Гидравлические подшипники

В гидравлических подшипниках шпиндель вращается на тонкой масляной пленке. Принципиально подшипники данного вида подразделяются на два основных типа: гидродинамические и гидростатические.

Гидродинамические подшипники

Г идродинамические подшипники целесообразно применять в станках с высокими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной группы). Классические одноклиновые гидродинамические подшипники (рис. 2, а), в которых подъемная сила при приложении нагрузки образуется в клиновом пространстве за счет эксцентрикового положения вала в опоре, применяют в шпиндельных узлах редко, так как их жесткость низка.

Вследствие этого в шпиндельных узлах применяют многоклиновые подшипники (рис. 2, б) различных конструкций. В многоклиновых подшипниках создается несколько клиновых зазоров, куда вращающимся валом увлекается масло, и результирующая гидродинамических сил F_Д позволяет воспринимать внешнюю нагрузку F, действующую в любом направлении. Клиновые зазоры создаются при помощи фасонной расточки втулок (рис. 3, а), применением упругодеформируемых втулок (рис. 3, б), самоустанавливающимися сегментами (рис. 3, в-д). Самоустанавливаемость вкладышей радиальных подшипников обеспечивается либо сферическим концом установочного винта (рис. 3, в), либо мембранным (рис. 3, г) или точечным (рис. 3, д) соединением сегмента со втулкой.

У порные гидродинамические подшипники также выполняют многоклиновыми (рис. 3, е). Несущие масляные клинья образуются на специальных скосах, выполненных на опорных поверхностях. Масло к скосам подводится по маслоподводящим канавкам.

Г идродинамические подшипники имеют ряд недостатков: нестабильность положения оси шпинделя с изменением частоты вращения вследствие изменения гидродинамической подъемной силы; ограниченная жесткость; необходимость подкачки масла в опору; изнашиваемость в режимах пуска и останова шпинделя; технологические сложности при изготовлении опор и установке шпинделя в опоры. Перечисленные недостатки в совокупности с меньшей точностью по сравнению с точностью гидростатических опор делают область их применения весьма ограниченной. Их применяют в основном в шпиндельных узлах операционных шлифовальных станков (рис.4).

Гидростатические подшипники

В гидростатических подшипниках нагрузка воспринимается давлением жидкости, создаваемым вне подшипника. Жидкость подается под давлением в подшипник независимо от того, вращается вал или неподвижен. В гидродинамических подшипниках за счет применения специального контроллера жидкость подается в зону между подвижными частями подшипника в зависимости от степени адгезии жидкости к движущимся поверхностям и от вязкости жидкости. В зависимости от формы подшипника и давления в карманах жидкость подается только в те места, где имеет место движение (вращение) вала. Такое решение обеспечивает подшипнику даже более высокую вязкость, меньший расход энергии и меньший нагрев.

Конструкции гидростатических опор весьма разнообразны. Различают подшипники: радиальные, упорные и радиально-упорные.

Радиальные подшипники (рис. 2, а-в) выполняют с равномерно расположенными по окружности карманами, в каждый из которых от источника питания через дросселирующее устройство подается под давлением смазочная жидкость, за счет чего образуется подъемная сила и вал всплывает. Под действием внешней нагрузки F вал занимает эксцентричное положение относительно втулки (рис. 5, а, б). Образуется разность рабочих зазоров, через которые вытекает смазочный материал из противоположных карманов, и, 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 действию радиальных подшипников (рис. 5, г-е).

У порные подшипники выполняют с одной кольцевой камерой или многокамерными. Упорные подшипники с кольцевой камерой бывают с подводом смазочного материала в кольцевой карман (рис. 5, д) и с центральным подводом смазочного материала (рис. 3, д). Первые характеризуются большим расходом смазочного материала и несколько большей нагрузочной способностью.

Многокарманные подшипники (рис. 5, е) применяют в тяжелонагруженных узлах. Их отличает большой расход смазочной жидкости, более сложная технология изготовления, возможность независимого регулирования давления в каждом кармане, что иногда является преимуществом.

Р адиально-упорные подшипники могут быть комбинированные (рис. 6, а) или коническими (рис. 6, б) и способны воспринимать как осевую, так и радиальную нагрузку. Конусность конических подшипников может быть различной в зависимости от их назначения и соотношения действующих радиальной и осевой нагрузок. Технология их изготовления сложнее, чем комбинированных.

Конструкция шпинделя с гидростатическими опорами прецизионного токарно-винторезного станка показана на рис. 7.

Гидравлические подшипники обеспечивают высокие скорости вращения (до 45000 об/мин), низкое биение шпиндельного вала (менее 0,1 микрона) и большую долговечность (благодаря отсутствию механического контакта). В то же время жесткость этих подшипников может превышать жесткость шариковых подшипников, делая их пригодными для черновой медленной обработки. Гидравлические подшипники также обеспечивают более высокое виброгашение по сравнению с обычными подшипниками.

Недостатками гидравлических подшипников являются вязкостные потери. Большая часть мощности двигателя уходит на преодоление сопротивления гидравлической жидкости. Кроме того, эти подшипники требуют более интенсивного охлаждения, так как потери на преодоление сопротивления приводят к избыточному нагреву.