ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ ОПОРА
HYDROSTATIC SUPPORT

Изобретение относится к области машиностроения, и может найти применение в станкостроении в качестве адаптивных опорных модулей незамкнутых гидростатических направляющих, а также в других ответственных гидростатических опорах с плоскими рабочими поверхностями скольжения.
Известны незамкнутые гидростатические опоры, имеющие упругие (мембранные, кольцевые с разрезными упругими кольцами, с эластичными элементами и другие) регуляторы расхода рабочей жидкости, обеспечивающие управление расходом рабочей жидкости через несущий слой в зависимости от внешней нагрузки на опору (Бушуев В.В. «Гидростатическая смазка в станках», М., «Машиностроение», 1989, рис.36а, б на стр.72; патент Великобритании №1027395, кл. F2A2 (F16c 17/16)). Основными недостатками данных опор являются: необходимость точной и трудоемкой гидравлической настройки системы опора-регулятор, что, как правило, не позволяет обеспечить достаточную точность взаимного положения рабочих поверхностей опоры и регулятора, а также сложность конструкции и повышенные габаритные размеры регулятора.
Известны также незамкнутые гидростатические опоры с регуляторами расхода, имеющими подвижные элементы, контактирующие с подвижной частью опоры (А.С. СССР №435397, F16c 17/16). Однако эти конструкции реализуют обратную связь по положению подвижной части, а не по давлению рабочей жидкости в несущем кармане, и поэтому не позволяют обеспечить опоре нулевую и отрицательную податливость.
Наиболее близким аналогом изобретения является гидростатическая опора (патент РФ №2325565, F16C 32/06, B23Q 1/38), содержащая направляющую, корпус с подводящим каналом для нагнетания рабочей жидкости, в котором расположен плавающий элемент. На рабочей поверхности корпуса на выходе подводящего канала выполнен несущий карман, на торцах плавающего элемента выполнены управляющие карманы, соединенные дросселирующим каналом, наружные поверхности плавающего элемента имеют кольцевые выступы и образуют с сопряженными поверхностями корпуса и направляющей щелевые дросселирующие зазоры.
Недостатком данной гидростатической опоры является неблагоприятное изменение расходов параллельных потоков рабочей жидкости, поступающих в несущий карман опоры, при нагружении которой увеличение расхода в одном потоке неизбежно вызывает уменьшение расхода в другом потоке. При нагружении опоры всегда имеет место уменьшение расхода какого-либо одного потока, либо обоих потоков одновременно. Это обстоятельство является обязательным условием работоспособности конструкции опоры-прототипа и следует из необходимости обеспечения равновесного положения плавающего элемента. В результате этого пределы регулирования общего (т.е. суммарного) расхода рабочей жидкости через несущий карман недостаточны, что не позволяет уменьшить податливость несущего смазочного слоя опоры до необходимых значений.
Задачей изобретения является улучшение характеристик гидростатической опоры путем исключения потока рабочей жидкости, поступающего в несущий карман и имеющего уменьшающийся при нагружении опоры расход.
Поставленная задача достигается тем, что в гидростатической опоре, содержащей направляющую, корпус с несущим карманом и подводящим каналом для нагнетания рабочей жидкости, с установленным внутри корпуса плавающим элементом, имеющим управляющий карман на торцевой поверхности, сопряженной с поверхностью направляющей, связанный с дросселирующим каналом, а наружные поверхности плавающего элемента образуют с сопряженными поверхностями корпуса и направляющей ступенчатые щелевые дросселирующие зазоры, согласно техническому решению, в несущем кармане выполнено ступенчатое углубление, в котором размещен плавающий элемент в виде ступенчатого плунжера с образованием дренажной и напорной полостей, ограничиваемых наружными поверхностями плунжера и внутренними поверхностями корпуса, причем корпус имеет сливной канал, сообщающийся с дренажной полостью, а напорная полость сообщается с дросселирующим и подводящим каналами.
На фиг.1 показан продольный разрез заявляемой гидростатической опоры.
На фиг.2 представлены теоретические нагрузочные характеристики заявляемой опоры и опоры-прототипа.
Гидростатическая опора состоит из направляющей 1 и корпуса 2, рабочие поверхности которых разделяет щелевой дросселирующий зазор 3, образующий несущий слой опоры. В корпусе 2 выполнены несущий карман 4, подводящий канал 5, соединенный с источником нагнетания рабочей жидкости (не показан), а также сливной канал 6. Несущий карман 4 имеет ступенчатое углубление цилиндрической формы, верхняя ступень которого в нижней ее части сообщена с подводящим каналом 5, а нижняя ступень сообщена со сливным каналом 6. Плунжер 7 имеет ступенчатую цилиндрическую форму и установлен в ступенчатом углублении несущего кармана 4 корпуса 2 с образованием щелевых дросселирующих зазоров 8, 9, ступенчато сужающихся по направлению течения рабочей жидкости благодаря кольцевым выступам 15, 16 на боковых поверхностях плунжера и обеспечивающих его свободные осевые перемещения и радиальное центрирование. Плунжер 7 имеет дросселирующий канал 10 и сообщающийся с ним управляющий карман 11 на торцевой рабочей поверхности, сопряженной с частью рабочей поверхности направляющей 1 через щелевой дросселирущий зазор 12. В нижней ступени углубления образована дренажная полость 13, ограниченная сопряженными поверхностями корпуса и плунжера и сообщающаяся со сливным каналом 6. В верхней ступени углубления, также ограниченная поверхностями корпуса и плунжера, образована напорная полость 14, сообщающаяся с подводящим каналом 5 и с дросселирующим каналом 10.
