10. Обзор конструкций и область применения шпиндельных узлов на опорах с газовой смазкой и на магнитных опорах.
Газостатические опоры
Применение подшипников с газовой смазкой в шпиндельных узлах (ШУ) в первую очередь обусловлено минимальными потерями на трение, что определено малой вязкостью газов. Это позволяет достичь высокой частоты вращения и показателя Dn=5 . 106 мм . мин-1. Опоры имеют потенциально высокую долговечность и не загрязняют окружающую среду.
Конструкции. Конструкцию подшипника выбирают исходя из функционального назначения ШУ и совокупности следящих функциональных и конструкционных признаков опор: по типу движения (вращательные, линейные, подвесы), по форме поверхности (цилиндры, плоскости, конусы, комбинированные), по функциональному назначению (радиальные, осевые, уплотнения), по принципу действия (газостатические, газодинамические, гибридные), по характеру поверхности втулки (жесткие, податливые), по типу элемента, создающего давление в зазоре (для жестких втулок газостатических подшипников: дроссели, простые и кольцевые диафрагмы, пористые вставки, щели и др.; для жестких втулок газодинамических подшипников: карманы Релея, одно и многоклиновые башмаки, спиральные канавки; для податливых втулок: лепестковые, ленточные, сегментные, керамические). Первые три признака формируют тип и геометрию проектируемого подшипника, три последние — конструкцию подшипника и метод расчета его параметров, не подлежащих унификации. Поэтому при проектировании ШУ с опорами на газовой смазке в каждом конкретном случае необходим расчет.
Чаще других в ШУ применяют газостатические подшипники, которые при наличии системы принудительной подачи сжатого воздуха называются аэростатическими. Конструкции наиболее часто используемых в ШУ аэростатических подшипников показаны на рис.35.
Магнитные опоры
В высокоскоростных ШУ с показателем Dn до 3 . 106 мм . мин-1и при N/D до 0,5 кВт/мм целесообразно применять магнитные опоры. Это связано с практическим отсутствием потерь на трение между вращающимся валом и неподвижной втулкой, высокой экологической чистотой опор и с использованием только одного вида энергии — электроэнергии.
Принцип действия шпинделя, установленного в электромагнитных опорах, показан на конкретном примере (рис. 36). Высокоскоростной шпиндель фирмы S2M, установленный на фрезерном станке фирмы Forest-Line (Франция) имеет частоту вращения до 30000 мин-1 и мощность 20 кВт. Шпиндель представляет собой ротор 1, вращающийся внутри статора 2 в двух радиальных электромагнитных опорах 3 и 4 и осевой опоре 5. Для обеспечения безопасной работы при радиальных нагрузках, превышающих допустимые, или при отсутствии напряжения на электромагнитных опорах предусмотрены опоры-ловители 6 и 7, на которые ложится ротор. Для сохранения положения оси ротора постоянным при различных радиальных и осевых нагрузках отклонения ротора от центрального положения измеряют датчиками (радиальными 8 и 9 и осевыми 10—12). Сигналы рассогласования преобразуются управляющей ЭВМ в ток возбуждения в обмотках, чем регулируется магнитодвижущая сила, которая и возвращает ротор в исходное положение. В этом ШУ применено принудительное охлаждение статора.
Конструкции. Выбор типа магнитной опоры зависит от условий эксплуатации ШУ и его конструкционных особенностей. По принципу создания магнитного поля опоры можно разделить на опоры с постоянным магнитным полем, электромагнитные с авторегулированием (с регулируемым магнитным полем), индукционные электромагнитные, кондукционные электромагнитные, диамагнитные, сверхпроводящие и электростатические.
Различные конструкции магнитных опор показаны на рис.37. Наибольшее распространение в ШУ станков получили электромагнитные опоры с внешней автоматической стабилизацией. По типу воспринимаемой нагрузки опоры делят на радиальные (рис. 37, а, б), радиально-упорные (рис. 37, в), упорные (рис. 37, г, д), по форме опорной поверхности на цилиндрические (рис. 37, а, б), конические (рис. 37, в), кольцевые (рис. 37, г, д), а также по числу пар полюсов.
В радиальной электромагнитной опоре (рис. 37,6) с цилиндрической опорной поверхностью пары полюсов электромагнитов расположены в плоскости, перпендикулярной к оси вращения вала. Вал состоит из ферромагнитов 1 и шпинделя 4. Статор 3 неподвижен, охватывает вал, несет обмотки 5 электромагнитов и датчики 2 радиального положения.
Особенности конструкций. Первая из особенностей связана с тем, какой из элементов опоры, вал или корпус, вращается. Если вращается вал относительно неподвижного корпуса, несущего сердечник электромагнитов, опору называют прямой. Если вращается подвешенный корпус, а неподвижный вал несет сердечник электромагнитов, опору называют обращенной.
Вторая особенность состоит в том, что к обмоткам может быть подведен постоянный или переменный ток. Принцип выбора рода тока связан с применяемой системой управления.
Наличие системы управления и цепи обратной связи для электромагнитных опор является третьей особенностью и характеризуется параметром, контролируемым в процессе стабилизации, и управляющим сигналом. Чаще всего в электромагнитных опорах реализуют принцип управления по перемещению, но существуют системы управления, измеряющие другие параметры (скорость, силу тока и др., которые в основном используют аналоговый управляющий сигнал
