ПОДШИПНИК СКОЛЬЖЕНИЯ
SLIDING BEARING

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям подшипников, и может быть использовано в различных отраслях: метрологии, приборостроении, аэрокосмической промышленности, при обработке материалов, автоматизации, в робототехнике, гидравлическом оборудовании, измерительной технике, в оптико-механической промышленности, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науке и т.п.
Подшипник скольжения (ПС) - это узел, осуществляющий связь между двумя движущимися друг относительно друга деталями, причем одна из них может быть неподвижна. Подшипник устанавливается своим скользящим элементом на поверхности одного из узлов и будет перемещаться по ней, повторяя ее характеристики с наименьшими искажениями и передавая это движение другому узлу.
К ПС предъявляются определенные требования, среди которых:
- малое трение,
- минимальные биения,
- надежность,
- жесткость,
- неизменность параметров во времени и в зависимости от внешних условий,
- долговечность,
- температурная стабильность.
- минимальный износ и др.
Известно устройство «Плоский подшипник скольжения со смазкой для линейной рельсовой направляющей», описанное в патенте JP 9296824 /1/. Устройство содержит элемент скольжения (ЭС) в виде линейной рельсы с продольными гребнями и рельсовую линейную направляющую с впадинами, в каждой из которых устанавливается резиновая скоба, на поверхность которой поступает смазка. Смазка содержит натуральную или синтетическую резину.
Устройство работает следующим образом:
Линейная рельса (ЭС) скользит вдоль осевой линии линейной направляющей, будучи с ней в контакте. По противоположным бокам рельсы ЭС, соответствующим двум сторонам линейной рельсовой направляющей, поступает смазывающее вещество. Каждая впадина линейной направляющей играет роль опорной поверхности. Между ЭС и линейной рельсовой направляющей имеется смазка. Грязная смазка постепенно просачивается наружу посредством резиновых узлов, расположенных с каждой боковой стороны ЭС. ЭС осуществляет посредством смазки контакт с соответствующими впадинами линейной рельсовой направляющей.
Резиновые скобы, расположенные по бокам линейной рельсовой направляющей, входят в соответствующие ее впадины. Конструкция позволяет уменьшить трение и шум из-за наличия смазывающего вещества между ЭС и линейной рельсовой направляющей.
Недостатки данного устройства состоят в следующем:
1. Точность перемещения, которую обеспечивает данный подшипник скольжения, при перемещении линейной рельсы ЭС по рельсовой линейной направляющей, ограничена суммой следующих факторов:
- сложная конфигурация сопрягаемых поверхностей линейной рельсы и рельсовой линейной направляющей приводит к сложностям при изготовлении и подгонке двух соответствующих поверхностей, особенно в случае их больших длин,
- наличие смазочных веществ снижает точность устройства из-за изменения зазора, за счет изменения их состава: накапливание пылевых частиц, вследствие проникновения в смазку загрязняющих частиц из окружающей среды, и появляющихся в результате трения контактных поверхностей;
- влияние температуры на стальные детали подшипника скольжения.
2. Подшипник может перемещаться только по одной линейной координате из-за конструктивных особенностей ЭС.
Наиболее близким по технической сути является подшипник скольжения, описанный в патенте «Линейный плоский подшипник», патент US 2003099414 /2/. Это линейный подшипник, содержащий ЭС в виде каретки и линейной рельсовой направляющей. Линейная рельсовая направляющая неподвижна и служит опорной поверхностью. Она содержит рельсовые впадины (бороздки), которым соответствуют продольные гребни (выпуклости) по противоположным бокам ЭС. Каждая впадина линейной рельсовой направляющей имеет форму готической арки, а соответствующая противоположная ей выпуклость ЭС имеет форму круглой арки в сечении. Зазор между кареткой и линейной рельсовой направляющей заполняется смазкой.
Устройство работает следующим образом:
Каретка скользит вдоль осевой линии линейной рельсовой направляющей, будучи с ней в контакте. Продольные гребни, расположенные на боках каретки ЭС, входят в соответствующие арочные впадины линейной рельсовой направляющей. Конструкция позволяет уменьшить трение и шум.
