автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение технического уровня высокоскоростных шпиндельных узлов путем совершенствования эксплуатационных характеристик газостатических опор

004616577

На правах рук£тиси

ВИНОГРАДОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОСТАТИЧЕСКИХ ОПОР

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2910

Комсомольск-на-Амуре 2010

004616577

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ») факс: 8(4217)536150, е-таП:тсЬоу@кпази1.ги

Защита состоится «21» декабря 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ГОУВПО «КнАГТУ» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ГОУВПО «КнАГТУ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «КнАГТУ»

Автореферат разослан «19» ноября 2010 г.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Космынин Александр Витальевич

Научный консультант кандидат технических наук

доцент Щетинин Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Сарилов Михаил Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Заев Владимир Валерьевич

Ведущая организация: Институт машиноведения и металлургии

ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доц.

Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное станкостроение характеризуется резким ростом технических характеристик, стимулируемых совершенствованием производственного процесса и повышением точности и качества обработки. В этом направлении приоритет отдается высокоскоростной обработке. Ее успешная реализация во многом зависит от точности работы шпиндельного узла (ШУ), так как решающую роль на формообразование обрабатываемой детали играют шпиндель и шпиндельные опоры.

В современных конструкциях высокоскоростных ШУ используют опоры качения, электромагнитные подвесы, гидростатические и газостатические подшипники. Каждый из этих типов опор имеет свои преимущества и недостатки.

В большинстве случаев высокоскоростные шпиндели устанавливают на опоры качения, что объясняется хорошо налаженным производством шарикоподшипников и простотой их замены. В то же время работа таких подшипников сопровождается тепловыми смещениями, они имеют ограниченный ресурс, обусловленный неизбежным износом тел и дорожек качения и т.д.

Высокой быстроходностью обладают ШУ на электромагнитных опорах. При их использовании появляется возможность управления положением шпинделя в процессе обработки, а также возможность изменения жесткости и демпфирования. Однако широкое применение ШУ на электромагнитных опорах пока не получили, что связано с их высокой стоимостью, сложностью конструкции, систем управления, применением диамагнитных материалов, возможностью нагрева шпинделя, громоздкостью и высокой инерционностью индукционной системы и т.д.

Гидростатические опоры просты по конструкции, имеют достаточно высокую жесткость, несущую и демпфирующую способность смазочного слоя, что позволяет обеспечить высокую точность работы ШУ.

Вместе с этим, эксплуатация гидростатических подшипников в реальных условиях выявила их существенный недостаток, заключающийся в значительном выделении тепла в результате относительного скольжения слоев смазки.

ШУ на газостатических опорах обладают рядом достоинств. Они имеют высокую точность вращения, которую можно добиться в пределах 0,05 мкм как в осевом, так и в радиальном направлении. Из-за отсутствия контакта между шпинделем и- вкладышем подшипника эта точность не меняется со временем, что определяет высокую параметрическую надежность ШУ. Благодаря низкому коэффициенту трения воздушной подушки такие подшипники способны развивать большую быстроходность ШУ (порядка 2,5 млн мм/мин) при отсутствии времени на «разогрев» шпинделя. Газостатические подшипники имеют простую конструкцию и практически не требуют обслуживания.

Благодаря хорошим характеристикам ШУ на газостатических опорах по биению они могут быть использованы, например, для сверления глубоких отверстий с соотношением длины сверла к диаметру более 10 без опасности по-

ломки инструмента. Фрезерование мелкими фрезами на больших скоростях также благодаря низкому биению делает применение таких ШУ реальной альтернативой электроэрозионной обработке даже глубоких контуров.

У газостатических подшипников ШУ есть и определенные недостатки, которые заключатся в сравнительно невысокой несущей и демпфирующей способности смазочного слоя. Поэтому ШУ на газостатических опорах применяются на стадии финишной обработки с малыми припусками.

Анализ отраслевых конструкций ШУ на газостатических опорах показывает, что в их составе в основном используются газовые подшипники с дросселирующими питающими отверстиями. Исследованиями, выполненными в Комсомольском-на-Амуре ГТУ, установлено, что расширить область рационального использования ШУ на газостатических опорах способны частично пористые подшипники с внешним наддувом газа. Однако круг работ, посвященных исследованию особенностей работы таких подшипников с разной формой организации наддува газа в зазор, остается узким. Поэтому актуальной является задача исследования эксплуатационных характеристик частично пористых газостатических шпиндельных опор, которые потенциально способны обеспечить более высокие выходные характеристики высокоскоростных ШУ.

