АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ ОПОРНО-РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК

Полезная модель относится к области точной механики, а точнее к аэростатическому опорно-радиальному подшипнику со смазкой сжатой текучей средой, например сжатым газом, маслом или любой другой жидкостью.
Известно, что смазка сжатой текучей средой, подаваемой под давлением, превышающим давление окружающей среды, в малый зазор между подвижными и неподвижными деталями подшипников, представляющих собой соосные поверхности вращения, обеспечивает режим бесконтактного вращения.
За счет усреднения влияния неровностей указанных поверхностей вращения, радиальные, осевые и прецессионные ошибки вращения существенно меньше, чем уровень точности, с которым изготовлены поверхности подшипника.
Вращение в таких подшипниках свободно от микроскачков, характерных для механических подшипников. Отсутствие механического контакта полностью предотвращает износ данного класса подшипников и обеспечивает малый момент сил трения и низкое тепловыделение.
Известен аэростатический опорно-радиальный подшипник, состоящий из вращающегося элемента, содержащего полусферический участок и противолежащий ему с выпуклой стороны соосный с ним плоский кольцевой участок, соединенный со сферическим участком при помощи соосного с ними цилиндрического участка, причем плоский участок выполнен разъемным по торцу с цилиндрическим, и стационарной части, в одном из торцев которой выполнено полусферическое углубление, в котором с зазором размещен полусферический участок вращающегося элемента, а на втором торце - выполнена плоская кольцеобразная поверхность перпендикулярная оси вращения вращающегося элемента, а между углублением и указанной поверхностью выполнено соединяющее их цилиндрическое отверстие.
На поверхности углубления и на кольцеобразной поверхности размещены отверстия для подачи сжатой текучей среды в соответствующие
зазоры.
Полусферический участок опирается на пленку сжатого газа в зазоре и обеспечивает позиционирование по радиусу и в осевом направлении, плоский участок опирается на пленку сжатого газа и обеспечивает позиционирование вращающегося элемента в осевом направлении, и предотвращает прецессию вала вокруг центра полусферического участка (см. каталог фирмы Specialty Components).
Известный аэростатический опорно-радиальный подшипник обладает рядом недостатков:
1) недостаточно высокой несущей способностью и жесткостью позиционирования оси и торца вращающегося элемента подшипника.
Удельная по размерам подъемная сила и жесткость оптимально спроектированного подшипника со смазкой сжатым газом пропорциональна давлению питания, а жесткость также пропорциональна давлению и обратно пропорциональна зазору.
Однако, и зазор, и давление не могут меняться независимо друг от друга, так при значительном увеличении давления при неизменном зазоре в подшипнике развивается сверхзвуковой кризис, который приводит к возбуждению нарастающих автоколебаний вращающегося элемента.
2) невысокая несущая способность и жесткость подшипника, а также угроза возникновения автоколебаний вращающегося элемента обусловлены невозможностью уменьшения величины зазора до уровня, который достижим из технологических соображений.
Это происходит за счет деформации противолежащих зазору поверхностей под действием распора со стороны пленки сжатого газа, при этом зазор приобретет неоптимальную расходящуюся форму.
3) завышенный воздушный зазор ограничивает максимально допустимое давление питания, тем самым ограничивается несущая способность и жесткость данного опорно-радиального подшипника;
4) разъемное соединение имеет ограниченную точность первичной и, особенно, повторной сборки.
Технологически затруднительно соблюдение точного номинального размера цилиндрического участка, согласованного с ответным размером неподвижного элемента, соединяющего полусферический и плоский участки вращающегося элемента.
5) отжим плоского участка пленкой сжатой текучей среды меняет номинальное значение зазора и делает зазор между ними расходящимся.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является аэростатический опорно-радиальный подшипник, включающий стационарный элемент, установленный внутри него с радиальными и осевыми зазорами вращающийся элемент, радиальные и осевые дроссели, размещенные в стационарном элементе и сообщающиеся с одной стороны, по крайней мере, с одним каналом источника сжатой текучей среды, а с другой - с радиальными и осевыми зазорами (см. сайт http://labstend.ru/site/index/folies/univ/met_ stan/р0059.gif, Шлифовальные станки [14]).
Недостатками известной конструкции являются:
Повышенные требования к точности сборки в осевом направлении (необходимо строго соблюдать величину осевых зазоров) и форму зазора(для этого нужно соблюдать перпендикулярность элементов при сборке).
