АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОДШИПНИК

Аэростатический подшипник
Полезная модель относится к области шпиндельных узлов, применяемых, в частности, в высокооборотных обрабатывающих станках.
Преимуществами аэростатических подшипников перед другими видами подшипников являются простота конструкции, а также надежность и долговечность работы. Большинство из них предназначено для совместной работы с вращающимися валами, при этом опорная цилиндрическая поверхность вала должна находиться в сопряжении с внутренней цилиндрической поверхностью несущей втулки аэростатического подшипника. Формирование слоя газовой смазки между указанными поверхностями осуществляется за счет внешнего наддува воздуха (В.Н. Константинеску. Газовая смазка, с.261, рис.121.  М.: «Машиностроение», 1968. - 720 с.). Во время работы аэростатического подшипника воздух через радиально расположенные питатели поступает в зазор между опорной цилиндрической поверхностью вала и внутренней цилиндрической поверхностью несущей втулки, формируя слой газовой смазки.
В процессе вращения, вал совершает сложные колебательные перемещения в сечениях, перпендикулярных оси несущей втулки. При смещении вала в радиальном направлении относительно некоторого участка внутренней цилиндрической поверхности несущей втулки радиальный зазор между валом и втулкой  уменьшается. Соответственно,  расход воздуха через группу питателей, размещенных на данном участке, также уменьшается. Давление в области, прилегающей к указанным питателям, возрастает, в результате подъемная сила слоя газовой смазки увеличивается. В то же самое время на противоположном участке внутренней цилиндрической поверхности несущей втулки наблюдается обратный эффект: зазор между валом и втулкой увеличивается, соответственно, подъемная сила слоя газовой смазки уменьшается. Такой принцип работы аэростатических подшипников препятствует взаимному касанию вала и втулки, вызывая, одновременно с этим повышенную амплитуду колебаний вала во время его вращения (Шейнберг С.А., Жедь В.П., Шишеев М.Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. М.: Машиностроение, 1969. - 336 с.).
Известна опора скольже-ния с газовой смазкой, содержащая вал, два аэростатических подшипника с радиально расположенными питателями и узел радиального нагружения вала. Аэростатические подшипники размещены на противоположных оконечностях вала, а узел радиального нагружения вала размещен симметрично между аэростатическими подшипниками  (Авторское свидетельство СССР № 1765565, F16C 32/06, 1992).
Узел радиального нагружения вала представляет собой радиальный подшипник с не-симметричным наддувом воздуха. В состав этого узла входит втулка, содержащая поверхность с питателями, и сегментно-расположенный напротив нее сообщенный с атмосферой карман. В результате воздействия указанного узла вал оказывается под постоянно действующей поперечной нагрузкой, направленной от поверхности с питателями в направлении кармана. Это формирует исходный эксцентриситет вала относительно аэростатических подшипников, что позволяет уменьшить амплитуду колебаний вала во время его вращения. Описанная опора скольжения с газовой смазки громоздка, сложна и низко экономична вследствие наличия в ней дополнительного узла радиального нагружения вала, к которому необходимо осуществлять отдельный подвод сжатого воздуха.
Известен аэростатический подшипник (В.Н. Константинеску. Газовая смазка, с.261, рис.122,а.  М.: «Машиностроение», 1968. - 720 с.), который выбран за прототип. Аэростатический подшипник содержит корпус с камерой высокого давления, установленную в корпусе несущую втулку, внутренняя цилиндрическая поверхность которой прорезана питателями, установленными радиально по отношению к оси несущей втулки в двух различных плоскостях, перпендикулярных оси несущей втулки, причем внутренняя цилиндрическая поверхность несущей втулки сообщена с камерой высокого давления питателями.
Аэростатический подшипник предназначен для совместной работы с валом, содержащим опорную цилиндрическую поверхность, сопряженную с внутренней цилиндрической поверхностью несущей втулки. Как было отмечено выше, недостатком таких подшипников является существенная амплитуда колебаний вала во время его вращения. Величина этой амплитуды, зависящая от условий работы аэростатического подшипника, может приближаться к диаметральному зазору между сопрягаемыми поверхностями: опорной цилиндрической поверхностью вала и внутренней цилиндрической поверхностью несущей втулки. Это снижает качество выпускаемой продукции при использовании  описанных подшипников в шпиндельных узлах обрабатывающих станков и, соответственно, ограничивает область их возможного применения.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции аэростатического подшипника и расширение области его возможного применения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении амплитуды колебаний вала, работающего совместно с аэростатическим подшипником, во время его вращения.
Указанный результат достигается тем, что в аэростатическом подшипнике, содержащем корпус с камерой высокого давления, установленную в корпусе несущую втулку, внутренняя цилиндрическая поверхность которой прорезана питателями, установленными радиально по отношению к оси несущей втулки в двух различных плоскостях, перпендикулярных оси несущей втулки, причем внутренняя цилиндрическая поверхность несущей втулки сообщена с камерой высокого давления питателями, в сегментно-расположенном участке внутренней цилиндрической поверхности несущей втулки, размещенном между двумя плоскостями, в которых установлены питатели, выполнена сообщенная с атмосферой расточка.
