ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК
HYDROSTATIC BEARING

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в шпиндельных узлах прецизионных и тяжелых металлорежущих станков, а также станков для высокоскоростной обработки и микрообработки. Применение гидростатических шпиндельных подшипников обеспечивает точность вращения, нагрузочную способность, жесткость и виброустойчивость, недостижимые для других типов шпиндельных подшипников.
Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2200258, кл. F16C 32/06], содержащий вал и охватывающий вал неподвижный корпус. На внутренней поверхности корпуса выполнены углубленные относительно рабочей цилиндрической поверхности несущие карманы, которые через жиклирующие отверстия в корпусе соединены с источником рабочей жидкости. Все карманы разделены между собой и отделены от дренажной полости вне подшипника. Рабочие поверхности корпуса образуют с поверхностью вала рабочий зазор, через который происходит перетекание рабочей жидкости из несущих карманов в дренажную полость. На рабочих цилиндрических поверхностях корпуса выполнены выходные дросселирующие каналы, которые соединяют несущий карман с дренажной полостью через дренажные канавки, выполненные у задней по направлению вращения вала стенки несущего кармана, преимущественно в углах, образованных задней и боковыми стенками несущего кармана, и направлены (наклонены) в сторону вращения вала.
Недостатком данного решения является пониженная несущая способность и жесткость подшипника, вызванная тем, что выходные дросселирующие каналы, соединяющие несущий карман с дренажной камерой, наклонены в сторону вращения вала, что не обеспечивает нагнетание жидкости в несущие карманы.
Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2280789 кл. F16C 32/06], содержащий корпус, канал для подвода смазки, вал, установленную в корпусе и охватывающую вал втулку, образующую с его поверхностью зазор, в котором в процессе работы формируется несущий смазочный слой, плавающий кольцевой регулятор, охватывающий втулку и образующий с наружной цилиндрической поверхностью последней управляемый щелевой дроссель, соединенный с несущим смазочным слоем, причем поверхности втулки и корпуса образуют с торцевыми поверхностями плавающего кольцевого регулятора радиальные щелевые дросселирующие зазоры. Во втулке выполнен канал для подвода смазки, соединенные с ним и размещенные на наружной цилиндрической поверхности втулки кольцевые канавки, кольцевые выступы, расположенные по краям наружной цилиндрической поверхности втулки и образующие с сопряженной цилиндрической поверхностью плавающего кольцевого регулятора ступенчатые щелевые дросселирующие зазоры, и радиальные каналы, соединяющие несущий смазочный слой с управляемым щелевым дросселем, расположенным между кольцевыми канавками.
Недостатком данного решения является наличие подвижных частей в конструкции, а именно плавающего кольцевого регулятора, охватывающего втулку, в связи с чем имеет место низкая технологичность сборки. С другой стороны, из-за отсутствия несущих карманов на внутренней поверхности втулки, нагрузочная способность понижена.
Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2537217, кл. F16C 17/18, F16C 32/06], содержащий корпус, вал и подвижную втулку, установленную в корпусе на эластичной оболочке с вырезами, которые образуют между корпусом и втулкой управляющие камеры, соединенные каналами с несущими карманами, образованными между валом и внутренней поверхностью втулкой, а в каждой управляющей камере образован дросселирующий щелевой зазор, который связан соединительными каналами на входе - с источником нагнетания рабочей жидкости, а на выходе через соединительные каналы - с несущими карманами, при этом как управляющие камеры, так и несущие карманы расположены в два кольцевых ряда с осевым смещением камер относительно карманов. Соединительные каналы, связывающие управляющие камеры с несущими карманами, выполнены слабо дросселирующими и расположены перекрестно, так чтобы каждая камера была соединена с карманом из дальнего кольцевого ряда. Сопряженные поверхности корпуса, вала и втулки выполнены коническими.
Недостатком данного решения является низкая технологичность сборки и сложность изготовления входящих в него деталей, обусловленная высокой точностью обработки цилиндрических поверхностей. Применение эластичной оболочки затрудняет обеспечение точного взаимного положения подвижной втулки и вала, необходимого для работы щелевых дросселей, следовательно, не обеспечивает высокую жесткость и точность вращения, поэтому не позволяет применять данный подшипник в шпиндельных узлах для высокоскоростной обработки и микро-обработки.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является гидростатический подшипник [А.с. СССР №397691, кл. F16C 17/16], содержащий корпус с установленной в нем втулкой с несущими карманами и входными дросселями, образованными канавками на наружной поверхности втулки и сопряженной поверхностью корпуса и сообщающимися с несущими карманами соединительными каналами, а также выполненные в корпусе каналы подвода смазки от источника подачи смазки под давлением к входным дросселям. Входные дроссели выполнены в виде кольцевых сообщающихся между собой участков, образующих общий канал, при этом между каждыми двумя смежными участками расположены поочередно каналы подвода смазки и соединительные каналы. Общий канал может быть выполнен кольцевым или спиральным, а также может быть образован совмещенными канавками, одна из которых выполнена на внутренней поверхности корпуса, другая - на наружной поверхности втулки.
