ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ ОПОРА
HYDROSTATIC SUPPORT

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в замкнутых гидростатических направляющих металлообрабатывающих станков и других ответственных машин.
Известны гидростатические опоры скольжения с плавающими (подвижными) регуляторами, управляющими расходом рабочей жидкости через оппозитные несущие карманы в зависимости от нагрузки (Бушуев В.В. Гидростатическая смазка в станках / М.: Машиностроение, 1989, с. 84-85, рис.44-45). Их недостатком является наличие трубопроводов, связывающих регулятор с несущими карманами, что, во-первых, ухудшает динамическое качество опор из-за упругости трубопроводов и заключенной в них рабочей жидкости и, во-вторых, усложняет систему подвода рабочей жидкости к несущим карманам. Кроме того, нагрузочная характеристика данных опор не оптимальна, поскольку изменение конфигурации дросселирующих щелей регулятора при нагружении опоры происходит так, что соотношение входной и выходной эффективных площадей регулятора при смещении рабочего плавающего элемента - кольца сильно изменяется. В результате нагрузочная характеристика опоры является нелинейной даже при относительно небольших нагрузках.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является гидростатическая опора (патент РФ №2406891, МПК F16C 32/06, B23Q 1/38), содержащая направляющую, корпус с подводящим каналом для нагнетания рабочей жидкости и несущим карманом на рабочей поверхности, в котором расположен плавающий элемент с управляющими карманами на торцах, соединенными дросселирующим каналом, наружные поверхности которого образуют с сопряженными поверхностями корпуса и направляющей щелевые дросселирующие зазоры. Корпус имеет дополнительный несущий карман на оппозитно расположенной рабочей поверхности, а плавающий элемент расположен в отверстии корпуса, соединяющем оппозитно расположенные несущие карманы. Торцы плавающего элемента образуют дросселирующие зазоры с оппозитно расположенными рабочими поверхностями направляющей.
Данная гидростатическая опора имеет следующие недостатки:
- процесс сборки направляющей затруднен из-за отсутствия надежной фиксации плавающего элемента (плунжера), который под действием собственного веса смещается вниз и не удерживается в сквозном отверстии корпуса;
- при достаточно большом нагружении направляющей (пассивный нагрузочный диапазон) торец плавающего элемента прижимается к разгружаемой опорной поверхности направляющей, что приводит к увеличению трения в направляющих и повышенному износу сопряженных рабочих поверхностей (образование рисок). Уменьшение влияния данного недостатка за счет увеличения радиуса управляющих карманов (т.е. уменьшения ширины дросселирущих торцевых перемычек) приводит к нарушению капиллярности течения на торцевых дросселирующих перемычках и недостаточному для обеспечения динамического качества опоры демпфированию, а за счет увеличения диаметра плавающего элемента - к существенному уменьшению эффективной несущей площади гидростатической опоры.
Задачей изобретения является облегчение процесса сборки направляющей и увеличение рекомендуемой нагрузочной способности опоры, при которой полностью сохраняется плавающее состояние регулятора.
Для решения поставленной задачи в гидростатической опоре, содержащей направляющую, корпус с подводящим каналом для нагнетания рабочей жидкости, оппозитно расположенными несущими карманами на рабочих поверхностях и соединяющим несущие карманы сквозным отверстием, в котором установлен плавающий элемент с управляющими карманами на торцах, питаемыми через дросселирующие каналы, торцевые и сопрягаемые поверхности которого образуют с соответствующими поверхностями корпуса и направляющей щелевые дросселирующие зазоры, согласно изобретению в верхней части плавающего элемента выполнен кольцевой выступ, а в корпусе - соответствующее кольцевому выступу углубление, обеспечивающее предотвращение дросселирования рабочей жидкости между ними, причем торцевая поверхность кольцевого выступа образует дросселирующий зазор с сопряженной поверхностью направляющей.
На фиг.1 показан разрез заявляемой гидростатической опоры; на фиг.2 дано сравнение характеристик заявляемой гидростатической опоры (кривые 1), опоры-прототипа (кривые 2) и традиционной гидростатической опоры с дроссельным питанием (кривые 3), при этом на фиг.2а показаны графики нагрузочных характеристик, а на фиг.2б - графики расходных характеристик.
Гидростатическая опора (фиг.1) состоит из неподвижного корпуса 1 с несущими карманами 2 на оппозитно расположенных рабочих поверхностях и подводящим каналом 3, подвижной направляющей 4, имеющей оппозитно расположенные рабочие поверхности, сопряженные с рабочими поверхностями корпуса, и плавающего элемента 5 с дросселирующими каналами 6 и управляющими карманами 7 на его торцах. Дросселирующие каналы 6 соединяют управляющие карманы 7 с подводящим каналом 3. Плавающий элемент 5 имеет цилиндрическую форму и установлен с минимальным зазором в цилиндрическом отверстии корпуса, соединяющем оппозитно расположенные несущие карманы 2. В верхней части плавающего элемента выполнен кольцевой выступ 8, а в корпусе 1 выполнено углубление 10, свободно охватывающее кольцевой выступ 8 плавающего элемента, без образования дросселирующих зазоров между ними. Торцевые поверхности плавающего элемента образуют дросселирующие зазоры 9 с рабочими поверхностями направляющей 4.
Гидростатическая опора работает следующим образом. Рабочая жидкость от источника давления (на фиг.1 не показан) нагнетается через канал 3 и дросселирующие каналы 6 в управляющие карманы 7, откуда через дросселирующие зазоры 9 поступает в несущие карманы 2, из которых дросселируется на слив. Дросселирующие каналы 6 в совокупности с управляющими карманами 7 при наличии дросселирующих зазоров 9 обеспечивают устойчивость осевого положения плавающего элемента 5.
