比较机械螺旋升降机和滚珠螺旋升降机的重型起重能力

图 1 - 机械螺旋升降机（左）使用带螺纹的金属轴和螺母，滚珠丝杠升降机（右）

当运动系统设计人员想要电动线性执行器的应用灵活性和液压缸的重型起重、降低和倾斜能力时，他们通常会求助于螺旋千斤顶。电动推杆最多可处承重2 吨，而螺旋千斤顶则可应付 100 多吨的重量。 它们的高负载能力来自于蜗轮配置，该配置可将电机或手动输入的能量进行转换。螺旋升降机的两种主要类型是机械螺旋升降机和滚珠螺旋升降机（图 1）。

机械螺旋升降机可以配备螺纹合金升降轴，连接到由青铜螺母或滚珠轴承螺母驱动的负载，或者升降轴可以连接到驱动齿轮并驱动连接到负载的移动螺母。相对简单的金属青铜设计使机械螺钉更便宜，但会产生更多的发热摩擦，使它们在许多应用中不太受欢迎。滚珠丝杠升降机也使用带螺纹的金属提升轴，但螺母配备滚珠，可将丝杠和螺母之间的摩擦减少近 95%，为许多应用提供显著优势。

要确定机械螺旋升降机或滚珠螺旋升降机是否适合您的应用，请在设计阶段的早期考虑以下应用参数：

其他可能发挥作用的设计因素包括对能源效率、可预测生命周期、精度和位置控制的需求。

负载处理要求

运动应用程序开发人员通常会考虑负载在 ¼ 到 100 吨之间的螺旋升降机。当机器与螺旋千斤顶连接在一起时，可以实现更高的负载。例如，如果负载是静态的，机械螺旋千斤顶将最有效地长时间支撑桥梁，因为摩擦不会成为问题。但是，对于负载循环频繁的动态负载，例如在生产设施中的两条生产线之间移动输送机段，滚珠丝杠配置会更好。这种类型的应用会在机器螺旋千斤顶上产生高摩擦力。

还应考虑冲击载荷的可能性。尽管供应商很少推荐用于高冲击环境的机械螺旋升降机或滚珠螺旋升降机，但对于动态负载和静态负载，两者都可能暂时超过其额定容量约 10% 和 30%。

占空比

在负载条件之后，要考虑的最重要变量是占空比，即螺旋千斤顶工作时间的百分比。机器螺旋千斤顶的散热能力有限，这限制了占空比。如果千斤顶的工作时间少于 25%，这可能是调整重型压力机位置所必需的，那么机械螺旋千斤顶就足够了。在许多高周期负载运动需要高负载循环的应用中，滚珠丝杠升降机通常是首选解决方案

温度工作范围

环境温度也会影响工作温度。当蜗轮附近的外壳温度超过 200°F (93.3°C) 时，机械螺杆和滚珠螺杆都不应运行，并且环境温度会影响该读数。螺旋千斤顶制造商通常建议在 176°F (80°C) 左右的环境温度下运行 25% 的负载循环，在低于 122°F (50°C) 的环境温度下运行更连续的负载。

环境温度越高，对滚珠丝杠升降机低摩擦运行的需求就越大。导致热量并因此有利于滚珠丝杠使用的因素包括行程长度、振荡运动和速度。然而，设计人员通常不会在高速操作中使用螺旋升降机。

能源消耗

高效的能源使用还使滚珠丝杠升降机在降低成本方面具有优势。由于它们的效率，滚珠丝杠升降机需要更少的马力来运行，因此消耗更少的能量。此功能使设计人员能够指定更小的电机来满足可持续性目标。然而，这种选择确实取决于其他应用变量，包括占空比、环境和速度。

简单的马力计算可以确定在每个应用中使用的螺旋千斤顶的合适尺寸。此外，测量外壳温度可以确保不超过插孔的使用量。假设温度超过螺旋千斤顶的限制。在这种情况下，设计人员可能仍会受益于更具成本效益的机器螺旋千斤顶，但需要使用更大的千斤顶、降低电机输入速度或使用直角减速机。否则，他们可以使用滚珠丝杠千斤顶来利用其更高的效率。