Исследованию этого вопроса и посвящена настоящая работа.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение технического уровня высокоскоростных ШУ металлорежущих станков путем совершенствования характеристик частично пористых газостатических опор.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработать научно обоснованную методику проектирования шпиндельных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками на базе создания математической модели, алгоритма и программы расчета их эксплуатационных характеристик;

- выполнить численное и экспериментальное исследование эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми вставками в зависимости от различных конструктивных и режимных параметров;

- сравнить характеристики известных конструкций частично пористых подшипников высокоскоростных ШУ с опорой исследуемого типа;

- выработать рекомендации и разработать инженерную методику по проектированию газостатических опор с однорядными пористыми шпоночными вставками применительно к высокоскоростным шлифовальным шпинделям;

- спроектировать и испытать опытно-промышленный образец высокоскоростного шпинделя шлифовального станка с газостатическими опорами исследуемого типа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложена научно обоснованная методика расчета характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками;

- установлены зависимости эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками от различных конструктивных и режимных параметров, которыми удобно пользоваться при проектировании высокоскоростных ШУ;

- приведены результаты экспериментальных исследований однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками, а также выполнено их сравнение с характеристиками известных конструкций частично пористых газостатических шпиндельных опор.

Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ. Численное решение уравнения Рейнольдса ведётся итерационным методом Гаусса - Зейделя. При экспериментальном исследовании характеристик применяются апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных.

Достоверность результатов работы обеспечивается применением хорошо известной в теории газовой смазки системы исходных уравнений и подтверждается сравнением теоретических и экспериментальных зависимостей эксплуатационных характеристик подшипника.

Практическая ценность работы заключается в разработанной программе для ПЭВМ по расчёту эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками, которая позволяет эффективно решать задачу проектирования газостатических опор высокоскоростных ШУ.

Предложена защищенная патентом РФ конструкция газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками для высокоскоростных ШУ.

На основе проведённых исследований выработаны рекомендации по проектированию и применению исследуемого типа опор.

Создан опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ шлифовального станка мод. ЗК227А, который используется в ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение» им. Ю.А. Гагарина.

Результаты работы используются также в учебном процессе в ГОУВПО «КнАГТУ» на кафедре «Технология машиностроения».

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели течения газа в зазоре однорядного газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками и методики численного расчёта его эксплуатационных характеристик, на основе которых разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ. Проведены экспериментальные и теоретические исследования эксплуатационных характеристик опор с частично пористыми вставками с последующим анализом полученных результатов. Выполнен сравнительный анализ характеристик известных конструкций частично пористых газостатических опор ШУ с подшипником исследуемого типа. Разработана инженерная методика и рекомендации по проектированию исследуемого типа газовых опор высокоскоростных ШУ.

При личном и непосредственном участии автора разработана конструкция высокоскоростного ШУ внутришлифовального станка.

На защиту выносятся:

- методика и алгоритм расчёта эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками;

- теоретические и экспериментальные зависимости эксплуатационных характеристик опор от конструктивных и режимных параметров;

- результаты сравнительного анализа характеристик известных конструкций шпиндельных частично пористых газостатических опор с подшипником исследуемого типа;

- инженерная методика и рекомендации по проектированию радиальных однорядных шпиндельных опор с пористыми шпоночными вставками.

Апробация работы. Научные положения и результаты докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург, 2007 г.), «Математическое моделирование» (Москва, 2007 г.), «Технические науки и современное производство» (Пекин, 2007 г.), «Современные проблемы науки и образования» (Москва, 2009 г.).

Основные результаты работы докладывались также на профилирующих кафедрах КнАГТУ (2006-2009 гг.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 работах, включая патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 161 страницу, включает 77 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список охватывает 157 литературных источника.

Диссертационная работа выполнена при поддержке фанта 15-И-19 Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края по проекту «Создание высокоскоростных прецизионных шпиндельных узлов металлорежущих станков с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной параметрической надежностью».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулирована цель и изложены основные результаты работы.

В первой главе рассмотрены преимущества и недостатки шпиндельных опор, смазываемых газом, по сравнению с другими видами смазки. Выполнен обзор конструкций высокоскоростных ШУ с опорами на газовой смазке. Проанализированы теоретические и экспериментальные исследования и методы расчёта характеристик радиальных газостатических подшипников. Поставлены задачи исследования.

