Диссертация (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами), страница 2

1214.7.2. Эксплуатационные характеристики узла РТШ 020 .............................. 1224.7.3. Эксплуатационные характеристики опор узла РТШ 020 ..................... 1234.7.4. Итоги испытаний шпиндельных узлов.................................................. 1244.8. Выводы по Главе 4 .................................................................................... 1264.9. Выработанные рекомендации ................................................................... 1274.9.1. Рекомендации по испытаниям ............................................................... 1274.9.2.

Замечания по расчётным моделям......................................................... 1284.9.3. Технические рекомендации и замечания .............................................. 129Глава 5. Экспериментальная проверка математических моделей ............. 1305.1. Экспериментально - расчётная идентификация зазорапо осевойстатической характеристике .................................................................... 1305.1.1. Результаты идентификации зазора для узла РТШ 020 ......................... 1315.2.

Проверка расчётных динамических характеристик опор ....................... 1315.3. Проверка расчётных динамических характеристик шпинделя ............... 1335.4. Сравнение импульсных переходных процессов ...................................... 1335.5. Влияние усреднённого зазора на разброс характеристик ....................... 1355.6. Выводы по Главе 5 .................................................................................... 138Общие выводы по работе ..................................................................................

140Заключение ………………………………………………………………………1436Стр.Список литературы............................................................................................ 144Приложение ......................................................................................................... 163П.1. Параметры шпиндельных узлов .............................................................. 163П.2.

К расчётам сферических аэростатических опор ……………………..…169П.3. Примеры использования полной 2D модели сферическойаэростатической опоры ............................................................................ 183П.4. Примеры расчёта силовых характеристик опор ..................................... 194П.5. Предварительные испытания шпиндельного узла НШУС 110 .............. 210П.6. К испытаниям шпиндельного узла РТШ 020 ..........................................

243П.7. Протоколы внедрения математических моделей .................................... 2667ВВЕДЕНИЕСовременные прецизионные и (или) высокоскоростные станки частокомплектуются аэростатическими шпиндельными узлами, характеристикикоторых определяют достижимую производительность и точность. Биения осиаэростатических шпиндельных узлов имеют периодический характер и неменяются при эксплуатации, поскольку отсутствует сухое трение и износ.Традиционно в аэростатических шпиндельных узлах применяютцилиндрические и плоские опоры [1-3]. Дефекты взаимного расположения трёхпаропорныхповерхностейсамоустанавливающихсяопределяютсферическихуровеньбиений.аэростатическихопорПрименениеупрощаетрегулировку и исключает возникновение биений оси от остаточных перекосов.При сборке узла со сферическими опорами контролируют только расстояниемежду их центрами. Поэтому по сравнению с традиционной компоновкойможно уменьшить аэростатический зазор, что позволяет сократить расходвоздуха, повысить жёсткость, частоты колебаний и вязкое сопротивление опор.Указанныедостоинстваоченьвостребованывстанкостроении.Конструкции шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорамидля изготовления жёстких дисков описаны в серии патентов США [4-7], безрасчётных схем и значений параметров.

Сложность оптимизации параметровшпиндельных узлов и режимов обработки привела к проведению комплексногоисследования по созданию методов прогнозирования точности обработки,этапы которого указаны на Рис. В.1. Все этапы подлежат экспериментальнойпроверке. Данная работа посвящена связанным этапам 3 и 4 по моделированиюаэростатических сферических опор и динамики шпинделя. Их объединяет то,что без динамических испытаний и расчётов сложно проверить модели опор,поскольку статические испытания опор не достаточно информативны. В своюочередь,динамикашпинделяпринципиальнозависитотналичияисоотношения циркуляционных, диссипативных сил и недиссипативных сил,8зависящих от скорости, которые определяются при расчёте опор. В этой работеопорные реакции в виде циркуляционных сил и недиссипативных сил,зависящих от скорости, для краткости названы перекрёстными связями.Рис.