千斤顶内机械螺杆的高摩擦操作需要大约两倍的输入扭矩，因此还需要更大的电机。在系统中配置多台机器或滚珠丝杠千斤顶的应用中，单个电机可以驱动所有千斤顶，进一步提高能源效率。例如，剪叉式升降机可能会部署千斤顶来驱动其左右两侧，中间有一个连接轴。一台电机可以驱动两个千斤顶（图 3）。

图 3. 该剪叉式升降机上的两个螺旋千斤顶可以与单个电机一起工作。如果占空比低于 25%，他们可以使用机械螺旋千斤顶进行操作，这可能会抵消较高的能耗。

反向驱动公差

升降轴或移动螺母上的轴向压力可将其向后推，尤其是在垂直方向的制动器或其他保持机构失效或系统断电的情况下。在这种情况下，机械螺杆的相对低效率和高摩擦潜力使它们比滚珠螺杆更具优势。根据提升轴的传动比和效率，机械螺旋千斤顶可以被认为是自锁的。

垂直配置中使用的滚珠丝杠的高效率可能会导致它们在功率下降时很容易向后滑动。因此，滚珠丝杠升降机必须配备制动器或其他保持机构，从而增加了成本和复杂性。

存在微粒、腐蚀性化学品、振动和噪音

虽然滚珠丝杠在高负载循环应用中具有优势，但机械丝杠在存在微粒、有毒化学品和振动或过大噪音可能成为问题的情况下具有优势。

机用螺钉对污染不太敏感，因此更适用于空气中可能充满微粒的磨坊或木工区域。机械螺旋千斤顶可以提供不锈钢材料，以防止在高湿度环境中腐蚀。滚珠丝杠升降机可以利用各种电镀技术来实现类似的好处。

机器螺旋千斤顶对振动不太敏感，而且更安静，因为没有球在循环。这使得它们更适用于住宅或医疗机构等对噪声敏感的环境。

需要预测生命周期

机械螺旋千斤顶的啮合摩擦螺纹使其生命周期难以预测。然而，滚珠丝杠的生命周期可以根据导致滚珠轴承在动态负载下疲劳的可测量低效率来计算。该计算被称为 L10 标准，它估计在给定的恒定速度下，螺杆系统的 90% 的轴承组在发生故障之前将完成或超过的转数或小时数。机器螺杆的寿命无法预测，因此如果最终用户需要预测其螺旋升降机的寿命，球型是唯一的选择。

需要精确

机械螺旋升降机和滚珠螺旋升降机都具有高度可重复性。根据尺寸的不同，它们的相关间隙在 0.003 到 0.020 英寸之间。可以使用间隙球螺母或用于机器螺旋升降机的分离式驱动螺母来减少间隙。

需要位置控制

机械螺旋升降机和滚珠螺旋升降机都可以由电机驱动并提供位置控制选项。但是，要求的精度越高，占空比越高，使用滚珠丝杠千斤顶的应用就越多。

例如，支持在大型飞机机翼上工作的团队的倾斜站平台可能使用多个滚珠丝杠千斤顶，通过 CAN 总线网络同步通信。但是，如果平台每周只需要调整 2 到 3 次，则机械螺旋千斤顶就足够了。在后一种情况下，即使是配备单个通用电机的机器螺旋千斤顶（使用轴系以机械方式连接每个千斤顶）也可能就足够了。

合乎逻辑的选择

在负载高达 100 吨的许多应用中，螺旋千斤顶可以成为液压缸的理想替代品。尽管如此，指定正确类型的螺旋千斤顶仍然很重要。对于占空比低于 25% 的静态负载，机械螺旋千斤顶通常是最具成本效益的。对于具有更高负载循环的动态负载，滚珠丝杠千斤顶是必需的。

然而，在这些广泛的参数范围内，许多其他因素可能会影响决策。机械螺旋千斤顶更能抵抗空气中的微粒和腐蚀性化学物质，更安静并且反冲最小。另一方面，滚珠丝杠升降机具有更可预测的生命周期。

当然，机器螺旋升降机或滚珠螺旋升降机是否适合您将取决于您的应用参数。无论您选择哪种螺旋千斤顶，它们增强的控制能力、巨大的动力、更容易的安装和环保都会让您对运动系统设计充满信心。

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