автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование характеристик упорных газостатических подшипников высокоскоростных шпинделей металлообрабатывающих станков

Иуьк. Моог.

КОМСОМОЛЬСКИЙ-НА АМУРЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.822.572-405.8

Красильникова Ольга Алексеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УПОРНЫХ ГАЗОСТАТИЧЕСКИХПОДШИПНИКОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЕЙ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре, 2000

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Ком-сомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

КАБАЛДИН Ю.Г. кандидат технических наук, доцент КОСМЫ НИН A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ИВАХНЕНКО А.Г.

кандидат технических наук, профессор ВИНОГРАДОВ B.C.

Ведущее предприятие - ОАО «Амурский судостроительный завод» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «. £/» ^(лаЕкл. 2000 г. в на заседании

диссертационного совета Д 064.70.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-ка-Амуре, ул. Ленина, 27, корпус 1, ауд.207.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амурс государственного технического университета.

Автореферат разослан « /У» nUsJütbSL

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . кандидат технических наук, — A.A. Бурков

И ¿/¿/ /Г Я О - П ? Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Достижение высоких показателей эффективности и качества обработки отверстии малых диаметров тесно связано с повышением быстроходности и точности вращения валов шпинделей внутришлифовальных станков. Существующие типы опор качения н под-шинников на жидкостной смазке имеют ограничение по частоте вращения и уже только с этой точки зрения во многих случаях не удовлетворяют конструкторов прецизионного металлообрабатывающего оборудования. Достойной альтернативой указанным типам опор являются подшипники на газовой смазке.

Многолетний опыт ЭНИМС по эксплуатации высокоскоростных шпинделей на газовых опорах в условиях мелкосерийного и серийного производства позволил выявить их основные преимущества по сравнению со шпинделями на опорах качения:

- большая долговечность, определяемая временем работы шпинделя при неизменном качестве шлифования;

- большая масса и жесткость вала шпинделя, уменьшающие чувствительность к дисбалансу оправки и круга, позволяют повысить производительность и улучшить качество шлифуемой поверхности;

- значительно меньший (в 4...5 раз) уровень вибрации;

- меньший износ шлифовального круга;

- применение чистого воздуха в качестве смазки исключает загрязнение окружающей среды масляным туманом.

В настоящее время определилось несколько областей техники, в которых применение газовой смазки является целесообразным, а в некоторых случаях единственно возможным решением, обеспечивающим нормальную работу узлов трения машин. Так, подшипники на газовой смазке хорошо зарекомендовали себя в пневмошлифовальной и криогенной технике, в метрологическом оборудовании, в гироскопических устройствах, в газотурбинных установках и т.д. Наибольший эффект применения опор на газовой смазке в станкостроении достшнут при создании высокоскоростных шпиндельных узлов внутришлифовальных и расточных голозок для обработки отверстий малых диаметров.

Как показывает анализ существующих конструкций высокоскоростных пневмошпинделей, в их состав входят радиальные опорные и упорные газостатические подшипники. Наиболее важным параметром таких подшипников являются радиальный и осевой рабочий зазор. От их величины зависит жесткость, виброустойчивость и другие эксплуатационные характеристики шпинделя, влияние которых на результаты шлифования хорошо известны и практике. Поэтому задача создания н исследования газовых

подшипников, способных надежно работать при повышенных зазорах имеет первостепенное значение.

Тема диссертации посвящена исследованию характеристик упорных газостатических подшипников (УГСП) с лабиринтными уплотнениями и имеет непосредственное отношение к решению этой актуальной задачи.

Ранее исследование таких опор было выполнено в Николаевском кораблестроительном институте. Исследованиями, в частности, установлено, что наличие лабиринтных уплотнений на рабочих поверхностях упорных газостатических подшипников приводит к повышению несущей способности только при абсолютном давлении наддува свыше 0,6 МПа. Такой вывод ограничивает в большинстве случаев практическое применение указанного типа опор в высокоскоростных пневмошпинделях, поскольку именно это давление является стандартным для заводской пневмосети. При этом заметим, что в течение суток оно может изменяться. Очевидно, что с целью практического применения упорных газостатнческнх подшипников с лабиринтными уплотнениями в различном металлообрабатывающем оборудовании необходимо проведение их дальнейших исследований при давлении наддува газа близком к реальному значению заводской пневмосети.

Теоретическое решение задачи о нахождении оптимальных геометрических параметров УГСП с лабиринтными уплотнениями без принятия дополнительных допущений является сложным из-за большого числа взаимосвязанных между собой факторов, влияющих на эффективность работы опор. Корректное решение этой задачи состоит в проведении экстремальных экспериментов на основе теории планирования и создании на базе их результатов инженерных методик расчета.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных элементов упорных кольцевых газостатических подшипников с прямоточными лабиринтными уплотнениями, способных эффективно эксплуатироваться в высокоскоростных шпинделях внутришлифовальных станков, а также в различном металлообрабатывающем оборудовании.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- Обоснование метода проведения экстремального эксперимента.

