УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
DEVICE FOR COOLING SPINDLE UNIT BEARINGS

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при разработке прецизионных станков. Целью изобретения является уменьшение динамики нагрева подшипникового узла, повышение износостойкости подшипников и снижение тепловых деформаций шпиндельного узла металлорежущего станка.
Известно устройство для снижения тепловых деформаций, при котором корпус шпиндельной бабки снабжен регулируемым установочным элементом, позволяющим регулировать начальное положение шпинделя, а на переднем и заднем концах шпинделя установлены введенные в бабку вентиляторы с эжекторными увлажнителями (а.с. СССР №1351716, МКИ В23В 14, 8/00, БИ №12, 30.03.90).
Недостатком известного устройства является то, что компенсация тепловых деформаций шпиндельной бабки начинает осуществляться только по достижении определенной температуры всем корпусом шпиндельной бабки. В этом случае первоначально искаженная ось шпинделя выравнивается. Все это приводит к снижению производительности. Встроенные вентиляторы являются дополнительными источниками шума и вибраций, а увлажняющая жидкость, попадая в смазочную систему станка, ухудшает смазку всех его узлов.
Известно устройство для контактного охлаждения поверхностей, которое содержит теплоизолированный корпус с дном и контактным диском, в котором установлен охладитель с блоками термомодулей, работающих на основе эффекта Пельтье, датчик температуры и блок питания. Блоки термомодулей размещены на основаниях концентратора так, что один из них, размещенный на большом основании, контактирует с дном поверхностью, на которой выделяется тепло, а другой, размещенный на малом основании, контактирует с контактным диском поверхностью, на которой выделяется холод (патент РФ №2240478, МКИ F25B 21/02, 20.11.2004 г.).
Недостатком данного устройства является недостаточная точность управления процессом охлаждения, поскольку контроль температуры охлаждаемого тела ведется с помощью термодатчика и контактным диском, температура которого не может характеризовать все температурное поле охлаждаемого тела.
Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для охлаждения подшипников шпиндельного узла (патент JP 61121802 А, Кл. F16C 3700, 1986).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управлять процессом охлаждения.
В основу изобретения поставлена задача управляемого снижения динамики нагрева подшипников шпиндельного узла металлорежущих станков, что позволяет увеличить срок службы подшипников, повысить их точность, а также уменьшить тепловые деформации шпиндельного узла.
Технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения подшипников шпиндельного узла металлорежущих станков с кольцевыми пазами для прохождения по ним масла от насосной установки станка снабжено кольцами из константана, установленными на наружных кольцах подшипников, преобразователем, содержащим управляемый источник тока, и керамическими втулками, установленными на наружных поверхностях колец из константана, при этом кольца из константана электропроводами соединены с положительным полюсом источника тока, а кольца подшипников - с отрицательным полюсом, причем кольцевые пазы для прохождения по ним масла от насосной установки выполнены на поверхности керамических втулок, а в корпусе шпинделя выполнены два паза, в которых уложены электропровода, причем преобразователь содержит два ключа, входы которых соединены электропроводами с константановыми кольцами, соединенными с устройством управления, при этом выходы обоих ключей объединены и подключены к входу блока управляемой задержки времени, который соединен с блоком управления и с первым выходом вычислителя, выход блока управляемой задержки времени подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, который соединен с устройством управления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу логического элемента «ИЛИ», первый вход которого соединен с устройством управления, а выход - с входом вычислителя, соединенного с устройством управления, и который имеет три цифровых входа, второй выход вычислителя соединен с управляемым источником тока, выход которого соединен с входом двух ключей, при этом управляемый источник тока соединен с устройством управления, которое имеет управляемый вход, и выходом соединено с генератором импульсов, соединенным с устройством управления, а выход счетчика импульсов подключен ко второму входу логического элемента «ИЛИ».
