АЭРОСТАТИЧЕСКАЯ ШПИНДЕЛЬНАЯ ОПОРА

Полезная модель относится к машиностроению и может использоваться во всех отраслях промышленности в качестве радиальной опоры роторной машины, например, в металлорежущих станках.
Известна аэростатическая опора с циркулярным поддувом, выполненная в виде цилиндрической втулки, снабженной отверстиями для подачи сжатого газа, расположенными симметрично по окружности ("Опоры скольжения с газовой смазкой.", С.А.Шейнберг, В.П.Жедь, М.Д.Шишеев. М.; Машиностроение 1969 г., 45-48 с.).
Недостатком такого устройства является тот факт, что достижение максимальной несущей способности, жесткости, а соответственно и максимального диапазона воспринимаемых нагрузок возможно только в случае совпадения плоскости радиального смещения вала с плоскостью одного из питающих сопел. С другой стороны, увеличение числа сопел в ряду приводит к заметному уменьшению коэффициента несущей способности вследствие взаимодействия ударных волн между запертыми соплами при определенных расстояниях между ними.
Известна аэростатическая опора по авторскому свидетельству №1033786, МПК F16С 32/06, опубликованному №29, 83 г. Она состоит из втулки с системой параллельно подключенных питателей, как постоянного проходного сечения, так и переменного, равномерно расположенных по окружности, и систему управления с датчиками положения вала.
Данная опора не позволяет добиться максимальной несущей способности и жесткости, а также подвержена вибрациям.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является аэростатическая шпиндельная опора с поворотной втулкой по патенту №2127377, МПК F16С 32/06, опубликованному №7, 1999 г. Прототип состоит из корпуса, неподвижной втулки с регулируемыми пневмосопротивлениями и датчиками положения шпинделя по информации с которых, система автоматического регулирования выдает управляющие сигналы на регулируемые пневмосопротивления и привод поворотной втулки с нерегулируемыми питателями. Поворотная втулка посредством зубчатой передачи сообщается с шаговым двигателем. На внешней поверхности поворотной втулки по окружности выполнены секторные канавки для подвода газовой смазки от регулируемых пневмосопротивлений к питателям, расположенным в центре каждого сектора поворотной втулки независимо от углового положения этой втулки относительно корпуса. Система автоматического управления состоит из коммутатора, аналого-цифровых преобразователей, программируемого логического блока, демультиплексора, цифро-аналоговых преобразователей и блока усиления.
Данная конструкция позволяет добиться максимальной несущей способности, жесткости и широкого диапазона воспринимаемых нагрузок в результате совмещения плоскости радиального смещения вала с продольной осью одного из питающих сопел посредством поворотной втулки, но имеет достаточно сложную конструкцию и довольно дорогостоящие элементы.
Кроме того, данная опора подвержена вибрациям и требует точной балансировки.
Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является упрощение и снижение себестоимости конструкции, максимально возможная несущая способность и жесткость, расширенный диапазон воспринимаемых нагрузок, а также высокая виброустойчивость опоры.
Этот технический результат достигается тем, что аэростатическая шпиндельная опора, содержащая корпус, неподвижную втулку с системой параллельно подключенных пневмосопротивлений, соединенных через систему управления с датчиками положения шпинделя, содержит втулку, выполненную из пористых материалов и состоящую из двух частей, соединенных между собой, при этом внешняя часть втулки выполнена из упругого материала, а внутренняя - из неупругого, твердого материала, а система автоматического управления, состоит из последовательно соединенных преобразователя, элемента сравнения и высоковольтного усилителя, где на элемент сравнения подается сигнал с задающего устройства.
На фиг.1 показана схема аэростатической шпиндельной опоры (разрез А-А, разрез Б-Б, В-В, Г-Г на фиг.2).
Аэростатическая шпиндельная опора содержит корпус 1, неподвижную втулку 2 с равномерно распределенными по окружности пневмосопротивлениями 3, втулку из пористых материалов 4, вал 5, датчики
положения 6 (преимущественно емкостного типа), преобразователь 7, элемент сравнения 8, задатчик 9 и высоковольтный усилитель 10.
пит
о
Аэростатическая шпиндельная опора работает следующим образом. Специально подготовленный воздух под давлением P через управляемые пневмосопротивления 3 поступает в полость между неподвижной втулкой 2 и втулкой из пористых материалов 4. Далее через втулку из пористых материалов 4 воздух поступает в смазочный зазор. Вал 5 в опоре под действием нагрузки смещается из своего первоначального положения на некоторую величину, влияя тем самым на перераспределение давлений в смазочном зазоре, таким образом, что в области, где величина смазочного зазора уменьшается, давление возрастает, а в области, где эта величина увеличивается, давление соответственно снижается. Изменение положения вала фиксируют емкостные датчики 6 (возможно использование датчиков другого типа). Сигнал с датчиков через устройство преобразования 7 поступает на устройство сравнения 8, где сравнивается с сигналом задающего устройства 9. Сигнал рассогласования после усиления поступает на пневмосопротивления 3, состоящие из пакета синфазно соединенных пьезопластин, изменяющих свои размеры в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Проходное сечение пневмосопротивлений увеличивается, либо уменьшается, дозируя расход газовой смазки и влияя на величину давления Р (давление в полости между неподвижной втулкой 2 и втулкой из пористых материалов 4). Втулка 4,
изготовленная из пористых материалов, содержит большое количество мельчайших капилляров, через которые воздух попадает в смазочный зазор равномерно распределяясь в нем, создает подъемную силу, стабилизирующую вал в эксцентричном положении.
н
o
В результате ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что величина подъемной силы К газовой подушки в смазочном зазоре, а соответственно несущая способность и диапазон воспринимаемых нагрузок самой опоры, прямопропорционально зависит от величины давления на пористую втулку Р и от величины параметра пористого материала λ: (фиг.3)
В - коэффициент пропорциональности, характеризующий проницаемость материала;
1
r - длина окружности пористой втулки;
δ - толщина пористого материала;
h- величина смазочного зазора (зазора между пористой втулкой и валом);
o
Таким образом, с уменьшением величин δ и h увеличивается несущая способность опоры в целом, поэтому конструктивная особенность самой пористой втулки позволяет во многом увеличить несущую способность, жесткость и диапазон воспринимаемых нагрузок. Внешняя часть втулки выполнена из упругого материала, и под действием давления Pна нее со
1
стороны регулируемых пневмосопротивлений сжимается, т.е. уменьшается толщина стенок втулки в зоне повышенного давления, образуя тем самым дополнительную восстанавливающую силу в смазочном зазоре (см. формулу 1) и чем выше это давление, тем больше сжимается упругая часть пористой втулки (фиг.2. Г-Г). Внутренняя часть втулки напротив изготавливается из неупругого твердого материала, что не позволяет ей под действием давления P сжимать пористую втулку со стороны смазочного зазора, увеличивая тем самым его величину, т.к. это, напротив, приведет к уменьшению подъемной силы.
Отличительной особенностью пористой втулки является то, что она состоит из большого числа мельчайших капилляров, через которые газ равномерно распределяется по всей рабочей поверхности опоры. Это устраняет необходимость в применении карманов, способствующих появлению вибрации. Кроме того, пористые материалы обладают способностью поглощать энергию вынужденных колебаний, если таковые возникают, и обладает хорошими демпфирующими свойствами. Простота и хорошие эксплуатационные качества данного материала делают опору более дешевой и простой по конструкции без потери ее рабочих характеристик.