ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ

Механизм работы гидростатических подшипников. Гидростатический под­шипник является опорой жидкостного трения, в какой давление в слое смазочного материала, разделяющем вал и втулку, создается за счет внешне­го источника и не находится в зависимости от скорости вращения вала. Круговая нагрузка на шпиндель воспринимается круговым, а осевая — упрямым гидростатически­ми подшипниками.

Во ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ втулке кругового подшипника изготавливают кармашки 2 (рис. 7.1, а), в которые масло от насоса подводится через круговые отверстия. Дальше оно вытекает через перемычки 1 и по шее вала. В кармашках и в области перемычек появляются симметричные поля давлений, удерживающие ненагруженный шпиндель в среднем положении с зазором 6 меж ними и втулкой (на рис ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ. 7Л, б поля давлений при отсутствии нагрузки на шпиндель показаны сплошными линиями). Бели на шпиндель действует наружняя сила, к примеру направленная вертикально сила резания Р, ось шпинделя сдвигается на величи­ну эксцентриситета е. Таким макаром у верхнего кармашка зазор увеличивает­ся, а давление понижается, у нижнего напротив — зазор миниатюризируется, а ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ давле­ние растет (новенькая эпюра давлений на рис. 7.1, б показана штриховыми линиями). В итоге силы давления масла и наружняя нагрузка приходят в состояние равновесия. Для этого нужны два условия: давление в карма­нах становится неодинаковым, расход масла через разные кармашки остает­ся приближенно неизменным. 1-ое условие производится благодаря ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ разделе­нию поверхности скольжения втулки на кармашки с перемычками, 2-ое обеспечивается дросселями на входе в кармашки, пропускающими в их неизменный объем масла независимо от нагрузки.

Гидростатический подшипник с круговыми отверстиями для слива (рис. 7.1, в) просит увеличенного расхода масла, но обеспечивает наилучший отвод теплоты от опоры при большой скорости вращения шпинделя ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ. Гидростатичес­кий упрямый подшипник (рис. 7.1, г) служит для восприятия осевых нагру­зок. Масло через дроссели подводится к кольцевым канавкам на опорных по­верхностях. На их могут быть выполнены и несколько независящих карма­нов.

Конструкцию и эксплуатационные характеристики подшипника в значимой степени определяет используемый дроссель. Благодаря ему обеспечиваются размеренное положение оси ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ шпинделя, не плохое демпфирование, независимость нагрузочной возможности и жесткости опоры от вязкости масла, изменяющей­ся при его нагревании. Используют дроссели и регуляторы расхода. Капилляр­ный дроссель представляет собой набор шайб, на торцах которых сделаны каналы для масла. Поворотом шайбы 1 (рис. 7.2, а) изменяют рабочую длину канала 2 и ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ давление рк масла в кармашке. Винтообразной капиллярный дроссель

(рис. 7.2, 6) регулируют, изменяя длину L рабочей части винта. В щелевом дросселе (рис. 7.2, в) регулируют ширину щели h. С целью увеличения жест­кости гидростатических опор, что в особенности нужно в прецизионных стан­ках, заместо неизменных дросселей используют регуляторы расхода. При всем этом подача масла в кармашек ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ меняется пропорционально давлению в нем, зазор в подшипнике меняется не много. В мембранном регуляторе расхода (рис. 7.2, г) зазор h меж мембраной и дросселирующей поверхностью увели­чивается с ростом давления рк, подача масла в кармашек регулируется автома­тически. При правильном выборе характеристик такие регуляторы расхода имеют отличные динамические свойства ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ. Но при­меняются они в большей степени в тяжело на­груженных и относительно тихоходных шпиндельных узлах. Автоматическое регули­рование подачи обеспечивает и щелевой ре­гулятор расхода (рис. 7.2, д). На гидростатических подшипниках уста­навливают шпиндели шлифовальных, расточ­ных и высокоточных токарно-винторезных станков, также шпиндели бабок агрегатных станков. Применение таких ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ опор более це­лесообразно в томных станках.