Стабилизацию плавающего элемента 5 в радиальном и угловом направлениях и отсутствие контактного трения обеспечивают малые ступенчатые дросселирующие зазоры в цилиндрическом сопряжении корпус 1 - плавающий элемент 5 (за исключением зазоров между кольцевым выступом 8 и углублением 10 в корпусе). Они же обеспечивают небольшой приток рабочей жидкости в разгружаемый несущий карман 2 при максимальной нагрузке для исключения попадания воздуха, когда плавающий элемент 5 прижат к разгружаемой поверхности направляющей 4 и поступление рабочей жидкости через дросселирующий канал 6 в разгружаемый несущий карман 2 прекращается.
При нагружении направляющая 4 первично смещается в направлении нагрузки, а давление рабочей жидкости увеличивается в нагружаемом и уменьшается в разгружаемом несущем кармане до тех пор, пока разность сил давления не уравновесит нагрузку. Изменившееся давление в несущих карманах смещает плавающий элемент в направлении нагружения до его нового равновесного осевого положения. При этом увеличивается дросселирующий зазор 9 в нагружаемом, а уменьшается - в разгружаемом несущем кармане. Изменение дросселирующих зазоров 9 вызывает перераспределение расходов рабочей жидкости через оппозитно нагружаемые несущие карманы, что, в свою очередь, вызывает вторичное смещение направляющей, но уже в направлении, противоположном приложенной нагрузке. В результате этого процесса, в зависимости от выбора параметров, гидростатическая опора может обладать малой положительной, нулевой или отрицательной податливостью.
Однако не всегда достижение наиболее существенной отрицательной податливости и наиболее существенных отрицательных эксцентриситетов является оптимальным с точки зрения повышения нагрузочной способности направляющей и точности обработки на металлорежущих станках. Кроме того, уменьшение достигаемого эксцентриситета до предельных отрицательных значений значительно увеличивает расход рабочей жидкости. В то же время весьма важным показателем гидростатической опоры является ширина активного нагрузочного диапазона, характеризующая рекомендуемую нагрузочную способность, при которой сохраняется полноценное плавающее рабочее состояние элемента 5 и полностью исключается контактное трение.
Следует отметить, что равнодействующая сил давления рабочей жидкости на верхнюю часть плавающего элемента 5 полностью уравновешивается силой давления рабочей жидкости на нижний торец плавающего элемента 5 и в полной мере соответствует аналогичным значениям в прототипе. Это обеспечено за счет предотвращения дросселирования рабочей жидкости между поверхностями корпуса 1 и кольцевого выступа 8 плавающего элемента 5, благодаря чему давление рабочей жидкости на указанные поверхности всегда соответствует давлению в верхнем несущем кармане 2. Однако кольцевой выступ 8 при неизменном силовом балансе плавающего элемента 5 значительно увеличивает ширину дросселирующих перемычек верхнего торца, а радиус ограничиваемого ими управляющего кармана 7 уменьшает. В результате значительно возрастает демпфирование сопряжения верхний торец плавающего элемента - верхняя рабочая поверхность направляющей и, кроме того, сохраняется капиллярность течения рабочей жидкости через верхний дросселирующий зазор 9 во всем нагрузочном диапазоне.
Проведенные исследования показали, что для увеличения ширины активного диапазона необходима малая активность плавающего элемента (т.е. малое отношение выходной эффективной площади регулятора к его входной эффективной площади), достигнуть которую в опоре-прототипе возможно только за счет чрезмерного уменьшения ширины дросселирующей перемычки, ограничивающей управляющий карман. Однако это неизбежно приводит к нарушению капиллярности истечения рабочей жидкости из управляющего кармана и чрезмерному уменьшению демпфирования плавающего элемента. Поэтому при малой активности регулятора сохранить достаточную ширину дросселирующей перемычки позволяет предлагаемое техническое решение.
Сравнение рекомендуемой нагрузочной способности (достигаемой ширины активного нагрузочного диапазона) заявляемой опоры и опоры-прототипа при условии сохранения капиллярности истечения рабочей жидкости из управляющих карманов 7 иллюстрирует нагрузочные характеристики, представленные на фиг.2а. Ширина активного нагрузочного диапазона заявляемой гидростатической опоры (первый участок кривой 1) достигает 85% от теоретически возможной предельной нагрузки и полностью перекрывает весь нагрузочный диапазон аналогичной гидростатической опоры с постоянными дросселями на входе в несущие карманы (кривая 3). В то же время достигаемая ширина активного нагрузочного диапазона опоры-прототипа (первый участок кривой 2) не превышает 73% от величины предельной нагрузки, т.е. имеет существенно меньшее значение. При этом расходная характеристика заявляемой опоры (см. фиг.2б, на которой кривой 1 отмечена характеристика заявляемой гидростатической опоры, кривой 2 - характеристика прототипа, а кривой 3 - характеристика традиционной гидростатической опоры с дроссельным питанием) отличается весьма высокой расходной экономичностью и по сравнению с характеристикой прототипа имеет меньший расход рабочей жидкости при малых и средних нагрузках на опору.
Таким образом, увеличение площади торцевой поверхности плавающего элемента 5 за счет наличия кольцевого выступа 8 позволяет достигнуть более высокую рекомендуемую нагрузочную способность опоры, при которой сохраняется полноценное активное положение плавающего элемента 5 и полностью исключается контактное трение.
При этом наличие кольцевого выступа 8 значительно облегчает процесс сборки направляющей, обеспечивая надежную фиксацию плавающего элемента 5 в вертикальном сквозном отверстии корпуса 1, необходимую в связи с тем, что при сборке направляющей металлорежущего станка нижняя часть направляющей (планка) устанавливается и закрепляется после установки плавающего элемента 5.