Лекции / 6.Направляющие жидкостного и воздушного трения

НАПРАВЛЯЮЩИЕ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ

Наличие между рабочими гранями направляющих масляного слоя обуславливает низкий коэффициент трения, и, соответственно, практическое отсутствие износа. Дополнительными преимуществами жидкостного трения являются – высокие демпфирующие свойства и плавность движения. При этом жидкостная смазка обеспечивается либо за счет гидродинамического эффекта (гидродинамические направляющие), либо подачей смазочного масла под давлением (гидростатические).

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ

Г идродинамические направляющие отличаются простотой конструкции. Гидродинамический эффект в направляющих, т. е. эффект всплывания подвижного узла, создается пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, выполненными на рабочей поверхности направляющих (рис. 1).

В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении затягивается смазочный материал и обеспечивается разделение трущихся поверхностей слоем жидкости.

Для различных скоростей скольжения и нагрузок существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса. Рабочая поверхность направляющих оказывается разделенной смазочными канавками на ряд комбинированные опор, каждая из которых состоит из двух участков: участка I, наклонного к поверхности другой направляющей, и участка II, параллельного к ней.

При малой ширине направляющей по сравнению с ее длиной критическая скорость скольжения, после которой наступает жидкостная смазка (гидростатический эффект)

,

где V – критическая скорость скольжения, м/с;

Р_ – общая нагрузка на направляющую, Н;

h₁ – минимальная толщина смазочного слоя, в зависимости от длины направляющей h₁=0.060.1 мм;

μ – динамическая вязкость, сПас;

L, B – соответственно, длина и ширина комбинированной опоры, мм.

Общая грузоподъемная сила направляющих определяется как сумма поддерживающих сил всех комбинированных опор, считая, что нагрузка распределяется между опорами равномерно.

Р_=P_ii,

где Р_ - общая грузоподъемная сила, Н;

P_i – поддерживающая сила одной опоры, Н;

i – число опор.

При этом грузоподъемная сила одной опоры

,

где V – скорость скольжения, м/сек;

 – динамический коэффициент вязкости, сПа·с;

с₁ – коэффициент, учитывающий боковое истечение масла через зазоры, образуемые рабочими поверхностями направляющих

,

K – отношение длины наклонного участка опоры L_К к длине опоры L (рис. 1);

с_Р – коэффициент, определяемый по графику [ ].

Для карусельных станков число опор i определяется из условия, чтобы общее число смазочных канавок было четным

,

для продольно-строгальных станков

,

где D_ср – средний диаметр направляющих, мм;

L_c – длина стола продольно-строгального станка, мм;

L₁ – расстояние между смазочными канавками, мм

L₁=L+K·L.

Сила трения, возникающая в опоре, определяется по следующей зависимости

, Н,

здесь ,  – коэффициенты, определяемые по графикам [ ].

Серьезным недостатком гидродинамических направляющих является нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможения подвижного узла, когда скорость движения узла меньше критической.

Схема смазки круговых направляющих показана на рис. 6. К закрытым смазочным канавкам масло подается по окружной маслораспределительной трубе 5 и отходящих от нее соединительных труб. Масляная ванна может быть создана за счет некоторого понижения рабочей поверхности направляющей основания относительно окружающих ее буртов.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ

Гидростатическими направляющими называются направляющие жидкостного трения, в которых наличие масляного слоя обеспечивается системой регулирования подачи масла под давлением. Направляющие гидростатического трения нашли более широкое применение в металлорежущих станках, так как обеспечивают жидкостную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность и высокую чувствительность точных исполнительных движений.

Недостаток – сложность системы смазывания и необходимость специальных устройств для фиксации перемещаемого узла в заданной позиции.

Существуют разнообразные конструкции гидростатических направляющих, различающихся по характеру восприятия нагрузки и системой регулирования толщины масляного слоя.

По характеру восприятия нагрузки различают направляющие:

• незамкнутые (рис.);

• замкнутые (рис.).

По виду системы регулирования:

• с дроссельным регулированием (рис.);

• с объемным регулированием (при помощи насоса) (рис.);

• с автоматическим регулированием (для поддержания постоянным толщины масляного слоя).

В большинстве систем точность движения узла достигается путем поддержания относительно постоянства толщины масляного слоя при изменении нагрузки. При этом жесткость масляного слоя в простейшем случае обеспечивается установкой перед каждым масляным карманом дросселя. Такая система будучи примененной к незамкнутым гидростатическим направляющим обеспечивает необходимую жесткость масляного слоя лишь при большом весе подвижного узла. Однако система с дроссельным регулированием имеет наибольшее распространение вследствие своей простоты и надежности. Ее применяют как для незамкнутых, так и для замкнутых направляющих.