- Обоснование функции цели и дискретизации задачи при поиске оптимальной конструкции УГСП с лабиринтными уплотнениями.

- Проведение экстремальных экспериментов методом симплекс-планирования по поиску конструкций упорных подшипников с уплотнением рабочей поверхности, доставляющих экстремум функции.

- Исследование раздельного влияния конструктивных элементов УГСП и режимных параметров на их основные характеристики.

- Разработка инженерных методик проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лп биринтными уплотнениями.

- Выработка рекомендаций по проектированию конструктивных элементов УГСП с лабиринтными уплотнениями.

Метод исследования. Методом исследования является физический эксперимент, поставленный на основе проведения экстремального эксперимента методом симплекс-планирования.

Научная новизна. Получены новые данные об оптимальных конструктивных элементах упорных кольцевых газостатических подшипников г прямоточными лабиринтными уплотнениями, способных работать в заводских условиях более эффективно, чем гладкощелевые УГСП. Выполнен комплексный анализ по влиянию различных конструктивных элементов и режимных параметров на основные характеристики подшипников исследуемого типа. Разработаны инженерные методики проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы основана на использовании хорошо апробированного па практике метода симплекс - планирования, а также подтверждается экспериментами, поставленными для упорных газостатических подшипников с лабиринтными уплотнениями, имеющими другие абсолютные размеры.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается я создании инженерных методик проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями, способных эффективно работать при сравнительно низкой величине давления наддува газа. Па их основе спроектированы и изготовлены упорные газовые подшипники высокоскоростной пневмошлифовалыюй машины ВПМШ 150.01 и быстроходного шпинделя копировально-фрезерного станка, успешно эксплуатируемые в ДАО "Подчп" (г. Комсомольск-на-Амуре) и ЗАО "Комсомольск-металлосервис" (г. Комсомольск-на-Амуре). Результаты исследований переданы также для полезного использования в ООО «Контакт» (г. Комсомольск-на-Амуре) и используются в учебном процессе в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете.

Личный вклад автора. Автором разработана и создана экспериментальная установка по исследованию характеристик кольцевых упорных газостатических подшипников. Для определения характеристик подшипников, удовлетворяющих сформулированной функция цели, поставлена и решена экстремальная задача. Выполнен весь комплекс экспериментальных исследований с последующим анализом полученных данных. Созданы инженерные методики проектирования конструктивных элементов и рас-

чсга основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.

Апробация работы. Общее содержание работы и отдельные ее результаты были изложены в докладе на научно-технической конференции в г. Комсомольске-на-Амуре (1998 г.), а также на совместном заседании кафедр "Технология машиностроения", "Кораблестроение" и "Судовые энергетические установки".

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в трех работах.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения. 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертационная работа содержит 165 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 9 таблиц. Библиографический список охватывает 76 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении содержится обоснование актуальности работы.

В первой главе рассмотрены преимущества и недостатки газовых опор по сравнению с подшипниками, имеющими другой вид смазки и область их применения. Выполнен обзор основных конструкций упорных га-зостатичсских подшипников. Дан краткий анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований УГСП. Подробно анализируются методы планирования экстремальных экспериментов. Поставлены задачи исследования.

Современные высокоскоростные и высокоточные шлифовальные, расточные и другие станки должны обеспечивать точность формы рабочих поверхностей, порядка десятых долей микрометра при чистоте поверхности Ка <0,08 мкм. Стабильное получение таких параметров в немалой степени связано с эксплуатационными качествами шпиндельных узлов металлорежущих станков, применяемых при изготовлении деталей.

Достижение точности вращения шпинделя в пределах 0,5 мкм, установленного на опорах качения, уже связано со значительными технологическими трудностями. Для этого шарикоподшипники приходится изготавливать с весьма высокой точностью.

Опыт эксплуатации шпиндельных узлов шлифовальных станков с опорами различных типов показал, что в ряде случаев применение газоста-тнческих опор более предпочтительно, поскольку такие опоры способны, из-за усредняющего эффекта газового слоя, обеспечить точность вращения шпинделя, равную 0,02...0,04 мкм.

Основой интенсивного развития н применения опор скольжения на газовой смазке явилась глубокая и обширная теоретическая разработка соответствующих вопросов в этой области. Большая роль в развитии теории газовой смазки принадлежит отечественным ученым Н.Д. Заблоцкому, Г.Л. Завьялову, Я.М. Котляру, С.А. Шенпбергу, М.В. Коровчинскому, Л.Г. Лойцянскому, A.A. Лохматову, Г.А. Поспелову j А.И. Снопову, Л.Г. Степа-нянцу, В.П. Жедь, а также зарубежным исследователям В.Н. Константине-ску, Н. Лоху, Б.К. Маджумдару, Н. Мори, Стиффлеру, Д. Шайрсу и др.