Основные требования к шпиндельным узлам и их опорам сформулированы в работах Ачеркана Н.С., Бальмонта В.Б., Бушуева В.В., Века М., Джонса А., Диментберга Ф.М., Зверева И.А., Оишомуры, Каминской В.В., Кедрова С.С., Кудинова В.А., Левиной З.М., Лизогуба В.А., Лундберга Г., Маслова Г.С., Маталина A.A., Оптица Г., Пальмгрена А., Пинепша C.B., Пономарева К.К., Портмана В.Т., Проникова A.C., Пуша A.B., Пуша В.Э., Решетова Д.Н., Фигат-нера A.M., Хомякова B.C. и др. ученых на основе общих требований к металлообрабатывающим станкам.

В современных конструкциях ШУ применяют опоры качения, керамические, гидродинамические, гидростатические, электромагнитные и газостатические подшипники. Каждый тип шпиндельных опор имеет свои преимущества и недостатки, которые в совокупности определяют область их рационального использования в ШУ.

Шпиндельные узлы с опорами на газовой смазке способны работать надёжно и долговечно при большой окружной скорости и обладают целым рядом преимуществ перед другими видами опор.

Главные их достоинства - стабильность вращения и возможность достижения высоких значений быстроходности до 2,5-106 мм/мин. Это в 1,5...2 раза превышает значения быстроходности опор качения и подшипников скольжения на гидростатической смазке.

Исследования газовых опор показали, что минимальные потери на трение, а, следовательно, и незначительное тепловыделение, являющиеся следствием малой вязкости газов, позволяют, с одной стороны, достигать очень больших скоростей вращения (до 500000 мин"' и более), а с другой - осуществлять перемещения с минимальной скоростью скольжения. Подшипники с газовой смазкой, не теряя своих эксплуатационных качеств, могут работать в широком диапазоне температур и давлений. Кроме того, у правильно рассчитанных и с необходимой точностью изготовленных узлов на опорах с газовой смазкой износ рабочих поверхностей практически отсутствует.

В нашей стране первые ШУ на опорах с воздушной смазкой были разработаны в ЭНИМСе под руководством С.А. Шейнберга. Дальнейшее развитие конструкций шпиндельных узлов на газовых опорах пошло по пути их применения в станках высокой и особо высокой точности, мастер-станках, тяжелых и особо тяжелых станках.

Анализ промышленных конструкций высокоскоростных ШУ на газостатических опорах показывает, что наиболее часто используются газовые подшипники с дросселирующими отверстиями. Однако такие опоры обладают сравнительно невысокой несущей способностью и жесткостью смазочного слоя.

Как показывают исследования выполненные в КнАГТУ, заметно улучшить эксплуатационные характеристики газостатических опор ШУ и, следовательно, выходные характеристики ШУ способны подшипники с частично пористой стенкой вкладыша. Поэтому актуальной остается задача исследования

характеристик и особенностей работы таких подшипников с разной организацией наддува газа в зазор подшипника.

Во второй главе рассмотрена математическая модель течения газа в зазоре подшипника с пористыми ограничителями расхода, обоснован вид дифференциального уравнения для определения поля давления газа в смазочном слое частично пористого подшипника конечной длины. Представлено численное решение задачи определения эксплуатационных характеристик однорядного подшипника с пористыми шпоночными вставками.

Конструкция исследуемого однорядного газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками показана на рис. 1.

Р*

шпоночными вставками

Дифференциальное уравнение, описывающее поле давления газа в зазоре подшипника, получено на основе уравнений политропы, неразрывности, движения, энергии, а также уравнения течения газа через пористую матрицу. При этом принимаются следующие фундаментальные в теории газовой смазки допущения:

1. Течение газа в пористой среде считается вязким и ламинарным, подчиняющиеся закону Дарси, что позволяет считать коэффициент проницаемости пористого материала кр постоянным.

2. Течение смазки в зазоре подшипника изотермическое, а сама смазка сжимаемая, удовлетворяющая уравнению состояния р = рЩТ.

3. Толщина смазочного слоя такова, что позволяет пренебречь течением газа в направлении нормали к стенкам подшипника и считать давление в этом направлении неизменным.

4. Объемные и инерционные силы пренебрежительно малы по сравнению с силами вязкого трения и восстанавливающей силой смазочного слоя, уравновешивающей внешнюю нагрузку.

5. Течение газа в зазоре подшипника стационарное.

