Гидростатическая передача винт-гайка
HYDROSTATIC TRANSMISSION SCREW-NUT

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в механизмах подачи тяжелых металлорежущих станков и подобных им технологических машин.
В настоящее время передачи, аналогичные предлагаемой, известны. К ним относится, в частности, передача винт-гайка скольжения, описанная на сайте studref.com и изображенная на нем на рис. 92, а. Указанная передача состоит из винта с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающей его гайки с такой же внутренней резьбой. В процессе использования передачи винт устанавливают на станке параллельно направляющим и соединяют с приводом. Гайку соединяют с суппортом станка, перемещаемым по направляющим. На суппорте закрепляют режущий инструмент, которым ведут обработку заготовки. С помощью привода винта создают движение подачи суппорта с инструментом, причем для увеличения подачи увеличивают скорость вращения винта, а для уменьшения подачи эту скорость снижают. Чем больше скорость, тем больше подача, но с ростом подачи увеличивается и сила сопротивления движению суппорта, а значит, и сила сопротивления движению гайки по винту. При больших подачах (они обычно обусловлены требованиями к производительности обработки) сила сопротивления может быть настолько велика, что в сопряжении поверхностей винта и гайки возникают задиры, и происходит повышенный износ. Для снижения износа передачу периодически смазывают, но этого не всегда достаточно.
Отмеченного недостатка в значительной степени лишена гидростатическая передача винт-гайка скольжения, описанная в книге «Станочное оборудование автоматизированного производства. В 2-х томах, Т. 1. - М.: Изд-во Станкин, 1993» (стр. 316-317, рис. 5.135, 5.136, б). Насколько можно судить из описания этой передачи и иллюстраций, она содержит гидробак, дроссели, нереверсивный гидронасос и переливной клапан, соединенный с выходным каналом гидронасоса и гидробаком. Винт так же, как и у аналога, рассмотренного выше, имеет наружную трапецеидальную резьбу, а гайка имеет подобную резьбу и охватывает винт. На боковой поверхности резьбы в гайке выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от гидронасоса. Диаметральные поверхности резьбы в гайке выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак. Как следует из упомянутого описания и иллюстраций, приведенных в книге «Станочное оборудование автоматизированного производства. В 2-томах, Т. 1. - М.: Изд-во Станкин, 1993», гидронасос имеет свой привод, поэтому независимо от того, в каком направлении (в прямом или обратном) вращается винт (в каком направлении совершается подача при использовании передачи в механизме подачи станка) насос, вращаясь все время в одну сторону, подает масло в карманы, имеющиеся в резьбе гайки, масло попадает в зазор между поверхностями гайки и винта, постоянно смазывает эти поверхности и через отверстия, соединенные с каналом слива масла, поступает в гидробак.
Описанная гидростатическая передача винт-гайка работает с меньшим износом, чем упомянутая ранее передача, однако она не всегда обеспечивает требуемую точность обработки на станках с ее применением. Причина этого в том, что насос в ней работает с постоянной скоростью и подает жидкость с постоянным давлением. Поскольку при перемещении гайки по винту, например, по некоторой координате X, ей приходится преодолевать силу сопротивления
х
р
p
x
y
z
Р=10⋅С⋅t⋅S⋅V⋅K,
р
p
где С, х, у, z - коэффициент и показатели степени, зависящие от обрабатываемого материала и материала инструмента; K - коэффициент, учитывающий условия обработки; t и V - глубина и скорость резания; S - подача («Справочник технолого-машиностроителя. В 2-х томах. Т. 2, 1986», стр. 271-275), то при разных S, t и V и постоянном давлении, создаваемом насосом, толщина слоя смазки в передаче тоже оказывается разной. Если он становится слишком мал, то на сопряженных поверхностях гайки и винта возникают задиры и повышенный износ, как в описанной выше передаче - аналоге. Во избежание указанного явления давление, создаваемое насосом, при проектировании станка выбирают с запасом. Но в таком случае при малых S, V и t толщина слоя смазки может оказаться слишком большой, что снижает жесткость передачи и, как следствие, точность обработки на станке с ее применением. В связи с этим возникает проблема повышения жесткости передачи-прототипа и увеличения точности обработки на станках с ее применением.
Устранить отмеченный недостаток можно путем стабилизации слоя смазки в передаче (сделать ее инвариантной по отношению к нагрузке). Это можно сделать так, как предложено в конструкции гидростатической передачи винт-гайка, защищенной Патентом на изобретение №2767381.