Первые шпиндельные головки на опорах с воздушной смазкой в нашей стране были разработаны и внедрены ЭНИМСом под руководством С.А. Шейнбсрга. Но количество видов разработанных конструкций невелико н выпуск нх ограничен, поэтому актуальным является вопрос замены подшипников качения на опоры с газовой смазкой, для обеспечения высокой точности обрабатываемых изделий.

Несмотря на определенные преимущества опор с газовой смазкой, практически все они обладают относительно низкой несущей способностью и малой жёсткостью смазочного слоя. Как показали исследования, одним из эффективных способов снижения чувствительности упорных газостатических подшипников к изменению зазора и улучшения рабочих характеристик является уплотнение их рабочих поверхностей кольцевыми лабиринтами.

Вместе с тем, анализ теоретических и экспериментальных работ, выполненных различными авторами, по исследованию упорных газостатических подшипников показывает, что подшипники с лабиринтными уплотнениями являются одним из менее изученных типов опор. Практически полное отсутствие в реальных конструкциях промышленных установок подшипников с уплотиительными лабиринтами, по-видимому,'связано с результатами, выполненных в НКИ опытов, 'В которых получена низкая эффективность их работы при давлениях наддува газа приблизительно равном давлению заводской нневмосеги. С пашей точки зрения, корректное заключение о возможности эффективной работы УГСП с лабиринтным уплотнением рабочей поверхности при сравнительно низком давлении наддува газа может быть сделано только на основе тщательно выполненного экстремального эксперимента. Среди многообразных методов проведения экстремального эксперимента, для решения поставленной задачи, наиболее рациональным является метод симплекс - планирования.

Такой эксперимент может быть реализован на основе физических опытов или теоретическим путем. Теоретическая постановка эксперимента, в силу хорошо известных упрощений математической модели объекта исследования, может привести к недостоверным результатам и сделанным на их основе выводам.

Учитывая вышесказанное, автором сделано обоснование в целесообразности и необходимости проведения экстремального физического эксперимента, результаты которого могут лежать в основе инженерных методик проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.

Во второй главе дано обоснование критерия оптимизации, описана экспериментальная установка и измерительная аппаратура. Представлена методика проведения экстремального эксперимента с УГСП, а также методика обработки опытных данных и оценки погрешностей определяемых характеристик подшипника.

Опытное определение оптимальных параметров любой системы, в том числе и газостатических опор, может быть лишь проведено при наличии некоторого критерия оптимизации, на основе которого строится целевая функция и с помощью которой можно оценить характеристики системы с тем, чтобы выбрать наилучшие.

При отсутствии ограничения на расход газа целесообразным представляется нахождение таких конструктивных элементов подшипника, которые в заданном диапазоне изменения относительного зазора И обеспечивают в целом наибольшее значение отношения несущей способности опоры (} к расходу газа С?

На рис. 1 показана оптимизируемая конструкция УГСП с лабиринтным уплотнением. Форма гребня лабиринтов была выбрана на основе результатов опытов, выполненных Б.М. Трояновским по определению коэффициента расхода уплотнений различной формы и размера. Согласно представленным данным, наиболее технологичной и обеспечивающей низкий коэффициент расхода газа является прямоугольная форма гребня, что и послужило основанием выбора последней в качестве лабиринтных уплотнений исследуемых конструкций УГСП.

Выбор независимых переменных, по которым идет процесс оптимизации- важный этап постановки оптимизационной задачи. За независимые переменные данной оптимизационной задачи выбраны: диаметр первого ряда питателей , диаметр второго ряда питателей Л > диаметр питателей

с1„, количество питателей в ряду Л', количество лабиринтов на периферии ЛГ3 и у втулки шаг лабиринтов t и расстояние между гребнями лабиринтов а.

При этом равными принимались количество и диаметр питателей в первом и во втором ряду, а также шаг лабиринтов и расстояние между гребнями лабиринтных уплотнений на периферии и у втулки кольцевого подшипника.

Рис. 1. Оптимизируемая конструкция УГСП

Ограничениям!! решаемой задачи являются неравенства, накладываемые на значения указанных выше независимых переменных:

dn >0,2 мм; í/¡ > dü\ с!2 < dy, Ndn < ndx. (I)

а>0,4 мм; t - a>0,3 мм; </3 - 2tNy > d2; d0+2/JV0 < d,. (2) Таким образом, постановка задачи оптимизации конструкции УГС'П формулируется следующим образом:

/Т2

г О ,т

найти max I — (3)

при неизменных значениях диаметров do и dy с соблюдением oipaннче-hiííí (1) и (2).

Исследования проводились на экспериментальной установке, показанной на рис. 2.Стеид спроектирован с учетом возможности проведения испытаний подшипников в статическом и гибридном режиме. Основными элементами установки являются: 1 - корпус; 2 - горизонтальньш вал, выполненный совместно с пятой УГСП 13 и поршнем 5 для создания осевой нагрузки; 3 - испытуемый подшипник; 4 и 6 - образцовые манометры для регистрации давления воздуха на нагрузочном устройстве и давления наддува газа; 7 - расходомерное устройство; 8 - индикатор часового типа ИЧ 10-12М с ценой деления 1 мкМ; 9 - короткий вал; 10 - крышка; II и 12 -клапаны для рзгулировки давления на нагрузочном устройстве и давления наддува газа, 14 - опорный газостатический подшипник; 15 - воздушный

фильтр; 16 —ресивер;17 - компрессор; 18 - турбинное колесо осевого типа; 19 - сопловой аппарат; 20 - клапан для регулирования частоты вращения рабочего колеса.

