Диссертация (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами), страница 5

пассивные с постоянной расходной характеристикой (дросселирующаядиафрагма, капиллярное отверстие, …);2. активные,сопротивлениекоторыхкорректируетсяуправляющимиустройствами на основании датчиков и обратной связи;3. адаптивные,расходнаяхарактеристикакоторыхкорректируетсяавтономно за счёт деформации компенсирующих элементов.251.3.2.1. Точечные ограничителиТочечные ограничители (капиллярные отверстия или сопла) отличаютсянизким уровнем среднего давления в смазочном слое, малой несущейспособностью и жёсткостью [32, 33, 35]. Опоры с точечными ограничителяминаддува применимы в чистых помещениях и позволяют использовать большоедавление подачи [36]. Распределительные канавки и карманы повышаютнесущую способность и жёсткость, но снижают виброустойчивость.

Приколебаниях давление смазочного слоя меняется в зависимости от смещения сзадержкой на время сжатия воздуха в распределительных полостях. Из-за этогопри неправильном выборе режимов работы могут возникать автоколебаниятипа "пневмомолот" [1].1.3.2.2. Ограничители с распределённым наддувомОграничители с распределённым наддувом (рис 1.6) подводят воздух всмазочный слой вдоль линии стыка двух деталей с заранее заданнойшероховатостью [33, 37-39] или через пористый материал.Рис. 1.6. Ограничители распределённого наддува: а – щелевые, б – пористые;в – частично пористыеТакие опоры более технологичны и не склонны к автоколебаниям типа«пневмомолот». Щелевые ограничители наддува требуют определённогостягивающего стык усилия, что усложняет их применение.

Ограничители сосплошной пористой стенкой имеют большую несущую способность [3, 35, 4046] но требуют значительного расхода воздуха. Из-за низкой прочности26пористых материалов для них опасны удары при вращении и транспортировке.Этих недостатков могут быть лишены опоры с частично пористой опорнойповерхностью. Прочный корпус защищает пористые вставки от ударов. Прирациональном проектировании достигается высокая жёсткость и несущуюспособность при умеренном расходе. Но многие исследователи [3, 43, 47]согласны, что распространению пористых аэростатических опор препятствуетразброс проницаемости пористых материалов, которая даже для однойзаготовки может отличаться в десятки раз [48].1.3.2.3. Активные и адаптивные ограничители наддуваВсе активные и адаптивные аэростатические опоры, известные автору,имеют точечный наддув с указанными выше недостатками.

Например,адаптивныеопоры"сдвойнымдросселированием"[49,50,51],сэластомерными кольцевыми ограничителями [50, 52], с деформируемойповерхностью [53] равно как и активные опоры с пьезоэлектрическойзаслонкой [50] или управляемой упругой опорной поверхностью [54].Сложности расчёта, изготовления и контроля активных и адаптивных опорделают оправданным их применение, лишь в серийном оборудовании.Из перечисленных ограничителей наддува выбрана схема с пористымиграфитовыми вставками. Для её внедрения необходимо оценить разброспроницаемости пористых ограничителей наддува kp и его влияние наэксплуатационные характеристики.1.3.3. Режим работы и форма опорных поверхностейНе приемлемы газо- или гидродинамические опоры, поскольку ихжёсткость и виброустойчивость, зависят от скорости вращения, а пусковойизнос снижает стабильность характеристик.Гидростатические подшипники отличаются значительным трением, нагревом именьшими скоростями.

Гидро- и газостатические опоры с не воздушной27смазкой требуют приспособлений для сбора смазки. Ниже рассмотрены,прежде всего, аэростатические подшипники. Их характеристики (жёсткость ивязкоесопротивление)номинальногозазора.могутбытьВеличинаповышенызазоразаограниченасчётуменьшениятехнологическимифакторами: шероховатостью, отклонениями формы и точностью взаимногорасположения опорных поверхностей.

Компоновка ротора со сферическимиопорными поверхностями (Рис. 1.7, а) не является новой. Она (без расчётныхсхем) описана в монографиях [40, 48, 55], и в патентах США [4-7]. Такаяконструкция позволяет существенно снизить допуски на радиальный зазор.Рис. 1.7. Компоновки аэростатических шпинделей: а) со сферическимиопорами; б) катушечная; в) дисковая; г) с коническими опорамиПритрадиционнойкомпоновкешпиндельногоузласоднойцилиндрической и двумя плоскими опорами взаимное положение шестиопорных поверхностей определяется десятью параметрами.Конструкция ротора с радиально-упорными коническими опорамискольжения проще за счёт использования всего двух опор [56-58] (Рис. 1.7-г).При этом относительное расположение поверхностей определяется пятьюпараметрами.

Но у роторов с несферическими опорами остаточные взаимные28перекосы опорных поверхностей неизбежно порождают биения при вращении,что крайне нежелательно для прецизионного оборудования.У роторов со сферическими аэростатическими опорами многократноупрощается регулировка зазоров при сборке за счёт контроля только разницырасстояний между центрами сфер корпуса и вала. Поэтому в схеме ротора сосферическими опорами скольжения заложены следующие преимущества:1. используются лишь две опорные поверхности;2.