На фиг.1 изображено фронтальное сечение переднего конца шпиндельной бабки. На фиг.2 изображено сечение шпиндельной бабки, показывающее пазы для электропроводов. На фиг.3 изображена структурная блок-схема преобразователя, содержащего управляемый источник тока. На фиг.4 изображен график зависимости величины подводимого тока от времени.
Устройство состоит из: корпуса шпиндельной бабки 1 с каналами 2, 3 и 4, шпинделя 5, подшипников 6, 7, прокладных втулок 8 и 9, керамических втулок 10 и 11 с пазами 12, 13, колец из константана 14 и 15, пазов 16 и 17, электропровода 18, 19, преобразователя 20, состоящего из ключа 21 и 22, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) 23, логических элементов «ИЛИ» 24 и 25, вычислителя 26, устройства управления 27, генератора импульсов 28, счетчика 29, управляемого источника тока 30, блока управляемой временной задержки 31.
При этом керамические втулки 10, 11 устанавливаются между корпусом 1 и наружными кольцами подшипников 6, 7, между наружными и внутренними кольцами подшипников 6, 7 устанавливаются прокладные втулки 8 и 9, а в керамических втулках 10, 11 устанавливаются кольца из константана 14 и 15, которые через электрические провода 18 и 19, проложенные по пазам 16 и 17, соединены с преобразователем 20. В последнем устройство управления 27 связано с генератором 28, счетчиком 29, вычислителем 26, АЦП 23, логическими элементами «ИЛИ» 24 и 25, управляемым источником тока 30, а также ключами 21 и 22. Кроме того, ключи 21 и 22 связаны с электропроводами 18 и 19, связаны с управляемым источником тока 30 и с АЦП 23, который связан своим выходом с входом логического элемента «ИЛИ» 24, выход которого подан на вход вычислителя 26. Выход генератора 28 связан с входом счетчика 29, выход которого является входом логического элемента «ИЛИ» 25, выход с последнего подан на вход вычислителя 26. При этом выход с ключей 21 и 22 соединен с входом блока управляемой временной задержки 31, вход которого также соединен с выходом вычислителя 26. Блок управляемой временной задержки 31 соединен также с блоком УУ 27. Выход блока управляемой временной задержки 31 соединен со входом АЦП 23.
Устройство работает следующим образом. При вращении шпинделя 5 подшипники 6, 7 нагреваются, а тепло передается шпинделю 5 и на корпус шпиндельной бабки 1. Кольца из константана 14, 15 и корпус шпиндельной бабки 7 подключены через электрические провода 18 и 19, проходящие через пазы 16 и 17, к преобразователю 20, содержащему управляемый источник тока, при этом кольца из константана соединены с положительным полюсом источника тока, а кольца подшипников - с отрицательным полюсом. Керамические втулки 10, 11 являются изоляторами между корпусом шпиндельной бабки 1 и кольцами из константана 14 и 15, поэтому кольца из константана 14 и 15 имеют электрический контакт только с наружными стальными кольцами подшипников 6 и 7, образуя термопары (Б.М. Олейник, С.И. Лаздина. Приборы и методы температурных измерений. М.: Издательство стандартов, 1987, с.61, 75). Наружные кольца подшипников 6 и 7 соединяются с корпусом шпиндельной бабки 7 через прокладную втулку 8. Таким образом, сигнал от термопар подается через электрические провода 18 и 19, проходящие через пазы 16 и 17, в преобразователь 20. Преобразователь 20 определяет два режима работы колец из константана 14 и 15: во-первых, как охладитель, во-вторых - измерители температуры. В случае, когда на кольца из константана 14 и 15 подается положительный потенциал при прохождении электрического тока через контакты колец из константана 14, 15 и стальных подшипников 6, 7, будет происходить охлаждение подшипников 6, 7, основанное на эффекте Пельтье (Попов М. М. Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954). Степень охлаждения подшипников 6, 7 зависит от размеров колец из константана 14, 15, а также от величины подводимого электрического тока.
