автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств торможения металлорежущих станков на основе гидростатических подшипников

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИИ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Основные требования, предъявляемые к устройствам торможения.

1.2 Анализ конструкций и особенностей эксплуатации тормозных устройств.

1.3 Краткий обзор исследований процессов трения и их характеристик в гидростатических опорах металлорежущих станков.

1.4 Краткие выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДПЯТНИКА ПРИ ТОРМОЖЕНИИ.

2.1 Условия задачи.

2.2 Определение энергетических и скоростных потерь в гидростатическом подпятнике при торможении.

2.3 Анализ прямолинейно-параллельного течения вязкой жидкости между двумя параллельными пластинами.

2.4 Анализ течения вязкой жидкости в зазоре между сближающимися параллельными плоскостями.

2.5 Влияние температурных изменений на параметры трения в зазоре гидростатического подпятника.

2.6 Зависимость вязкости смазки от градиента температуры.

2.7 Определение температуры смазки в зазоре гидростатического подпятника при торможении.

2.8 Расчет времени торможения.

2.9 Выводы.

ГЛАВА 3 МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ТОРМОЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДПЯТНИКА.

3.1 Цели исследования.

3.2 Описание установки.

3.3 Методика и аппаратура для исследования характера изменения толщины масляной пленки в процессе торможения.

3.4 Методика и аппаратура для исследования характера изменения давления в зазоре гидростатического подпятника при торможении.

3.5 Методика и аппаратура для исследования характера изменение температуры смазки в зазоре гидростатического подпятника при торможении.

3.6 Методика и аппаратура для исследования характера изменения тормозного момента, развиваемого тормозным устройством.

3.7 Экспериментальное определение времени выбега и диапазона его рассеивания.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

4.1 Анализ характера изменения толщины масляной пленки в зазоре гидростатического подпятника в процессе торможения.

4.2 Анализ характера изменения температуры смазки в зазоре гидростатического подпятника в процессе торможения.

4.3 Анализ характера изменения момента торможения в зазоре гидростатического подпятника в процессе торможения.

4.4 Анализ характера изменения давления в зазоре гидростатического подпятника в процессе торможения.

4.5 Анализ характера изменения времени выбега.

4.6 Выводы.

Актуальность работы. Современное машиностроение предъявляет повышенные требования к производительности, точности и долговечности металлорежущего оборудования. Одним из направлений повышения показателей качества станков и сохранения их в течение всего периода эксплуатации является применение гидростатических подшипников в качестве шпиндельных опор.

Применение гидростатических подшипников и, в том числе подпятников, а ряде случаев бывает затруднено из-за отсутствия надежных и полных методик их расчета. Несмотря на большое внимание, уделяемое в последние годы исследованию гидростатических подпятников, проведение ряда испытаний и внедрение новых конструктивных решений, вопрос обеспечения надежной работы подпятников остается чрезвычайно актуальным. Периоды пуска и остановок являются наиболее тяжелыми, и именно они определяют долговечность и надежность шпиндельного узла и всего станка в целом. Исследование переходных режимов, в частности режима торможения, актуальны не только с точки зрения изучения процесса трения, но и с точки зрения влияния этого процесса на работоспособность шпиндельного узла и станка в целом и возможности управления длительностью торможения.

При повышении уровня автоматизации станков, создании станочных систем, большое значение приобретает сокращение продолжительности времени выбега и диапазона его рассеивания, что требует применения эффективных методов торможения.

Цель работы: совершенствование конструкций шпиндельных узлов металлорежущих станков на основе многофункционального использования гидростатических упорных подшипников; разработка рекомендаций по использованию и проектированию устройства торможения на основе гидростатического подпятника с позиции работоспособности, быстродействия и влияния на точностные характеристики шпиндельного узла.

Научная новизна работы заключается в:

- выявлении дополнительных конструктивных возможностей многофункционального использования гидростатических упорных подшипников;

- разработке тормозного устройства на основе гидростатического подпятника;

- установлении связи времени выбега, диапазона его рассеивания, с величиной зазора в подпятнике, давлением, вязкостью смазки;

- теоретическом и экспериментальном исследовании статических и динамических характеристик процесса торможения;

Практическая ценность:

- разработаны рекомендаций по расширению конструктивных возможностей использования гидростатических опор шпиндельных узлов;

- разработаны рекомендации по использованию упорных гидростатических подшипников для торможения шпиндельных узлов.