Принятые допущения позволяют определить поле давления газа в зазоре частично пористого подшипника с помощью уравнения Рейнольдса:

дер

-2 ^

д<р

L2 dz2 Х 8<Р

(1)

Решение дифференциального уравнения (1) выполнено численным методом путем аппроксимации входящих в него частных производных трехточечными центральными разностями. Интегрирование уравнения (I) ведется в области [0 < <р < 1ж; 0 < г < 1], показанной на рис. 2, где Л^- число горизонтальных линий сетки, - число вертикальных линий сетки. К

"У

j

Л»

ju.

л,

\ /

/ \

% 'С1

й>

А?

Р

лг

1 2

Nt

Рис. 2. Шаблон конечно-разностной сетки области интегрирования

Исключая границы пористых вставок и вертикальных границ области интегрирования, выражение для определения относительного давления газа

^ _л

р^ ^ = в любом узле конечно-разностной сетки области интегрирования имеет вид:

PiJ=-

Р PiJ+l + PiJ-1 | hj Pi+Uj + P'-Uj J Д<2>2 L2 . Лг2

2 hj

-\-2

&<р~2+(ш)~

+ Kf

(2)

¡3 hj h) - Ahj - 2ЛА/Д7 + Kf

2 hj

A«T2+(LAz) 2

+ Kf

где h' -dhldcp.

Краевые условия решаемой задачи, которые в виде конечно-разностных уравнений ставятся на границах области интегрирования и пористых вставок, образуют с выражением (2) замкнутую систему уравнений, позволяющих определить давление газа в любом узле конечно-разностной сетки.

Система уравнений считается решенной при выполнении условий:

где от-число итераций.

При известном поле давления в зазоре подшипника эксплуатационные характеристики шпиндельной опоры находятся по формулам: проекции нагрузки £) на ось X и У (рис. 3)

12л

£>х = | ^рсоБ/р с1(р (¡г , о о

\1х

Qy = ~Шр3 [ ]рз'т <рЛ<рсИ; о о

угол положения нагрузки у между осью X и вектором внешней нагрузки

х несущая способность подшипника

коэффициент несущей способности

Рис. 3. Схема действия нагрузки жесткость смазочного слоя на шпиндель £ = dQ/ (Ле,

коэффициент жесткости смазочного слоя

¿У =dCQlde.

С целью корректной оценки коэффициента жесткости теоретические и экспериментальные зависимости Сд - /(е) аппроксимировалась методом наименьших квадратичных отклонений полиномом 3-й степени

7 Я

Исходя из этого, значение коэффициента жесткости определялось из выражения:

2

кх=а\+2а2Е + За-$е .

В третьей главе описана экспериментальный стенд и регистрирующая аппаратура. Приведена методика обработки опытных данных. Представлена методика оценки погрешностей результатов наблюдений.

Комплекс физических исследований эксплуатационных характеристик однорядных газостатических опор с пористыми вставками выполнен на экспериментальном стенде, изображенном на рис. 4

Рис. 4. Экспериментальный стенд для исследования характеристик газостатических подшипников с пористыми вставками

Он состоит из механической части, обеспечивающей установку опорных подшипников, вала, исследуемого подшипника, средств измерения и нагруже-ния исследуемой опоры.

Основными элементами стенда являются: I - опорный газостатический подшипник вала, 2 - прибор для регистрации зазора между валом и исследуемым подшипником, 3 - датчики емкостного типа для измерения зазора, 4 - исследуемый подшипник, 5 - вал, 6 - подпятник, 7 - фильтр для очистки воздуха, 8 - ресивер, 9 - компрессор, 10 - турбинный привод, 11 - нагрузочное устройство поршневого типа, 12 - частотомер.

С доверительной вероятностью 0,95 погрешность определения эксплуатационных характеристик газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками не превышает следующих значений: <5Сд = 4,5 %; = 5,1%.

В четвертой главе представлено сравнение экспериментальных и теоретических характеристик частично пористого подшипника, проводится анализ результатов теоретического расчёта эксплутационных характеристик подшипников с пористыми вставками при неподвижном и вращающемся вале. Проведено сравнение характеристик исследуемых опор с характеристиками известных конструкций частично пористых подшипников высокоскоростных ШУ. Представлена методика проектирования исследуемого типа шпиндельных опор и сформулированы рекомендации по их практическому применению в ШУ. Рассмотрена конструкция опытно-промышленного образца высокоскоростного шпиндельного узла на газостатических опорах с частично пористой стенкой вкладыша.

