Mantendo o controle em aplicações de fusos esféricos verticais

Apr 18, 2024

Este freio de parafuso esférico é acionado por mola. Em caso de perda de energia, ele acionará automaticamente a carga. A energia deve ser reabastecida para liberar o freio da carga. Foto cedida pela Nexen Group Inc.

Um freio de parafuso esférico é conectado à extremidade de um parafuso esférico com um acoplamento que pode compensar uma pequena quantidade de desalinhamento axial. Foto cedida pela Nexen Group Inc.

Em algumas aplicações de elevação vertical, um servomotor aciona o fuso de esferas. Um freio de servomotor montado em flange, instalado entre o motor e o flange de elevação, irá segurar o parafuso esférico e evitar o retrocesso. Foto cedida pela Nexen Group Inc.

Os fusos esféricos de alta eficiência retrocederão em aplicações de elevação vertical, necessitando de um freio para segurar a carga. Foto cortesia da THK

Os fusos esféricos de alta eficiência são ideais para posicionamento linear preciso e de alta velocidade. No entanto, o retrocesso pode ser um problema, especialmente se o parafuso esférico estiver na posição vertical. Se o parafuso esférico não for preso corretamente, a carga poderá cair rapidamente e causar danos à carga útil, à máquina e aos trabalhadores.

Para evitar que isso aconteça, os engenheiros têm várias opções. Uma maneira é usar contrapesos colocados sobre polias de cabos para compensar o peso da carga transportada no fuso de esferas. Este design não é ideal. Ele ocupa espaço, possui muitos componentes e não aplica força de retenção diretamente no fuso de esferas.

As paradas bruscas são outra opção, mas podem danificar o parafuso esférico se não forem instaladas ou controladas corretamente. Uma parada brusca cria uma carga de contato de alta força que pode deformar as roscas da esfera, comprometer a resistência dos rolamentos de esferas, danificar o sistema de retorno e prender a porca esférica no parafuso.

Uma terceira opção são as molas de travamento. Eles são inseridos no espaço entre a porca esférica e o parafuso esférico. Se as esferas estiverem gravemente danificadas, o espaço livre será ocupado pela mola de travamento. O aumento do atrito criado pela mola evita que a carga caia livremente ou empurre o parafuso para trás.

Outro método é empregar mecanismos, como pinças ou freios tipo pinça, para prender o parafuso. Este método é um tanto eficaz, mas pode danificar o parafuso esférico e degradar sua precisão. Esses designs também ocupam muito espaço.

Uma parada por ultrapassagem, ou trava, evita danos por ultrapassagem acidental em qualquer extremidade do parafuso esférico. No entanto, não se pode confiar nas paradas dos cães para proteção primária. Este tipo de parada só deve ser utilizado como proteção redundante. O deslocamento deve ser interrompido pelo sistema de controle do conjunto e precisa ser mantido por um freio de desligamento, como o freio de parafuso esférico. A maioria dos atuadores lineares usa freios nos motores ou corrediças. Esses freios são montados em motores de eixo duplo ou no eixo que suporta a polia.

Um dos erros mais comuns no controle de movimento ocorre ao projetar atuadores acionados por parafuso esférico ou por correia para aplicações verticais. Normalmente, ambos os sistemas têm uma eficiência mecânica de 90%. Em caso de perda de potência, o motor não possui torque de retenção, o que faz com que a carga caia.

O torque de acionamento traseiro, Tb, pode ser calculado como Tb = PLe/2π, onde L é o avanço do parafuso (em polegadas), P é a carga em libras e e é uma constante de eficiência mecânica.

Algum atrito inerente ao sistema pode suportar cargas leves, mas os atuadores sem haste normalmente retrocederão mesmo com uma pequena quantidade de força. Os fatores que resistem ao retrocesso são ineficiências mecânicas (incluindo forças opostas aplicadas à carga); atrito estático nos rolamentos e sistema de acionamento; ineficiência de redução (da correia dentada ou engrenagens); e o torque necessário para girar o eixo manualmente quando o motor não está ligado.

O passo de um sistema acionado por parafuso também contribui. Um parafuso esférico com passo de 2 rotações por polegada tem um retrocesso menor do que um parafuso com passo de 5 rotações por polegada. Isso ocorre porque a relação entre o torque de atrito e a força de retenção axial é F = 2πTfp; onde Tf é o torque de atrito e p é o passo do parafuso esférico.