- приведена методика расчета времени торможения;

- разработаны рекомендации по обеспечению безопасной работы гидростатических подпятников при аварийных остановках шпинделя.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции «Гидростатическая смазка и ее использование для повышения надежности станков» (Хабаровск, 1979 г.); на научно-технической конференции «Повышение надежности и долговечности машин, станков и инструментов» (Хабаровск, 1980 г.); международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (Комсомольск-на-Амуре, 1998,) XVIII Всероссийской научно-технической конференции «Стратегия технического прогресса технологий производства XXI века» (Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.); на научных семинарах кафедр «Металлорежущие станки» МГТУ «СТАНКИН» (Москва, 1980 - 1981 г.), «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (1999, 2000 г.).

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. ЮА. Гагарина и в учебный процесс на кафедре «Технология Машиностроения» по курсам «Триботехника», Металлорежущие станки и автоматические линии», «Методы и средства измерений».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура И объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников из 98 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показана возможность расширения конструктивного применения гидростатических опор шпиндельных узлов, в качестве устройства торможения.

2. Разработана методика и приведены расчетные зависимости определения момента и времени торможения. Экспериментальные исследования показывают, что время торможения составляет не более 2.3 с, с вариацией не более 5%. Расхождение теоретических и экспериментальных значений не превышает 15%.

3. Установлено, что большая часть тепла, выделившегося при торможении в результате диссипации кинетической энергии уносится смазкой, выдавливаемой из зазора при сближении трущихся поверхностей. Пре

126 дельная температура трущихся поверхностей увеличивается не более, чем на 5. .6° за период торможения.

4. Экспериментально установлено, что при полной остановке шпинделя металлический контакт между поверхностями пяты и подпятника отсутствует. Измерение износа рабочих поверхностей методом искусственных баз, за 2000 циклов торможения, показало его отсутствие.

1. Крагельский И. В. Трение и износ. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

2. Крагельский И. В., Чичинадзе А.В. Процессы трения в тормозах авиаколес. Подбор фрикционных пар. М.: Издательство АН СССР, 1965. - 367 с.

3. Александров М. П. Тормозные устройства в машиностроении. М.: Машиностроение, 1965. -480 с.

4. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. М.: Наука, 1967. - 572 с.

5. Чичинадзе А.В., Браун Э.Д. Триботехника тормозов и муфт./В кн. Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. М.: Наука, 1982.308 с.

6. Повышение эффективности тормозных устройств: Сборник / Под ред. В. С. Шедрова. М.: Издательство АН СССР, 1967. - 260 с.

7. Дрехсель Е., Черпель В. Исследование механической и тепловой нагрузки тормозов машин./В кн. Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. — М.: Наука, 1982. 356 с.

8. Крагельский И. В., Щедров B.C. Развитие науки о трении. М.: Издательство АН СССР, 1962. - 368 с.

9. Бокман Г.А., Пузевский И.С. Конструкция и технология производства электрических машин и аппаратов. М.: Высшая школа, 1972. -341 с.

10. Алексеев А.Е. Конструирование электрических машин. M-JL: Рос-энергоиздаг, 1958, - 426 с.

11. Петров Г.И. Электрисекие машины. Асинхронные и синхронные машины. М-Л.: Госэнергоиздат, 1968, 416 с.

12. Морозов А.Г. Расчет электрических машин постоянного тока. М.: Высшая школа, 1977,264 с.

13. Толов М.И. Механические расчеты деталей электрических машин. -Л.:ГЭИ, 1977, 168 с.

14. Поздеев А.Д., Розман Я.Б. Электромагнитные муфты и тормоза с массивным якорем. -M-JL: ГЭИ, 1963,104 с.

15. Зельцерман И. М., Каминский Д. М. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1965. - 605 с.

16. Казаринов В. М., Иноземцев В. Г. Теоретические основы проектирования и эксплуатации автотормозов. -М.: Транспорт, 1968. -470 с.