Ротор представляет собой цилиндрический вал диаметром 40 мм и длиной 170 мм. Пал изготовлен из стали 45. Поверхность вала закалена до твердости HRC 50-55, после чего подвергнута хромированию и супершлифованием доведена до 9 класса шероховатости с высотой микронеровностей Ra = 0,32 мкм. Радиальные подшипники и исследуемые УГСП изготовлены из бронзы ОФ 10-1.

При испытании УГСП в динамическом режиме зазор между пятой и подпятником измеряется так, как показано на рис. 2. В статическом режиме испытаний зазор определяется как среднеарифметическое значение показаний трех индикаторов, равномерно установленных по окружности крышки.

Экспериментальные исследования выполнены с тремя типоразмерами УГСП. При фиксированном значении периферийного диаметра подшипника dy =150 мм они отличались между собой втулочным диаметром dg, который составлял 40, 47 и 55 мм. Соответственно этим размерам относительный диаметр подшипника dy = c/q / d3 равен 0.27; 0,31 и 0,37.

з

On

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

и

Поиск области оптимума функции цели методом симплекс-планирования при восьми независимых переменных требует проведения большого числа опытов. Поэтому с целыо сокращения количества экспериментов решение оптимизационной задачи проводилось в два этапа. Па первом этапе решалась задача нахождения конструкции гладкощелевого подшипника, оптимизированной по четырем параметрам - диаметру первого ряда питателей г/), диаметру второго ряда питателей Л, диаметру питателей í/„ и количеству питателей в ряду N. В качестве ограничений первого этапа оптимизации выступают условия (1). На ыором этапе ставилась задача нахождения оптимальной геометрии периферийного и втулочного лабиринтных уплотнений. Независимыми переменными данной задачи являлись количество лабиринтов на периферии N у и у втулки Nq, шаг лабиринтов t и расстояние между гребнями лабиринтов а. При этом в качестве ограничений второго этапа оптимизации выступают условия (2).

При обработке экспериментальных данных основные характеристики подшипников определялись следующим образом.

Несущая способность подшипника определялась по формуле:

Q=S„op(P„ -рЛ где Snop - эффективная плошадь поршня; рп - абсолютное давление воздуха в поршневой области; ра - атмосферное давление.

Коэффициент несущей способности газовой опоры:

Г - б

w) —-,

(Ps~Pa)S

где ps - абсолютное давление наддува газа; £ - эффективная плошадь поверхности подшипника; Q - naqiy3Ka на испытуемом подшипнике.

Величина коэффициента жесткости смазочного слоя находилась согласно выражению:

-dC„

ks=-h-±, (4)

а/?

где /( = hjdз - относительный зазор между пятой и подпятником.

Массовый расход газа, подаваемый на смазку, определялся согласно РД 50-411-83 "Расход жидкостей и газов. Методика выполнения измерении с помощью специальных сужающих устройств" (1984 г.).

С целыо определения расхода газа и коэффициента несущей способности во всем диапазоне изменения относительного зазора h , а также расчета коэффициента жесткости смазочного слоя экспериментальные зависимости Cq = f(h) и (? = /(/') аппроксимировались методом наименьших квадратичных отклонений полиномами, общий вид которых:

С() ~ао +а2И2; (5)

С = Ь1Тг+Ь2Р +Ь3Р.

В соответствие с уравнениями (4) и (5) выражение для расчета коэффициента жесткости смазочного слоя имеет вид:

= -/)(о1 + 1а2ь).

Оценка погрешностей аппроксимированных значений расхода газа, коэффициентов несущей способности и жесткости смазочного слоя выполнена на основе теории корреляции.

Как показали расчеты, максимальные относительные погрешности

коэффициентов к5 и Сд достигаются при больших осевых зазорах, а расхода газа - при малых. Обработка результатов выполненных экспериментов позволила сделать вывод, что максимальные относительные погрешности основных характеристик исследуемых подшипников не превосходят следующих значений:

Ю = 3,3 %; бСд = 4,75%; 5к, = 2,12%.

Высокая точность в определении значения критерия оптимизации при симплекс-планировании обычно не требуется, поскольку перемещение симплекса обусловливается не точными количественными значениями параметра оптимизации в отдельных вершинах симплекса, а лишь соотношением между ними.