малые биения оси;3. упрощённая регулировка взаимного расположения.Ноимеютсяинедостатки.Контактприударесферическихаэростатических опор происходит исключительно в точке. Для защитысферических аэростатических опор можно использовать технологии защитысферических газодинамических опор, например, алмазоподобные [59, 60],анодированные [7] или многослойные наноструктурные покрытия [61],одновременно выполняющие функции антикоррозийной защиты.Другим недостатком ротора со сферическими опорами скольженияявляется сложность контроля отклонений формы поверхностей с двойнойкривизной и трудности измерения зазора при сборке.В приложении П.1.1 (Таблица 14) сопоставлены цилиндрические исферические аэростатические опоры, описанные в литературе, по абсолютномуи относительному зазору.

Результаты сравнения:1.За прошедшие полвека не наблюдается заметного прогресса в сниженииотносительного зазора цилиндрических опор. Большой разброс значенийсвязан с различиями технологий изготовления и режимов работы.2.Для цилиндрических опор наименьший значения относительного зазораh0 R  1  2...5 10 4 . Но столь малый относительный зазор намного чащеотносится к расчётным моделям, чем к изготовленным образцам. Данный29факт подтверждает наличие описанных выше технологических трудностейобеспечения малого зазора в цилиндрических аэростатических опорах.3.Почти у всех описанных сферических опор меньше относительный иабсолютный зазор при больших габаритах.4.Наименьший зазор h0=6·10-6 м для разомкнутого экспериментальногосферического подпятника, описанного D.

Rakwal [62]. Почти такой жезазор h0=6,36·10-6 м у двухопорного шпиндельного узла со сферическимиопорами в патенте M. Wahl [4].5.По номинальному зазору h0 узлы НШУС 110 и РТШ 020 уступают толькоэтим двум опорам.6.Относительный зазор h0 R 1  0,721,1104 узла НШУС 110 должен бытьменьше, чем у всех рассмотренных опор.1.4. Обзор литературы по газовым опорамИнтенсивное развитие теории газовой смазки началось после появленияв середине прошлого века промышленных образцов газовых опор.

В СССР сконца 40-х годов расчётами воздушных опор занимались в экспериментальномнаучно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС) подруководством С.А. Шейнберга (В.П. Жедь, М.Д. Шишеев, B.C. Баласанян,Н.Д. Заболоцкий [1, 46]), в ленинградском политехническом институте (ЛПИ)под руководством Лойцянского Л.Г. [63] (Н.Д. Заблоцкий, И.Е. Сипенков,А.Ю. Филиппов, Е.Г. Грудская, Б.С.

Григорьев, Г.К. Измайлов, В.М. Люсин,В.С. Карпов [34, 64]). Результатом этих работ стала детально разработаннаятеория газового смазочного слоя, учитывающая основные физические эффекты.В 1950–70х годах изданы фундаментальные труды по газовой смазкеН.С. ГрэссемаС.В. Пинегина,[65],В.Н. КонстантинескуЮ.В. Табачникова[2,33,[44],66].В.Н. ДроздовичаРаботысформировали целую научную область «газовая смазка».этого[55]ипериода30Центры изучения газовой смазки возникли в Ростове (А.И. Снопов [67]),Челябинске (Г.А.

Завьялов, С.Г. Дадаев), на Дальнем Востоке (И.Л. Шишкин,А.В. Космынин и др. [3, 40]), во Владимире (В.А. Легаев, В.В. Гавшин). ВКрасноярске разрабатываются газостатические и гидростатические опоры сактивными и (или адаптивными) ограничителями наддува (С.Н. Шатохин [52],Я.Ю. Пикалов, В.Г. Демин, [68] В.А. Коднянко [49, 69]). Большое вниманиебыло уделено технологическим вопросам, возникающим при создании газовыхопор.

Материалы и защитные покрытий для газовых подшипников, описаныС.В. Пинегиным, Табачниковым [2, 70] и Н.С. Грэссемом [65].Из работ постсоветского периода можно выделить книгу Ю.В. Пешти[32], где приводится достаточно подробная классификация газовых опорразных типов и методы их расчёта. В работе И.Е. Сипенкова [34] приводятсяконструкции и методы расчёта газовых подшипников скольжения, наибольшеевнимание уделено газодинамическим опорам навигационного оборудования.А.В. Космынин [3, 40] исследовал высокоскоростные цилиндрические частичнопористыеаэростатическиеиследованийжидкостныхшлифовальныеигазовыхопоршпиндели.Широкийскольженияобзорприводитсявсправочнике Э.Д.

Брауна [48].Зарубежные исследования аэростатических опор отражены в обзорныхмонографиях J. Bernard [71], Yokio Hori [72], G.W. Stachowiak [73].В настоящее время проводится разработка и внедрение новыхконструкций аэростатических опор. Путями для этого является увеличение [74]или уменьшение габаритов [75-79], использование новых типов опор [37, 80],встраивание активных систем управления расходом [49, 52, 53, 68, 81, 82]создание гибридных газовых опор [83], сочетание воздушной смазки смагнитными системами управления [84-89], позиционирования [90] илипредварительногонапряженияопор[91]...Проводитсяадаптацияаэростатических опор к новым приложениям, например, для дисковых или31ленточных лесопильных станков [92, 93], поршневых компрессоров [37, 94],микромеханических турбин [78, 95], механизмов с параллельной структурой[62, 91]…Разрабатываютсяиновыерасчётныесхемыопорскольжения.Л.А.