Более высокую жесткость масляного слоя можно обеспечить, использовав для каждого кармана отдельный насос постоянного расхода (или один насос с делителем расхода). Такие системы находят применение в тяжелых станках, в частности карусельных.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ НЕЗАМКНУТЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

В простейшей схеме незамкнутых горизонтальных гидростатических направляющих (рис. 7) масло подается от насосной установки под постоянным давлением р_н через дроссель 3, имеющий сопротивление R₀, в карман, откуда оно вытекает наружу через зазор h между направляющей подвижного узла 1 и направляющей стационарного узла 2, преодолевая сопротивление R₁ и образуя масляную подушку по всей площади контакта. Каждый участок направляющих площадью F=L₁B можно рассматривать как отдельную опору (так как длина L₁ обычно многократно больше ширины В, то влияние соседних участков на истечение масла из данного участка мало).

Из условия равновесия

Р_i=р₁Fс_F,

где Р_i – нагрузка на опору, Н;

р₁ – давление в кармане, Н/м²;

F – площадь опоры, м²;

с_F – коэффициент несущей поверхности, равный отношению давления, вычисленного из условия равномерного распределения нагрузки по всей площади опоры, к давлению в кармане.

При равномерном нагружении направляющих нагрузка на опору

,

где Р_Σ – нагрузка на направляющие, которая складывается из веса подвижного узла, веса детали и вертикальной составляющей силы резания;

i – число опор.

При неравномерном нагружении направляющих расчет ведется по наиболее нагруженной опоре.

Сила жидкостного трения для одной опоры

,

где F – площадь опоры, м²;

F_К – площадь канавок, образующих карман, м²;

v – скорость движения стола, м/мин.

Форма масляных карманов показана на рис. и в табл. 1. Так как длина опоры (т.е. участка направляющих, относящегося к одному карману) значительно больше ширины, то поперечные участки масляной канавки существенной роли не играют.

Таблица 1

Рекомендуемые размеры масляных канавок, мм

Ширина направляющей В		а2	а1	а	Форма кармана (рис.)
40-50	-	-	8	4	а
60-70	>4	15	8	4	б
80-100	>4	20	10	5	б
80-100	<4	20	10	5	в
110-140	>4	30	12	6	б
110-140	<4	30	12	6	в
150-190	-	30	12	6	г
200	-	40	15	6	г

Поэтому в большинстве случаев карманы можно выполнять в виде двух или трех продольных масляных канавок (рис. 8, б, г). Лишь при малом отношении длины кармана к его ширине предпочтительнее замкнутая канавка (рис. 8, в). При малой ширине направляющей следует ограничиваться одной канавкой, так как в противном случае расстояние между канавкой и краем направляющих чрезмерно мало.

При значительных скоростях скольжения (направляющие стола плоско- и круглошлифовального станка, планшайбы карусельного станка) в целях снижения потерь на трение карманы целесообразно выполнять в виде сплошных углублений.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ЗАМКНУТЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Гидростатические замкнутые направляющие с дроссельным регулированием применяются:

• если диапазон нагрузки больше двух;

• при существенных опрокидывающих моментах;

• для обеспечения повышенной жесткости.

Они отличаются наличием дополнительных гидростатических направляющих в виде планок, препятствующих разъединению сопряженных деталей (рис. 9). Как основные, так и дополнительные направляющие имеют карманы, к каждому из которых (или к каждой группе их которых) через индивидуальный дроссель подводится под давлением масло.

Каждый участок основной направляющей площадью F₁=L₁B₁ с карманом, совместно с соответствующим участком дополнительной направляющей площадью F₂=L₂B₂ (обычно L₁=L₂) можно рассматривать как отдельную опору. Между направляющими подвижного и неподвижного узла имеется суммарный зазор 2h_a. Распределение этого зазора между основными и дополнительными направляющими зависит от величины нагрузки P_i на опору (рис.). С увеличением нагрузки зазор h₁ уменьшается, а зазор h₂ увеличивается, причем

h₁+h₂=2h_a.

Из условия равновесия

P_i=P₁ – P₂= р₁F с_F1 – р₂F₂с_F2,

где Р_i – нагрузка на опору, Н;

Р₁, Р₂ – нагрузка на опоры, соответственно, основной и дополнительной направляющих, Н;

р₁, р₂ – давление в масляном кармане основной и дополнительной направляющих, Н/м²;

F₁, F₂ – площадь опоры на основной и дополнительной направляющих, м²;

с_F1, с_F2 – коэффициент несущей поверхности основной и дополнительной направляющих.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ С ОБЪЕМНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Наиболее удобны для тяжелых станков. Жесткость масляного слоя в них обеспечивается тем, что в зависимости от нагрузки меняется сопротивление истечения масла из кармана и, следовательно, соответственно изменяется давление в кармане.

Жесткость масляного слоя в этой системе выше, чем в системе с дросселями.

5

АЭРОСТАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ

Достоинства:

• проще система подачи воздуха;

• вследствие малой вязкости воздуха сила трения ничтожно мала;

• независимость вязкости воздуха от температуры (стабильный тепловой режим).

Основной недостаток – низкая несущая способность из-за малой вязкости (невозможно создать большие давления в опорах).

Незаменимы в сверхточных станках:

• позволяют уменьшить влияние погрешностей изготовления деталей опоры на траекторию перемещения (в 10-20 раз);

• стабильный тепловой режим

Пример аэростатических направляющих приведен на рис. 11.

10