Napędy liniowe - po prostej i po krzywej

Napędy liniowe mają wiele zastosowań w przemyśle, w transporcie, w sprzęcie ciężkim, medycznym czy nawet w meblach. W artykule przedstawiamy ich przykłady – od typowych siłowników po modułowe, rekonfigurowane systemy transportowe, co poprzedzamy charakterystyką siłowników elektrycznych i liniowych.

Zacznijmy od klasyfikacji i omówienia podstaw działania siłowników. Wersje elektryczne, gdzie ruch obrotowy jest zamieniany na prostoliniowy, są typowo zbudowane z: silnika elektrycznego (wbudowanego lub nie), przekładni, śruby napędowej, nakrętki napędowej oraz tłoka. Zasada działania siłowników tego typu jest następująca: silnik elektryczny za pośrednictwem przekładni wprawia w ruch obrotowy śrubę, po której przesuwa się nakrętka napędu, poruszając przy tym przymocowanym do niej tłokiem. W zależności od wymagań, jakie są stawiane napędowi wykorzystywane są śruby różnych rodzajów. Najpopularniejsze z nich to śruby kulowe, trapezowe i wałeczkowe. Pierwsze zbudowane są z wrzeciona z gwintem kulowym i nakrętki, w której umieszczone są kule. Tego typu śruby mają wiele zalet – precyzja, małe tarcie i opory toczenia, duża sztywność i wytrzymałość na obciążenia, "spokojny bieg" oraz minimalny luz osiowy (a nawet w pewnych wykonaniach bezlufowość), a także wymóg małego momentu napędowego. Śruby kulowe sprawdzają się także w napędach, od których oczekuje się długotrwałej pracy z dużą prędkością i przyspieszeniem. Wymagają jednak wyposażenia siłownika w hamulec.

CO WYRÓŻNIA ŚRUBY TRAPEZOWE?

Śruby trapezowe są niedrogie i wytrzymują duże obciążenia, dynamiczne i statyczne. Ważną zaletą tych elementów jest samohamowność. Cecha ta gwarantuje, że jeśli silnik elektryczny zasilający siłownik jest wyłączony, nie można wsunąć ani wysunąć tłoka. Dzięki temu siłownik utrzymuje obciążenie nawet po odłączeniu zasilania i nie ma konieczności wyposażania go w dodatkowy mechanizm blokujący albo hamulec. Do zalet śrub tego typu zalicza się również odporność na wibracje oraz cichą pracę.

W śrubach wałeczkowych obciążenie z nakrętki na tłok jest przenoszone przez wałki, co sprawia że powierzchnia kontaktu jest większa, niż w śrubach kulowych. Dzięki temu śruby tego rodzaju charakteryzuje większa nośność i dłuższa żywotność w porównaniu do śrub kulowych. Ten typ sprawdza się też w przypadku dużych prędkości i przyspieszeń. Ich zalety to oprócz tego duża sztywność oraz precyzja.

Case study

Siłowniki elektryczne w pojazdach specjalnych

Belki oświetleniowe są montowane na dachach pojazdów specjalnych w celu zwiększenia ich widoczności na drodze. Najlepiej, jeśli są to elementy ruchome. Dzięki temu, gdy sytuacja tego wymaga, można je podnieść wyżej, co pozwala na dostrzeżenie ich przez innych użytkowników drogi z większej odległości.

W przypadku, gdy z kolei auto przejeżdża tunelem lub pod drzewami, listwę oświetleniową trzeba obniżyć, żeby uniknąć zahaczenia nią o przeszkodę. Ręczna regulacja wysokości belki z lampami jest uciążliwa, szczególnie w przypadku, gdy kierowca w samochodzie jest sam i za każdym razem musi w tym celu z niego wysiąść.

Dlatego pewna firma transportowa zleciła zautomatyzowanie tego zadania. Wykonawca tego zlecenia zdecydował się wykorzystać siłowniki elektryczne.

Wyzwania

Zidentyfikowano trzy wyzwania w realizacji tego projektu. Po pierwsze, wybierając model siłownika, należało wziąć pod uwagę fakt, że na jego obciążenie statyczne składać się będzie, oprócz masy belki oświetleniowej i metalowej ramy, w której jest ona zamocowana, także masa gałęzi, które mogą spaść na auto i zaklinować się na belce. Uwzględnić trzeba było również obciążenie boczne, na które siłownik będzie narażony, szczególnie przy jego maksymalnym rozsunięciu w czasie silnych podmuchów wiatru.

Należało się liczyć z ograniczeniami przestrzennymi – automatykę systemu regulacji wysokości belki oświetleniowej miano bowiem doinstalować do wyposażenia pojazdu. Tymczasem najlepiej byłoby wykorzystać kilka siłowników, ze względu na większą nośność i stabilność konstrukcji, zwłaszcza przy jej nierównomiernym obciążeniu z jednej strony, na którą na przykład spadły gałęzie. Im większa liczba siłowników, a przez to bardziej złożony system sterowania, tym potrzeba jednak więcej miejsca.

Rozwiązanie

Na szczęście wszystkim wyzwaniom udało się sprostać. Na potrzeby projektu wykonawca wybrał model siłownika o parametrach w zakresie obciążenia statycznego i dynamicznego z odpowiednim zapasem w stosunku do wymagań. Zdecydowano o wykorzystaniu jednego siłownika, co uprościło system sterowania i zapewniło kompaktowość systemu regulacji wysokości belki oświetleniowej. Żeby z kolei zapobiec wyboczeniu siłownika i poprawić stabilność konstrukcji w razie jej jednostronnego przeciążenia, belkę podparto z dwóch stron ruchomymi wspornikami, między którymi znajdował się siłownik.