Влияние ошибок эксперимента на ориентацию симплекса не является опасным так же и из-за того, что симплексы не имеют обычно постоянно повторяющихся направлений движения. Учитывая сказанное, оценка погрешности определения критерия оптимизации не проводилась

В третьей главе представлены оптимальные характеристики и геометрические параметры гладкощелевых УГСП и подшипников с прямоточными лабиринтами, полученные в результате проведения экстремального эксперимента методом симплекс-планирования. Анализируется дискретное влияние независимых переменных на основные характеристики исследуемых УГСП.

Исследования проведены при относительном давлении наддува газа />5 = 1/4, 1/5 и 1/6.

Результаты двухэтапной оптимизации элементов конструкции УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями позволили получить значения восьми независимых переменных, удовлетворяющих критерию (3). Как показали эксперименты, размерь: конструктивных элементов УГСП при «/о — сот! не зависят от величины давления наддува газа. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1

do, мм d/, мм di, мм d„, мм N t, мм а, мм N0 Nз

40 66 100 0,9 19 1,5 0,8 8 14

47 71,3 103,2 1,0 18 1,4 0,8 7 11

55 77,9 109,5 1,1 17 1,48 0,7 5 9

IIa рис. 3 показана зависимость функции Q/G трех типоразмеров подшипника при относительном давлении наддува ps=1/4. Из графиков видно, что во всем исследуемом диапазоне изменения относительного зазора h подшипникам с лабиринтным уплотнением рабочей поверхности при разных значениях dq соответствуют более высокие значения функции Q/G по сравнению с гладкощелевыми УГСП. При этом разница влпачеиии функции Q/G тем больше, чем меньше относительный зазор h. Заметим, что при h =eonst с ростом относительного диаметра подшипника г/q увеличивается н величина Q/G. Это наблюдается .как у гладкощелепых под- шинников, так и у подшипников с лабиринтными уплотнениями.

20

16

О/о,

П-с/кг

12 8 4 О

3 7 11 Н 19 23 27

1по4 -«Рис. 3. Зависимость функции О/С от зазора /; и диаметра с/0 при относительном давлении наддува л. = 1/4

Зависимость коэффициента несущей способности Сд исследуемых подшипников при /?,.= 1/4 покачана па рис. 4. Анализируя покаянные за-

висимосш, можно сделать вывод, что наличие лабиринтных уплотнений на рабочих поверхностях УГСП является эффективным средством повышения несущей способности опор при давлениях близких к значению рабочего давления заводской пневмосети.

Наибольшее отличие имеет место при невысоких значениях относительного зазора к. Так при относительном зазоре /;=310н коэффициент несущей способности УГСП с лабиринтными уплотнениями увеличивается в среднем на 65% по сравнению с гладкощелевыми подшипниками.

Е-ю4--

Рис.4. Зависимость коэффициента несущей способности УГСП от зазора А и диаметра (/ц при относительном давлении наддува =1/4

В области больших зазоров, как показывают эксперименты, эффективность подшипников с лабиринтными уплотнениями практически оказывается такой же, как и у гладкощелеиых УГСП.

На рис. 5 представлена зависимость расхода газа О от зазора Н и диаметра ^ при относительном давлении наддува рх = 1/4.

Наличие лабиринтных уплотнении на рабочей поверхности упорных подшипников приводит к заметному уменьшению расхода газа в области невысоких значении относительного зазора.

Подшипники с большим относительным диаметром с/д имеют и более высокое значение расхода газа, подаваемого на смазку. Это, главным образом, связано с тем, что в результате проведения экстремального эксперимента они имеют наибольшую суммарную площадь истечения газа.

Зависимость коэффициента жесткости смазочного слоя ks = f{h,do) при относительном давлении наддува ps = 1/4 показана ira

Рис. 5. Зависимость расхода газа й от зазора Л и диаметра </0 при относительном давлении наддува р3 =1/4

II >-ч Ï5 0,31 0,2 /1 ?7

d0=0,37 / /

г~

А г /

с лабиринтами ----гладкий

3 7 11 15 19 23

ЫО4 -

Рис. 6. Зависимость коэффициента жесткости к5 от зазора И и диаметра ¿/д при относительном давлении наддува р5 = 1/4

Из представленных графиков видно, что подшипники с лабиринтными уплотнениями обладают в целом более высокими значениями коэффициента жесткости в широком диапазоне изменения относительного зазора. При этом гладкощелевым подшипникам и УГСП с лабиринтными уплотнениями, имеющими повышенное значение относительного диаметра с1о, соответствует большее значение коэффициента жесткости .

Экспериментальное исследование дискретного влияния независимых переменных па основные характеристики упорных газостатических под-щшшиков позволили получить следующие результаты.

