滚动直线导轨副快速选型软件应用

南京工艺装备制造有限公司 （江苏 211178） 王守珏

20世纪80年代，滚动直线导轨副在机床上开始了广泛应用，随着几十年的发展，滚动导轨副的应用日益增多，涵盖了机床、军工、航天及交通等领域。但在实际选型应用过程中，由于涉及到的计算非常复杂，不乏设计人员对选型计算并不够了解，在计算、选型过程中往往会出现一些问题，甚至还有设计人员在应用导轨副过程中只凭借个人经验，没有计算选型过程，这都是不科学的。

图 1

图 2

图 3

1. 滚动直线导轨副选型软件的基本参数设置

一般情况下导轨副的安装方向、类型、运动速度、受力状态及环境温度等是影响精密滚动直线导轨副使用寿命的主要因素，在设计人员的设计过程中，所有的使用条件不会是一成不变的，所以导轨副各种情况的安装方向、类型、运动速度及受力状态在实际使用中都会发生。

导轨副的安装方向有水平、挂壁和竖直等，在选型软件中都可以找到对应的安装方向。当设计者的安装方向不确定时，只要使用软件选项中的“空间三维力计算”即可以完成各种类型的计算，或者说“空间三维力计算”包含了所有的导轨副安装方向。在软件的初始界面中第一个选项即为设置其安装方向（见图1）。

在选完安装方向后，就要确定导轨副的基本分布了（见图2），这里包含了一个直线运动副中导轨的使用数量和每根导轨的滑块使用数量，一定要选择正确，因为它对应的后台计算公式是不一样的。

导轨副的种类按滚动体分有钢球型和滚柱型。其中，钢球型又分为GGB四方向等载荷型、GSB静音型及GGD径向重载型；滚柱型又有GZB滚柱重载型等。根据不同的需求选择不同的导轨副类型（见图3），例如，一般情况下使用GGB型导轨副即可，对于噪声要求较高的可以选择GSB型静音导轨副，对于挂壁、倾斜使用的一般是GGD型径向重载型导轨副，对于重载、刚性要求非常高的选择GZB型导轨副。由于GZB型导轨滚动体为滚柱型，刚性非常好，这就对安装精度条件要求较高，在选择时应慎重考虑，对于安装精度条件不好的工况，导轨副的使用结果有可能会适得其反。

然后再选择用于计算的导轨副规格（见图4），由于每种规格的额定动载荷和额定静载荷都不一样，因此会带来不同的计算结果，且计算结果的差异会比较大，因为软件计算的速度快而且比较精确，根据使用经验，在初次计算时可以选择任意一种，通过过程中计算的情况再适当调整即可。

再点击下一步对于导轨副的运行速度、加速度及运动频率（每分钟往复次数）等进行设置（见图5），由于实际使用中的运动频率和计算中的频率总是会有一定的差异，这个软件允许使用者对运动频率进行一定范围内的调整。

在图5中点击下一步即可进入受力参数设置（见图6），在这里受力的大小、方向及力的数量是不受限制的，不同方向的力都可以根据正交分解成Fx、Fy、Fz方向，对于力的数量只要在软件中点击“添加数据” 即可以不受限制增加力的数量。

这些参数设置好，点击下一步，后台通过计算并记录对导轨副的某瞬时、某滑块的最大载荷，滑块的当量载荷，最大等效载荷及各滑块的不同运行状态中的受力情况，并将计算结果自动提供给寿命计算界面。

图 4

图 5

图 6

2. 滚动直线导轨副选型软件的寿命计算

根据滚动体不同，导轨副的额定寿命计算公式也不一样，在国际中通用的导轨副寿命计算公式有两种，一种是滚动体为滚柱的导轨副的寿命计算；另一种是滚动体为钢球的导轨副的寿命计算。根据选择的导轨副类型，软件会自动选择正确的寿命计算公式。

对于滚动体为滚柱的导轨副，以长度（km）为单位的额定寿命为

对于滚动体为钢球的导轨副，以长度（km）为单位的额定寿命为

式中，L是额定寿命（k m）；C是额定动载荷（kN）；Pc是当量载荷（kN）；fh是硬度系数；ft是温度系数；fc是接触系数；fa是精度系数；fw是载荷系数。

由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取fh=1。接触系数、精度系数和载荷系数可分别查表1、表2和表3。

这些参数可在软件的“设定寿命条件”中自动完成（见图7），并不需要自行查表。

表1 接触系数

这样就完成了导轨副选型所有参数的设定，若对软件的计算结果不满意，需要改变导轨副类型，可以通过图7中“手动选型”进行快速计算，软件还可以提供3D/2D设计模型、计算结果的报表等，通过报表还可以进一步研究每只滑块的受力状态，这样可以看出滑块的分布是否合理，从而可以对滑块的分布做进一步的优化。

表2 精度系数

表3 载荷系数

图 7

3. 结语

我公司的滚动直线导轨副选型软件可以快速、准确地对导轨副滑块受力情况、寿命情况等进行计算，大大降低了导轨副选型计算的难度和导轨副计算选型工作的门槛，但更重要的是我们能对这个软件进行举一反三的应用、能够对过程中各种结果进行分析，从而优化结构设计。本文中提到的对各种空间力的正交分解大幅拓展了软件的应用范围，对滑块各个状态的受力情况进行分析，优化了滑块的分布。