ГИДРОСТАТИЧЕСКАЯ ОПОРА
HYDROSTATIC BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в шпиндельных узлах, а также в других ответственных узлах с гидростатическими, аэростатическими или комбинированными опорами скольжения.
Известны гидростатические опоры скольжения, имеющие встроенный дроссельный регулятор расхода рабочей среды, основным элементом которого является плавающее кольцо, установленное в корпусе или на втулке на гидростатическом подвесе, образованном дросселирующими щелями между сопрягаемыми поверхностями корпуса, втулки и вала (см., например, патент РФ №2260722 на изобретение «Гидростатический подшипник» авторов С.Н.Шатохина и Я.Ю.Пикалова; патент РФ №2280789 на изобретение «Гидростатический подшипник» авторов А.С.Курзакова, Я.Ю.Пикалова, С.Н.Шатохина, В.Г.Демина; А.С. СССР №1430630 на изобретение «Гидростатическая адаптивная опора» автора В.Ю. Вектериса). Общим недостатком известных опор является сложность конструкции и недостаточная технологичность, вызванная, в частности, тем, что плавающее кольцо регулятора взаимодействует одновременно с тремя или большим количеством сопрягаемых через дросселирующие смазочные слои поверхностей элементов конструкции опоры.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является гидростатическая или аэростатическая опора (см. патент Великобритании №1467911: Gilles, Gerardus Hirs. Aerostatic or hydrostatic bearing. МПК: F16C 17/16, 1973), содержащая корпус, вал, втулку и плавающее кольцо, установленное в полости между корпусом и втулкой на ступенчатом подвесе, образованном цилиндрическими дросселирующими щелями между сопрягаемыми поверхностями втулки и кольца, имеющая канал для нагнетания рабочей среды под давлением в полость, а также выполненные во втулке каналы, расположенные в кольцевом ряду и соединяющие выходную зону гидростатического подвеса с несущим слоем опоры.
Недостатком опоры-прототипа является недостаточная угловая устойчивость плавающего кольца, вызванная тем, что при допустимых размерах дросселирующих ступеней отклонение углового положения кольца вызывает большие изменения сопротивлений входных ступеней, чем выходных, что нарушает угловую устойчивость плавающего кольца. Работоспособность ступенчатого подвеса может быть сохранена за счет непосредственного скольжения кольца по одной или двум поверхностям, ограничивающим его осевое положение, однако это вызывает существенные погрешности настроечных параметров опоры и ухудшает скольжение кольца. Кроме того, соединительные каналы опоры-прототипа расположены только в одном кольцевом ряду, что значительно ограничивает нагрузочную способность опоры как радиальную, так и угловую.
Задачей изобретения является повышение надежности работы и нагрузочной способности опоры.
Поставленная задача достигается тем, что в гидростатической опоре, содержащей корпус, вал, втулку, установленную в корпусе с образованием полости и обхватывающую вал с рабочим зазором, образующим несущий смазочный слой, имеющую соединительные каналы, расположенные в кольцевом ряду и питающие полость с несущим слоем, плавающее кольцо, установленное в полости на ступенчатом подвесе, входные ступени которого имеют больший дросселирующий зазор, а выходные - меньший зазор и сообщены с соединительными каналами, и имеющая подводящий канал для нагнетания рабочей среды в полость под давлением, согласно изобретению плавающее кольцо имеет сквозное отверстие в центральной части, а также канавки на торцевых поверхностях и фаски на стыках внутренних и торцевых поверхностей, втулка имеет дополнительный кольцевой ряд каналов и кольцевую подводящую канавку на внешней поверхности, сообщающуюся с отверстием в кольце, а ступенчатый подвес кольца имеет дополнительные входные и выходные ступени, расположенные симметрично относительно кольцевой подводящей канавки.
На чертеже показан продольный разрез заявляемой опоры.