Работает гидростатическая опора следующим образом.
Основной поток рабочей жидкости от источника через подводящий канал 5 нагнетается в напорную полость 14, откуда через дросселирущий канал 10 поступает в управляющий карман 11. Далее через щелевой дросселирующий зазор 12 поступает в несущий карман 4 опоры, откуда через щелевой дросселирующий зазор 3 опоры поступает на слив. Верхний дополнительный поток через ступенчатый щелевой дросселирующий зазор 8 также поступает в несущий карман 4, обеспечивая при этом радиальное центрирование верхней части плунжера и работоспособность опоры при малом нагружении, когда плунжер находится в крайнем верхнем (ближайшем к направляющей) положении. Нижний дополнительный поток из напорной полости 14 через ступенчатый щелевой дросселирующий зазор 9 перетекает в дренажную полость 13, обеспечивая радиальное центрирование нижней части плунжера 7, и далее поступает на слив в сливной канал 6.
При отсутствии внешнего нагружения направляющую 1 к корпусу 2 прижимает только сила тяжести направляющей, которая уравновешивается силой гидростатического взаимодействия рабочих поверхностей направляющей 1 и корпуса 2. При этом давление рабочей жидкости на торцевую дросселирующую поверхность плунжера 7 минимально и он занимает ближайшее к направляющей 1 положение. Расход рабочей жидкости через несущий карман 4 при этом минимален и определяется, в основном, дополнительным потоком через щелевой дросселирующий зазор 8.
При нагружении опоры возрастает действующее на дросселирующую торцевую поверхность плунжера 7 давление и поэтому плунжер перемещается в осевом направлении «от направляющей» до его равновесного положения, обеспечиваемого отношением площадей напорной и дренажной полостей 14 и 13, а также параметрами гидростатических подвесов плунжера 7 и направляющей 1. Перемещение плунжера 7 приводит к увеличению щелевого дросселирующего зазора 12 и вызывает необходимое значительное увеличение расхода рабочей жидкости через несущий карман 4 опоры. В то же время осевое перемещение плунжера не приводит к изменению щелевых дросселирующих зазоров 8 и 9, определяющих параметры дополнительных потоков, имеющих при этом значительно меньшие расходы.
Радиальное центрирование, и, следовательно, полноценное плавающее состояние плунжера обеспечивает ступенчатое дросселирование рабочей жидкости в щелевых зазорах 8 и 9 за счет наличия кольцевых выступов 15 и 16 на наружных поверхностях плунжера.
Сравнительные исследования нагрузочных характеристик (зависимость рабочего зазора гидростатической опоры h от нагрузки F) заявляемой опоры и опоры-прототипа показали, что пределы регулирования расхода рабочей жидкости, обеспечиваемые в прототипе, позволяют обеспечить только положительную податливость несущего смазочного слоя (кривая 2 на фиг.2.). В то время как пределы регулирования расхода заявляемой опоры способны обеспечить нулевую и даже существенную отрицательную податливость несущего слоя (кривая 1 на фиг.2) в активном диапазоне нагружения (при подвижном плунжере) при сохранении полноценного плавающего состояния плунжера. Кроме того, при малых нагрузках заявляемая опора имеет значительно более высокую расходную экономичность.
Это объясняется тем, что, положение плунжера, определяющее основной расход через несущий карман, во-первых, не ограничено дополнительной «гидростатической пружиной», связывающей плавающий элемент с корпусом как в опоре-прототипе, и, во-вторых, не оказывает влияния на величину щелевого дросселирующего зазора другого потока, поступающего в несущий карман и являющегося верхним дополнительным потоком и имеющим при этом небольшой расход рабочей жидкости. Поэтому в заявляемой опоре обеспечивается весьма значительное и достаточное для необходимого уменьшения податливости несущего смазочного слоя увеличение общего расхода рабочей жидкости через несущий карман при нагружении опоры.
При этом в функцию нижнего дополнительного потока рабочей жидкости из напорной полости в дренажную входит только центрирование нижней части плунжера, обеспечение достаточной «герметизации» напорной полости и подвижности плунжера. Поэтому щелевой дросселирующий зазор 9 и расход через него малы (по сравнению с расходом рабочей жидкости через зазор 8) и не оказывают существенного влияния на характеристики опоры.
Следует отметить, что обеспечение равновесного плавающего состояния плунжера «без дополнительной пружины» становится возможным только при наличии его ступенчатой формы, а также дренажной и напорной полостей. При этом отношение площадей дренажной и напорной ступеней плунжера является весьма важной характеристикой, определяющей его активность и значительно влияющей на основные характеристики гидростатической опоры.