Гидростатические опоры владеют высо­кой жесткостью. Благодаря слою смазочного материала погрешности производства вала и отверстия меньше оказывают влияние на точность враще­ния шпинделя. Демпфирование в слое сма­зочного материала содействует понижению вибраций шпинделя. Но, применяя гид­ростатические подшипники, приходится ис­пользовать сложные системы ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ питания их маслом. При всем этом требуются особенные условия эксплуатации.


Масло для гидростатических подшипников. Масло для системы выбирают по вязкости, от которой зависят утраты на трение в подшипнике и трубах. Для шпиндельных узлов легких и средних прецизионных станков при частоте вра­щения наименее 3000 об/мин берут масло ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ Т (вазелиновое) с вязкостью (5,1... 7) 10 -6 м2/с при 50 °С; при п > 3000 об/мин - масло Л (велосит) с вяз­костью (4,0...5,1)•10~6 м2/с, для тяжелонагруженных шпинделей — инду­стриальное 45. Масло с давлением поступает на входы дроссе­лей. Наибольшая твердость масляных слоев достигается, если давление в не­сущих кармашках

Примеры шпиндельных узлов с гидростатическими опорами. На рис. 7.3 показан ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ шпиндельный узел шлифовального станка. Шпиндель 4 установлен на гидростатических подшипниках 5 и 8, имеющих по четыре кармашка. В кармашек Н задней опоры масло поступает по каналу Б, кольцевой канавке В, каналу К, винтообразной канавке дросселя 9, каналам Л и М. По шее шпинделя масло из кармашков соединяется в отверстия Д ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ и И,а потом в корпус шпиндельной бабки. Осевая нагрузка обоих направлений воспринимается гидростатическими упор­ными подшипниками. В кольцевую канавку Е подшипника задней опоры мас­ло поступает по каналу А. Аналогичным образом оно подводится в полость Ж упрямого подшипника фронтальной опоры. Осевое положение шпинделя устанав­ливается при помощи винта ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ 1 ирычага2. Замыкание меж гильзой 3 и рыча­гом 2 создается подпружиненными штырями 7. Зазор в упрямых подшипни­ках регулируется методом подшлифовки компенсационного кольца 6. Плотность задней опоры обеспечивается лабиринтным уплотнением Г. Такая же конструкция уплотнения фронтальной опоры.

На рис. 7.4 представлена передняя опора шлифовального шпинделя с ком­бинированным гидростатическим подшипником. В его состав входят ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ радиаль­ный 3 и упрямый 2 подшипники двухстороннего деяния, масло в которые подводится через многодисковые дроссели 1, интегрированные в кольца подшипни­ков.


Конструктивные характеристики гидростатических круговых подшипников. С целью предотвращения порчи поверхностей при поворачивании шпинделя без включения гидросистемы втулки гидростатических подшипников выпол­няют биметаллическими либо из антифрикционных материалов. Характеристики шероховатости рабочих поверхностей, конкретно действующие на ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ радиаль­ный зазор, принимают Ra = 0,63...0,4 мкм, а для прецизионных станков -Ra - 016...01 мкм.

Поперечник D шеи шпинделя (рис. 7.5) выбирают исходя из требуемой его жесткости. Длину подшипника L берут равной (1,0-1,2) D как обеспе­чивающую наивысшую твердость при данном D. Ширину перемычки /j в осевом и тангенциальном направлениях принимают равной 0,ID ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ, что обеспечивает удовлетворительную несущую способность при малых утечках. Диаметральный зазор в подшипнике А, оказывающий воздействие на его жест­кость, перенос на обрабатываемую деталь погрешностей формы шеек шпин­деля, расход смазочного материала, берут равным (0,0006-0,00065)D. Угол φ к, ограничивающий кармашек, в подшипнике с 4-мя кармашками прини­мают равным 72°.

Обычно делают ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ четыре кармашка, потому что их симметричное размещение понижает отрицательное воздействие овальности шеек шпинделя на точность обра­ботанной детали. Глубину кармашков h принимают более 50Д, что препятст­вует возникновению в их гидродинамических эффектов.

