ОПОРА СКОЛЬЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к деталям машин - подшипникам скольжения с гидростатической смазкой, предназначенным для придания вращательного кругового движения валам, шпинделям рабочих органов машин и механизмов с прецизионной точностью позиционирования оси пяты, как в относительном круговом движении, так и в состоянии покоя, в переходных и стационарных режимах работы с высокой плавностью на ползучих скоростях, при этом плавность существенно не зависит от вариации скорости движения. Опора скольжения может быть использована в конструкциях шпинделей бабок изделия, приводов подач, поворотных суппортах и делительных столах кругового движения, а также в кинематических цепях формообразующего движения подач ультрапрецизионных токарных станков, выполняющих обработку методом ультрапрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов, в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 н.м), а именно, обеспечивающих траекторию позиционирования оси пяты во вращательном относительном круговом движении с точностью 40…80 н.м.
Из уровня техники широко известна конструкция опоры скольжения, включающая подпятник, в котором установлена пята с возможностью вращения при осевой нагрузке (GB 945411 А 23.12.1963, SU 985494 A1 30.12.1982, RU 2383788 C1 10.03.2010, F16C 17/04).
Конструктивно-компоновочное решение внутренних связей в контуре сопряжения низшей кинематической пары второго рода образованы поверхностями, которые в относительном вращательном движении производят соприкасающуюся плоскость скольжения, образующая которой ортогональна оси пяты. Реакции внутренних связей имеет одностороннее кинематическое и силовое замыкание, направленное по оси вращательного движения. Указанная форма конструктивного исполнения рассматриваемого устройства не определяет параметров движения вращения в радиальном направлении и не в полной мере участвует в формировании влияния условий взаимосвязи реакций в сопряжении рабочих поверхностей на точность позиционирования и плавности движения оси пяты.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности признаков технической сути и достигаемому результату является опора скольжения, содержащая подпятник (корпус) в котором с зазором смонтирована пята (вал) с возможностью вращения и поверхностного контактного взаимодействия в сопряжении рабочих поверхностей подпятника и пяты (DE 4336915 A1 04.05.1995, F16C 17/10, F16C 33/10).
Обоснование выбора прототипа обусловлено совокупностью конструктивных признаков основных частей опоры скольжения, оказывающих существенное влияние на обеспечение равновесного устойчивого состояния при позиционировании пяты на слое гидродинамической смазки посадочной (рабочей) поверхности сопряжения подпятника и пяты.
Однако конструктивно-компоновочное решение посадочной поверхности сопряжения внутренних связей основных конструктивных частей прототипа не в полной мере способствует компенсации внутренних возмущений от весовой нагрузки кругового суппорта ультрапрецизионного токарного станка, в котором основной механизм составляет низшая кинематическая пара второго рода, вращательного кругового движения, включающая в себя пяту и подпятник.
Инженерный замысел формирования внутренних связей в низшей кинематической паре второго рода выражен в прототипе в прямой, направленой вдоль оси вращения опоры скольжения. Такое конструктивно-компоновочное решение определяет закон вращательного движения в полной мере из-за наличия замыкания реакций внутренних связей, как в осевом, так и в радиальном направлении. Неспособность к саморегулированию из-за разобщенности реакций внутренних связей в ууказанной конструктивной форме посадочной поверхности сопряжения пяты и подпятника прототипа способствует образованию прерывистого скачкообразного кругового перемещения в период не установившегося и стационарного вращательного движения.
Задачей заявленного технического решения является обеспечение технических характеристик по назначению точности позиционирования оси пяты, ее устойчивого равновесного положения, жесткости, несущей и демпфирующей способности кругового суппорта ультрапрецизионного станка, в котором основной механизм составляет низшая кинематическая пара второго рода вращательного кругового движения, включающая в себя пяту и подпятник, внутренние связи которых замыкаются слоем гидростатической смазки.
Точность позиционирования оси пяты опоры скольжения (в радиальном и осевом направлениях, определяющим положение опорной поверхности пяты относительно базовых поверхностей подпятника: торцевой опорной поверхности и периферийной цилиндрической поверхности в ее относительном круговом вращательном движении) составляет 40…80 н.м., величина которой определяется механикой резания ультрапрецизионного микроточения асферических оптических элементов с шероховатостью обработки 5 н.м.
Статические показатели качества узла-опоры скольжения, используемой в поворотном суппорте, по параметрам геометрической и кинематической точности, жесткости и демпфирующей способности определяют в процессе кругового вращательного движения пяты на «ползучих» скоростях, устойчивость позиционирования оси пяты от равновесного положения в радиальном и осевом направлениях.