Влияние давления наддува. Уменьшение относительного давления р3 наддува приводит к увеличению коэффициента несущей способности гладкощелевых подшипников и УГСП с лабиринтными уплотнениями. Независимо от значения относительного диаметра подшипника во всем исследуемом диапазоне зазора зависимости Сд=/(р^,И) гладкощелевых

подшипников являются практически эквидистантными кривыми. Подобная тенденция наблюдается у подшипников с лабиринтными уплотнениями только в области больших относительных зазоров. При малых зазорах повышение давления наддува способствует интенсивному росту коэффициента несущей способности УГСП с лабиринтными уплотнениями. Анализ

расходных характеристик показал, что при р^сснШ и ¡Уу- шдта критический расход газа подшипников, оптимизированных по максимуму функции (3), достигается примерно при одинаковых значениях-относительного зазора. Наиболее заметное отличие в расходе смазки гладкощелевых подшипников и УГСП с лабиринтными уплотнениями имеет место при малых относительных зазорах,- При этом уменьшение относительного давления приводит к увеличению разности расходов указанных подшипников. Повышение давления наддува в подшипниках с лабиринтными уплотнениями увеличивает коэффициент жесткости по сравнению с гладкощелевыми УГСП только в о&ласти невысоких значений относительного зазора И .

Влияние количества периферийных лабиринтов. Увеличение числа лабиринтов N3 с 8 до 12 на периферии подшипника приводит к росту ко, эффициента несущей способности.

Увеличение количества лабиринтов благоприятно отражается и на расходной характеристике УГСП, т.е. подшипникам с большим числом лабиринтов соответствует более низкое значение расхода газа. Вместе с тем, отличие в расходных характеристиках исследуемых подшипников существенно зависит от давления наддува. С уменьшением давления наддува расход газа через подшипники с разным числом лабиринтов достигает одинаковой величины при более низких значениях относительного зазора. •

УГСП с повышенным числом лабиринтных уплотнений на периферии имеют более высокое значение коэффициента жесткости смазочного слоя.

Влияние количества втулочных лабиринтов. Результаты экспериментов позволили сделать вывод, что увеличение количества втулочных лабиринтов с 3 до 7 приводит к уменьшению коэффициента несущей способности газовой опоры. Объясняется это следующим образом. Несущая способность подшипников с лабиринтными уплотнениями создается в основном от действия на рабочую поверхность опоры свободную от лабиринтов, среднего давления смазочной пленки. Увеличение количества лабиринтов у втулки или на периферии подшипника уменьшают площадь этой рабочей поверхности. Однако, рост числа лабиринтов на периферии, куда устремляется основной поток газа, ведет к превалирующему повышению среднего давления над снижением площади рабочей поверхности. В случае же увеличения количества лабиринтов у втулки УГСП доминирующим фактором является уменьшение рабочей поверхности, вследствие чего несущая способность опоры снижается.

Сказанное подтверждается анализом расходных характеристик подшипников, которые с разным количеством лабиринтов Лг при постоянном давлении наддува несущественно отличаются друг от друга.

Уменьшение коэффициента несущей способности УГСП с ростом N приводит к незначительному снижению коэффициента жесткости смазочного слоя.

Влияние диаметра питающих отверстий. Опытами установлено, что при больших осевых зазорах увеличение диаметра питателей гладко-щелевых подшипников и УГСП с лабиринтными уплотнениями не оказывает существенное влияние на коэффициент несущей способности опоры. С уменьшением относительного зазора это влияние заметно возрастает. Подшипникам с большим диаметром шпателей соответствует больший коэффициент несущей способности. С росюм с!п абсолютное изменение коэффициента несущей способности у подшипников с лабиринтными уплотнениями выше, чем у гладкощелевых, поскольку они имеют более высокую величину сопротивления движению смазки. При этом существенным оказывается и величина давления наддува.

Анализ расходных характеристик подшипников показывает, что с увеличением диаметра питателей наибольшее отличие в расходе газа как у гладкощелевых подшипников, так и УГСП с лабиринтными уплотнениями достигается при больших относительных зазорах не зависимо от давления наддува. С уменьшением зазора разница в расходе снижается.

Сопоставление расходных характеристик гладкощелевых подшипников и УГСП с лабиринтными уплотнениями при невысоких значениях от-

носительного зазора показало, что с увеличением диаметра питателей абсолютная разница в расходе газа возрастает.

С увеличением диаметра питающих отверстий увеличивается и коэффициент жесткости. Между тем, максимальное значение коэффициента жесткости гладкощелевых подшипников, а также УГСП с лабиринтными уплотнениями при (1п~сот1 и р5=уаг1а практически не изменяется.

Влияние диаметров первого и второго ряда наддува. В исследуемом диапазоне дискретного изменения относительных диаметров первою (с/] = 0,435...0,515) и второго (с^ = 0,648...0,728) рядов наддуиа газа коэффициент несущей способности практически не изменяется.

Заметим, что в процессе проведения эксперимента наблюдалась тенденция некоторого роста несущей способности подшипников с увеличением с1\ и уменьшением с^» однако разница в коэффициенте несущей способности исследуемых УГСП находилась в границах его доверительного интервала.

Как следствие весьма слабой чувствительности коэффициента несущей способности к изменению расположения первого и второго ряда наддува газа является и практическое постоянство расходных характеристик исследуемых УГСП.

Аналогичный вывод можно сделать и для коэффициентов жесткости смазочного слоя.