Для представления характеристик подшипников в зависимости от безразмерного комплекса прямо пропорционального среднему радиальному зазору, в рассмотрение введен конструктивный параметр Кс, связанный с параметром питания К соотношением

КС=К'УЪ ^с-^Ъ/ШрВ2 .

Эксперименты выполнены при абсолютном давлении наддува р5= 0,4; 0,5 и 0,6 МПа. Испытания при неподвижном вале проведены при средних радиальных зазорах между вкладышем подшипника и валом равных 33, 44, 49, 52.5 и 62.5 мкм. Соответственно этим зазорам конструктивный параметр подшипника Кс составлял 0,46; 0,62; 0,69; 0,74 и 0,88.

Опыты при вращающемся вале выполнены при таких же давлениях наддува, что и в статических испытаниях. Максимальная частота вращения вала составляла 14000 мин"1. При этом максимальная величина числа сжимаемости Л достигала значение 0,063 (при ^ =1/4). Эксперименты проведены на подшипнике с конструктивным параметром Кс= 0,88.

Некоторые результаты сопоставления экспериментальных и теоретических характеристик подшипника приведены ниже.

Зависимости коэффициента несущей способности Сд (несущей способности (2) и коэффициента жесткости к5 (жесткости Б) от относительного эксцентриситета е при неподвижном вале представлены на рис. 5.

а)

б)

0.3

со

у/

-

0.5 0,7

0,9

0,5

0,4

03

0,2

0,1

0,3

V V

V \ \ \ \ \ у.

0,5 0,7 Е --

17.8

13,4

Рис. 5. Зависимость коэффициента несущей способности Сд и несущей способности (2 (а) и коэффициента жёсткости к5 и жёсткости Б (б) от относительного эксцентриситета е: - опыт,---теория, Ду=1/6, Кс-0,46, Л=0

Анализ характеристик показывает на вполне удовлетворительное качественное и количественное согласование теоретических и экспериментальных данных. В области рабочих значений относительного эксцентриситета е= 0,5...0,7 расхождение между ними не превышает 1% по коэффициенту несущей способности и 9% по коэффициенту жесткости.

На рис. 6 показаны зависимости коэффициента несущей способности С0 (несущей способности О) и коэффициента жесткости к8 (жесткости Б) от относительного эксцентриситета е при вращающемся вале, а) б)

со

ОД

0,1

0.0

. у

/ / /V /

к

// £

0.4 0.6 0,8 6 --

441,3

<2 Г

294л ь

147,1

0,35

0,15

0,1

^ * / / / ч ч ч ч

/ / J

0,5

0,7

12,9

Б

3,5

Рис. 6. Зависимость коэффициента несущей способности Сд и несущей способности С> (а) и коэффициента жёсткости кх и жёсткости Б (б) от относительного эксцентриситета б: - опыт,---теория, р,=1/б; £с=0,88; Л=0,042

Сопоставление экспериментальных и теоретических данных при вращающемся вале показывает, что относительная ошибка в определении Сд не

превышает 8%, а коэффициента жёсткости смазочного слоя - 18%.

Совокупный анализ всего комплекса выполненных экспериментов позволил сделать вывод, что при неподвижном вале относительная ошибка в теоретическом определении не превосходит 18%, жёсткости смазочного слоя - 24%. При вращающемся вале рассогласование данных составляет: по несущей способности опоры - 8%, жёсткости - 25%.

Результаты экспериментов позволили провести широкие численные исследования по влиянию на эксплуатационные характеристики частично пористого подшипника относительного эксцентриситета е, конструктивного параметра Кс, удлинения подшипника £ = £,/£>, удлинения пористых вставок 1 = £/Ь, относи-

тельной ширины пористых вставок а = а/£, количества вставок в ряду Мвст, относительного давления наддува = ра / р$ и числа сжимаемости

На рис. 7 представлена зависимость коэффициентов несущей способности Сд и жёсткости к5 от конструктивного параметра Кс и относительного эксцентриситета £ при рв = 1/6; ¿=1,2; 7=0,67; а =0,15; Лгв,.„, =6, Л~0.

