Способ управления охлаждением высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка
METHOD OF COOLING CONTROL OF HIGH-SPEED MOTOR-SPINDLE OF METAL-CUTTING MACHINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к управлению высокоскоростными мотор-шпинделями металлорежущих станков.
Одним из основных направлений развития металлорежущих станков является широкое использование мехатронных модулей, сочетающих энергетические, информационные и управляющие функции в едином конструктивном блоке, в котором обеспечивается согласованный выбор параметров отдельных подсистем, подчиненных единой задаче - достижению требуемых эксплуатационных характеристик. Мотор-шпиндели наиболее полно иллюстрируют основные проблемы мехатронных систем станков и являются наиболее важными узлами, определяющими качество оборудования.
Из уровня техники известны способы управления высокоскоростными мотор-шпинделями металлорежущих станков, включающие регулируемую подачу хладагента (В.В. Бушуев и др. Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков, Вестник МГТУ «Станкин» №3, 2011, http://stanoks.com/index.php?catid=49:articles&id=1502:2014-01-28-09-36-49&Itemid=192&option=com_content&view=article).
К недостаткам аналогов следует отнести несбалансированность управления и неравномерность охлаждения статора и подшипниковых опор, ограничивающие быстроходность и являющиеся причиной склонности к возникновению в мотор-шпинделе вибраций, что обусловливает низкий ресурс и эффективности работы узла в целом.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту - прототипом - является способ управления охлаждением высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка, включающий регулируемую подачу хладагента к статору, передней и задней подшипниковым опорам и одновременное измерение их температуры и уровня вибраций (Патент РФ №2509627, МПК В23В 19/02, опубл. 20.03.2014).
К недостаткам прототипа следует отнести несбалансированность управления и неравномерность охлаждения статора и подшипниковых опор, ограничивающие быстроходность и являющиеся причиной склонности к возникновению в мотор-шпинделе вибраций, что обусловливает низкий ресурс и эффективности работы шпиндельного узла (ШУ) в целом.
Задачей изобретения является сбалансированное охлаждение статора и подшипниковых опор мотор-шпинделя, обеспечивающее минимизацию вибраций последнего.
Технический результат - повышение эффективности высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка за счет повышения его быстроходности и ресурса работы, обусловленных тепловой и вибрационной стабильностью.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе управления охлаждением высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка, включающем регулируемую подачу хладагента к статору, передней и задней подшипниковым опорам и одновременное измерение их температуры и уровня вибраций, подачу хладагента осуществляют так, что:
, где
с
1,2
Т, Т - текущие измеренные температуры статора, передней и задней подшипниковых опор шпинделя;
- приведенная начальная жесткость ШУ при температуре 20°С;
T
1
T1
1
2
T2
2
1,2
а
а
k=k-ζΔT-ζΔT - приведенная жесткость шпиндельного узла при измеренных температурах T;
а - расстояние между опорами шпинделя;
b - длина консольной части шпинделя от его торца до передней опоры;
Е - модуль упругости материала шпинделя;
a,b
J - геометрический момент инерции (сечения) межопорной и консольной частей шпинделя;
1
2
j, j - жесткость передней и задней подшипниковых опор шпинделя;
m - приведенная масса шпинделя;
т
т
1,2
f=р/2π - частота собственных колебаний шпинделя (при измеренных температурах Т);
1,2
- приведенное смещение шпинделя (при измеренных температурах Т);
а
a
a2
a
а
1
2
2
2
2
=[+b)/, =b/ - безразмерные коэффициенты, характеризующие конструктивные параметры ШУ;
1,2
кп
вн
вн
кп
вн
к
к
ζT=[(β-β)d-0,6βd-βd] - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяг) в опоре ШУ (передней, задней) при изменении ее температуры на 1°С;
кп
вн
к
β, β, β - коэффициенты линейного расширения корпуса, внутреннего кольца подшипника и тел качения подшипника;
вн,
нк
к
dd, d - внутренний диаметр наружного кольца подшипника, наружный диаметр корпуса подшипника, диаметр тел качения подшипника.
В основу заявленного способа положен принцип обеспечения максимальной жесткости шпиндельного узла, что гарантирует минимальный уровень колебаний и, следовательно, повышение быстроходности, стабильности, эффективности и ресурса работы высокоскоростного мотор-шпинделя для металлорежущих станков.