Механическая система, образованная группой звеньев, состоящая из пяты и подпятника, соединенных между собой подвижно посадочной поверхностью сопряжения так, что движение каждого звена системы ограничивает свободу движения всякого другого с ним соединенного. В большей части эти связи между звеньями могут быть выражены настолько сильно, что движение одного звена уже вполне определяет движение другого звена системы с принудительным законом по одной степени подвижности. В нашем случае реализуется степень подвижности, выраженная вращательным относительным круговым движением при скольжении в сопряжении рабочих поверхностей подпятника и пяты.
Переход от состояния покоя в состояние движения с «ползучими» скоростями сопровождается скачкообразным неравномерным перемещением, обусловленным фрикционными автоколебаниями, природа которых - молекулярно-механические процессы пограничного взаимодействия поверхностей трения в сопряжении пяты и подпятника по площадкам фактического контакта, величина которого зависит как от геометрической точности формы сопряжения, их статической неопределенности и в более существенном виде - от макрогеометрии рельефа посадочной поверхности сопряжения, ее волнистости, структуры и физико-химических свойств поверхностного слоя.
Кроме того молекулярно-механические процессы сопровождаются адгезией соприкасающихся поверхностей и их износом, влекущим за собой потерю геометрической точности.
Обеспечение точности, плавности равновесного устойчивого состояния при позиционировании оси пяты на «ползучих» скоростях кругового вращательного движения происходит при комплексной стабилизации качественных показателей геометрической точности формы и шероховатости поверхностей сопряжения внутренних связей пяты и подпятника в результате разделения поверхностей трения масляным слоем гидростатической смазки.
В механизме с низшими парами вся работа, затрачиваемая на сообщение кинетической энергии механизму в период возрастания скорости звеньев, полностью возвращается главному валу в период падения скорости звеньев. Это свидетельствует о кинематическом замыкании в этих парах, что способствует более точному воспроизводству законов движения выходного звена, в нашем случае пяты.
Кроме того, наличие слоя гидродинамической смазки нивелирует качественные параметры состояния покоя и движения на «ползучих» скоростях вследствие независимости скорости скольжения в относительном движении соприкасающихся рабочих поверхностей через слой гидростатической смазки.
Наличие этого процесса в сопряжении контура рабочих поверхностей, также способствует повышению надежности обратимости динамической характеристики низшей кинематической пары, что в свою очередь позволяет обеспечить точность позиционирования и плавность движения пяты, а также ее устойчивости равновесного состояния.
Координация взаимного расположения базовых поверхностей по параметрам геометрической точности, форме и шероховатости, а также формирование положительного поля напряженного состояния поверхностного слоя, обусловленных механикой резания ультрапрецизионного микрорезания, требует при обработке пяты и подпятника применение слоя гидродинамической смазки на операциях маршрутного процесса, связанных с их формообразованием.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является обеспечение геометрической и кинематической точности, плавности и устойчивого состояния при позиционировании оси пяты на «ползучих» скоростях кругового вращательного движения, комплексную стабилизацию качественных показателей геометрической точности формы и шероховатости рабочих поверхностей сопряжения внутренних связей пяты и подпятника.
Указанный технический результат достигается тем, что опора скольжения содержит пяту и подпятник, установленные с зазором друг относительно друга, согласно полезной модели, пята выполнена составной, посадочная поверхность сопряжения подпятника и пяты выполнена ломаной, с возможностью формирования двух поверхностей, расположенных под различными острыми углами относительно оси вращения опоры скольжения, при этом поверхность, выполненная под большим углом, расположена со стороны опорной поверхности пяты.
Образование рабочими поверхностями при их попарном сочленении в низшей кинематической паре второго рода сопряжения, с ломаной формой, сформированной двумя поверхностями, расположенными под различными острыми углами относительно оси вращения опоры скольжения с поверхностью, выполненной под большим углом, расположенной со стороны опорной поверхности пяты наряду с дуплексным кинематическим замыканием, обеспечивает и силовое замыкание с саморегулированием реакций внутренних связей, что позволяет получить самоорганизующуюся техническую систему опоры скольжения.
Данная совокупность признаков необходима и достаточна для конструкторско-компановочного решения внутренних связей основных конструктивных частей сопряжения низшей кинематической пары второго рода в относительном вращательном движении пяты опоры скольжения, формирующих гидростатический слой смазки, движение в котором происходит при ламинарном стационарном истечении вязкой несжимаемой жидкости в граничных условиях самоорганизации технической системы опоры скольжения.
