Los husillos de bolas desempeñan un papel crucial en el sistema de potencia de las máquinas herramienta. A medida que la industria manufacturera evoluciona, el mercado exige una calidad de producto cada vez más estricta, lo que empuja a las empresas a exigir requisitos de precisión más altos para las máquinas herramienta.
En consecuencia, la confiabilidad y el rendimiento de los husillos de bolas se han convertido en estándares esenciales. En el sistema de alimentación, el desgaste del husillo de bolas puede provocar una disminución de la precarga, lo cual es un problema común.
Una precarga adecuada puede evitar impactos axiales y calor excesivo, mejorando la precisión y la vida útil del husillo de bolas. Este artículo revisará brevemente los problemas asociados con los husillos de bolas y discutirá estrategias viables de mantenimiento predictivo para mitigar el desgaste.
Un husillo de bolas es un actuador lineal que convierte el movimiento giratorio en movimiento lineal, ampliamente utilizado en sistemas de alimentación de máquinas herramienta. Su principal ventaja es el posicionamiento preciso a altas velocidades, con alta eficiencia mecánica.
Debido a su baja fricción, su eficiencia de transmisión puede alcanzar hasta el 90%, lo que también extiende la vida útil del husillo de bolas y reduce el tiempo de inactividad por mantenimiento. La fricción y los impactos lineales entre el husillo de bolas y la tuerca dificultan la consecución de un sistema de alimentación preciso.
Normalmente, se aplica la cantidad correcta de precarga para eliminar los impactos lineales y aumentar la rigidez del husillo de bolas. Sin embargo, una precarga excesiva puede aumentar la fricción. La precarga también juega un papel importante en la rigidez, el ruido y la precisión posicional del husillo de bolas.
Cuando una máquina arranca o se detiene, la aceleración o desaceleración del husillo de bolas puede provocar una pérdida de aceite lubricante en las superficies de contacto. Esta pérdida puede empeorar la disipación de calor y acelerar el desgaste del husillo de bolas. A medida que el desgaste se profundiza, la precarga disminuye, lo que representa una preocupación principal para los husillos de bolas.
El desgaste inducido por fricción en husillos de bolas implica el análisis del desgaste de la superficie. La rugosidad de la superficie de la bola es más suave que la de la pista, por lo que su movimiento relativo puede compararse con la interacción entre una superficie lisa y una superficie rugosa.
Si una superficie más dura y rugosa golpea repetidamente en la misma dirección a través de una superficie más blanda, se acumula deformación plástica unidireccional con cada ciclo. Este proceso de "fallo de trinquete" o "colapso progresivo" sugiere que el desgaste se produce a través de un mecanismo de fractura dúctil, que produce desechos muy finos en forma de placas, como se muestra en la Figura 1.
Las pruebas dinámicas de husillos de bolas muestran que el par aumenta inicialmente hasta un valor alto antes de comenzar a disminuir. Esto se debe a que la película lubricante que protege las superficies de contacto necesita tiempo para formarse, lo que aumenta la fricción entre la bola y la pista y requiere más torque para impulsar el eje del sistema de husillo de bolas. Como se muestra en la Tabla 1, a velocidades más altas que requieren más tiempo de aceleración, el par aumenta con la velocidad.
Tabla 1 Aceleración en función de la velocidad de rotación
| Velocidad de rotación (rad/s) | 31.4 | 62,8 | 94.2 | 125,6 | 219,9 | 314.2 |
| Tiempo(s) de aceleración | 0.036 | 0.055 | 0,076 | 0,099 | 0,16 | 0.215 |
| Aceleración (m/s) ²） | 2.78 | 3.63 | 3.95 | 4.04 | 3.75 | 4.65 |
Al desacelerar, el comportamiento difiere del de aceleración, pero también requiere un mayor par para desacelerar. Cuando la velocidad se estabiliza, el par aumenta gradualmente con la velocidad. La diferencia en el par es relativa a velocidades estables similares en pasos instantáneos, lo que muestra que los regímenes de lubricación durante la aceleración, desaceleración y velocidad constante son distintos.
Así, las superficies de contacto soportan cargas importantes y velocidades relativas bajas, lo que provoca problemas críticos de lubricación durante la aceleración y desaceleración.
El mantenimiento predictivo implica el uso de sensores para monitorear el estado operativo del equipo, combinando datos de sensores con parámetros del ciclo de vida para determinar el momento del mantenimiento. Esto maximiza los intervalos de mantenimiento y reduce los costos de tiempo de inactividad.
El mantenimiento predictivo puede reducir fallas mecánicas inesperadas y evitar que los problemas empeoren. La detección y reparación tempranas de problemas mecánicos pueden mitigar la mayoría de los problemas, mejorando así la calidad del producto y la eficiencia de las fábricas y líneas de producción.
Los métodos de detección pueden ser directos o indirectos. Los métodos directos implican medir directamente la precisión operativa y el estado posicional del componente. Los métodos indirectos recopilan señales e información relacionada con el componente para inferir su estado.
Este artículo se centra en los métodos directos, donde la selección de la señal de detección es crucial. Las señales de detección incluyen señales de emisión acústica, detección láser, detección de señales eléctricas, detección de señales de vibración y señales internas de máquinas herramienta.
Para el mantenimiento de husillos de bolas basado en la corriente del motor eléctrico, normalmente se utilizan métodos de análisis en el dominio del tiempo. La teoría Wavelet representa un nuevo método de análisis en el dominio del tiempo.
Las señales eléctricas contienen muchos mensajes de error y una cantidad importante de ruido. Las señales wavelet pueden separar eficazmente las señales en diferentes bandas de tiempo y frecuencia, eliminando las señales de ruido y reconstruyendo una imagen de señal más clara.
La recopilación de señales de corriente utiliza sensores de corriente Hall, basados en el principio Hall de equilibrio magnético y el principio de bucle cerrado, como se muestra en la Figura 2.
La corriente de entrada genera un campo magnético que pasa a través de un núcleo magnético de alta calidad, formando un bucle de flujo magnético. El elemento Hall se fija en un pequeño espacio de aire. Una bobina enrollada alrededor del núcleo magnético produce una corriente de compensación en la dirección opuesta.
Esta corriente compensatoria compensa el flujo magnético generado por la corriente de entrada, manteniendo el flujo magnético cero en el circuito. Después de un procesamiento especial del circuito, el potencial de salida del elemento Hall refleja con precisión los cambios en la corriente.
Por lo tanto, los sensores de corriente Hall pueden monitorear los cambios en la corriente del motor de accionamiento del husillo de bolas. El procesamiento de los datos recopilados puede determinar con precisión el estado operativo del husillo de bolas.