б)

1«

0,30

0,1в

\

\

V

/с = 0,4 \0,6 \ 0,8

0,2

0,6 0,8 Кс —-

Рис.7. Зависимость коэффициентов несущей способности Сд (а) и жёсткости (б) от конструктивного параметра Кс и относительного эксцентриситета е

Анализ нагрузочных характеристик показывает, что в отличие от жестко-стных характеристик положение максимумов нагрузки слабо зависит от значения е. Заметим, что в области рабочих значений относительного эксцентриситета ё = 0,5...0,7 максимум коэффициента несущей способности Сд соответствует значениям конструктивного параметра Кс~ 0,58...0,72.

В виду слабой зависимости Сдтах = /(Кс,г) при работе опоры в режиме подвеса, расчет характеристик подшипника с вращающимся валом (гибридный режим) выполнен при значении конструктивного параметра Кс=0,7.

На рис. 8 показана зависимость коэффициента несущей способности Сд и жесткости смазочного слоя к5 от числа сжимаемости Л и относительного эксцентриситета е при рц=1/6; ¿=1,2; /=0,67; а=0,15; Мест=6;Кс^0,1.

Видно, что с увеличением относительного эксцентриситета е и числа сжимаемости Л коэффициент несущей способности и жесткости однорядной частично пористой опоры заметно растет, что объясняется существенным влиянием на структуру течения смазки эффекта смазочного клина, который начинает преобладать над внешним наддувом газа.

Со

а)

0.8

0,6

0.4

0,2

с ~ 0.8 0,6 0.4

0,4

0,8

2,2

1.7

1,2

б)

е-0.8 0.6 0,4

1,2

1.2

Рис. 8. Зависимость коэффициентов несущей способности Сд (а) и жесткости кх (б) от числа сжимаемости Л и относительного эксцентриситета £

Влияние удлинения подшипника Ь на его эксплуатационные характеристики исследовано в диапазоне изменения Ь от 1 до 1,4. При работе газовой опоры в режиме подвеса более высокими значениями Сд области сравнительно больших значений конструктивного параметра Кс обладают длинные подшипники, что связано с повышением сопротивления движению газа в пористом материале и лучшими условиями смазывания поверхности.

В гибридном режиме работы с ростом Ь и числа сжимаемости коэффициенты несущей способности и жесткости смазочного слоя увеличиваются вследствие доминирования эффекта смазочного клина над внешним наддувом газа. Вследствие этого более низкие значения угла положения нагрузки имеют короткие подшипники.

Исследование влияния на характеристики газовой опоры относительной ширины вставок а выполнялись при а = 0,1; 0,15; 0,2. Получено, что в области низких значений конструктивного параметра при Л=0 лучшие нагрузочные и жесткостные характеристики имеют опоры с а= 0,1. Исследование характера распределения давления в зазоре подшипников позволило сделать заключение об определяющем влиянии на результат формирования поля давления в центральной части подшипников.

В гибридном режиме работы с увеличением относительной ширины пористых вставок нагрузочная способность опоры растет, а жесткость несколько падает, что объясняется действием двух факторов — изменением площади пористой поверхности вкладыша и характером распределения давления в цен-

тральной части подшипника. Вследствие более выраженного эффекта смазочного клина опора при а = 0,1 имеет меньший угол положения нагрузки.

Исследование влияния на характеристики подшипника удлинения шпоночных вставок~1 проводились при значениях 1 =0,5; 0,67 и 0,83. Установлено, что при всех режимах работы опоры рост удлинения вставок ведет к увеличению коэффициента несущей способности. В гибридном режиме работы с увеличением числа сжимаемости и уменьшением I коэффициент жесткости смазочного слоя и угол положения нагрузки повышаются.

При всех режимах работы опор изменение количества вставок Ывст с 4 до 8 ведет к повышению коэффициента С д. Вместе с тем увеличение количества вставок с 6 до 8 незначительно влияет на эксплуатационные характеристики подшипника. В гибридном режиме работы коэффициент жесткости опоры при №ест= 4 наибольший, но это сопровождается нежелательным ростом угла положения нагрузки.

Исследование влияния относительного давления наддува проведено при р$= 1/5, 1/6 и 1/7. При работе опоры в режиме подвеса изменение относительного давления наддува не ведет к заметному изменению коэффициентов несущей способности и жесткости смазочного слоя, что, в частности, подтверждается результатами выполненных экспериментов. В гибридном режиме работы с увеличением числа сжимаемости Ли р5 коэффициенты несущей способности . и жесткости, а также угол положения нагрузки у/ несколько возрастают.

Сравнение эксплуатационных характеристик исследуемого типа опор выполнено с характеристиками известных конструкций шпиндельных газостатических опор - двухрядных подшипников с цилиндрическими и шпоночными вставками.