Указанная передача, принятая нами за прототип, характеризуется тем, что она состоит из гидробака, дросселей, гидронасоса и переливного клапана, соединенного с выходным каналом последнего и гидробаком, содержит винт с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающую его гайку с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак, при этом она снабжена регулируемым дополнительным дросселем, включенным в канал слива масла, и редуктором-мультипликатором, гидронасос выполнен шестеренным реверсивным, а винт через редуктор-мультипликатор кинематически связан с его приводным валом.
х
Передача-прототип работает следующим образом. С увеличением подачи S, осуществляемой путем вращения винта, сила резания Р увеличивается, но увеличивается и скорость вращения приводного вала насоса. Смазка передачи увеличивается. При снижении подачи S происходит обратное явление. Таким образом толщина слоя смазки передачи винт-гайка более-менее стабилизируется. Если при этом еще меняется V (скорость резания) и t (глубина резания), то можно смазку подрегулировать с помощью дополнительного дросселя.
х
Передача - прототип имеет более высокую надежность и жесткость, чем аналоги. Однако при широком диапазоне изменения V и t при использовании ее на станке, диапазон ее подрегулирования с помощью дополнительного дросселя бывает недостаточен. Он позволяет изменить уровень смазки передачи на 10-15%. Но режимы резания, а значит, и сила Р, могут измениться в 2-3 раза. Отсюда возникает проблема расширения диапазона регулирования толщины смазочного слоя в передаче при широком диапазоне изменения режимов резания и дальнейшего повышения ее надежности.
Принципиально разрешение этой проблемы может быть осуществлено путем регулирования производительности насоса, использованного в передаче. Технически же это может быть реализовано путем того, что гидростатическая передача винт-гайка, состоящая из гидробака, дросселей, реверсивного шестеренного гидронасоса и переливного клапана, содержащая винт с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающую его гайку с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы, соединенные через дроссели с каналом подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями, соединенными с каналом слива масла в гидробак, снабженная регулируемым дополнительным дросселем, включенным в канал слива масла, отличается от прототипа тем, что она снабжена регулируемым механическим вариатором, вход которого кинематически соединен с винтом, а выход - со входным валом гидронасоса.
Конструктивная схема предлагаемой передачи показана на фиг. 1, а одним из возможных вариаторов, использованных в ней - на фиг. 2.
Состоит предлагаемая гидростатическая передача винт-гайка, из гидробака 1, дросселей 2, реверсивного шестеренного гидронасоса 3 и переливного клапана 4, содержит винт 5 с наружной трапецеидальной резьбой и охватывающую его гайку 6 с аналогичной внутренней резьбой, на боковых поверхностях которой выполнены карманы 7, соединенные через дроссели 8 с каналом 9 подачи масла от насоса, и диаметральные поверхности которой выполнены с отверстиями, соединенными с каналом 10 слива масла в гидробак. Она также снабжена регулируемым дополнительным дросселем 11, включенным в канал слива масла. Кроме того, она снабжена регулируемым механическим вариатором 12, вход 13 которого кинематически соединен с винтом 5, а выход - с входным валом 14 гидронасоса. Вариатор выполнен на основе двух конических катков 15 и 16 и имеет известную конструкцию. Он снабжен промежуточным цилиндрическим катком 17, зажатым между коническими катками с помощью пружины 18. Каток 17 может перемещаться маховичком 19, закрепляемым на винте 20, но при этом может свободно вращаться. Вращая маховичок 19, легко можно изменить скорость вращения катка 16 и, как следствие, скорость вращения и напор насоса 3.
х
При использовании предлагаемой гидростатической передачи винт-гайка ее закрепляют на станке параллельно направляющим. Винт 5 кинематически соединяют с приводом подачи станка. Гайку 6 - с суппортом, перемещаемым по направляющим. В зависимости от расчетных режимов резания (значений V, S и t), с которыми должна вестись обработка, вычисляют величину Р и исходя из нее, регулируя дросселем 11 и маховичком 19 необходимый и достаточный слой смазки в передаче, производят ее первоначальную настройку. Далее проводят обработку пробной детали или партии деталей. После этого общеизвестными способами определяют температуру гайки и жесткость. Если они того требуют, то производят корректировку настройки. В дальнейшем передачу эксплуатируют, соблюдая межремонтные сроки.
Техническим результатом применения гидростатической передачи винт-гайка являются более широкие возможности ее качественной настройки и, как следствие, повышение ее надежности и точности.