Влияние относительного шага лабиринтов. Варьирование относительного шага лабиринтов осуществлялось путем изменения шага I при неизменном значения расстояния между гребнями а, которое составляло 0,7 мм. Анализ результатов эксперимента показал, что с увеличением отношения ¡/а коэффициент несущей способности подшипников в целом увеличивается. Особенно заметен этот рост с повышением давления наддува.

Анализ расходных характеристик показывает, что подшипники с более высоким значением относительного шага лабиринтов имеют пониженный расхОд газа, подаваемого на смазку. С увеличением давления наддува при умеренных значениях относительного зазора отличие в расходных характеристиках возрастает.

Влияние частоты вращения вацц. Исследование характеристик УГСП в динамике проводилось при частоте вращения вала 21800 мин Как показали эксперименты, коэффициент несущей способности исследуемых подшипников несколько увеличивается по сравнению с его значением в статических испытаниях. Однако это увеличение не превосходит 5,2%, что соизмеримо с относительной погрешностью определения С\>.

Таким образом, результаты экстремального эксперимент, полученные с кольцевыми подшипниками в статике, без большой ошибки можно

использовать и для анализа характеристик подшипников, работающих в динамическом режиме, по крайней мере, до указанной выше частоты вращения вала.

В четвертой главе представлены инженерные методики проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями. На основе специально спланированных экспериментов для подшипников с уплотнчтель-нымн лабиринтами, имеющими другие абсолютные размеры, оценивается корректность развитых методов расчета.

Создание инженерной методики проектирования элементов УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями, оптимизированных по критерию (3), диктуется необходимостью их надежного конструирования с

иными абсолютными размерами при относительном диаметре с/ц, входящим в исследуемый в экспериментах диапазон (0,27< с/0 <0,37).

I? основе методики проектирования лежат данные об оптимальных конструктивных элементах исследованных в диссертационной работе подшипников. Экспериментальные зависимости элементов оптимизированных конструкций УГСП от относительного диаметра ¿7(), аппроксимировались полиномами методом наименьших квадратичных отклонений.

В результате аппроксимации функций получены следующие выражения для определения относительных оптимальных величин конструктивных элементов:

относительная площадь, занятая периферийными лабиринтами

= 2,981-14,734 30 + 20,788

относительная площадь, занятая втулочными лабиринтами

= 0,173 -0,198 <70;

относительный шаг лабиринтов

I / а = 10,450 - 56,678 <70 + 92,291 3%;

относительная суммарная площадь питателей

= (- 2,628 + 22,066 30 - 25,103 ¿02 )■ 10~3;

относительный диаметр питателя

3„ =(-5,039 + 61,231 30 - 75,358 ¿702)'10-3;

относительный диаметр первого ряда наддува

Зх = -0,129 + 3,124 30 - 3,7 Г4 3$;

относительный диаметр второго ряда наддува

32 = 0,851-1,589 ¿70 +3,429 3$.

Исходными данными проектировочного расчета являются значения

периферийного 3 и втулочного диаметров УГСГ1, а также расстояние между гребнями лабиринтов а, которое, как следует из опытных данных, с достаточной для практики точностью можно определить по формуле;

а = 5,5-10"3

Выражения для расчета количества питателей в одном ряду Л', числа лабиринтов на периферии и у втулки Л'ц имеют вид:

2 '

N

и,

п

=¿3(1-у/П^з(1-^0 ))/2/; М0 =</3^5О(1-<*О2)^о -¿О)/-

Значения А', Л'з, Л'о округляются до ближайшего целого числа.

Инженерная методика расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями построена на обобщении экспериментальных данных по коэффициентам несущей способности и расходу упорных подшипников, удовлетворяющих критерию (3).

Расходные характеристики УГСП приводились к безразмерному виду по формуле:

аргКтк^р,

где С1Кр =--1=-:— критическим расход газа через простую диа-

4 №

фрагму. Коэффициент расхода а газа принимался равным 0,8.

Трехпараметрическая аппроксимация зависимости Сд = /{Ь,с1§,рв)

и двухпараметрическая аппроксимация функции <3 = /{11,(1 р) выполнялись методом наименьших квадратов.

Аппроксимация экспериментальных данных полиномами второго порядка позволила получить следующее эмпирическое выражение для расчета коэффициента несущей способности УГСП:

Сд = + Ш2 Г, • 104 + Щ /72 • 108, (6)

где Щ =/,(с!0,рг), ¡=1,2,3.

Для определения относительного расхода газа, аппроксимацией полиномом третьего порядка получено следующее эмпирическое выражение:

О = У] Л • 104 + Л2 108 + >3 /г3 -1012, (7)

где У; '=1,2.3.

Последнее выражение определяет значение С? при таких относительных зазорах Л, когда 6" < 1. Если величина зазора А в формуле (7) приводит к С > 1, то следует принимать С = 1.

Отметим, что выражения (6) и (7) пригодны для определения основных характеристик УГСП при 1/6</5у<1/4, 0,27 < г70 < 0,37 и

3-Ю"4 <Л < 25-Ю-4.