На рис.9 показаны нагрузочные и жесткостные характеристики опор, работающих в гибридном режиме.

Установлено, что во всем диапазоне изменения числа сжимаемости однорядный газостатический подшипник имеет более высокое значение коэффициента несущей способности (от 11,5% при Л=0 до 5% при Л=1,2, что в среднем составляет 8%) и жесткости смазочного слоя (от 40% при Л=0 до 8% при Л=1,2, что в среднем составляет 24%). При этом угол положения оказывается таким же невысоким, как у двухрядного подшипника со шпоночными вставками.

На основе выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик шпиндельных однорядных газостатических опор с пористыми вставками разработана методика их проектировочного расчета и выработаны рекомендации по эффективному проектированию.

Результаты работы легли в основу создания опытно-промышленного образца высокоскоростного ШУ для внутришлифовального станка ЗК227А. Конструкция шпиндельного узла показана на рис. 10.

Рис. 9. Зависимость коэффициентов несущей способности Сд (а) и жесткости к5 (б) от числа сжимаемости Л частично пористых газовых опор: 1 - исследуемый подшипник, 2 - двухрядный подшипник со шпоночными вставками, 3 - двухрядный подшипник с цилиндрическими вставками

Рис. 10. Конструкция высокоскоростного шпиндельного узла

Основными элементами ШУ являются: цанговый захват 1, корпус 8, шпиндель 3, газостатические подшипники 2 и 4, рабочее колесо турбины 5, сопловой аппарат турбины 6, регулятор предельной частоты вращения 7 и входное устройство 10 с пусковым клапаном 9.

ШУ имеет два опорно-упорных газостатических подшипника. Во вкладышах подшипников установлены пористые шпоночные вставки, которые размещены в один кольцевой ряд по 6 вставок. Из условия обеспечения максимальной несущей способности зазор между шпинделем и вкладышами под-

шипников составляет 40 мкм. Один опорный подшипник способен выдержать нагрузку около 110 Н при относительном эксцентриситете с= 0,6.

Испытания опытного образца внутришлифовального шпинделя проведены с участием специалистов ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение» им. Ю.А. Гагарина. Шлифование электрокорундовым кругом 25СТ18К поверхностей отверстий деталей из стали Х18Н10Т показали на высокую точность шлифуемой поверхности - отклонение от круг-лости не более 0,2 мкм (5,6 квалитеты) при шероховатости Ra не более 0,04 мкм, и безотказную работу газовых опор. Для сравнения заметим, что достигаемая на ОАО КнААПО точность обработки на металлообрабатывающих станках мод. ЗА228, ЗК227А, WOTAN и VOUHARD по типовому процессу высокоскоростной обработки соответствует 7-12 квалитетам при шероховатости Ra = 0,4... 1,6 мкм. Установлено также, что при работе на разработанной конструкции пневмошпинделя износ шлифовального круга уменьшается 1,5 раза по сравнению с отраслевой конструкцией шпинделя мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения. При этом производительности труда возрастает в 2,7 раза.

В 2008 году на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и XIII международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Промышленные инвестиции» (г. С.-Петербург) опытно-промышленный образец шпиндельного узла отмечен серебряными медалями.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены математическая модель течения газа в зазоре однорядного газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками и методика расчета его эксплуатационных характеристик, на основе которых разработан алгоритм и программа расчета для ПЭВМ.

2. Создан экспериментальный стенд для исследования эксплуатационных характеристик частично пористых подшипников при статическом и гибридном режимах их работы.

3. Анализ экспериментальных и теоретических характеристик исследуемой опоры показал, что разработанная методика позволяет с достаточной для практики точностью определять эксплуатационные характеристики подшипника с пористыми шпоночными ограничителями расхода. Расхождение расчетных и опытных значений коэффициента несущей способности при неподвижном вале не превосходит 18%, коэффициента жёсткости смазочного слоя - 24%. При вращающемся вале рассогласование данных составляет: по коэффициенту несущей способности- 8%, коэффициенту жёсткости — 25%.

4. Предложена защищенная патентом РФ конструкция однорядного газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками для высокоскоростных ШУ.

Сравнение эксплуатационных характеристик опоры исследуемого типа с характеристиками двухрядных частично пористых газостатических подшипни-

ков, применяемых в высокоскоростных ШУ, показало, что применение однорядного подшипника позволяет в среднем обеспечить повышение нагрузочной способности шпиндельной опоры на 8% и жесткости смазочного слоя на 24%.

