РЕГУЛЯТОР ДЛЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ОПОР
HYDROSTATIC BEARING REGULATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в станкостроении в системах питания замкнутых и незамкнутых гидростатических опор, работающих в условиях оппозитного нагружения, а также в системах адаптивного управления положением шпинделя или направляющих.
Известны многопоточные регуляторы расхода для замкнутых гидростатических опор, содержащие составной корпус, настраивающее устройство и плавающие (подвижные) неразрезные кольца, при помощи которых осуществляется активное регулирование расхода смазки через карманы гидростатических направляющих (Монография В.В.Бушуева «Гидростатическая смазка в станках», М., Машиностроение, 1989 г., с.85). Каждое плавающее кольцо регулирует расход через два оппозитных несущих кармана гидростатической направляющей.
Недостатком данных регуляторов являются повышенные габаритные размеры, что не позволяет встраивать регулятор непосредственно в основание направляющей, а это, в свою очередь, усложняет систему подвода смазки к несущим карманам и ухудшает динамическое качество системы опора - регулятор, особенно при отрицательной податливости опоры. Кроме того, имеется контакт боковых поверхностей плавающих (подвижных) колец с соседними сопряженными поверхностями либо существенные перетоки рабочей жидкости при превышении зазора в этих сопряжениях.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является регулятор для гидростатических опор (патент РФ №2259268, МПК B23Q 1/38, F16C 32/06), содержащий корпус с соплами, расположенными на его внутренних поверхностях, заслонку в виде кольцевого диска, расположенную между внутренними поверхностями корпуса с возможностью смещения в пределах зазора, образующую с соплами управляющие щелевые дроссели для нагнетания смазки в несущие карманы гидростатической опоры. Корпус имеет крышки, а на внутренних торцевых и радиальных поверхностях корпуса, сопряженных с поверхностями заслонки, выполнены стабилизирующие карманы, расположенные между соплами и связанные с источником нагнетания смазки через постоянные дроссели, и дренажные канавки, отделенные от карманов и сопел дросселирующими перемычками.
В регуляторе возникает существенная неэквидистантность (непараллельность) рабочих дросселирующих поверхностей при асимметричном нагружении питаемых гидростатических опор, что ограничивает характеристики регулятора.
К недостаткам данного регулятора можно отнести сложность конструкции и технологии изготовления, а также невозможность его установки непосредственно в гидростатические направляющие из-за больших габаритных размеров.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров, обеспечивающее возможность установки регулятора непосредственно в гидростатическую опору.
Поставленная задача достигается тем, что в регуляторе для гидростатических опор, содержащем корпус с крышками, плавающую заслонку, обхватываемую внутренними поверхностями корпуса, сопла, входные и управляющие щелевые дроссели, согласно техническому решению заслонка выполнена в виде ступенчатого цилиндрического плунжера, на боковой поверхности которого имеется выемка, образующая с сопряженной поверхностью корпуса подводящую канавку, сообщающуюся с подводящим каналом, выполненным в корпусе, и с источником рабочей среды, а входные щелевые дроссели образованы расположенными по обеим сторонам от подводящей канавки щелевыми дросселирующими зазорами, сужающимися по направлению течения рабочей среды в пределах цилиндрической части плунжера, а сопла расположены в крышках соосно с плунжером.
Технический результат изобретения заключается в том, что установка регулятора непосредственно в гидростатическую опору позволяет уменьшить протяженность или полностью исключить трубопроводы и каналы, соединяющие регулятор с несущими карманами гидростатической опоры, и за счет этого улучшить динамические характеристики системы опора - регулятор - и упростить систему подачи смазки в несущие карманы. При этом конструкция и габаритные размеры заявляемого регулятора позволяют использовать его для питания несущих карманов, выполненных как на внешних, так и на внутренних рабочих поверхностях гидростатической опоры. Кроме того, конструкция заявляемого регулятора позволяет уменьшить перекосы его рабочих поверхностей, вызываемые нагружением, за счет этого улучшить характеристики регулятора и связанной с ним оппозитно нагружаемой гидростатической опоры.
На фиг.1 схематично показан продольный разрез регулятора и соединенной с ним гидростатической опоры замкнутого типа.
1
1
2
2
На фиг.2 представлены нагрузочные характеристики регулятора (кривые а, б), связанной с ним замкнутой гидростатической опоры (кривые а, б), а также замкнутой гидростатической опоры без регулятора с дроссельной системой питания (кривая в).
Регулятор состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, крышек 2, плавающей заслонки, выполненной в виде цилиндрического плунжера 3, рабочие поверхности которого взаимодействуют через дросселирующий слой рабочей среды с внутренними поверхностями корпуса 1 и крышек 2. Дросселирование рабочей среды происходит в сообщающихся друг с другом боковых и торцевых дросселирующих щелях (4, 5). Входные дроссели выполнены в виде боковых дросселирующих щелей 4, которые сужаются по расходящимся направлениям течения рабочей среды и выполнены в виде отдельных цилиндрических ступеней. Управляющие дроссели выполнены в виде торцевых дросселирующих щелей 5. В корпусе 1 выполнен подводящий канал 6, а в центре крышек 2 - оппозитные сопла 7, расположенные соосно плунжеру 3. На поверхности плунжера 3 выполнена кольцевая выемка, образующая с сопряженной поверхностью корпуса подводящую канавку 8 для рабочей среды. Сопла 7 регулятора сообщаются с оппозитно нагружаемыми несущими карманами 9 гидростатической опоры 10, а подводящий канал 6 - с источником нагнетания рабочей среды (на чертеже не обозначен).