Для отвода тепла от наружной поверхности колец из константана в керамических втулках 10, 11 выполнены пазы 12, 13, по которым прокачивается масло. Масло подается от насосной установки по каналу 2, прокачивается через пазы 12, далее через канал 4 поступает в пазы 13 и по каналу 3 выходит в бак насосной установки (не показан).
При прохождении электрического тока через вращающиеся подшипники 6 и 7 в последних наводятся токи Фуко (см. Б.М.Яворский и А.А.Детлоф. Справочник по физике. М.: Наука, 1977 - с.456). В результате этого, а также токов утечек на поверхности канавок колец подшипников 6 и 7 могут образовываться «прижоги», которые снижают ресурс работы подшипников. Чтобы исключить это явление, величина подводимого тока должна быть ограничена некоторой величиной, которую получают экспериментально.
Экспериментально было установлено, что для подшипников 6 и 7 (№36115 ГОСТ 18854-82) при частоте вращения n=300 об/мин «прижоги» появлялись при достижении силы тока I=4,5 А, проходящего через кольца из константана 14 и 15, а также через кольца подшипников 6 и 7. Поэтому преобразователь 20 при достижении силы охлаждающего тока величины 4,5А должен отключить ток. Затем преобразователь 20 определяет работу колец из константана 14 и 15 и подшипников 6, 7 в режиме термопары, т.е. в режиме определения температуры в зоне контакта колец из константана 14 и 15 и подшипников 6 и 7. Поскольку кольца из константана 14 и 15 окружают подшипники 6 и 7, то оценивается некоторая интегральная температура нагрева подшипников 6, 7, что позволяет оценивать нагрев подшипников 6 и 7 в целом.
Переключение режимов «охлаждение» и «измерение температуры» в преобразователе 20 осуществляют ключи 21 и 22, которые соединены соответственно с электропроводами 18 и 19 (см. фиг.3). Работа ключей 21 и 22 контролируется устройством управления 27.
01
k
k
1
Начинается работа заявляемого устройства с позиции "d" ключей 21 и 22, она соответствует режиму «охлаждение». Предварительно перед началом работы заявляемого устройства в вычислитель 26 вручную вводятся следующие параметры: температура окружающей среды (t); температура подшипников 6 и 7 (t), при которой начинают появляться «прижоги», при прохождении через подшипники 6 и 7 тока величиной I; количество импульсов определенной частоты (N), которое соответствует времени, необходимому для нагрева подшипников 6 и 7 с температуры
01
k
t до температуры t.
k
k
1
Параметры t, I и N находятся экспериментально.
После ввода указанных параметров в вычислитель 26 вручную имитируют начало работы управляющего устройства 27 с помощью сигнала "Р". В результате чего устройство управления (УУ) 27 подает сигнал на вычислитель 26, в котором осуществляются следующие вычисления:
i=1
k
01
1
α=(t-t)/N
i=1
i=1
-i
τ=b·α
i
k
01
Вслед за этим по команде с УУ 27 на управляемый источник тока 30 передаются данные с вычислителя 26: α, I, t, затем по команде с УУ 27, управляемый источник тока 30 начинает формировать ток, изменяющийся во времени по закону:
k
1
k
2
k
Этот ток через ключи 21 и 22 подается на э/провода 18 и 19. Ток I(t) возрастает по линейному закону (1) до тех пор, пока его величина не достигнет величины I. После этого величина тока I(t) падает до нуля, о чем управляемый источник тока 30 сообщает УУ 27. Как только по команде УУ 27 в управляемом источнике тока начинает формироваться ток I(t)=α·t, одновременно по команде с УУ 27 включается генератор импульсов 38 и соединенный с его выходом счетчик импульсов 29, который осуществляет подсчет импульсов до тех пор, пока на управляемом источнике тока 30 величина тока I(t) не достигнет величины I. После этого по команде УУ 27 количество импульсов со счетчика 29 передается через логический элемент «ИЛИ» 25, выполняющий роль ключа, на вычислитель 26. Количество импульсов в этом случае соответствует N, которое характеризует время, за которое ток I(t) достиг величины I. После этого счетчик 29 по команде УУ 27 обнуляется, ключ, сформированный из логического элемента «ИЛИ» 25, закрывается.