17. Пыжевич JI. М. Расчет фрикционных тормозов. М.: Машиностроение, 1964.-658 с.

18. Германчук Ф.К. Долговечность и эффективность тормозных устройств. М.: Машиностроение, 1973. - 361 с.

19. Коконин С.С. , Германчук Ф.К. Исследование эксплуатационных характеристик многодисковых нагруженных тормозов. / В кн.: Расчет и испытание фрикционных пар. М.: Машиностроение, 1974. - 241 с.

20. Зельцерман И.М. Повышение эффективности тормозных устройств. -М.: Машиностроение, 1975. -238 с.

21. Чичинадзе А.В., Поляков Н.В. Исследование влияния рельефа масляных канавок на фрикционные свойства при остановочных торможениях. / В кн.: Теоретические и прикладные задачи трения, износа и смазки машин. М.: Наука, 1982.-310 с.

22. Задоренко В.А. Электросхема торможения асинхронного электродвигателя. / Станки и инструмент. 1986. № 7, С.- 37 -40.

23. Щедров В. С. Температура на скользящем контакте. // Сб. Трение и износ в машинах. Вып. X. М.: Издательство АН СССР, 1965. С. 23 -28.

24. Чупилко Г. Е. Температура нагрева тормозного барабана в процессе торможения и последующего остывания. // Труды III Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах. М.: Издательство АН СССР, 1960. - т. 2. - С.18.25.

25. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев.: Техшка, 1970.- 156 с.

26. Игнатьева 3. В. Некоторые особенности структурных изменений в материалах при торможении. // Сб. О природе трения твердых тел. Минск.: Наука и техника, 1971. - С. 11 - 15.

27. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968. - 560 с.

28. Спезкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: ГИТЛ, 1955.-519 с.

29. Гинзбург А.Г. Коэффициент распределения тепловых потоков при торможении. — М.: Машиностроение, 1974. 309 с.

30. Михеев И.И., Шиманович М.А. автоматическая компенсация температурных деформаций, возникающих из-за нагрева смазки гидростатических опор. / Станки и инструмент. № 4, 1973. С. 8-11.

31. Шибель А. Скользящие опоры (подшипники и подпятники). Конструкция и расчет. ЭНИМС, ОНТИ, 1956. 195 с.

32. Фокин Г.В., Пивоваров А.Н., Шпилев A.M. некоторые вопросы динамики безрасходной гидростатической опоры. / В кн. Гидравлические системы металлорежущих станков. М.: Станкин, 1974. - С. 156 - 162.

33. Фокин Г.В., Шпилев A.M. Автоматизированный расчет сервогидро-статической опоры с гидравлическим изменением зазора. / В кн. Гидравлические системы металлорежущих станков. -М.: Станкин. 1981, -С. 81 86.

34. Шпилев A.M., Фокин Г.В. Динамика безрасходной гидростатической опоры. / В кн. Гидравлические системы металлорежущих станков. М.: Станкин, 1979.-С. 151-155.

35. Бродецкий И.И., Михеев И.И., Шиманович М.А. Гидростатическая опора. Авторское свидетельство по заявке 1748071/25-27 (положительное решение о выдаче авторского свидетельства от 5. 06. 1975).

36. Белоусов А. И. Динамическая жесткость гидростатических подшипников. И Труды Московского авиационного института. Вып. 10, 1968. 380 с.

37. Белоусов А. И. Способ расчета динамических характеристик гидростатических подшипников. // Сб. Исследование гидростатических подшипников. Под ред. Скубачевского. М.: Машиностроение, 1972. - 480 с.

38. Гордеев А.Ф., Соколов Ю.Н. Гидростатические шпиндельные подшипники. / Станки и инструмент. № 7 1976. С. 9-13.

39. Ингерт Г.Х., Лурье Б.Г. Динамические характеристики гидростатических опор. / Станки и инструмент. 1972. № 9. С. 9 -12.

40. Левит Г.А., Лурье Б.Г. Расчет гидростатических незамкнутых направляющих. / Станки и инструмент. 1963. № 10. С. 11 -14.