Работает регулятор следующим образом.
Рабочая среда от источника через подводящий канал 6 и кольцевую канавку 8 расходящимися потоками поступает в боковые дросселирующие щели 4, являющиеся входным сопротивлением регулятора, а затем через регулируемые торцевые дросселирующие щели 5 - в сопла 7. Из сопел 7 рабочая среда поступает в несущие карманы 9 гидростатической опоры 10.
Центрирование радиального положения и угловая устойчивость плунжера 3 обеспечиваются сужающимися дросселирующими боковыми щелями 4. Равновесное осевое положение плунжера 3 обеспечивается оппозитно расположенными торцевыми дросселирующими щелями 5 и боковыми дросселирующими щелями 4.
При отсутствии нагружения связанной с регулятором гидростатической опоры 10 плунжер 2 занимает центральное равновесное положение в корпусе 1, обеспечиваемое параметрами дросселирующих щелей 4 и 5 регулятора.
При нагружении гидростатической опоры 10 первоначальные перемещения вызывают увеличение давления рабочей среды в нагружаемом несущем кармане 9, а уменьшение - в разгружаемом кармане 9. При этом возникает разность давлений в сообщающихся с несущими карманами 9 опоры оппозитных соплах 7 крышек 2 регулятора, которая перемещает плунжер 3 до его нового равновесного положения. В результате этого перемещения происходит перераспределение сопротивлений истечению рабочей среды между оппозитными торцевыми дросселирующими щелями 5, что вызывает необходимые изменения расходов оппозитных потоков рабочей среды, вызывающие вторичные перемещения в гидростатической опоре, но уже направленные против приложенной внешней нагрузки.
При одновременном равном нагружении связанных с регулятором незамкнутых гидростатических опор (несущих карманов), что имеет место в незамкнутых направляющих (на чертеже не показано), перемещение плунжера 3 не происходит и регулятор работает как дроссель (при дроссельной системе питания с постоянным давлением нагнетания) либо как делитель расхода (при системе питания «насос-карман», имеющей постоянный расход).
1
1
2
2
2
2
2
2
Исследования показали, что заявляемый регулятор имеет большие и достаточные для достижения необходимой отрицательной податливости пределы регулирования расхода рабочей среды - жидкости, превосходящие показатели прототипа, поскольку конструкция заявляемого регулятора уменьшает перекосы рабочих поверхностей. На фиг. 2 представлены нагрузочные характеристики заявляемого регулятора, а именно зависимость эксцентриситетов регулятора от нагрузки на опору при минимальной податливости опоры - кривая a, при максимальной нагрузочной способности опоры - б, питаемой регулятором гидростатической опоры, а именно зависимость эксцентриситетов опоры, питаемой регулятором, от нагрузки на опору при минимальной податливости опоры - а, при максимальной нагрузочной способности опоры - б, и гидростатической опоры с дроссельной системой питания - в. Кривые а и б показывают, что опора с заявляемым регулятором имеет отрицательную податливость в активном нагрузочном диапазоне, т.е. при подвижном плунжере. Нагрузочная характеристика гидростатической опоры без регулятора с дроссельной системой питания (кривая в) показывает, что опора имеет положительную податливость во всем диапазоне ее нагружения. Отрицательные эксцентриситеты (ε) гидростатической опоры, питаемой регулятором (кривые а, б), при необходимости могут достигать величины первоначального рабочего зазора опоры, т.е. могут принимать максимально возможные значения. Кроме того, анализ графиков показывает, что нагрузочная способность опоры с заявляемым регулятором при реально допускаемых эксцентриситетах опоры значительно выше.
В отличие от прототипа в заявляемом регуляторе реализовано периферийное, а не торцевое входное дросселирование, а плавающая заслонка выполнена в виде ступенчатого цилиндрического плунжера, что позволило уменьшить его габаритные размеры до 40×100 мм.
1
p
1
p
0
Настройка регулятора обеспечивается заданием радиуса R сопел 7, выполняющих функцию управляющих карманов, а также параметров h, h, l, lбоковых (4) и h торцевых (5) дросселирущих щелей.
0
При этом выполнение корпуса 1, как это показано на фиг. 1, позволяет при необходимости производить точную регулировку зазора h (например, тонкими регулировочными пластинами или пленками), поскольку суммарный осевой зазор в регуляторе составляет 100…250 мкм и более (в зависимости от размеров и параметров питаемых гидростатических опор).
Конструкция заявляемого регулятора позволяет использовать его для питания практически любых оппозитно нагружаемых гидростатических опор (направляющих, шпиндельных, люнетов), несущие карманы которых выполнены как на наружных, так и на внутренних опорных поверхностях, в то время как использование регулятора-прототипа возможно только при наличии несущих карманов на наружных опорных поверхностях. При этом за счет компактности регулятора возможна его установка непосредственно в направляющую или другие части (башмаки, столы и др.) гидростатических опор.