Известно, что колебание шпиндельного узла описывается уравнением:
которое, преобразовав к виду
позволяет получить общее решение колебания шпинделя:
Здесь обозначено:
2
0
2g=v/m, p=k/m, где m - приведенная масса, v - приведенная характеристика демпфирующих свойств, k - приведенная жескость, а - начальная амплитуда собственных колебаний, F - периодически изменяющееся внешнее воздействие, ω - круговая частота, t - время;
- динамический коэффициент, характеризует изменение динамических смещений относительно статических;
f=р/2π - частота собственных колебаний шпинделя (без нагрева).
Приведенная жескость k определяется выражением:
а - расстояние между опорами шпинделя;
b - расстояние консольной части: от передней опоры до торца шпинделя;
Е - модуль упругости материала шпинделя;
a,b
J - геометрический момент инерции (сечения) межопорной и консольной частей шпинделя;
1,2
j - жесткости опор шпинделя.
T
T
При известных законах тепловых и силовых нагрузок на ШУ - (Q и Р) и при помощи термоупругих моделей определяются: значение тепловой деформации δ, абсолютное превышение температуры в детали ШУ , внутриобъемный  перепад температур, перепад температуры опоры и корпуса детали ΔT, которые позволяют получить значение максимальной жесткости k при увеличении температуры ШУ.
Регулирование или стабилизация температуры в корпусе определяется равномерным распределением температуры в объеме ШУ и минимальной избыточной абсолютной температурой. Установлено, что существует критерии, которые определяют степень равномерности температуры в деталях ШУ как в пространстве, так и во времени. Число Bi (Био) является критерием равномерного распределения температуры детали при соблюдении условия Bi≤0,1. Для ШУ число Bi (Био), как правило, всегда Bi≤0,1.
Критерий Bi=αL(d)/λ зависит и определяется коэффициентом теплоотдачи (Вт/м град), коэффициентом теплопроводности λ (Вт/м град) и размера L(d) (м). Применительно к металлорежущим станкам значения α при свободной конвекции изменяются в пределах от 2 до 15, а значения λ для сталей от 40 до 50, для чугунов от 50 до 65.
Тогда значения диапазонов критерия Био можно определить: для деталей из сталей Bi=(0,04-0,375)L, для деталей из чугуна Bi=(0,031-0.3)L. Следовательно, размер L(d) деталей, для которых температурное поле можно считать относительно равномерным, будет находиться в пределах: для сталей - менее 2.25÷0,267 м, для чугунов - менее 3,32÷0,33 м.
Тогда изменение начальной деформации в опоре ШУ определится выражением [с. 225, Детали и механизмы металлорежущих станков./Под редакцией Д.Н. Решетова - М.: Машиностроение. 1972. - 520 с.]:
Преобразуем (5) к виду:
T
кп
вн
вн
кп
вн
к
к
кп
вн
к
вн
нк
к
м
п
Здесь ζ=[(β-β)d-0,6βd-βd] - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяг) в опоре ШУ при изменении ее температуры на 1°С, где β, β, β - коэффициенты линейного расширения корпуса, внутреннего кольца подшипника и тел качения; d, d, d - внутренний диаметр наружного кольца подшипника, наружный диаметр корпуса подшипника, диаметр тел качения; Т, ΔT - избыточные температуры масла и подшипника.
Тогда подставляя (6) в (4) и, проведя преобразование, получим значение приведенной жесткости в (1):
1,2
01,02
T1,T2
01,02
T1,T2
01,02
Здесь j=1/(δ-δ)=j/(1-δj)
где  - начальная деформация передней и задней опор ШУ;
или, учитывая начальную жесткость k (4) и преобразуя (7), получим:
T
1
T1
2
T2
k=k-aδ-aδ,
и подставляя (6) имеем:
Т1
T2
1
2
здесь , где ζ, ζ - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяга) и избыточные температуры ΔT, ΔТ в опорах 1,2 ШУ.
Следовательно, собственная частота ШУ (с нагревом) будет равна:
Из (9) получим зависимость избыточной температуры и собственной частоты шпинделя (с нагревом):
c
с
1,2
1,2
с
1,2
Поскольку ΔТ=Т-20°С и ΔT-=Т-20°С, где Т, Т - текущие измеренные температуры статора, передней и задней подшипниковых опор шпинделя соответственно, получим
С учетом (11), зная измеренную характеристику собственной частоты, определяем требуемую температуру охлаждения, обеспечивающую максимальную жесткость мотор-шпинделя, а следовательно, и быстроходность, стабильность, эффективность и ресурс работы ШУ.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сбалансировать охлаждение статора и подшипниковых опор мотор-шпинделя с обеспечением минимизации вибраций последнего.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой, неизвестной на дату приоритета из уровня техники совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к машиностроению, в частности к высокоскоростным мотор-шпинделям для металлорежущих станков;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.