41. Левит Г.А., Лурье Б.Г. Расчет гидростатических замкнутых направляющих. / Станки и инструмент. 1964. № 6. С. 14 -17.

42. Прокофьев В.Н., Морозов В. П. О влиянии инерции жидкости на динамику устройств с торцовым рабочим зазором. // Известия вузов, Машиностроение. № 5, 1979. С. 43 -48.

43. Соколов Ю.Н. Температура несущего масляного слоя многоклиновых гидродинамических подшипников. / Станки и инструмент. 1964. № 12. С. 6 - 9.

44. Агашин М.Ф. Исследование гидростатических опор с мембранными делителями расхода в металлорежущих станках. / Кандидатская диссертация. Станкин. М.: 1971. - 175 с.

45. Шиманович М.А. Разработка и применение гидростатических опор в металлорежущих станках. / Обзор НИИМАШ, -М.: 1972. 380 с.

46. Шиманович М.А. Анализ характеристик шпиндельных гидростатических подшипников прецизионных металлорежущих станков. Диссертация. М.:1969. 180 с.

47. Шиманович М.А. Гидростатические опоры металлорежущих станков в качестве привода микроперемещений. / Обзор НИИМАШ. М.: 1972. - 380 с.

48. Шиманович М.А. Автоматический отвод резца с помощью шпиндельного гидростатического подшипника. / Механизация и автоматизация производства. М.: № 9. 1971. С 18 -23.

49. Шиманович М.А. Оптимизация гидростатических опор. / Станки и инструмент. № 4. 1972. С 9 -11.

50. Шифер Х.-Ю. Динамические характеристики гидростатических опор. /В кн.: Исследование в области металлорежущих станков. Вып 6. М.: Машгиз,1970. 560 с.

51. Фокин Г. В. Исследование точности гидростатических опор и передач./ Кандидатская диссертация, Станкин. М.: 1967. 195 с.

52. Пуш В. Э., Мочаев Ю. П., Шатохин С. Н. Об абсолютной устойчивости гидростатического подпятника. /Вестник машиностроения. 1969. № З.-С. 37 -39.

53. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1977. - 390 с.

54. Пуш В.Э. Системы смазки металлорежущих станков. М.: Машгиз, 1968. -240 с.

55. Пуш В.Э., Фокин Г. В. О точности гидростатических опор. / Станки и инструмент. 1966. № 9, С.- 8 -10.

56. Пуш А.В. Исследование демпфирования для повышения виброустойчивости гидростатических опор. / Кандидатская диссертация. Станкин. М.: 1974. - 195 с.

57. Прокофьев В.И. О динамике гидростатического подпятника. / Вестник машиностроения. 1967. № 5. С. 28 -33.

58. Прокофьев В.И., Нейман В. Г. Влияние давления в рабочей жидкости на динамические свойства гидропривода. / Известие вузов, «Машиностроение». 1968. № 1,-С. 76 -83.

59. Ингерт Г.Х. Исследование и расчет динамической жесткости гидростатических опор металлорежущих станков. / Кандидатская диссертация. М.: 1973.- 180 с.

60. Ингерт Г.Х., Лурье Б.Г. Силы демпфирования в гидростатических опорах. / Станки и инструмент. 1971. № 7. С. 13-15.

61. Жесткость гидростатических подшипников и направляющих при динамической нагрузке. // Экспресс информация ВИНИТИ. Серия Детали машин. Реферат 72. - М.: 1967. № 24.

62. То дер И. А., Тарабаев Г.И. О несущей способности гидростатического подшипника жидкостного трения. / Вестник машиностроения. 1971. №7. С. 12 -15.

63. Риппел Г. Проектирование гидростатических подшипников. М.: Машиностроение, 1967. - 136 с.

64. Шатохин С. Н. Об одной плоской задаче гидростатической теории смазки. // Сборник. Исследование металлорежущих станков. /Под. Редакцией Ачеркана Н.С. -М.: Машиностроение. 1968. 420 с.

65. Шатохин С. Н. Гидростатическая смазка криволинейных поверхностей и возможность ее использования в червячных передачах прецизионных станков. / Кандидатская диссертация. Станкин. -М.: 1969. 183 с.