5. Установлено влияние на эксплуатационные характеристики однорядных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками различных конструктивных и режимных параметров. Достаточно высокие эксплуатационные характеристики шпиндельных опор высокоскоростных ШУ достигаются при удлинении подшипника ¿=1,2, количестве вставок Necm= 6, относительной ширине шпоночных вставок 0,15 и удлинении вставок £=0,67. При этом значение конструктивного параметра Kç составляет около 0,7.

6. Предложена инженерная методика проектирования и выработаны рекомендации по проектированию однорядных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками для высокоскоростных ШУ.

7. На основе выполненных исследований изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ внутришлифовального станка ЗК227А. Результаты испытаний пневмошпинделя на точность обработки показали, что отклонение от круглости составляет не более 0,2 мкм (5, 6 квалитеты точности) при шероховатости Ra не более 0,04 мкм. Установлено также, что износ шлифовального круга уменьшается в 1,5 раза по сравнению с отраслевой конструкцией шпинделя мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения. При этом производительность труда возрастает в 2,7 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Космышш, A.B. Расчет частично пористых газовых подшипников высокоскоростных шпиндельных узлов / A.B. Космынин, C.B. Виноградов, С.П. Чернобай //Автоматизация и современные технологии-2008. - №10. - С. 15-17.

2. Космынин, A.B. Комбинированная опора шпиндельного узла / A.B. Космынин, C.B. Виноградов, B.C. Щетинин // Междунар. конф. «Технические науки и современное производство» (26 ноября - 4 декабря 2007 г., Пекин). // Фундаментальные исследования. -2007. -№12 -С. 83-84

3. Космышш, A.B. Повышение точности работы металлообрабатывающих станков при производстве деталей летательных аппаратов / A.B. Космынин, В.С.Щетинин, C.B. Виноградов, С.П. Чернобай // Сб. трудов 4-ой междунар. научно-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (2-5 октября 2007 г., С.-Петербург) // СПб.: Изд-во Политех, ун-та. - 2007. -С. 289-290

4. Виноградов, C.B. Моделирование течения газа в зазоре частично пористых подшипников с внешним наддувом газа / С.В.Виноградов, A.B. Космынин // Всеросс. конф. «Математическое моделирование» (15-20 сентября 2007 г., РАЕ) // Фундаментальные исследования. -2007. -№12. Ч. 2. -С. 251

5. Космынин, A.B. Шпиндельные узлы на газостатических опорах / C.B. Виноградов, A.B. Смирнов, В.И. Шаломов // Техномир,- 2008.- №2,- С. 36-37

6. Космынин, A.B. Высокоскоростные шлифовальные машины / C.B. Виноградов, A.B. Смирнов, В.И. Шаломов // Техномир.- 2008,- №3.- С. 20-22

7. Виноградов, C.B. О результатах экспериментальной проверки расчётных характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов металлорежущих станков с частично пористыми газостатическими опорами / C.B. Виноградов, A.B. Космынин, В.И. Шаломов, И.Г. Суходоев // IV общеросс. научная конф. «Современные проблемы науки и образования» (17-19 февраля 2009г., Москва) // "Фундаментальные исследования". -2009. -№1. - С. 32-33

8. Пат. 2357119 Российская Федерация. Газостатический подшипник / Космынин A.B., Щетинин B.C., Чернобай С.П. Виноградов C.B.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре государственный технический ун-т,- № 2007133080/11; заявл. 03.09.07; опубл. 27.05.09. Бюл. №15

9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2007614480 Шпиндельная опора / Виноградов C.B., Космынин A.B.; заявл. 07.09.07, зарегистр. 24.10.07

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с - средний радиальный зазор между шпинделем и подшипником, е - эксцентриситет е = е/с - относительный эксцентриситет; Ъ = Ыс - относительный зазор между шпинделем И вкладышем; Ошибка'. Объект не может быть создан го кодов полей редактирования. - коэффициент динамической вязкости газа; а - угловая скорость вращения шпинделя;/ - оператор (/=1 в области пористой вставки и /=0 в области непроницаемого вкладыша); <р - угловая координата; г = г/£ -относительная осевая координата.

ЛР№ 020825 от 21.09.93. Подписано в печать 24.05.04. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 18063.

Отпечатано в полиграфической лаборатории ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27