Шпиндельные узлы на опорах с гидростатической смазкой, конструирование, основы расчета и эксплуатации

Гидростатические опорыобеспечивают высокую точность вра­щения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значи­тельно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют прак­тически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную спо­собность при любой частоте вращения шпинделя. Гидростатические опоры могут быть использованы в качестве датчиков силы в системах адаптивного управления, в качестве приводов микроперемещений.

Принцип действия гидростатического подшипника основан на том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источ­ника через зазоры (щели) между сопряженными поверхностями в за­зоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосред­ственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе (рис.30). В радиальных подшипниках равномерно по окружности. Делают полости-карманы, куда через дроссели подается под давле­нием масло от источника питания (насоса). При приложении внешней нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в подшипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления р масла в одних карманах и уменьшению в противоположных. Уравнивания давлений в карманах не происходит вследствие наличия дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создает результирующую силу F_c, воспринимающую внешнюю нагрузку. Отвод смазочного материала производится через торцы подшипника,иногда и через дренажные кана­вки, выполненные на перемы­чках между карманами.

Конструктивные параметры радиальных гидростатических подшипников выбирают в зави­симости от диаметра шейки шпинделя D, рассчитанного по формуле

(1.8)

для обеспечения требуемой жесткости шпиндель­ного узла или выбранного кон­структивно с учетом диаметров стандартного переднего конца шпинделя. При этом обычно длина подшипника L = D, размеры перемычек, ограничи­вающих карманы l₀ = l_к = = 0,1D, диаметральный зазор ∆ = (0,0008 - 0,001) D, мм.

Число карманов, как пра­вило, принимают равным че­тырем. В качестве рабочих жидкостей применяют мине­ральные масла с вязкостью μ = (l - l0)·l0^-3 Па·с; для вы­сокоскоростных шпинделей для уменьшения потерь на трение применяют масла с минимальной вязкостью, для повышения дем­пфирующей способности приме­няют более вязкие масла. Параметры капиллярных или щелевых дросселей, обеспечивающих ламинарное течение смазочного матери­ала, при малых эксцентриситетах е рассчитывают таким образом, чтобы выполнялось условие р_k = 0,5р_н, где р_к — давление в кар­мане; р_н — давление, создаваемое насосом. Параметры гидростати­ческих подшипников могут быть оптимизированы исходя из получе­ния максимальной жесткости или минимальных потерь на трение.

Применение гидростатических опор требует сложной системы питания и сбора масла, что является их недостатком.

Принципиальная схема питания гидростатических опор приве­дена на рис.28.Когда требуется высокая точность станка, к си­стеме питания подключают холодильную установку для стабилиза­ции температуры. Для обеспечения нормальной работы гидростатических опор требуется тщательная фильтрация масла. Макси­мальный размер частиц, попадающих в зазор, не должен превышать половины минимальной величины зазора (5—10 мкм).

Расчет гидростатических подшипников сводится к определению нагрузочной способности, жесткости масляного слоя, расхода сма­зочного материала и потерь на трение и прокачивание масла. На­грузочная способность гидростатических подшипников, Н, зависит от радиального смещения шпинделя в опоре

Fс = p_H^s_ЭФС_F(ε, κ), (2.8)

где р_н — давление, создаваемое насосом, мПа; Ѕ_эф — эффективная площадь подшипника, учитывающая падение давления на перемыч­ках, мм²; C_F (ε, k) — функция, зависящая от относительного сме­щения е шпинделя в опоре и геометрических параметров опоры.

Для легко- и средненагруженных гидростатических подшипни­ков внешние нагрузки, а следовательно, и смещения невелики; тогда можно приближенно принять

C_F(ε, κ) = ⅔ ε. (3.8)

Для радиальных гидростатических подшипников приближенно

S_эф = 0,5D², следовательно, его нагрузочная способность

(4.8)

Жесткость слоя смазки, Н/мм, гидростатического радиального подшипника при указанных выше малых смещениях

(5.8)

Расход смазочного материала, мм³/с, необходимо­го для обеспечения нормального режима работы подшипника,

(6.8)

Потери на трение в гидростатических подшипниках складываются из потерь на трение в карманах и в зазорах (на перемычках), а также из потерь на обеспечение прокачивания смазочного материала через подшипник. Потери в карманах невелики, ими можно прене­бречь, и общие потери, кВт,

P_∑= P_T + P_Q,, (7.8)

где Р_т — потери на трение в рабочем зазоре; P_Q — потери на про­качивание смазочного материала.

Для радиальных гидростатических подшипников при принятых выше соотношениях

(8.8.)

В качестве примера приведем рассчитанные по указанным соотношениям харак­теристики радиального четырехкарманного гидростатического подшипника токар­ного станка при следующих исходных данных: диаметр шейки шпинделя D = 100 мм, диаметральный зазор ∆ = 0,08мм, р_н = 3 мПа, рабочая жидкость — масло 45А вязкостью μ = 7·10^-3 Пас при t= =30°С, е = 0,02мм.

Нагрузочная способность подшипника F_с = 11 250 Н; жесткость j_м = 56 ·10⁴ Н/мм; расход смазки Q = 70·10³ мм³/с. Потери на трение при п = 1600 мин^-1 Р_∑ = Р_T + Р_Q = 0,16+ 0,2= 0,36 кВт.

Шпиндельный узел станка на гидростатических опорах изобра­жен на рис. 29. При конструировании и расчете гидростатических подшипников следует учитывать, что все их характеристики сильно зависят от величины и формы зазора, которые существенно отлича­ются от теоретических вследствие деформаций сопряженных дета­лей. Учет реальных формы и величины зазора приводит к сложным зависимостям, что требует при расчетах их характеристик прибегать к вычислительной технике.

Опоры с воздушной смазкой. В станкостроении применяют аэростатические подшипники, по принципу действия подобные ана­логичным гидростатическим, только несущий слой в них создается путем подвода в зазоры между сопряженными поверхностями не жидкости, а сжатого воздуха под давлением, не превышающим 0,3— 0,4 МПа. Вследствие этого нагрузочная способность их невелика, однако малая вязкость воздуха позволяет существенно снизить по­тери на трение, что предопределило применение аэростатических подшипников в небольших прецизионных станках при больших окружных скоростях вращения шпинделя.

В силу малых зазоров в гидростатических подшипниках, к смазочному материалу предъявляют повышенные требования к очистке масла.

Применяют многоступенчатую систему: грубая, средняя, тонкая и иногда сверхтонкая очистка.

Для последних ступеней используют специальные фильтры, срок службы которых незначителен и они требуют частой замены.

Правила эксплуатации шпиндельных узлов на гидростатической смазке:

1. Применять строго рекомендуемые смазки.
2. Вовремя производить замену фильтров.

Не вращать шпиндель без подачи смазки в опоры (при выключенной насосной установки).