Диссертация (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами), страница 8

Для типовых задач модального анализа рекомендованобыстрое дискретное преобразование Фурье. Вейвлет – анализ лучше применятьдляпромежуточныхвычислений,когдатипвыбранныхвейвлетовнесущественно сказывается на полученном результате. В этом отношениипримером можно считать работу [155], где вейвлет - преобразованиеиспользовано для низкочастотной фильтрации при виброаккустическойэмиссии.

Сравнение вейвлет-анализа, быстрого преобразования Фурье и методаПрони для обработки нестационарных сигналов выполнил Г. Митрофанов[156]. Для быстро затухающих переходных сигналов отдано предпочтениеметоду Прони, поскольку он хорошо работает с непериодичными сигналами,хотя и требует нелинейной оптимизации.1.4.4.2. Измерение силовых характеристикИзмерениесиловыххарактеристикаэростатическогошпинделя(жёсткости и вязкого сопротивления) требует контроля кинематическогоотклика на заданное воздействие. Для нагружения применяют стандартныеустройства(вибростренды[157],механическиеилипневматическиединамометры [157-160]) и распространённые методы (удары [53, 158],вращение дисбалансов…).

Сложности возникают при испытаниях разомкнутыхаэростатических подпятников, которые необходимо прижимать постояннойсилой строго вдоль заданной линии. Чаще всего для этого изготавливаютспециальные пневмоцилиндры с газостатическими направляющими [1, 83, 159].Поэтому целесообразнее испытывать шпиндельный узел с двумя опорами, а неопоры по отдельности.Для верификации математических моделей могут быть использованыстатические и динамические характеристики. Статические испытания супрощёнными приспособлениями позволяют определить радиальный зазор посмещениям, жёсткость и предельную несущую способность.

Динамические45испытания удобнее проводить при импульсном воздействии методамимодальногоанализа,чтопозволяетопределитьжёсткость,вязкоесопротивление, демпфирование и частоты колебаний [132, 154].1.4.4.3. Контроль зазора аэростатических опорИз–за геометрических дефектов опор контроль зазора аэростатическихопор разделяется на две задачи: нахождение минимального зазора, связанного с предельными смещениями; измерение усреднённого зазора, определяющего силовые характеристики(жёсткость и вязкое сопротивление).В работе U. Nishio [159] отмечено, что усреднённый или «эффективный»зазор плоских аэростатических подпятников больше оценки по смещениям(Рис.

1.10) на величину δ, из-за шероховатости.Рис. 1.10. Введение понятия усреднённого (эффективного) зазора по осевомусмещению «h» для плоского подпятника в работе [159]В экспериментальной установке U. Nishio опорная поверхность корпуса(Shaft surface) была притёрта до Rz=0,2·10-6 м, а испытываемые плоские опоры(Beyaring surface) обработаны не указанным способом до Rz=(1…2)·10-6 м.Совпадениерасчётныхиэкспериментальныхсиловыххарактеристикдостигалось при δ=(1…2)·10-6 м.Другой пример напорного течения воздуха между поверхностями сшероховатостями Rz1 и Rz2 – это щелевой ограничитель наддува (рис 1.6-а).

Вработах [37, 39] экспериментально установлено, что при сжатии двух плоскихдеталей до контакта между ними остаётся усреднённый зазор46h0    A Rz1  Rz 2  ,k(1.1)где A=0,9…1,2 и k=0,83…0,9 коэффициенты, зависящие от вида обработки(рассмотрены шлифование, пескоструйная и лазерная обработки). Такимобразом,усреднённыйзазорбольшеминимальногонавеличинуδ,определяющуюся шероховатостью опор Rz, и зависящую от вида обработки.Усреднённый зазор и измеренный по смещениям примерно отличаются насумму Rz опорных поверхностей.

Их разница зависит от технологии обработки,и пренебречь ею можно только после прецизионной обработки на основанииметрологическогоисследованияопорныхповерхностей[65],чтопроблематично выполнить для сферических поверхностей.Сравним известные методики косвенных оценок зазора: по смещениям ротора газодинамического шарового гироскопа [34]; по расходу воздуха через аэростатический подшипник [3]; по ёмкости конденсатора, сформированным воздушным слоем [161], по давлению в локальной области смазочного слоя [162, 163].Измерение смещений позволяет оценить минимальный зазор. Точечноеили линейное касание сфер не позволяет установить величину зазора в несомкнувшейся части зазора.