Устройство имеет следующие недостатки:
- сложная конфигурация сопрягаемых поверхностей продольных впадин линейной рельсовой направляющей и гребней на скользящей каретке ЭС приводит к сложностям при изготовлении и подгонке двух соответствующих поверхностей, особенно при их больших размерах, а это в свою очередь приводит к снижению точности перемещения двух узлов, между которыми устанавливается подшипник скольжения.
Точность линейного перемещения этих двух узлов, обеспечиваемого с помощью конкретного подшипника скольжения, характеризуется степенью его возможности организации движения с наименьшими потерями и искажениями.
- наличие смазывающих веществ также снижает точность линейного перемещения, обеспечиваемую подшипником, из-за изменения зазора между компонентами ЭС, благодаря изменению состава смазки, вследствие проникновения в смазку загрязняющих частиц из окружающей среды и частиц, появляющихся в результате трения контактных поверхностей;
- возможность перемещения каретки только по одной координате вдоль линейной рельсовой направляющей;
- температурная зависимость металлических узлов подшипника скольжения,
Задачей предложенного изобретения является увеличение точности перемещения, обеспечиваемой подшипником скольжения, и возможность его перемещения по плоскости по любой траектории.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем элемент скольжения ЭС, новым является то, что ЭС выполнен в виде единого цилиндра двух различных диаметров, и дополнительно введена платформа (в виде третьего цилиндра), расположенная над цилиндром ЭС большего диаметра, имеющего несколько больший диаметр, чем диаметр цилиндра ЭС большего диаметра. Платформа и ЭС обращены друг к другу плоскими параллельными плоскостями. А также введен корпус в виде кольца, охватывающего платформу и ЭС и имеющего буртик в области цилиндра меньшего диаметра ЭС. Корпус и платформа жестко связаны, таким образом, что между корпусом и ЭС, в области цилиндра меньшего диаметра образован зазор, а также введен шарик с радиусом R, со сквозным концентричным отверстием, расположенный между ЭС и платформой, а на обращенных друг к другу плоских поверхностях платформы и ЭС, по месту расположения шарика выполнены углубления и соосные сквозные отверстия, причем на стороне платформы - углубление в виде полусферы с радиусом R, с глубиной меньше R и центром, расположенным по оси цилиндра платформы. Сквозное отверстие на платформе проходит через вершину полусферы. На ЭС углубление выполнено в виде конуса, с вершиной, направленной в сторону цилиндра с малым диаметром, и сквозным отверстием в вершине конуса, таким образом, что центр шарика расположен в верхней плоскости ЭС. Такое выполнение устройства обеспечивает зазор между ЭС и платформой. Сквозное отверстие шарика соосно сквозным отверстиям платформы и ЭС. На наружной боковой поверхности кольца корпуса установлен штырь, жестко с ним связанный и ось которого направлена по радиусу цилиндра малого диаметра ЭС. На наружной плоскости малого цилиндра ЭС, расположенной с другой стороны цилиндра большого диаметра ЭС, выполнены канавки в виде ортогональной сетки. На наружной боковой поверхности цилиндра большего диаметра ЭС выполнен паз, ось которого направлена по радиусу цилиндра ЭС под углом 45° по отношению к ортогональной сетке канавок и в который с зазором входит штырь. На верхней поверхности платформы, по оси шарика установлена пружина с фиксатором, упирающаяся в платформу, и через отверстие пружины и сквозное отверстие платформы шарика и цилиндра ЭС пропущена нить, которая зафиксирована одним концом на ЭС, а другим концом на фиксаторе пружины, а шарик жестко закреплен в полусферическом углублении платформы, и ось паза на боковой поверхности ЭС составляет угол в 45° по отношению к ортогональной сетке канавок, и поверхность ЭС, где расположены канавки, отполирована.
Новым является также то, что ЭС и шарик выполнены из керамики или из материалов с высокой твердостью и с малым коэффициентом температурного расширения.
Такая совокупность признаков в заявляемом подшипнике скольжения позволяет:
- повысить точность перемещения механических узлов, с которыми непосредственно связан подшипник скольжения,
- уменьшить динамические погрешности, вносимые во время перемещения узлами подшипника,
- уменьшить влияние температуры на узлах подшипника из-за возможности использования материалов с малым коэффициентом температурного расширения,
- работать без смазки и уменьшить влияние пылевых частиц в силу конструктивных особенностей ЭС, содержащего канавки,
- повысить устойчивость к коррозии, т.к. ЭС подшипника выполнен из материалов с высокой твердостью,
- исключить электропроводность при подборе соответствующих материалов узлов подшипника,
- перемещать его по плоскости по любой траектории.