На фиг.1 приведен продольный разрез аэростатического подшипника совместно с валом; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б  на фиг.1; на фиг.4 - эпюра векторов сил давления воздуха на вал в аэростатическом подшипнике.
Аэростатический подшипник содержит корпус 1 с камерой высокого давления 2, установленную в корпусе 1 несущую втулку 3, внутренняя цилиндрическая поверхность 4 которой прорезана питателями 5. Последние установлены радиально по отношению к оси несущей втулки 3 в двух различных плоскостях, перпендикулярных оси несущей втулки 3. Внутренняя цилиндрическая поверхность 4 несущей втулки 3 сообщена с камерой высокого давления 2 питателями 5. В сегментно-расположенном участке внутренней цилиндрической поверхности 4 несущей втулки 3, размещенном между двумя плоскостями, в которых установлены питатели 5, выполнена сообщенная с атмосферой расточка 6. В описываемом варианте конструкции расточка 6 сообщена с атмосферой при помощи сквозного канала 7, выполненного в несущей втулке 3.
Аэростатический подшипник предназначен для совместной работы с валом 8, содержащим опорную цилиндрическую поверхность 9, сопряженную с внутренней цилиндрической поверхностью 4 несущей втулки 3.
Аэростатический подшипник работает следующим образом. Сжатый воздух поступает в размещенную в корпусе 1 камеру высокого давления 2 (обозначено закрашенной стрелкой) и далее через питатели 5 проходит в зазор между внутренней цилиндрической поверхностью 4 несущей втулки 3 и опорной цилиндрической поверхностью 9 вала 8. При этом в указанном зазоре формируется слой газовой смазки, который препятствует взаимному касанию несущей втулки 3 и вала 8 при вращении последнего.
Внутреннюю цилиндрическую поверхность 4 несущей втулки 3 в ее поперечном сечении можно условно разделить на два сегмента. На первом сегменте, который на представленных фигурах показан выше оси несущей втулки 3, между двумя плоскостями, в которых установлены питатели 5, размещен гладкий участок внутренней цилиндрической поверхности 4. Соответственно, питатели 5, расположенные на данном участке, формируют силы давления воздуха, эпюра которых соответствует эпюре сил давления воздуха в аэростатическом подшипнике по прототипу (В.Н. Константинеску. Газовая смазка, с.261, рис.122,б.  М.: «Машиностроение», 1968. - 720 с.). Такие подшипники называют двухрядными.
Как отмечалось выше, во втором сегменте внутренней цилиндрической поверхности 4, который на представленных фигурах показан ниже оси несущей втулки 3, между двумя плоскостями, в которых установлены питатели 5, выполнена сообщенная с атмосферой расточка 6. Она разделяет участок внутренней цилиндрической поверхности 4 на две части. Поэтому в описанной конструкции воздух, формирующий слой газовой смазки в районе расположения второго сегмента, выходит из аэростатического подшипника как со стороны торцевых поверхностей несущей втулки 3, так и через сквозной канал 7 (обозначено незакрашенными стрелками).
Соответственно, питатели 5, прорезающие данный участок, формируют силы давления на вал, эпюра которых соответствует эпюре сил двух последовательно расположенных однорядных аэростатических подшипников. Эти силы существенно меньше сил давления на вал, создаваемых двухрядным подшипником (В.Н. Константинеску. Газовая смазка, с.261, рис.121.  М.: «Машиностроение», 1968. - 720 с.). Поэтому в аэростатическом подшипнике формируется постоянно действующая поперечная нагрузка на вал 8, направленная в сторону участка внутренней цилиндрической поверхности 4, разделенной на две части расточкой 6. Это обусловливает возникновение исходного эксцентриситета вала 8 в несущей втулке 3, который уменьшает амплитуду колебаний вала 8 во время его вращения.
Таким образом, существенно расширяется область возможного применения заявляемого аэростатического подшипника по сравнению с прототипом. В частности, открывается возможность использования аэростатических подшипников в высокооборотных шпиндельных узлах обрабатывающих станков, предназначенных для прецизионных работ, таких как высокоскоростное шлифование.
Применение заявляемых аэростатических подшипников в опорах скольжения с газовой смазкой не требует установки дополнительных элементов, предназначенных для снижения амплитуды колебаний вала во время его вращения. Это делает такие опоры компактнее, конструктивно проще и экономичнее аналогов, содержащих узлы радиального нагружения вала (Авторское свидетельство СССР № 1765565, F16C 32/06, 1992).
Основные элементы аэростатического подшипника могут изготавливаться на обычном обрабатывающем оборудовании.