Методики проектирования и расчета основных характеристик УГСП прошли апробацию при разработке конструкции опор высокоскоростной нневмошлифовалыюй машины модели ВПМШ 15и.01 и быстроходного шпинделя копировально-фрезерного станка для нарезания лопаточных аппаратов малоразмерных турбин.

Экспериментальные исследования основных характеристик упорных подшипников пневмошлифовальной машины и быстроходного шпинделя выполнены па модернизированном опытном стенде. В процессе проведения экспериментов абсолютное давление наддува газа составляло 0,6 и 0,4 МПа.

Сопоставление зависимостей Сд = /(р5,Ь) и 0 = /(Дг.А), полученных расчетным путем по формулам (6) н (7) и экспериментально, показывает их вполне удовлетворительное согласование, что подтверждает корректность разработанных эмпирических методик проектирования конструктивных элементов УГСП с прямоточными лабиринтами и расчета их основных характеристик.

Исходя из результатов экспериментов и опыта отработки конструкции упорных подшипников металлообрабатывающего оборудования, выработан ряд рекомендаций по проектированию элементов подшипников исследуемого типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, состоят в следующем:

!. Дано обоснование критерию оптимизации конструкции упорных газостатнческих подшипников с прямоточными лабиринтными уплотнениями. Определены комплекс независимых переменных и накладываемые на них ограничения.

2. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования упорных кольцевых газостатических подшипников в статическом и гибридном режимах.

3. Выполнены исследования с гладкощелевыми подшипниками и УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями. Опытами установлено, что по сравнению с гладкощелевыми подшипниками наличие лабиринтных уплотнений на рабочих поверхностях УГСП приводит к увеличению несущей способности опоры и уменьшению расхода газа в области невысоких значений осевых зазоров. Так при давлении наддува газа ps-0,4 МПа и относительном зазоре h =3-10"4 коэффициент несущей способности УГСП с лабиринтными уплотнениями увеличивается в среднем на 65% по сравнению с гладкощелевыми подшипниками. С возрастанием абсолютного давления наддува до 0,6 МПа эта разность достигает 85%.

4. Проведены исследования по дискретному влиянию независимых переменных оптимизационной задачи на основные характеристики глад-кощелевых подшипников и УГСП с лабиринтными уплотнениями. Наиболее сильное влияние на основные характеристики УГСП с лабиринтными , уплотнениями оказывают давление наддува газа и диаметр питателей. Менее чувствительны характеристики этих подшипников к изменению относительного шага лабиринтов и площадей, занятых периферийным и втулочным уплотнением. Весьма низкое влияние на характеристики подшипников с лабиринтными уплотнениями оказывают диаметры первого и второго рядов наддува, что, однако, может быть связано с недостаточно большим диапазоном варьирования в опытах их величиной. '

Эксперименты, поставленные в динамике, показали, что коэффициент несущей способности несколько увеличивается, но это увеличение соизмеримо с погрешностью его определения.

5. Разработаны методики и реализованы на ЭВМ программы по проектированию конструктивных элементов УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями и расчету их основных характеристик. Результаты проведения натурных экспериментов с подшипниками, имеющими габаритные размеры, отличные от исследуемых, позволили сделать вывод о корректности разработанных методик.

6. Разработаны рекомендации по проектированию элементов конструкции УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.

7. На основе выполненных исследований спроектированы и изготовлены упорные газовые подшипники высокоскоростной пневмошлифоваль-ной машины ВПМШ 150.01 и быстроходного шпинделя копировально-фрезерного станка, успешно эксплуатируемые в ДАО "Подма" (г. Комсо-мольек-на-Амуре) и ЗАО "Комсомольск-металлосервис" (г. Комсомольск-на-Амуре). Результаты исследований переданы также для полезного использования в ООО «Контакт» (г. Комсомольск-на-Амуре) и используются в учебном процессе в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Красилытикова O.A. Экспериментальный стенд для исследования упорных газостатических подшипников. Материалы науч.-техн. копф. аспирантов и студентов. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1998. С. 170.

2. Красильникова O.A., Патажченко Д.В., Блоцкий A.B. Турбошли-фовалытя машина мощностью 1,5 кВт. Материалы науч.-техн. копф. аспирантов и студентов. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1998. С. 170.

3. Красильникова O.A., Космынин A.B. «Подшипник». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, № 980243 от 17.04.98.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

(1п = с1п Д/з - относительный диаметр питающего отверстия; с/| = с!\ ¡с\~ - относительный диаметр первого ряда наддува газа; = </3 /(I3 - относительный диаметр второго ряда наддува газа; рк = ра /рх - относительное давление наддува газа; - относительная площадь, занятая втулочными лабиринтами; £3 =5з/5 - относительная площадь, занятая периферийными лабиринтами; = Бп / Б - относительная площадь питателей; 5 - площадь подшипника; Т<. - абсолютная температура сжатого воздуха.