На фиг.1 показана конструкция подшипника скольжения с узлом элемента скольжения, где а - вид снизу подшипника скольжения, б - вид сечения подшипника скольжения. На фиг.2 дан график сканирования габродиабазовой плиты с помощью самоустанавливающегося, самоочищающегося, безлюфтового подшипника скольжения. На фиг.3 дано трехмерное сечение сборки подшипника скольжения (разрез вдоль вертикальной оси), а на фиг.4 показан элемент скольжения - вид со стороны опорной поверхности. Фиг.5 показывает элемент скольжения - вид со стороны платформы
3
4
Устройство (см. фиг.1а - сечение подшипника скольжения, фиг.1б - вид снизу) содержит: элемент скольжения 1, выполненный в виде цилиндра с большим 3 и меньшим диаметром 2; платформу в виде цилиндра 4 с диаметром большим, чем диаметр цилиндра 3, шарик 5 с концентричным сквозным отверстием; корпус в виде кольца 6; пружину 7; фиксатор 8 со стопорным винтом 9. Элемент скольжения 1 выполнен из твердой керамики на основе SiN (1) и представляет собой низкий цилиндр двух разных диаметров, в котором выполнено углубление 10 в виде конуса, концентричное оси цилиндра, с пространственным углом 90° и с вершиной, направленной в сторону цилиндра ЭС с малым диаметром 2 и сквозным отверстием вдоль оси цилиндров. На плоской нижней стороне малого цилиндра 2 ЭС (поверхность А) выполнены углубления в виде продольных и поперечных канавок 11, расположенные в ортогональной сетке (см. фиг.1а, 3). Канавки имеют треугольный или прямоугольный (см. фиг.4) профиль. Поверхность А отполирована. Площадь канавок занимает 30-40% общей площади поверхности А. По оси цилиндров ЭС и платформы 4, а также сквозь шарик выполнено сквозное отверстие для размещения в нем нити 12 с фиксатором 13. В нижней плоскости платформы 4 (той, которая обращена к ЭС) выполнено углубление 15. Диаметр этого углубления несколько больше, чем диаметр шарика. Размер углубления такой, что шарик частично размещен в нем так, что между плоскими, обращенными друг к другу параллельными плоскостями ЭС и платформы 4 образован зазор 20. Шарик зафиксирован на платформе в углублении 15 с помощью сварки или клея 14.
Другой зазор 16 между корпусом 6 и цилиндром большего диаметра ЭС 1 обеспечен разницей в их внутреннем и внешнем диаметрах.
Цилиндр меньшего диаметра ЭС имеет паз 18. В корпусе 6 в месте расположения паза 18 ЭС выполнен штырь 17, жестко с ним связанный (фиг.1а). Паз 18 и штырь 17 расположены под углом 45° по отношению к ортогональной сетке канавок 11 и предназначены для ограничения вращения цилиндра ЭС по углу. В своей нижней части цилиндрический корпус 6 имеет буртик 19, который охватывает цилиндр большего диаметра 3 ЭС. Нижняя сторона цилиндра ЭС представляет собой полированную плоскую поверхность А, которая входит в контакт с поверхностью, по которой будет перемещаться подшипник скольжения.
Элемент скольжения 1 через шарик 5 связан с платформой 4, при этом имеется зазор 15, а ось отверстия шарика 5 совпадает с осями отверстий в ЭС и в платформе 4.
Элемент скольжения 1 и платформа 4 установлены в корпусе 6. Сквозь отверстия в платформе, шарике и ЭС пропущена прочная нить 12 из кевлара. Один конец нити 12 закреплен в фиксаторе 8 стопорным винтом 9, а другой конец закреплен на наружной поверхности ЭС со стороны поверхности А фиксатором 13. Между фиксатором 8 и платформой 4 установлена пружина 7, позволяющая осуществить натяг нити, проходящей через фиксированный шарик 5 и обеспечивающей сохранение постоянного значения зазора 20 между платформой 4 и ЭС 1. При этом величину натяга легко регулировать до начала работы, меняя длину нити 12 и фиксируя ее стопорным винтом 9. Такая конструкция обеспечивает соединение платформы, шарика и элемента скольжения по оси системы подшипника без зазоров. Для исключения вращения элемента скольжения вокруг своей оси при линейном перемещении, в платформу 4 вставлен штырь 17, при этом в корпусе 6 штырь 17 крепится жестко. Паз 18 служит для прохода штыря 17, установленного с целью ограничения вращения ЭС 1 вокруг оси системы. В платформе имеются два отверстия 21 и 22 для крепления во внешнем устройстве, где будет функционировать подшипник скольжения.