i
i
i
По команде УУ 27 ключи 21 и 22 переходят в режим «измерения температуры», т.е. в положение "с". В этом случае контакт константановых колец 14 и 15 с подшипниками 6 и 7 работает как термопара, измеряющая температуру. Поскольку режиму «измерения температуры» предшествует режим «охлаждения» подшипников 6 и 7, то, для того чтобы измерить реальную температуру подшипников 6 и 7, необходимо некоторое время τ для установления теплового баланса между подшипниками 6 и 7, константановыми кольцами 14 и 15, а также корпусом шпиндельной бабки 1. При этом время τ уменьшается по мере увеличения температуры нагрева подшипников 6 и 7. Уменьшение времени τ в этом случае объясняется тем, что с увеличением мощности теплового источника время наступления теплового баланса уменьшается. Экспериментально было установлено, что время
i
i
-i
τ=b·α
Величина b зависит от размеров подшипников 6 и 7, а также режимов их эксплуатации. Для подшипников №36115 ГОСТ 18854-82 и для конструкции шпиндельной бабки, изображенной на фиг.1 и 2, b=0,7÷0,82.
i
0i
Далее выходы ключей 21 и 22, соответствующие положению "с", подают на вход блока управляемой задержки времени 31, который по команде с УУ 27 осуществляет временную задержку на величину τ, вычисленную в вычислителе 26 и переданную на блок 31 по команде с УУ 27. Вслед за этим сигнал с блока 31 поступает на АЦП 23, который срабатывает по сигналу от УУ 27, вслед за этим по сигналу от УУ 27 срабатывает логический элемент «ИЛИ» 24, выполняющий роль ключа. Логический элемент «ИЛИ» 24 подводит выход АЦП 23 ко входу вычислителя 26. Таким образом, в вычислитель 26 подается информация о температуре подшипников 6 и 7 - t. Здесь i - соответствует номеру измерения температуры подшипников 6 и 7.
По команде УУ 27 вычислитель 26 определяет:
i
k
0
i
α=(t-t)/N
Затем УУ 27 переводит ключи 21 и 22 в положение "d", соответствующее режиму «охлаждение». Вслед за этим весь цикл работы заявляемого устройства повторяется.
i
k
i
i
k
0
i
0
k
k
i
k
k
i
i
Физический смысл коэффициента α состоит в том, что это есть tg угла наклона прямой, показывающей скорость изменения силы тока от 0 до величины I (см. фиг.4). α определяется как отношение α=(t-t)/N, где t - начальная температура (температура окружающей среды), t - экспериментально определенная предварительно температура подшипников 6 и 7, при достижении которой дальнейшее повышение тока I через константановые кольца 14 и 15 ведет к появлению «прижогов» на подшипниках 6 и 7. Здесь N - количество импульсов на счетчике 29, характеризующее время, за которое температура в зоне контакта константановых колец 14 и 15 и подшипников 6 и 7 достигнет величины t. По мере того как температура в зоне контакта константановых колец 14 и 15 и подшипников 6 и 7 будет приближаться к температуре t, эффект охлаждения в зоне контакта константановых колец 14 и 15 и подшипников 6 и 7 будет происходить более интенсивно за счет увеличения α, так как в этом случае N уменьшается.
Использование колец из константана, а не термоэлементов с электронной и дырочной проводимостями обусловлено тем, что это значительно упрощает конструкцию устройства, так как стальные наружные кольца подшипников в паре с константановыми кольцами работают и как термоэлементы, и как определители температуры, что позволяет снижать и оценивать температуру непосредственно самого подшипника.
Использование данного устройства позволяет снизить динамику нагрева подшипников 6 и 7, а в результате чего увеличить срок их службы, повысить точность и уменьшить тепловые деформации шпиндельного узла.