Принцип работы гидростатических подшипников. Гидростатический подшипник является опорой жидкостного трения, в которой давление в слое смазочного материала, разделяющем вал и втулку, создается за счет внешнего источника и не зависит от скорости вращения вала. Радиальная нагрузка на шпиндель воспринимается радиальным, а осевая — упорным гидростатическими подшипниками.
Во втулке радиального подшипника изготавливают карманы 2 (рис. 7.1, а), в которые масло от насоса подводится через радиальные отверстия. Далее оно вытекает через перемычки 1 и по шейке вала. В карманах и в области перемычек возникают симметричные поля давлений, удерживающие ненагруженный шпиндель в среднем положении с зазором 6 между ними и втулкой (на рис. 7 Л, б поля давлений при отсутствии нагрузки на шпиндель показаны сплошными линиями). Бели на шпиндель действует внешняя сила, например направленная вертикально сила резания Р, ось шпинделя смещается на величину эксцентриситета е. Таким образом у верхнего кармана зазор увеличивается, а давление снижается, у нижнего наоборот — зазор уменьшается, а давление возрастает (новая эпюра давлений на рис. 7.1, б показана штриховыми линиями). В результате силы давления масла и внешняя нагрузка приходят в состояние равновесия. Для этого необходимы два условия: давление в карманах становится неодинаковым, расход масла через различные карманы остается приближенно постоянным. Первое условие выполняется благодаря разделению поверхности скольжения втулки на карманы с перемычками, второе обеспечивается дросселями на входе в карманы, пропускающими в них постоянный объем масла независимо от нагрузки.
|
|
Гидростатический подшипник с радиальными отверстиями для слива (рис. 7.1, в) требует увеличенного расхода масла, но обеспечивает лучший отвод теплоты от опоры при большой скорости вращения шпинделя. Гидростатический упорный подшипник (рис. 7.1, г) служит для восприятия осевых нагрузок. Масло через дроссели подводится к кольцевым канавкам на опорных поверхностях. На них могут быть выполнены и несколько независимых карманов.
Конструкцию и эксплуатационные свойства подшипника в значительной степени определяет применяемый дроссель. Благодаря ему обеспечиваются стабильное положение оси шпинделя, хорошее демпфирование, независимость нагрузочной способности и жесткости опоры от вязкости масла, изменяющейся при его нагревании. Применяют дроссели и регуляторы расхода. Капиллярный дроссель представляет собой набор шайб, на торцах которых изготовлены каналы для масла. Поворотом шайбы 1 (рис. 7.2, а) изменяют рабочую длину канала 2 и давление рк масла в кармане. Винтовой капиллярный дроссель
|
|
(рис. 7.2, 6) регулируют, изменяя длину L рабочей части винта. В щелевом дросселе (рис. 7.2, в) регулируют ширину щели h. С целью повышения жесткости гидростатических опор, что особенно необходимо в прецизионных станках, вместо постоянных дросселей применяют регуляторы расхода. При этом подача масла в карман изменяется пропорционально давлению в нем, зазор в подшипнике изменяется мало. В мембранном регуляторе расхода (рис. 7.2, г) зазор h между мембраной и дросселирующей поверхностью увеличивается с ростом давления рк, подача масла в карман регулируется автоматически. При правильном выборе параметров такие регуляторы расхода имеют хорошие динамические качества. Однако применяются они преимущественно в тяжело нагруженных и относительно тихоходных шпиндельных узлах. Автоматическое регулирование подачи обеспечивает и щелевой регулятор расхода (рис. 7.2, д). На гидростатических подшипниках устанавливают шпиндели шлифовальных, расточных и высокоточных токарно-винторезных станков, а также шпиндели бабок агрегатных станков. Применение таких опор наиболее целесообразно в тяжелых станках.
Гидростатические опоры обладают высокой жесткостью. Благодаря слою смазочного материала погрешности изготовления вала и отверстия меньше влияют на точность вращения шпинделя. Демпфирование в слое смазочного материала способствует снижению вибраций шпинделя. Однако, применяя гидростатические подшипники, приходится использовать сложные системы питания их маслом. При этом требуются особые условия эксплуатации.
Масло для гидростатических подшипников. Масло для системы выбирают по вязкости, от которой зависят потери на трение в подшипнике и трубах. Для шпиндельных узлов легких и средних прецизионных станков при частоте вращения менее 3000 об/мин берут масло Т (вазелиновое) с вязкостью (5,1... 7) 10 -6 м2/с при 50 °С; при п > 3000 об/мин - масло Л (велосит) с вязкостью (4,0...5,1)•10~6 м2/с, для тяжелонагруженных шпинделей — индустриальное 45. Масло с давлением поступает на входы дросселей. Максимальная жесткость масляных слоев достигается, если давление в несущих карманах
Примеры шпиндельных узлов с гидростатическими опорами. На рис. 7.3 показан шпиндельный узел шлифовального станка. Шпиндель 4 установлен на гидростатических подшипниках 5 и 8, имеющих по четыре кармана. В карман Н задней опоры масло поступает по каналу Б, кольцевой канавке В, каналу К, винтовой канавке дросселя 9, каналам Л и М. По шейке шпинделя масло из карманов сливается в отверстия Д и И,а затем в корпус шпиндельной бабки. Осевая нагрузка обоих направлений воспринимается гидростатическими упорными подшипниками. В кольцевую канавку Е подшипника задней опоры масло поступает по каналу А. Аналогичным образом оно подводится в полость Ж упорного подшипника передней опоры. Осевое положение шпинделя устанавливается с помощью винта 1 ирычага2. Замыкание между гильзой 3 и рычагом 2 создается подпружиненными штырями 7. Зазор в упорных подшипниках регулируется путем подшлифовки компенсационного кольца 6. Герметичность задней опоры обеспечивается лабиринтным уплотнением Г. Такая же конструкция уплотнения передней опоры.