Работа устройства:
До начала работы собирается подшипник скольжения (ПС) из узлов, показанных на фиг.1, в том числе из платформы 4, шарика 5 (жестко фиксированного верхней полусферой к платформе 4 путем склеивания 14), ЭС 1, нити 12 и корпуса 6. Нить 12 проходит через платформу 4, шарик 5 и ЭС 1, натягивается и закрепляется в нижней части ЭС - 13 и в верхней части платформы с определенным натягом, осуществляемым с помощью пружины 7 таким образом, чтобы отсутствовал зазор между ЭС и шариком, после чего затягивается в узле 8 посредством винта 9. Затем подшипник закрепляется во внешнем устройстве, где он будет в дальнейшем функционировать, между двумя узлами этого устройства, один из которых неподвижный (опорная поверхность), а другой подвижный и жестко связанный с подшипником скольжения, например, посредством крепежных отверстий в платформе 4 подшипника скольжения 21 и 22.
ЭС 1 подшипника скольжения устанавливается плоскостью А, содержащей канавки 11, на неподвижном узле внешнего устройства, по которому он будет перемещаться (скользить), входя с ней в соприкосновение. Подшипник, вообще, и в данном случае в том числе, располагается между двумя движущимися друг относительно друга деталями (узлами) внешнего устройства, которое он обслуживает (к примеру, между двумя направляющими микроскопа, станка и т.д.), передавая, от одного узла к другому движение с наименьшими искажениями, определяемыми точностными характеристиками самого подшипника. Подшипник скольжения во время движения должен оказать как можно меньше влияния на процесс движения, удовлетворяя основным требованиям, предъявляемым при этом к нему, среди которых: малое трение, минимальные биения, долговечность, стабильность к температуре, минимальный износ, жесткость, надежность, не электризоваться и т.д. Его точностные характеристики можно определить, исследуя его перемещение по идеальной (на практике можно по эталонной или по любой другой поверхности с высокоточной обработкой ее плоскости) опорной поверхности.
При перемещении по опорной поверхности элемент скольжения устанавливается с помощью крепежных отверстий 21 и 22 т.о., чтобы в дальнейшем осуществлял движение под углом 45° по направлению паза 18. Для чего ось паза 18 должна совпадать с направлением перемещения. Такое направление наилучшим образом позволит собирать инородные тела, пыль и т.д. с опорной поверхности (направляющей устройства, станка и т.д.) для того, чтобы точность перемещения была максимально возможно точной.
Размер штырька 17 меньше ширины паза 18, а длина меньше глубины паза, для того, чтобы элемент скольжения 1 мог вращаться вокруг своей оси в небольшом угле (около 1-2°) и качаться относительно опорной поверхности внешнего устройства. Эти перемещения позволяют элементу скольжения 1 самоустанавливаться на опорной поверхности, т.е. устанавливаться плоскостью «А» элемента скольжения ЭС параллельно опорной поверхности и, одновременно, осуществлять усреднение по ближайшим точкам вертикальной оси подшипника, которая совпадает с осью нити, и, тем самым, отслеживать истинное отклонение опорной поверхности от плоскостности. Канавки 11 выполняют две функции: "сгребают" пылевые частицы в канавки и уменьшают площадь соприкосновения скользящего элемента с опорной поверхностью внешнего устройства. В данном конкретном случае, опорная поверхность внешнего устройства имеет мелкокристаллическую зернистую структуру, благодаря чему ее поверхность оказывается покрыта микроканавками глубиной 0,5-1 мкм и шириной до нескольких мкм, в которых находится воздух. Таким образом под каждой площадкой, на стороне плоскости А элемента скольжения, образуется воздушная подушка, что исключает присасывание элемента скольжения к опорной поверхности, и элемент скольжения получает возможность перемещения свободно по опорной поверхности.