Недостатком данного решения является недостаточные жесткость, нагрузочная характеристика и устойчивость, а также параметрическое биение шпинделя, вызываемое вращающейся радиальной нагрузкой.
Технической задачей изобретения является повышение точности вращения и уменьшение амплитуды биения шпинделя, повышение жесткости и устойчивости гидростатического подшипника, а также повышение его технологичности и надежности за счет исключения подвижных и упругих элементов.
Для достижения поставленной задачи предлагается гидростатический подшипник, содержащий базовую втулку, неподвижно установленную в корпусе шпиндельного узла, опорную втулку, запрессованную в базовую втулку, имеющую на наружной поверхности кольцевую полость, ограниченную с обеих сторон кольцевыми выступами, образующими с корпусом шпиндельного узла дросселирующие щелевые зазоры, выходящие в секторные канавки и затем выходящие в несущие карманы опорной втулки, которая, согласно изобретению, выполнена из антифрикционного материала, а ее несущие карманы, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем дросселирующие щелевые зазоры, а секторные канавки базовой втулки расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам опорной втулки, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий.
От ближайшего аналога предлагаемый гидростатический подшипник отличается тем, что опорная втулка выполнена из антифрикционного материала, а ее несущие карманы, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем дросселирующие щелевые зазоры, а секторные канавки базовой втулки расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам опорной втулки, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий. Секторные канавки базовой втулки и несущие карманы опорной втулки выполнены с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок и несущих карманов относительно другого кругового ряда соответственно.
Для достижения поставленной задачи также предлагается гидростатический подшипник, имеющий аналогичную конструкцию, однако, в котором сопряженные поверхности базовой втулки, опорной втулки и шпинделя выполнены коническими.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показан продольный разрез А-А на фиг. 2, 3 гидростатического подшипника. На фиг. 2 показан поперечный разрез Б-Б на фиг. 1. На фиг. 3 показан поперечный разрез В-В на фиг. 1 с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок и несущих карманов относительно другого кругового ряда соответственно. На фиг. 4 показан продольный разрез А-А на фиг. 2, 3 гидростатического подшипника.
Предлагаемый гидростатический подшипник (фиг. 1, 2, 3) является радиальным и имеет базовую втулку 1, неподвижно установленную в корпусе шпиндельного узла (на фиг. 1, 2, 3 не показан), опорную втулку 2, выполненную из антифрикционного материала и запрессованную в базовую втулку 1 шпинделя 3.
Опорная втулка 2 имеет несущие карманы 4, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, которые расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем 3 дросселирующие щелевые зазоры 5.
Базовая втулка 1 имеет на наружной поверхности кольцевую полость 6, ограниченную с обеих сторон кольцевыми выступами, образующими с корпусом шпиндельного узла дросселирующие щелевые зазоры 7, выходящие в секторные канавки 8, которые расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам 4, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами 9, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий.
Вращающаяся радиальная нагрузка вызывает параметрическое биение шпинделя 3, так как нагрузочная характеристика радиального гидростатического подшипника при этом периодически изменяется. Поэтому для уменьшения амплитуды биения и повышения устойчивости, секторные канавки 8 базовой втулки 1 и несущие карманы 4 опорной втулки 2 выполнены с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок 8 и несущих карманов 4 относительно другого кругового ряда соответственно.
н
Предлагаемый радиальный гидростатический подшипник работает следующим образом. Рабочая жидкость от гидростанции (на фиг. 1, 2, 3 не показана) нагнетается в кольцевую полость 6 базовой втулки 1 под давлением р=const, отсюда через дросселирующие щелевые зазоры 7 поступает в секторные канавки 8 и через радиальные каналы 9 поступает в несущие карманы 4 опорной втулки 2 под давлением, меньшим чем давление нагнетания. Далее через дросселирующие щелевые зазоры 5, образованные между шпинделем 3 и крайними круговыми дросселирующими перемычками несущих карманов 4, рабочая жидкость поступает в дренажные каналы (на фиг. 1, 2 не показаны) и возвращается в гидростанцию.
Предлагаемый гидростатический подшипник (фиг. 4) является радиально-осевым и имеет конструкцию аналогичную, показанной на фиг 1, 2, 3, но коническая форма сопряженных поверхностей базовой втулки 1, опорной втулки 2 и шпинделя 3 позволяет ему, помимо радиальной нагрузки, воспринимать дополнительно осевую и угловую нагрузки соответственно.
Предлагаемый радиально-осевой гидростатический подшипник (фиг. 4) работает аналогично радиальному гидростатическому подшипнику, показанному на фиг 1, 2, 3.