И как следствие вышесказанного, необходимо завышать зазор (до 10-15 мкм) вместо 2-3 мкм, которые выполнимы в рамках современной технологии, и занижать давление до 5-6 атм вместо допустимых при малом зазоре 25-30 атм, что суммарно приводит к снижению удельной жесткости системы в 25-30 раз.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание аэростатического опорно-радиального подшипника, позволяющего:
обеспечить сверхточную соосность стационарного и вращающегося элементов без дополнительной точной механической сборки,
снизить требования по точности сопряжения для всех поверхностей подшипника,
резко уменьшить рабочие зазоры, повысить рабочее давление, тем самым поднять силовые и еще более жесткостные показатели подшипника.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием аэростатического опорно-радиального подшипника, включающего стационарный элемент, установленный внутри него с радиальными и осевыми зазорами вращающийся элемент, радиальные и осевые дроссели, размещенные в стационарном элементе и сообщающиеся с
1
3
2
одной стороны, по крайней мере, с одним каналом источника сжатой текучей среды, а с другой - с радиальными и осевыми зазорами, в котором, согласно полезной модели, вращающийся элемент выполнен в виде составного цилиндрического ступенчатого тела и имеет, по крайней мере, три ступени, при следующем соотношении диаметров ступеней d>d>d, где
1
d - диаметр ступени большего размера;
2
d - диаметр ступени меньшего размера;
3
d - диаметр ступени среднего размера;
1
3
2
1
2
1
2
3
3
1
3
2
причем ступени с диаметром d или диаметром d выполнены зацело со ступенью диаметра d, а в стационарном элементе выполнены цилиндрические расточки диаметров D и D, предназначенные для размещения в них с радиальным зазором ступеней ступенчатого тела d и d, d и разделенные между собой в осевом направлении перемычкой, с внутренним диаметром D при следующим соотношении диаметров D>D>D, где
1
D - диаметр расточки большего диаметра;
2
D - диаметр расточки меньшего диаметра;
3
D - диаметр расточки в перемычке,
3
3
3
3
при этом обращенные друг у другу через осевой промежуток торцевые поверхности перемычки и ступени диаметра d образуют кольцевую камеру, связанную с каналом источника сжатой текучей среды и через радиальный зазор между телом d и расточкой D с дополнительно выполненной или в стационарном элементе или в ступени d кольцевой выпускной канавкой, которая связана, по крайней мере, с одним каналом, сообщающимся с окружающей средой.
1
Размещение осевых дросселей на торцевой поверхности ступени d вращающегося элемента, обращенной к перемычке, и связь их каналов подачи сжатой текучей среды с кольцевой камерой позволяет избежать тесного пересечения многих каналов для подвода сжатой текучей среды и дренажных каналов в углу неподвижного элемента, что повышает механическую прочность и жесткость данной зоны подшипника.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием конструкции аэростатического опорно-радиального подшипника и чертежом, где показан продольный разрез предлагаемого аэростатического
опорно-радиального подшипника.
Аэростатический опорно-радиальный подшипник содержит стационарный элемент 1, установленный внутри него с радиальными 2 и осевыми 3 зазорами вращающийся элемент, радиальные 4 и осевые 5 дроссели, размещенные в стационарном элементе 1 и сообщающиеся с одной стороны, по крайней мере, с одним каналом источника сжатой текучей среды 6, а с другой - с радиальными 2 и осевыми 3 зазорами.
1
3
2
Вращающийся элемент выполнен в виде составного цилиндрического ступенчатого тела 7 и имеет, по крайней мере, три ступени, при следующем соотношении диаметров ступеней d>d>d, где
1
d - диаметр ступени большего размера;
2
d - диаметр ступени меньшего размера;
3
d - диаметр ступени среднего размера.
1
3
2
1
3
1
3
Причем в зависимости от технологических требований и возможностей ступени большего размера диаметром d или меньшего размера диаметром d могут быть выполнены зацело со ступенью диаметра d. Каждая ступень d и d выполнена в виде вала 8 и установленной на нем втулки 9. В ступени d втулка 9 может быть выполнена зацело с валом 8 или неразъемно установлена на нем, а в ступени d втулка 9 установлена с зазором на валу 8.
В предлагаемой конструкции предусмотрена возможность жесткого закрепления втулки 9 на валу 8 любым способом, в процессе осуществления которого не возникает значительных усилий, смещающих втулку 9 в радиальном направлении, и поворота его относительно осей, перпендикулярных оси тела.
1
2
1
2
3
3
1
3
2
В стационарном элементе 1 выполнены цилиндрические расточки 10, 11 соответственно диаметров D и D, предназначенные для размещения в них с радиальным зазором ступеней ступенчатого тела d и d, d и разделенные между собой в осевом направлении перемычкой 12, с внутренним диаметром D, при следующим соотношении диаметров D>D>D, где
1
D -диаметр расточки большего диаметра;
2
D - диаметр расточки меньшего диаметра;
3
D - диаметр расточки в перемычке.
Расточки расположены последовательно в направлении от фронтальной стороны подшипника в сторону его задней части (на рисунке
слева - направо), причем их диаметр равен диаметру ступени плюс величина диаметрального зазора.
3
3
3
Торцевая поверхность 13 перемычки 12 и торцевая поверхность ступени диаметра d, находящиеся на расстоянии друг от друга, образуют кольцевую камеру 14, которая связана с каналом источника сжатой текучей среды 6 и через радиальный зазор 2 между ступенью d и расточкой D с дополнительно выполненной кольцевой выпускной канавкой 15, сообщающейся через канал 16 с окружающей средой.
Подшипник снабжен выпускными каналами 16, сообщающимися с одной стороны с торцевыми частями зазоров 2 и 3, а с другой - с окружающей средой.