С целью определения погрешности, вводимой подшипником скольжения при его практическом применении, было использована габродиабазовая опорная поверхность, обработанная с точностью 0,02 мкм, по которой он должен перемещаться во время испытаний, и дополнительно, был использован также высокоточный цифровой длинномер голографический с разрешением 0,01 мкм, который через свой шток жестко соединялся с платформой 4 подшипника скольжения через отверстия 21 и 22. Причем отклонение от идеальной плоскостности опорной поверхности габродиабазовой плиты не более ±0,02 мкм/300 мм, взятой в качестве эталона плоскостности и погрешность самого топографического длинномера (0,02 мкм), должны были быть меньше, чем ожидаемая величина погрешности подшипника, включая его важный параметр - биение.
Система работает следующим образом:
во время эксперимента голографический длинномер перемещается вместе с ПС вдоль габродиабазовой плиты. При этом длиномер голографический позволил отслеживать отклонения от плоскостности опорной поверхности. График на фиг.2 показывает, что погрешность всех используемых в эксперименте элементов: опорной поверхности, длинномера и ПС оказалась меньше ±0,045 мкм (85 нм) на длине 180 мм.
Таким образом, конструктивное выполнение подшипника скольжения позволяет:
1 - повысить точность перемещения двух механических узлов друг относительно друга посредством подшипника скольжения за счет:
- усреднения неровностей опорной поверхности по площади плоскости А элемента скольжения - ЭС;
- самоустановки элемента скольжения на опорной поверхности, за счет шарика и прилегания ЭС всей плоскостью А к опорной поверхности;
- минимального биения и люфтов за счет жесткого крепления шарика к платформе и их плотного натяжения к элементу скольжения;
- перемещения элемента скольжения без смазки.
Сбор пылинок, встречающихся на пути перемещения, осуществляется в канавках элемента скольжения, в результате чего пылинки не попадают между плоскостями и не вносят дополнительную погрешность во время перемещения узлов внешнего устройства.
Так как ПС должен скользить обязательно по какой-то поверхности (опорной), то эти поверхности (ПС и опорная поверхность) подбираются таковыми, чтобы исключалось между ними прилипание, к примеру: керамика (элемента скольжения) и диабаз (опорная поверхность). Диабаз имеет зернистую структуру, даже после тщательной полировки, а между зернами существуют воздушные канавки или, наоборот, выбирать зернистую поверхность у элемента скольжения. Для такой цели существует довольно большой набор твердых материалов;
2 - обладать большей устойчивостью к коррозии из-за возможности использования малокоррозионных материалов типа:
3
4
- твердой керамики на основе SiN или
- бронзо-фторопластового антифрикционного материала, модифицированного фуллероидными наномодификаторами, что приводит к увеличению ресурса в 2-2,5 раза;
- значительно меньшей температурной зависимости элемента скольжения, нежели при его исполнении из металлических конструкций, как у аналога и прототипа. Вышеуказанные материалы обладают низким коэффициентом расширения, что позволяет использовать элемент скольжения при высоких температурах вплоть до +250°С и выше и делает его применимым в плавсредствах, гидротурбинах, в энергомашиностроении, машиностроении, в транспортном и авиа - машиностроении.
Благодаря его конструктивным особенностям ПС обладает также:
3 - малым трением;
4 - жесткостью;
5 - надежностью;
6 - неизменностью параметров;
7 - минимальным износом;
8 - долговечностью;
9 - отсутствием электропроводности, что увеличивает его сферу применения в переменных эл/магнитных полях;
10 - возможностью его перемещения в плоскости по любой траектории;
11 - возможностью его использования в паре с более сложной опорной поверхностью, к примеру, сферической, по которой он перемещается, при этом плоскости А, на которой выполнены канавки, нужно придавать не плоскую форму, а форму опорной поверхности, одновременно прилегая к ней и сохраняя при этом высокую точность перемещения. Это позволит увеличить функциональные возможности подшипника скольжения.
Литература
1. Direct driven slide guide bearing with lubricant supplying member, and lubricant supplying device. Патент JP 9296824, МПК: F16C 29/02 / F16C 29/06 / F16C 29/00.
2. Linear guide plain bearing/ Патент US 2003099414, МПК: F16C 29/02; F16C 33/10; F16C 33/20; F16C 29/00; F16C 33/04.