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.