Шпиндельные узлы с гидродинамическими опорами

Принцип работы гидродинамических подшипников. Гидродинамический подшипник представляет собой опору жидкостного трения. Эти подшипники бывают радиальными и упорными. Радиальный подшипник имеет три или че­тыре сегмента (башмака) 1 (рис. 7.6). С помощью гидравлической системы опора заполняется маслом. Под действием силы тяжести невращающийся шпиндель 3 опускается на сегменты. Когда шпиндель приводится во вращение, он своей шероховатой поверхностью увлекает масло в зазоры между ним и сегментами. Конструкция сегмента, в частности смещенное положение его опоры 2 относительно оси симметрии, позволяет ему поворачиваться под действием давления масла, в результате чего образуется клиновый зазор, су­жающийся в направлении вращения шпинделя, В этом зазоре возникает гидро­динамическое давление р, удерживающее шпиндель во взвешенном положе­нии. Если шпиндель вращается на многоклиновых подшипниках с самоустанавливающимися сегментами, охватывающими его равномерно по окружнос­ти, незначительное смещение его из среднего положения под действием внеш­ней нагрузки приводит к перераспределению давления в клиновом зазоре и возникновению результирующей гидродинамической силы, уравновешиваю­щей внешнюю нагрузку.

Гидродинамические опоры рекомендуется применять для шпинделей, вра­щающихся с высокой постоянной или мало изменяющейся частотой и воспри­нимающих небольшую нагрузку, например для шпинделей шлифовальных станков. Достоинства гидродинамических подшипников заключаются в высо­кой точности и долговечности (смешанное трение только в моменты пусков и остановов), недостатки — в сложности конструкции системы питания опор Маслом, в изменении положения оси шпинделя при изменении частоты его вращения.

Масло для гидродинамических подшипников. Обычно применяют мине­ральное масло марки Л (велосит), имеющее коэффициент динамической вяз­кости у. = (4...5)10~³ Па-с при температуре 50 С. Масло (1...3 л/мин при давлении 0,1...0,2 МПа) подается в подшипник с помощью гидравлической системы, включающей фильтр тонкой очистки и холодильную установку.

Конструктивные исполнения радиальных гидродинамических подшипни­ков. Сегменты подшипников должны иметь возможность самостоятельно изменять свое положение как в плоскости, перпендикулярной к оси шпинде­ля, так и в плоскости, проходящей через ось. Последнее избавляет от возмож­ных высоких кромочных давлений в опоре, сопровождаемых перегревом масла в тонкой граничной пленке и потерей его смазочных свойств. Имеется ряд конструкций подшипников, у которых зазор между валом и сегментами автоматически изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения шпинделя.

Одна из конструкций — ЛОН-88, разработанная ЭНИМС, представлена на рис. 7.7. Подшипник выполнен в виде отдельного блока, состоящего из двух колец 2, трех сегментов 1 и проставочного кольца 3. Наружная торцовая по­верхность сегментов находится в двухточечном контакте с коническими по­верхностями колец, вследствие чего сегменты имеют возможность устанавли­ваться вдоль оси шпинделя и в направлении его вращения. Проставочное кольцо своими выступами препятствует смещению сегментов по окружности. Изменяя толщину проставочного кольца, можно регулировать рабочий зазор в подшипнике.

Подшипники другой конструкции — ЛОН-34 — с сегментами 1, устанавли­вающимися в результате поворота на сферических опорах А (рис. 7.8), допус­кают скорость скольжения до 60 м/с при отсутствии кромочного давления* Опоры сегментов выполнены в виде винтов 2 из закаленной стали с мелкой резьбой. Перемещениями их в радиальном направлении регулируют радиаль­ный зазор в опоре и положение оси шпинделя. Для повышения жесткости за­зоры в резьбовых соединениях опорных штырей с корпусом выбирают гайка­ми 3, С целью уменьшения изнашивания сегментов в моменты пуска и тормо­жения шпинделя они выполнены биметаллическими: на стальную основу спо­собом центробежного литья нанесен слой бронзы Бр ОФ10-0,5_, Бр 0С10-10 или другого антифрикционного материала. Параметр шероховатости Ra рабо­чих поверхностей сегментов должен быть не выше 0,32 мкм, шеек шпинделя — не выше 0,04...0,16 мкм. Размеры сегментов и опорных винтов приведе­ны в табл. 7.1 и 7.2.

-

Пример конструкции шпиндельного узла. В передней и задней опорах шпиндельного узла шлифовального станка (рис. 7.9) установлены гидродина­мические подшипники 1 типа ЛОН-88. Осевые нагрузки воспринимаются дву­сторонним упорным подшипником, образованным дисками 2 и 4, С ними контактирует бурт 3 шпинделя. Смазочный материал в этот подшипник под­водится через отверстия Б и 5. Вытеканию масла из шпиндельной бабки пре­пятствуют уплотнения щелевого типа. По каналу Г масло из полостей уплотне­ний сливается в корпус бабки.

Конструктивные параметры подшипников. Диаметр D шейки шпинделя выбирают по условиям жесткости. Длина I подшипника для шлифовальных станков - 0,751), для прецизионных токарных и расточных станков — (0,85— 0,9) D. Длина дуги охвата вкладыша (0,6-0,8)1. Диаметральный зазор = 0,003 D. Обычно применяют подшипники с тремя или четырьмя вкладыша­ми.

Расчет гидродинамических радиальных подшипников. Расчет выполняется с целью определить размеры подшипника в зависимости от заданной нагрузоч­ной способности опоры и ее жесткости. Кроме того, определяют потери на тре­ние в опоре.

Ниже изложена методика расчета радиальных гидродинамических подшип­ников с тремя или четырьмя самоустанавливающимися сегментами для опор со скоростями скольжения до 30 м/с [ 67].

Исходные данные: конструктивные параметры подшипника, частота вра­щения шпинделя, наибольшая радиальная нагрузка, требуемая радиальная жесткость опоры.

Нагрузочная способность (Н) одного сегмента при центральном положе­нии шпинделя

где динамическая вязкость масла, Па-с; n —частота вращения шпинделя, об/с; D - диаметр расточки сегментов, мм; В — хорда дуги сегмента, мм; L - длина сегмента, мм; ; расчетный диаметральный зазор, мм.

Под действием результирующей силы шпиндель смещается из начального положения на е миллиметров, и его новое положение характеризуется относи­тельным эксцентриситетом Если результирующая сила направлена по оси опоры сегмента, нагрузочная способность трехсегментного подшипника

четырехсегментного подшипника

Когда результирующая сила направлена между вкладышами, нагрузочная способность трехсегментного подшипника

четырехсегментного подшипника

Нагрузочная способность подшипника должна быть больше максималь­ной радиальной нагрузки на опору.

Жесткость (Н/мкм) опоры с гидродинамическим подшипником, состоя­щим из сегментов и опорных винтов, зависит от жесткости несущего масляно­го слоя и контактной жесткости сферических опорных поверхностей сегментов и винтов:

Отсюда

Жесткость несущего масляного слоя

Жесткость сферических опорных поверхностей

где d - диаметр опорной полусферы, мм; к - коэффициент контактной податливости, мкм-мм² /Н. Кроме приведенных, выполняются расчеты потерь на трение в опоре и температуры несущего масляного слоя.