Опора состоит из корпуса 1, вала 2, втулки 3 и плавающего кольца 4. В корпусе 1 выполнен подводящий канал 5 для нагнетания рабочей среды в полость 6 между корпусом и втулкой. Втулка 3 установлена в корпусе 1 и обхватывает вал 2 с рабочим зазором, образующим несущий смазочный слой 7. Втулка имеет кольцевую подводящую канавку 8 и соединительные каналы 9, которые расположены в два кольцевых ряда симметрично канавке 8 и питают несущий слой 7. Плавающее кольцо 4 установлено в полости 6, имеет сквозное отверстие 10 в центральной части, канавки 11 на торцевых поверхностях, фаски 12 на стыках внутренней и торцевых поверхностей, образует с внешней поверхностью втулки 3 последовательные дросселирующие ступени 13 и 14 подвеса плавающего кольца 4, причем входные ступени 13 имеют больший зазор, а выходные ступени 14 - меньший зазор и сообщены с соединительными каналами 9.
Работает опора следующим образом.
Рабочая среда от источника давления (не показан) через подводящий канал 5 поступает в полость 6, откуда через отверстие 10, канавки 8, 11 и каналы, образуемые фасками 12, к входным дросселирующим ступеням 13 и далее через выходные дросселирующие ступени 14 - в соединительные каналы 9 и несущий слой 7.
При подаче рабочей среды и отсутствии нагружения опоры плавающее состояние кольца 4, а также его радиальное и угловое центрирование обеспечивают входные и выходные ступени 13, 14 подвеса за счет превышения дросселирующего зазора каждой локальной части каждой входной ступени 13 над дросселирующим зазором соответствующей локальной части выходной ступени 14. При этом радиальная и угловая устойчивость плавающего кольца обеспечиваются за счет того, что при любом виде возмущающего воздействия как радиального, так и углового, сопротивление каждой локальной части каждой выходной ступени 14 изменяется быстрее, чем изменение сопротивления связанной с ней локальной части соответствующей входной ступени 13. Тем самым выполняются все условия радиальной и угловой устойчивости подвеса.
При нагружении опоры за счет перераспределения давления в нагружаемом и разгружаемых секторах несущего слоя опоры и ступенчатого подвеса плавающее кольцо смещается в направлении приложенной внешней нагрузки или момента сил, в результате чего происходит активное регулирование расхода рабочей среды через соединительные каналы и несущий слой. За счет этого и наличия дополнительного кольцевого ряда соединительных каналов 9 опора имеет повышенную нагрузочную способность, и при соответствующем подборе ее параметров возможна работа при отрицательной податливости. Возрастание нагружения смещает плавающее кольцо вплоть до непосредственного касания внешней поверхностью втулки, после чего опора продолжает работать в пассивном режиме с положительной податливостью, однако за счет обеспечения угловой устойчивости плавающего кольца его касание со втулкой наступает при большей нагрузке, и поэтому нагрузочная способность опоры дополнительно повышается.
При осевом смещении плавающего кольца вплоть до момента касания кольца ограничивающих его положение поверхностей существенного нарушения суммарного входного сопротивления не происходит, поскольку наличие канавок 11 и фасок 12 препятствует этому. За счет этого повышается надежность работы опоры.
За счет отсутствия междроссельных полостей значительного объема опора способна работать как на жидкой, так и на газовой смазке, имеет сравнительно простую и технологичную конструкцию. При сборке опоры установку кольца 4 на втулку 3 облегчает наличие фасок 12.
Таким образом, наличие дополнительного кольцевого ряда соединительных каналов и дополнительных ступеней подвеса кольца, канавок и фасок на его торцевых поверхностях, обеспечивает повышение надежности работы и нагрузочной способности опоры.
Опора приспособлена для работы в широком диапазоне окружных скоростей скольжения, имеет умеренные потери мощности на трение за счет более высокого порога турбулентности (отсутствие несущих карманов), удачное сочетание гидростатического и гидродинамического эффектов, повышающее нагрузочную способность при высоких скоростях скольжения, имеет достаточное демпфирование, обеспечивающее работоспособность шпиндельных узлов при отрицательной податливости (адаптивное управление) и ударных нагрузках (фрезерование и прерывистое точение).