В.1. Этапы прогнозирования качественных показателей технологическихопераций на разрабатываемых шпиндельных узлахЭкспериментальные проверки математических моделей выявили рядявлений и несоответствий, которые были объяснены лишь после усложнениярасчётных схем, расширения программы экспериментов и идентификациипараметров шпиндельных узлов.Созданныесамостоятельнуювданнойзначимость,работеметодыпосколькумоделированияпозволяютимеютопределятьрядкачественных показателей (Рис. В.1) и предложить рекомендации дляпроектирования, но весь потенциал разработанных моделей будет раскрыт припереходе на следующие этапы разработки.9Объектисследования:шпиндельныеузлынасферическихаэростатических опорах с пористыми ограничителями наддува.Цель работы: разработка методов прогнозирования динамических истатическихэксплуатационныххарактеристикшпиндельныхузловспористыми сферическими аэростатическими опорами.Решённыезадачи:разработкаиэкспериментальнаяпроверкаматематических моделей для определения эксплуатационных характеристикпористых сферических аэростатических опор и шпиндельного узла в целом.Внедрение: созданные расчётные модели используются при разработкеультрапрецизионныхшпиндельныхузловиповоротныхстоловсосферическими аэростатическими опорами для станков алмазного точения,фрезерования и шлифования.

Методика идентификации параметров трения привращении ротора внедрена в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана.Реализация математических моделей. Описание опор выполнено наосновании нелинейного уравнения Рейнольдса газовой смазки методомконечных элементов в программах Comsol Multiphysics 3.5a и MATLAB R2007bв двухмерной постановке «2D» и в постановке «2D+t» при рассмотрениизависимости распределения давления от двух пространственных координат ивремени.Моделирование динамики выполнено в соответствии с положениямитеоретической механики в программном комплексе MATLAB R2007b сприменением тензорно-матричного языка для формирования системы ОДУ 12огопорядка.Выводтензорно-матричныхуравненийпространственнойдинамики выполнен с использованием символьных вычислений Mathcad 14.Модальныйанализлинеаризованнойдинамическойметодами линейной алгебры и теории колебаний.системыпроведён10Методы экспериментальных исследований:методы ударной вибродиагностики: интерполяция огибающих, быстроедискретное преобразование Фурье (БДПФ) и метод Прони;непосредственноеизмерениестатическихсиловыхирасходныххарактеристик, осевого люфта, кривых выбега;измерение шероховатости опор на конфокальном оптическом микроскопеµSurf NanoFocus;измерение шероховатости кварцевого образца на АСМ Negra Spectra.Научная новизна диссертационной работы заключается в том, чтовпервые, на основании обобщения известных математических моделейдинамикиротораисферическихгазовыхопорразработанамодельультраперецизионного шпиндельного узла, включающая в себя:1.

возможность учёта влияния режимов работы и конструктивныхпараметровсферическихаэростатическихопорнадинамическиеэксплуатационные характеристики шпинделя;2. шесть пространственных степеней свободы шпинделя и егопроизвольную динамическую неуравновешенность;3. возможность описать перекрёстные зависимости радиальных и осевыхреакций сферических аэростатических опор от смещений и скоростейшпинделя, что позволило определить условие устранения перекрёстноговлияния радиальных скоростей и смещений на осевую реакцию;4.

методику линеаризации реакций сферических аэростатических опоржёсткостями и сопротивлениями, зависящими от частот колебаний.Созданная мультидисциплинарная динамическая модель реализованачисленно в современных программных комплексах MATLAB и Comsol.Разработаны и опробованы методики экспериментального определенияосновных параметров сферических аэростатических опор (усреднённого иминимального зазора, жёсткостей, вязких сопротивлений).11Практическая значимость1.

Разработанные математические модели сферических аэростатических опорприменяютсядлярасчётаэксплуатационныххарактеристикизготавливаемых шпиндельных узлов и поворотных столов: несущейспособности, жёсткости и вязкого сопротивления в разных направлениях.2. Создание модели динамики шпинделя применяются для отстройкирезонансных частот от частот технологических процессов; для расчётасиловых характеристик в различных направлениях; частот, демпфированияи форм колебаний. Также они позволяют оценивать влияние произвольнойнеуравновешенности на уровень биений.3.