66. Чурин И.Н. Расчет и конструирование гидростатических упорных подшипников. / Станки и инструмент. 1969. № 5. С. 21 - 24.

67. Чурин И.Н. Автокомпенсация погрешностей изготовления гидростатических упорных подшипников. // Станки и инструмент. 1969. № 11. С. 7 - 9.

68. Коровчинский М.В. Прикладная теория подшипников жидкостного трения. М.: Машгиз, 1954. - 280 с.

69. Коровчинский М.В. Устойчивость равновесного положения шипа на смазочном слое. // Сб. Трение и износ в машинах. Вып. XI. М.: Издательство АН СССР, 1956. С. 23 -28.

70. Приходько О.Б., Макаренко O.K. К вопросу об исследовании плоских гидростатических подушек. // Сб. Исследования гидростатических подшипников. /Под ред. Скубачевского Г.С. -М.: Машиностроение, 1973. С. 59 -67.

71. Ханович М.Г. Опоры жидкостного трения и комбинированные. М.: Машгиз, 1960.-274 с.

72. Подольский М.Е. Упорные подшипники скольжения. Теория и расчет JL: Машиностроение, 1981, - 262 с.

73. Старосельский А.А., Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей машин. М.: Машиностроение, 1967. - 396 с.

74. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. - 384 с.

75. Коднир Д. С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. - 304 с.

76. Гаркунов Д.Н. Триботехника. -М.: Машиностроение, 1985. -424 с.

77. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. М.: Машгиз, 1963.-140 с.

78. Бушуев В.В. Гидростатическая смазка в станках. -М.: Машиностроение, 1989.-176 с.

79. Воскресенский В.В., Дьяков В.И. Расчет и проектирование опор скольжения. М.: Машиностроение, 1980. - 224 с.

80. То дер И. А., Тарабаев Г.И. Крупногабаритные гидростато динамические подшипники. М.: Машиностроение, 1976. - 200 с.

81. Пуш А. В. Исследование демпфирования для повышения виброустойчивости гидростатических опор (применительно к шпинделям станков) Кандидатская диссертация. М.: Станкин, 1964. - 156 с.

82. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. М.: Машгиз, 1963.240 с.

83. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. -M-JL: Машгиз, 1967, 135 с.

84. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Гостехиздат, 1961, 208 с.

85. Круглов В.А. Влияние температурных деформаций на точность обработки. /Вестник машиностроения, № 2, 1967, С 6 8.

86. Соколов Ю.Н. Тепловой расчет подшипников скольжения. /Станки и инструмент, № 12,1958, С 12 -15.

87. Чурин И.Н. Расчет и конструирование гидростатических упорных подшипников./Станки и инструмент, № 5, 1969,С6-10.

88. Олещук В.А. Дополнительные конструктивные возможности для станков, обеспечиваемые гидростатическими опорами //Прогрессивные технологии в машиностроении. Сб. статей. Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 2000: -С. 67-75.

89. Справочник по применению и нормам расхода смазочных материалов.- М.: Химия, 1977, 768 с.135

90. Bottcher R., Effenberger W. Untersuchung des dinamichen verhalten hid-roctatischer lager./Ind Ans. 1969. № 50. C. 12 -15.

91. Hunt J. B. Characteristics of hydrostatic thrust bearings. «Int. J. Mech. Sci.» Vol. 4. 1962.

92. Hunt J. B. How lubricant film affect dynamic response of machines. The Engineer. 1968. № 29 C. 9 -14.

93. Gast G. G. C. The dynamic behavior of double film hydrostatic bearing with variable flow restrictor. Paper ASME. 1969.

94. SommerE. Squeeze film damping. Machine design. 1977. May.

95. Gumbel L., Everling E. Reibunng und Schmierung im Maschinenbau. M. Krayn, Berlin, 1965. 240 c.

96. Работы по теме: «Разработка и исследование устройств торможения металлорежущих станков на основе гидростатических подшипников»

97. Работы по теме: «Разработка и исследование устройств торможения металлорежущих станков на основе гидростатических подшипников»

98. Технология машиностроения» @!/J'{Zte^^ С.Г. Танкова