114 Гидростатические опоры шпинделей, особенности конструкций. Методика расчета.

Вращение шпинделя в гидростатических опорах — весьма сложный процесс, сопровождающийся появлением статической подъемной силы, силы демпфирования, гидродинамического эффекта, вихревого (плане­тарного) движения шпинделя, а также нагревом смазочной жидкости и ее сжимаемостью из-за наличия в ней нерастворенного воздуха.

Поскольку в гидростатической опоре имеют место все явления, наблюдаемые порознь в других типах опор скольжения при процессах различной скорости, то она представляет собой наиболее общий случай шпиндельных опор скольжения, а ее математическая модель — наиболее общая и универсальная и из нее путем трансформации или упрощения могут быть получены модели расчета гидродинамической и газо­статической опор.

Гидростатический подшипник — это подшипник трения со смазочным материалом, давление в рабочем слое смазочного материала которого создается источниками питания, расположенными вне подшипника и работающими независимо от него. Эти подшипники обеспечивают высокую точность вращения, имеют практически неограниченную долговечность вследствие отсутствия изнашивания, обладают большой нагрузочной способностью во всем диапазоне частот вращения. Высо­кая демпфирующая способность гидростатических подшипников обес­печивает хорошую виброустойчивость станка, позволяя получать от­личное качество поверхности обрабатываемой детали и высокую ско­рость резания. Кроме того, гидростатические подшипники применяют в качестве приводов микроперемещений, для фиксации шпинделей, в качестве датчиков в системах адаптивного управления и для других целей. Все это определяет перспективность их дальнейшего использова­ния в ШУ станков.

Конструкции гидростатических подшипников весьма разнообразны. Из всех конструкций выделяют два основных типа: радиальные (ци­линдрические) и упорные (подпятники).

Радиальные подшипники выполняют с равномерно расположенными по окружности карманами, в каждый из которых от источника питания через дросселирующее устройство подается смазочная жидкость под давлением, за счет чего образуется подъемная сила и вал всплывает. Под действием внешней нагрузки F вал занима­ет эксцентричное (е — эксцентриситет) положение относительно втулки. Образуется разность рабочих зазоров, через которые вытекает смазочный материал из противоположных карманов, а, следовательно, изменяются и гидравлические сопротивления на выходе карманов. Это приводит, при наличии гидравлических сопротивлений дросселей на входе в карманы к изменению давлений в каждом кар­мане: результирующая давлений воспринимает внешнюю нагрузку и возвращает вал в исходное центральное положение. Гарантированный слой смазочной жидкости имеет место не только в установившемся ре­жиме, но и во время пуска и останова, что является существенным до­стоинством гидростатического способа смазывания. Принцип действия упорных подшипников аналогичен.

Для гидростатической разгрузки валов применяют незамкнутые гидростатические подшипники, в которых втулка с несущими кармана­ми схватывает вал только с одной стороны

Радиальные подшипники применяют двух основных типов. Под­шипники первого типа цилиндрические с дросселирующими устрой­ствами на входе в каждый карман. Они могут быть выполнены без дренажных (маслоотводящих) канавок между карманами или с дренажными канавками. Предпочтение отдается первым, как имеющим меньший расход смазочной жидкости. Подшип­ники второго типа с внутренним дросселированием; дроссели образу­ются щелями между поверхностями вала и втулки, противоположными поверхностям, образующим сопротивления на выходе из кармана. Сопротивление внутренних дросселей автоматически ре­гулируется благодаря обратной связи по перемещению вала и обрат­ной связи по давлению смазочной жидкости в кармане. Жесткость та­кого подшипника выше, чем обычного подшипника с независимыми от нагрузки входными дросселями.

Упорные подшипники выполняют с одной кольцевой камерой или многокамерными. Подпятники с кольцевой камерой бывают с подводом смазочного материала в кольцевой карман и с центральным подводом смазочного материала. Первые ха­рактеризуются большим расходом смазочного материала и несколько большей нагрузочной способностью. Вторые чаще применяют в ком­бинированных подшипниках.

Радиально-упорные подшипники могут быть комбинированными или коническими. Данные подшипники предназначены для восприятия нагрузок, действующих в радиальном и осевом направлениях. Осевая нагрузка зависит от величины угла контакта α. С увеличением угла контакта осевая грузоподъемность возрастает за счет уменьшения радиальной. Одинарный подшипник может воспринимать только осевую нагрузку, действующую в одном направлении. Для фиксации вала в обоих направлениях подшипники устанавливать попарно, что позволяет осуществить предварительный натяг в комплекте.

Подшипники этого типа применяют в узлах с жесткими двухопорными валами при сравнительно небольших расстояниях между опорами, а также в узлах, требующих регулировки внутреннего зазора в подшипниках во время монтажа и при эксплуатации.

При выборе типа и размеров шарико- и роликоподшипников учитывают следующие факторы:

а) величину и направление нагрузки (радиальная, осевая, комбинированная);

б) характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная);

в) число оборотов вращающегося кольца подшипника;

г) необходимую долговечность (желаемый срок службы, выраженный в часах или миллионах оборотов);

д) окружающую среду (температуру, влажность, кислотность и т.п.)

Конические подшипники выполняют как односторонними, так и двусторонними. Конусность подшипников может быть различной в зависимости от их назначения и соотношения действу­ющих радиальной и осевой нагрузок. Технология их изготовления сложнее, чем комбинированных.

Расчет характеристик. Значения диаметров D, длины L, ширины перемычки /о, ограничивающей карманы в осевом направлении, и шири­ны перемычки к между карманами подшипника устанавливают в зави­симости от назначения проектируемого узла. На практике для радиаль­ных гидростатических подшипников L— (0,8 ... 1,4) D; 1о= (0,04 .. ... 0,15) D; к= (0,08 ... 0,20) D, однако проектировщик может изменить пределы значений указанных величин.

Эффективная площадь, мм2, подшипника, в первую очередь опре­деляющая его нагрузочную способность, в общем виде

где рк — давление в карманах опоры, МПа; р — текущее значение дав­ления на поверхности опоры, МПа; А — площадь опоры, воспринимаю­щая внешнюю нагрузку.

Рабочие формулы для определения значений Aэф приведены в любых справочниках.

Число карманов z в радиальном подшипнике принимают рав­ным или более четырех. Чем больше z, тем выше жесткость.

Нагрузочная способность подшипника

где С(е, k{) —функция, зависящая от относительного смещения вала в опоре и геометрических параметров опоры.

Условия работы гидростатических опор таковы, что смещения вала в опоре ограничены либо соображениями прецизионности, либо ус­ловиями сохранения нагрузочной способности (ограничивается значе­ние перекоса вала в опоре).

Жесткость радиального подшипника, Н/мм,

для малых значений относительного эксцентриситета (е^0,35)

»

жесткость упорного подшипника при малых смещениях

Жесткость / гидростатического подшипника принимают с учетом баланса жесткости всего проектирующего узла. Она должна быть соизмерима с жесткостью шпинделя, втулки и сопряженных деталей.

Расход смазочного материала, необходимый для обеспечения функционирования подшипника,