Лабораторная работа 5 Гидродинамические опоры шпинделей

Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точности и долговечности работы. Для надежности работы шпиндельной опоры скольжения необходимо, чтобы несущий слой масла, разделяющий шейку шпинделя и вкладыш подшипника, имел необходимую толщину и жесткость во всем диапазоне скоростей и нагрузок. В зависимости от способа создания несущего слоя масла различают подшипники гидродинамические и гидростатические.

Гидродинамические подшипники применяют в станках с высокими постоянными или малоизменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной группы). Несущий масляный слой создается при вращении вала вследствие прилипания масла к поверхности вкладыша и затягивания его в клиновый зазор между поверхностями цапфы и подшипника. В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические подшипники, поскольку одноклиновые не могут обеспечить требуемой жесткости и точности вращения.

В опорах шпинделей прецизионных станков и станков для финишной Я обработки наиболее целесообразно использовать подшипники типа Л0Н-34 и ЛОН-58 (табл. 4.9). Подшипники типа ЛОН-34 обеспечивают надежную работу в интервале скоростей 0,05...60 м/с и рекомендуются для опор шпинделей шлифовальных станков всех классов точности. Подшипники типа ЛОН-58 более сложны технологически и их использование рационально в шпиндельных узлах особо точных токарных, расточных и внутришлифо-вальных станков.

Программа "Расчет гидродинамических опор" предназначена для оценки работоспособности гидродинамических подшипников шпинделя по критерию отсутствия металлического контакта между шейкой шпинделя и подшипником. Она позволяет определить минимальную толщину масляного слоя и жесткость для каждой из опор шпинделя, а также произвести тепловой расчет подшипников. Идентификаторы исходных данных приведены в табл. 5.1. Диаметр шейки выбирают исходя из расчета шпинделя на жесткость.

Расчет состоит из четырех частей. После ввода исходных данных определяют основные конструктивные параметры подшипников. Длину дуги охвата сегмента В, см, выбирают из условий максимально несущей способности: В D/2; диаметральный расчетный зазор , мкм, определяют исходя из максимального зазора на выходной кромке сегмента: =3D, где D - диаметр шейки, см. При частоте вращения шпинделя n, , на каждом сегменте подшипника возникает реакция, Н:

, (5.1)

где ; L - ширина вкладыша, см.

Под действием внешнего усилия шпиндель смещается на некоторый эксцентриситет е , причем внешнее усилие (реакция в опоре FR,H) и смещение связаны зависимостями:

для трехсегментного подшипника

, (5.2)

для четырехсегментного подшипника

(5.3)

Здесь - относительный эксцентриситет.

Тогда

, i=3,4 (5.4)

Решая уравнение (5.4) относительно ε, определяют относительный эксцентриситет для каждого конкретного случая. При этом для допустимых рассчитываемых значении ε < 0,3 зависимость (5.4) можно приближенно с погрешностью не более 3% представить в виде квадратного уравнения

(5.5)

где для трехсегментного подшипника

, (5.6)

а для четырехсегментного

(5.7)

Вторая часть программы состоит в расчете толщины масляной пленки hmin,мм, в каждой опоре. Чтобы не возникал металлический контакт между шейкой шпинделя и подлинником, необходимо выполнение условия

, (5.8)

где , -наибольшие значения микронеровностей поверхности подшипника и шпинделя , -наибольший прогиб шейки шпинделя в подшипнике , мм.

Если неравенство (5.8) не соблюдается и, следовательно, имеется опасность нарушения жидкостного трения, надо увеличить вязкость масла, улучшить качество обрабатываемых поверхностей, увеличить размеры подшипника.

При выполнении условия (5.8) переходят к третьей части расчета определению жесткости опор. Жесткость гидродинамических подшипников устанавливается не столько жесткостью слоя смазки См, сколько жесткостью элементов и сопряжений конструкции Ск. Суммарная жесткость опоры, Н/мкм:

(5.9)

где жесткость масляного слоя

(5.10)

и для подшипника Л0Н-34

(5.11)

Для подшипника ЛОН-58 Ск, определяется параметрами сечения ножки сегмента и колеблется в пределах 320...800 Н/мкм.

Чем больше частота вращения шпинделя, тем меньше опасность нарушения жидкостного трения. Однако при росте n увеличивается коэффициент жидкостного трения и соответственно - тепловыделение. Поэтому заключительной стадией расчета по программе является тепловой расчет опоры, который заключается в сравнении изменений температуры опор с допустимыми значениями. Последовательность расчета отражена в тексте программы "Расчет гидродинамических опор".

Таблица 5.1. Конструкция гидродинамических подшипников

Конструктивная схема подшипника ЛОН-34
Основные исполнительные размеры , мм
D	D1	D2	L	dc
30	32	53	22	10
40	42	68	30	14
50	52	83	38
60	62	93	45
70	73	108	55	20
80	83	118	62
90	93	133	70	26
100	103	148	75

Продолжение таблицы 5.1

Конструктивная схема подшипника ЛОН-58
Основные исполнительные размеры,мм
D	D1	D2	D3	D4	L	S
30	32	62	44	57	22	4
40	42	80	56	74	30	4,5
50	52	90	68	84	38	5
60	62	110	80	102	45	6
70	73	125	94	115	55	7
80	83	140	106	130	62	7,5
90	93	160	120	140	70	7,5
100	103	180	135	166	75	8

Таблица 5.2. Исходные данные и результаты расчета

Идентификатор	Обозначение величины	Единица	Наименование величины
1	2	3	4
Исходные данные
FR1,FR2		H	Реакция в опорах 1 и 2
DE1,DE2		см	Диаметры шейки шпинделя в подшипниках 1 и 2
EL1,EL2		см	Ширина соответствующих вкладышей
AMU		СП	Динамический коэффициент вязкости масла
EN	n		Частота вращения шпинделя
R1MAX,R2MAX		мм	Наибольшее значение микронеровностей поверхностей подшипника и шпинделя
K2			Количество сегментов в подшипнике
RU		мм	Наибольший прогиб шейки шпинделя в подшипнике
DS		мм	Диаметр опорной полусферы в подшипнике ЛОН-34
FNT		ккал/кг	Теплоемкость масла
GAMA		кг/л	Удельный вес масла
QU		л/ч	Объем прокачиваемого через подшипник масла
TEMP			Допустимое увеличение температуры подшипника
Результаты расчета
EP			Относительный эксцентриситет
ENO		H	Реакция на каждом сегменте подшипника
HMIN1,HMIN2		мм	Толщина масляных слоев в опорах 1 и2
CR1,CR2		Н/мм	Радиальные жесткости подшипников 1 и 2
DTEMP1,DTEMP2			Изменения температур опор 1 и 2
FUEPS			Функция величины смещения