)出磨損拐點(diǎn)，因而測(cè)出材料的PV 限值。雖然基礎(chǔ)樹(shù)脂具有一個(gè)特定PV 額定值，但通過(guò)添加潤(rùn)滑劑和其他復(fù)合物，可將該額定值大大提高。這樣就為設(shè)計(jì)人員提供了很大的靈活性，可以針對(duì)他們的應(yīng)用取得適宜的PV 范圍。應(yīng)該注意的是，各個(gè)公司的測(cè)試方法有所不同，因此在選擇一種材料時(shí)，最好要對(duì)來(lái)自單一材料復(fù)合人員的不同塑料進(jìn)行比較。我們將會(huì)看到，也可以通過(guò)改變導(dǎo)螺桿部件的幾何形狀來(lái)改變系統(tǒng)的PV 值。 令人吃驚的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)時(shí)，只是簡(jiǎn)單地考慮螺母負(fù)荷額定值，而忽略速度的影響，這會(huì)導(dǎo)致迅速而突然的失效。導(dǎo)螺桿的主要失效模式為磨損和PV。當(dāng)摩擦產(chǎn)生的熱量積累到超過(guò)螺母的最高使用溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PV失效。在較低的PV 值下，磨損速度增加，從而會(huì)縮短螺母的使用壽命。通過(guò)在PV 值范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(lèi)型，可以在設(shè)計(jì)中加以考慮。 任意給定材料的PV 限值可在一個(gè)PV 圖上來(lái)表示（見(jiàn)圖1）。這是通過(guò)將壓力和速度的乘積設(shè)置為材料的PV 限值來(lái)實(shí)現(xiàn)的（見(jiàn)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(gè)表面之間的滑動(dòng)速度。通過(guò)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(dǎo)螺桿裝置的系統(tǒng)PV 值相關(guān)，需要對(duì)它的幾何形狀進(jìn)行分析。先通過(guò)獲得螺旋線長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算螺母和螺桿的螺紋之間的投影接合面積（見(jiàn)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(jìn)的一條假想線。通過(guò)將螺紋的螺旋線展開(kāi)，我們可以通過(guò)一個(gè)三角形對(duì)它進(jìn)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(zhǎng)度（見(jiàn)等式4）。節(jié)圓直徑和螺紋導(dǎo)程為直角三角形的底和高。對(duì)斜邊進(jìn)行求解，并乘以螺母中的螺紋圈數(shù)和螺紋線數(shù)，就會(huì)得到螺旋線總長(zhǎng)度。將螺旋線長(zhǎng)度乘以螺母與螺桿之間的螺紋接合深度，可計(jì)算出二者之間的接觸面積（見(jiàn)等式2）。表面速度可通過(guò)將每圈的螺旋線長(zhǎng)度乘以旋轉(zhuǎn)速度來(lái)計(jì)算（見(jiàn)等式3）。 實(shí)際操作中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)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(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖2 ）。這種偏轉(zhuǎn)可導(dǎo)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(jìn)一步向?qū)U螺紋的牙側(cè)上方移動(dòng)，直到大部分負(fù)荷被施加到螺紋大徑附近（見(jiàn)圖3）。這種情況將對(duì)給定負(fù)荷下兩個(gè)部件之間的壓力產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)際上，很難計(jì)算出這種面積的減少究竟有多大。不幸的是，面積會(huì)隨負(fù)荷的增加而降低，這樣就加重了與PV 有關(guān)的失效的趨勢(shì)，從而保持在性能范圍以?xún)?nèi)顯示十分重要。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要將一個(gè)校正因子(Cf) 應(yīng)用于投影面積。隨著負(fù)荷從輕負(fù)荷增加到滿(mǎn)額定負(fù)荷容量，此因子通常在大約0.75 至0.25 范圍內(nèi)。 通過(guò)計(jì)算螺旋線長(zhǎng)度、測(cè)定壓力并將壓力乘以表面速度，就可以計(jì)算出一個(gè)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(jìn)行比較。建議使用安全因子2。人們已注意到，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)PV 限值的二分之一時(shí)，磨損就會(huì)加速。因此，雖然不會(huì)發(fā)生突然失效，但系統(tǒng)的磨損壽命將會(huì)縮短。 另外，還可以繪制一個(gè)負(fù)荷對(duì)RPM 或螺母線性速度的曲線圖。通過(guò)將壓力除以校正后的接觸面積，可繪制一條對(duì)負(fù)荷的PV 曲線，并且可以對(duì)RPM 進(jìn)行求解（見(jiàn)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(duì)特定導(dǎo)螺桿系統(tǒng)繪制出一個(gè)允許負(fù)荷與速度的便利圖形關(guān)系曲線。當(dāng)位于曲線下面區(qū)域中時(shí)，導(dǎo)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(fù)合材料或基礎(chǔ)樹(shù)脂可導(dǎo)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(dòng)，從而提高系統(tǒng)的性能（圖1）；降低部件之間的摩擦也可導(dǎo)致PV 限值增加，降低摩擦的方式包括將潤(rùn)滑劑復(fù)合到塑料中、向螺桿中加入潤(rùn)滑脂和使用干膜潤(rùn)滑劑；改變螺母的幾何尺寸可降低給定負(fù)荷和速度下的系統(tǒng)PV 值，例如，較長(zhǎng)的螺母將會(huì)降低螺紋上的壓力，在一個(gè)長(zhǎng)度為螺桿直徑4 倍的螺母周?chē)哪硞€(gè)位置上，會(huì)發(fā)生回程減小。 由于在計(jì)算導(dǎo)螺桿系統(tǒng)的PV 值時(shí)具有某種程度的固有復(fù)雜性，因此所得的結(jié)果總存在某些不確定性。但是，如果對(duì)相互關(guān)系和相互作用加以了解，將會(huì)非常有助于進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。另外，導(dǎo)螺桿的注塑件加工商還應(yīng)該提供應(yīng)用支持。這或許是對(duì)PV 值進(jìn)行驗(yàn)證的最好方法，因?yàn)樗麄儞碛凶羁煽康牟牧虾拖到y(tǒng)PV 信息。在缺乏這種信息的情況下，請(qǐng)參考以下經(jīng)驗(yàn)：假定多數(shù)產(chǎn)品目錄負(fù)荷額定值在大約500 rpm 的轉(zhuǎn)速下都是準(zhǔn)確的，高于該值的轉(zhuǎn)速可能需要工作負(fù)荷的相應(yīng)降低。如果在應(yīng)用中需要超過(guò)PV 值一個(gè)較大量，則應(yīng)將負(fù)荷系數(shù)保持在10％或20%。