Заявленная опора скольжения поясняется графическим изображением, на котором представлен главный вид заявленного устройства с разрезом.
Пята 1 выполнена сборной с любым известным из уровня техники механическим креплением, например, резьбовым соединением и фиксацией взаимного положения соосности - конструкции устройств на фигуре не показаны.
Опора скольжения состоит из подпятника 2, в котором смонтирована пята 1 с опорной поверхностью 3 с возможностью вращения и поверхностного контактного взаимодействия в посадочной поверхности 4 сопряжения подпятника 2 и пяты 1, которая выполнена ломаной, с возможностью формирования двух поверхностей, расположенных под различными острыми углами относительно оси вращения опоры скольжения, при этом поверхность, выполненная под большим углом, расположена со стороны опорной поверхности 3 пяты 1. Внутренние связи при поверхностном контактном взаимодействии рабочих поверхностей образуют масляный слой Н гидростатической смазки.
Круговые траектории точек пяты во вращательном относительном движении с «ползучими» линейными скоростями образуются во взаимосвязи базовых рабочих поверхностей сопряженного контура низшей кинематической пары второго рода с одностепенной подвижностью при дуплексном силовом замыкании через слой гидростатической смазки.
Опора скольжения, представленная на фигуре, работает следующим образом.
При подаче рабочего давления в систему питания происходит процесс дросселирования и заполнения истечением масляной вязкой жидкости при ламинарном движении в зазор, который устанавливается при сборке пяты 1 и подпятника 2 между рабочими поверхностями низшей кинематической пары второго рода, объема пространства слоя гидростатической смазки.
В результате заполнения масляной вязкой жидкостью всего пространства зазора и ее дренажирования из сопряжения, обеспечивается дуплексное силовое замыкание опорного и центрирующего участков контура сопряжения рабочих поверхностей между собой.
Нестационарность силового воздействия на опору скольжения от сочетания внутренних возмущений от весовой нагрузки конструкции поворотного суппорта, где используется заявленное устройство, а также возмущения от сил резания ультрапрецизионного процесса микроточения, собственных и вынужденных колебаний несущей системы, приводов главного движения и движения подач ультрапрецизионного алмазного токарного станка, несмотря на виброзащиту рабочей зоны станка, вызывает изменение увеличения (уменьшения) гидростатического давления в слое гидростатической смазки в опорной и центрирующей части контура посадочной поверхности сопряжения пяты 1 и подпятника 3.
В результате появляющейся дополнительной разности давлений в опорной и центрирующей частях сопряжения несущего слоя гидростатической смазки за счет малого смещения рабочих поверхностей в контуре сопряжения между собой, происходит восстановление положения оси пяты за счет размерной стабилизации слоя гидростатической смазки от исходного равновесного состояния.
Дуплексное силовое замыкание в контуре рабочих поверхностей сопряжения низшей кинематической пары второго рода, обеспечивает стабилизацию положения оси пяты, как в покое, так и при относительном круговом движении с точностью и плавностью движения, определяемой непрерывностью механики процесса резания ультрапрецизионного микроточения. Процесс стабилизации обеспечивается саморегулированием реакций внутренних связей в контуре сопряжения за счет самоорганизации синергетических процессов технической системы низшей кинематической пары второго рода опоры скольжения.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков технического решения, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить достижение геометрической и кинематической точности, плавности и устойчивого состояния при позиционировании оси пяты на «ползучих» скоростях кругового вращательного движения, комплексную стабилизацию качественных показателей геометрической точности формы и шероховатости рабочих поверхностей сопряжения внутренних связей пяты и подпятника. Эти требования обусловлены непрерывностью процесса механики резания ультрапрецизионного микроточения, реализуемого поворотным суппортом ультрапрецизионного токарного станка, где опора скольжения является основным узлом механизма и функционально определяет, как низшая кинематическая пара второго рода с гидростатической смазкой, качество вращательного кругового закона движения.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверх суммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, не описанными в материалах заявки, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, выше изложенные сведения свидетельствуют, о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначено для поворотного суппорта ультрапрецизионных токарных станков в качестве опоры скольжения с гидростатической смазкой, обеспечивающей функцию круговой направляющей поворотного суппорта при обработке асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов методом алмазного ультрапрецизионного микроточения;
- для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью выше описанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленное техническое решение, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, описанного в материалах заявки.
Исходя из изложенного, заявленный объект, по мнению заявителя, соответствует условиям патентоспособности: «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.