3.
Кольцевая выпускная канавка 15 может быть выполнена или в стационарном элементе 1 или в ступени d
1
В предлагаемой конструкции осевые дроссели 5 размещены на торцевой поверхности ступени d, обращенной к перемычке 12, при этом их каналы подачи сжатой текучей среды 6 связаны с кольцевой камерой 14.
В цилиндрических расточках 10, 11 стационарного элемента 1 размещены радиальные дроссели 5 и связаны с каналами 6 источника сжатой текучей среды, например газа.
Конструкция радиальных дросселей 5,используемых в предлагаемом устройстве, может быть любая известная, например в виде колец из пористого проницаемого материала. Авторы не претендуют на ее новизну.
Аэростатический опорно-радиальный подшипник собирают следующим образом.
Операции сборки осуществляют в вертикальном положении с разгрузкой вращающегося элемента в вертикальном направлении.
1
В процессе сборки радиальные дроссели 5 подают сжатый газ, и составное цилиндрическое ступенчатое тело 7, состоящее из ступеней d и d2, вводят в расточки стационарного элемента 1 и центрируют пленкой сжатого газа.
3
3
Далее соединяют ступень d с предыдущими ступенями и центрируют пленкой сжатого газа в расточке D.
3
Так как ступень d выполнена в виде втулки 9, установленной с зазором на валу 8, то закрепление втулки на валу производят при помощи любого способа, который не создает радиальных усилий, например при
помощи подачи твердеющей субстанции в зазор.
3
3
При этом обеспечивается соосность расточки D и ступени d с точностью намного более высокой, чем та, которая достижима при размерной сборке разъемного соединения.
Соосность всех элементов предлагаемой конструкции обеспечивается технологически и может быть обеспечена на уровне значительно более высоком, чем при размерной сборке.
Аэростатический опорно-радиальный подшипник работает следующим образом.
3
3
При рабочем режиме осуществляют подачу сжатого газа на осевые дроссели 5 и в кольцевой выпускной канавке 14 создают полное давление, которое как поршень отжимает ступень d вправо до тех пор, пока не возникнет контрсила, создаваемая средним давлением пленки сжатого газа в аэростатическом зазоре и противодействующая силе отжима со стороны ступени d.
2
2
2
2
Зазор между диаметрами D и d играет роль бесконтактного уплотнения, утечка воздуха, через который ограничена вязким сопротивлением малого зазора между диаметрами D и d.
1
2
0
Среднее значение давления в зазоре при оптимальном его размере определяют из следующего равенства Pm=S/S×Р,
0
где Р - давление питания;
Pm - среднее значение давления в зазоре при оптимальном зазоре;
1
S площадь торцевой поверхности ступени большего размера;
2
S площадь торцевой поверхности ступени меньшего размера.
Равновесие наступает автоматически при достижении оптимального при данной пропускной способности дросселей 5 величине зазора.
При известных величинах давления и величины зазоров в аэростатических подшипниках вращения деформацию зазора под действием давления по ним можно не учитывать.
Однако, при одновременном уменьшении зазора и повышении давления питания относительные деформации возрастают пропорционально давлению и обратно пропорционально величине зазора и становятся основной проблемой потери несущей способности и жесткости, а также становятся источником динамической неустойчивости подшипников.
Наиболее опасны в этом отношении изгибные деформации опорных
подшипников, которые быстро приводят к потере характеристик за счет формирования расходящегося зазора и возбуждения аэроупругих колебаний.
В предлагаемой конструкции на перемычку 12 действуют равные силы слева и справа, причем линия приложения силы справа несколько смещена к центру подшипника.
Таким образом, полностью парируется изгибная, наиболее опасная компонента деформации перемычки (смещение силы, действующей на перемычку справа налево дополнительно компенсирует меньшую составляющую раздавливающей деформации перемычки).
Деформация радиального зазора значительно меньше по величине и, кроме того, с учетом эпюры распределения давления, ведет к формированию сходящегося зазора.
Данная конструкция позволяет за счет одновременного согласованного увеличения давления питания и уменьшения зазора поднять уровень удельной подъемной силы подшипника в 3-5 раз, а уровень жесткости в 15-20 раз по сравнению с известными аналогами.
До подачи сжатого газа на осевые дроссели 5 вращающийся элемент обладает возможностью свободного перемещения в осевом направлении.
Таким образом, в осевом направлении полностью отпадает необходимость прецизионной сборки.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет:
полностью отказаться от прецизионного выдерживания размеров сопрягаемых элементов подшипника в осевом направлении,
автоматически обеспечить номинальный размер осевого зазора,
с запасом компенсировать наиболее опасные изгибные деформации опорных поверхностей в подшипнике,
обеспечить сверхточную соосность вращающегося элемента в сборе и стационарного элемента без необходимости точной размерной механической сборки,
резко уменьшить рабочие зазоры,
повысить рабочее давление и, таким образом, существенно поднять силовые и еще более жесткостные показатели предлагаемого аэростатического опорно-радиального подшипника и снизить расход воздуха.