Оценка зазора по смещениям усложняется трениеми перекосами оси, если испытания проводить при выключенном давленииподачи, или из-за необходимости прикладывать значительные силы привключённом давлении подачи.Измерение расхода, давления либо электрической ёмкости позволило быоценить усреднённый зазор. Но контроль усреднённого зазора по расходу идавлению неоднозначен из-за разброса проницаемости ограничителей наддуваи дефектов опор и их перекоса, если он не компенсируется.В патенте C.F. Hayek [161] описан способ контроля зазора сферическогоаэростатического самоустанавливающегося сегмента (Рис. 1.8-e [121]) по47электрической ёмкости газового слоя.

Для цилиндрических, плоских исферическихаэростатическихопор,изготовленныхОАО«ВНИИИНСТРУМЕНТ» и заводом «Красный Пролетарий» ни разу не удалосьосуществить измерение электрической ёмкости стандартными приборами из-заэлектрических пробоев. Из-за большой напряжённости электрический токсвободно протекает через газовый слой. Теоретически, такие испытаниявозможны при использовании специального оборудования или на макетах смалой опорной площадью.Если будут проводиться измерения перемещений при контроле силовыххарактеристик шпинделя, то достаточно легко можно оценить минимальныйзазор по смещениям. Разработка и сравнение методов контроля усреднённогозазора все ещё актуальна.1.4.4.4. Об измерении коэффициента проницаемости графитаВ монографии [44] выведена стационарная расходная характеристикапористого ограничителя наддува на основании закона Дарси, и в общих чертахописан метод измерения коэффициента проницаемости, заключающийся впропускании через пористый материал.

ГОСТ 26283-93[164] строгорегламентирует метод и условия измерения проницаемости спечённыхпорошковых металлов и может быть применён для графита. ГОСТ 26283-93учитывает более сложные модели течения сжимаемой и несжимаемой вязкойжидкости со скольжением и инерционными эффектами. Но ГОСТ 26283-93требуетиспользованиедостаточносложнойидорогойустановки,арегламентированные способы крепления пористой заготовки не соответствуетиспользуемомукреплениюпористыхвставоквразрабатываемыхаэростатических узлах. При контроле проницаемости желательно использоватькрепления пористых вставок, соответствующие их креплению в шпиндельномузле и более простую установку.481.4.4.5. Итоги обзора экспериментальных исследований1.

Изготовлениеэкспериментальныхсферических подпятников нешпиндельныхузловмоделейоправдано. Из-заиспытанияпромышленных образцах.узловвозможныилиотдельныхвысокой стоимоститольконаопытно-Недостатки такого подхода - сложностинаблюдения физических процессов и ограниченное время испытаний.2.

Оправдано использование покупного измерительного оборудования имаксимально упрощённой оснастки.3. Применение датчиков перемещений позволит измерять и статические, идинамические характеристики шпинделя, а также оценить величинуминимального зазора. Наиболее рационально применение бесконтактныхдатчиков с автоматизированной обработкой результатов.4. Дляизмерениябиенийшпинделяпривращениинужныоправкинаноразмерной точности. Определение колебаний шпинделя по его биениямпри вращении достаточно сложно.

Из-за множества факторов, влияющих наколебания в рабочих режимах, такие измерения малопригодны дляверификации расчётных моделей.5. Проствосуществленииивесьмаинформативенанализударныхимпульсных переходных процессов с помощью быстрого преобразованияФурье или метода Прони.6.

Измерение статических силовых характеристик позволит оценить зазор,предельную несущую способность и жёсткость шпинделя.7. Измерение проницаемости пористых вставок желательно проводить супрощённой измерительной установкой не по стандартной методике,используя крепления такие же, как в конструкции шпиндельного узла.1.5. Результаты обзора литературы1.

Сферические аэростатические и аэродинамические опоры уже сегоднянаходят применение во многих инновационных изделиях при создании49навигационныхдробилок,устройств,шпиндельныхлабораторныхузловистендов,высокоскоростныхультрапрецизионныхстанковдляизготовления жёстких дисков.2. У шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами ипористымивставкамиимеетсясущественныйпотенциалповышенияхарактеристик по сравнению с традиционной «плоско-цилиндрической»компоновкой. Ещё раз перечислим преимущества.Требуется изготовить и взаимно расположить четыре опорныхповерхности вместо шести;При сборке контролируется лишь один параметр взаимногорасположения поверхностей вместо десяти;Остаточный перекос опор не порождает биения при вращении;Возможно получение меньшего зазора.Меньший зазор и пористые ограничители наддува позволяютповысить жёсткость и вязкое сопротивление опор и уменьшить рискавтоколебаний;Малый зазор и меньшее количество опорных поверхностейпозволяет снизить расход потребляемого воздуха.3.