Расчет гидростатических круговых подшипников. Цель расчета подшипни­ка заключается в определении его размеров зависимо от данной нагру­зочной возможности ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ и жесткости опоры. Не считая того, определяют требуемую подачу масла и мощность для его прокачивания, также характеристики дросселей.

Ниже изложена методика расчета гидростатических круговых подшип­ников с 4-мя симметрично расположенными круговыми кармашками, работающих со скоростями скольжения до 25 м/с при относительных эксцен­триситетах

Расчет производится при последующих допущениях ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ: подшипник считается полностью жестким, а масло несжимаемым; оси вала и втулки всегда ос­таются параллельными; давление масла в кармашке рк в два раза меньше давления рн на входе дросселей; гидродинамические эффекты в подшипнике отсутствуют.

Начальные данные: принятые конструктивные характеристики подшипника, расчетный эксцентриситет е, рабочая температура опоры, наибольшее радиаль­ное усилие, нужная круговая ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ твердость подшипника, марка используе­мого масла. Вычисляют эффективную площадь кармашка (мм2)

коэффициент

относительный эксцентриситет

Твердость подшипника (Н/мм) при центральном положении шпинделя

при смещении шпинделя из центрального положения под действием наружной силы

Значения

Нагрузочная способность (Н) подшипника

Подача (см3 /мин) масла в подшипник, нужная для его работы,

где длина дуги, ограничивающей кармашек, град ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ; динамическая вязкость масла, Па-с;

Мощность (кВт), требуемая для прокачивания масла через подшипник,

Длина канала дросселя (мм) / и его эквивалентной поперечник d, обеспе­чивающие его самую большую твердость, определяются по зависимостям

где SД —площадь поперечного сечения канала дросселя, мм2; и — периметр его поперечного сечения, мм.

Утраты мощности (кВт) на ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ трение в подшипнике складываются из утрат мощности в кармашках РК , на перемычках меж кармашками Рп, на перемыч­ках, ограничивающих кармашки в осевом направлении, Р0 . При всем этом

(где Dj - поперечник внутренней стены кармашка, мм);

Общие утраты мощности на прокачивание масла через подшипник и поте­ри на трение в ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ нем

Утраты мощности (кВт) на трение в высокоскоростном гидростатическом подшипнике могут быть значительными — 2 кВт и поболее. Ниже приведена последователь­ность их расчета [ 36].

Находят окружную скорость (м/с)

где D - поперечник подшипника, мм; n — частота вращения, об/мин.

Определяют число Рейнольдса

где р –плотность масла, кг/м3;

расчетная глубина кармашка, мм;

динамическая ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ вязкость масла, Па-с.

При неизменной глубине кармашка hK расчетная глубина . В случае серповидного кармашка где наибольшая глубина кармашка, мм.

Если Re < 1000, течение масла в кармашках можно считать ламинарным, а утраты мощности (кВт) определять по зависимости

где S П—площадь перемычек, м2; h — круговой зазор, мм.

Если Re > 1000, течение масла ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ в кармашке можно считать турбулентным. Тогда определяют коэффициент трения

а потом утраты мощности на трение

где Sк — площадь кармашков подшипников,м2.

Температура подшипника (° С)

где с — темплоемкость масла, кДж/ (кг.град).

Расчет гидростатических упрямых подшипников. Действенная площадь кармашков (см. рис. 7.1)

где D ,D2,D3,D4 - поперечникы перемычек, м.

Относительное смещение шпинделя из нейтрального положения

где ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ е1 — абсолютное смещение шпинделя из нейтрального положения под действием наружной нагрузки; h0 — исходный зазор в подшипнике.

Нагрузочная способность (Н) подшипника

где рн — давление масла на входе дросселей.

Твердость подшипника при среднем положении вала относительно опор­ных поверхностей

при смещениишпинделя под действием наружных сил


shum-perlina-issledovanie-i-postroenie-resheniya-zadachi-30.html
shumel-surovo-bryanskij-les-1-glava.html
shumel-surovo-bryanskij-les-14-glava.html