На рис. 7.4 представлена передняя опора шлифовального шпинделя с комбинированным гидростатическим подшипником. В его состав входят радиальный 3 и упорный 2 подшипники двустороннего действия, масло в которые подводится через многодисковые дроссели 1, встроенные в кольца подшипников.
Конструктивные параметры гидростатических радиальных подшипников. С целью предотвращения порчи поверхностей при поворачивании шпинделя без включения гидросистемы втулки гидростатических подшипников выполняют биметаллическими или из антифрикционных материалов. Параметры шероховатости рабочих поверхностей, непосредственно влияющие на радиальный зазор, принимают Ra = 0,63...0,4 мкм, а для прецизионных станков - Ra - 016...01 мкм.
|
|
Диаметр D шейки шпинделя (рис. 7.5) выбирают исходя из требуемой его жесткости. Длину подшипника L берут равной (1,0-1,2) D как обеспечивающую максимальную жесткость при данном D. Ширину перемычки /j в осевом и тангенциальном направлениях принимают равной 0,ID, что обеспечивает удовлетворительную несущую способность при минимальных утечках. Диаметральный зазор в подшипнике А, оказывающий влияние на его жесткость, перенос на обрабатываемую деталь погрешностей формы шеек шпинделя, расход смазочного материала, берут равным (0,0006-0,00065) D. Угол φ к, ограничивающий карман, в подшипнике с четырьмя карманами принимают равным 72°.
Обычно делают четыре кармана, так как их симметричное расположение снижает отрицательное влияние овальности шеек шпинделя на точность обработанной детали. Глубину карманов h принимают более 50Д, что препятствует появлению в них гидродинамических эффектов.
Расчет гидростатических радиальных подшипников. Цель расчета подшипника заключается в определении его размеров в зависимости от заданной нагрузочной способности и жесткости опоры. Кроме того, определяют требуемую подачу масла и мощность для его прокачивания, а также параметры дросселей.
Ниже изложена методика расчета гидростатических радиальных подшипников с четырьмя симметрично расположенными радиальными карманами, работающих со скоростями скольжения до 25 м/с при относительных эксцентриситетах
Расчет выполняется при следующих допущениях: подшипник считается абсолютно жестким, а масло несжимаемым; оси вала и втулки всегда остаются параллельными; давление масла в кармане рк вдвое меньше давления рн на входе дросселей; гидродинамические эффекты в подшипнике отсутствуют.
Исходные данные: принятые конструктивные параметры подшипника, расчетный эксцентриситет е, рабочая температура опоры, наибольшее радиальное усилие, необходимая радиальная жесткость подшипника, марка используемого масла. Вычисляют эффективную площадь кармана (мм2)
|
|
коэффициент
относительный эксцентриситет
Жесткость подшипника (Н/мм) при центральном положении шпинделя
при смещении шпинделя из центрального положения под действием внешней силы
Значения
Нагрузочная способность (Н) подшипника
Подача (см3 /мин) масла в подшипник, необходимая для его работы,
где длина дуги, ограничивающей карман, град; динамическая вязкость масла, Па-с;
Мощность (кВт), требуемая для прокачивания масла через подшипник,
Длина канала дросселя (мм) / и его эквивалентной диаметр d, обеспечивающие его наибольшую жесткость, определяются по зависимостям
где SД — площадь поперечного сечения канала дросселя, мм2; и — периметр его поперечного сечения, мм.
Потери мощности (кВт) на трение в подшипнике складываются из потерь мощности в карманах РК, на перемычках между карманами Рп, на перемычках, ограничивающих карманы в осевом направлении, Р0. При этом
(где Dj - диаметр внутренней стенки кармана, мм);
Общие потери мощности на прокачивание масла через подшипник и потери на трение в нем
Потери мощности (кВт) на трение в скоростном гидростатическом подшипнике могут быть значительными — 2 кВт и более. Ниже приведена последовательность их расчета [ 36].
Находят окружную скорость (м/с)
где D - диаметр подшипника, мм; n — частота вращения, об/мин.
Определяют число Рейнольдса
где р –плотность масла, кг/м3;
расчетная глубина кармана, мм;
динамическая вязкость масла, Па-с.
При постоянной глубине кармана hK расчетная глубина . В случае серповидного кармана где максимальная глубина кармана, мм.
Если Re < 1000, течение масла в карманах можно считать ламинарным, а потери мощности (кВт) определять по зависимости
где S П—площадь перемычек, м2; h — радиальный зазор, мм.
Если Re > 1000, течение масла в кармане можно считать турбулентным. Тогда определяют коэффициент трения
а затем потери мощности на трение
где Sк — площадь карманов подшипников,м2.
Температура подшипника (° С)
где с — темплоемкость масла, кДж/ (кг.град).
Расчет гидростатических упорных подшипников. Эффективная площадь карманов (см. рис. 7.1)
где D,D2,D3,D4 - диаметры перемычек, м.
Относительное смещение шпинделя из нейтрального положения
где е1 — абсолютное смещение шпинделя из нейтрального положения под действием внешней нагрузки; h0 — начальный зазор в подшипнике.
Нагрузочная способность (Н) подшипника
где рн — давление масла на входе дросселей.
Жесткость подшипника при среднем положении вала относительно опорных поверхностей
при смещениишпинделя под действием внешних сил