Повышение нагрузочных и скоростных характеристик шпиндельных узлов с гидростатическими подшипниками тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

3 иД

I ;', ,, . Государственный комитет по вь<сшецу образовании Российской Федерации

л

1СРЛСНОЯРСКИЙ ГССУДЛРСТШ-ЗИЙ! ТЕХНИЧЕСКИЙ УНКВЕРСЭТЕГ

На правах рукописи

ЯРОШЕНКО Сергей Анатольевич

УДК 621.9.С6-229.331:б21.822.572{ 043.3)

НОШЕНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ И СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ШНЗДОЬНих УЗЛОВ С П1ДР0СТАТИТ®СШСДИ подашниклми

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки, стинки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1994

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Научный руководитель Официальные оппоненты

Вздуцее предприятие

оа^ита состоится

кандидат технических наук, профессор ШАТОХШ С.Н.

доктор технических наук, профессор КАВЕРЗИН C.B.

доктор технических наук, профессор ЮТ A.B.

ПО "Тяггстанкогидропресс" г.Новосибирск

" 1994 г. в ff часов

на заседании диссертационного Совета Д.064.54.02 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул.Киренского,2б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Автореферат разослан "_ ff 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета /Я) \ т» и ттлпоищ г st S—

к.т.н., доцент П.Н.СЙЛЬЧШКО

I. ОВД ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуа-льность темы. При обработке высокоточных деталей из легких сплавов и композитов, применении инструментов из сверхтвердых материалов, освоении нанотечнологий и технологий сверхскоростной обработки материалов необходима высокая точность и частота вращения шпинделей металлорежущих станков. Необходимо также исключить появление вибраций, отрицательно влияющих на стойкость инструмента и чистоту обработки. Этим требованиям достаточно полно отвечают гидростатические подшипники (ГБ) по точности вращения, жесткости, виброустойчивости, долговечности и ряду других функциональных качеств превосходящие подшипники качения и гидродинамические подшипники.

Еде более широкие перспективы имеят гидростатические подшипники активного типа (АШ), применение которых придает шпиндельному узлу (ШУ) функции адаптивной системы управления, стабилизирующей размер статической настройки станка при изменении сил резания. Это достигается автоматической компенсацией упругих деформаций шпинделя и других элементов станка, за счет отрицательной податливости АШ.

Кроме того АГП эффективно использовать как источник дина: неметрической информации для управления режимами резания, диагностики состояния режущего инструмента и др.

Известно, что при высокой частоте вращения шпинделя характеристики ГП существенно' изменяются: устанавливается турбулентный режим циркуляции смазки в несущих карманах; увеличивается нагрузочная способность; из-за повышения температуры смазки уменьшается ее вязкость, а значит и демпфирующая способность; возрастают потери мощности; возникает опасность каЕитационноЯ неустойчивости и параметрического резонанса и др. Влияние этих факторов недостаточно изучено для ГП и практически не изучено для АГП.

Научная задача, решаемая в работе» заключается в установлении взаимосвязи конструктивных и режимных параметров шпиндельных узлов с ГП и АГП с их эксплуатационными техническими характеристиками.

Цель исследования. Улучшение нагрузочных и

и энергетических характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов с пассивными й активным! гидростатическими подшипниками за счет оптимичации их конструктивных и режимных параметров.

Общая методика исследований. Теоретические разработки основаны на положениях гидродинамической ' теории смазки, теории упругости и теории автоматического регулирования. Использованы детерминированные математические, модели, которые представлены в размерной и безразмерной формах, деленное исследование моделей выполнено На Эй<! ECI046 и 1Ш PC/AT . 386. Статические характеристики ШУ с ГП и АГП исследованы в нелинейной, а динамические - в линейной постановке. Основные теоретически е выводы проверены экспериментально на специальных моделирующих стендах и опытные образцах. Научная новизна:

- разработаны более совершенные математические модели и алгоритмы расчета на ЗШ статических и динамических характеристик ШУ

с ГП и АГП, в которых учтены: гидродинамический эффект 'в условиях гидростатического режима смазки, изменение вязкости и температуры рабочего слоя смазки, турбулизация потока смазяи и его циркуляция в объеме кармана, учет этих факторов при расчете, потерь мощности на трение, возникновение кавитации в разгруженном несущем кармане, перемещение шпинделя по двум координатам, а такте его изгиб к перекос в системе шпиндельного узла;

- исследовано влияние эффектов вращения на точностные, нагрузочные и энергетические характеристики ГП с пассивной и активной компенсацией расхода, определены условия отсутствия кавитации и неустойчивости в опорах при различной активности регуляторов расхода смазки; '■

- предложены алгоритмы многолараметрической оптимизации нагрузочных и энергетических характеристик шпиндельного узла с ГП

и АГП. , ,

Автор защищает;

- новые конструкции адащинных. гидростатических подшпников и рациональные компоновки высокоскоростных шпиндельных узлов с АГП, рекомендации по выбору параметров, обеспечивающих их оптимальные характеристики; ■ "•'.-

- математические модели и алгоритмы их ревзния, позволяющие. . учесть при исследовании влияние факторов, характерных для вы-

сокоскоростных шпиндельных узлов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований статически и динамически характеристик гидростатических подшипников высокоскоростных ШУ;

- подсистему САПР и прикладную методику расчета и проектирования ШУ с АГП;

- результаты практического применения разработок.

Практическая ценность работы:

- возможность в 1,5-2,5 раза увеличить нагрузочную способность ШУ с ГП и обеспечить нулевую технологическую податливость на конце шпинделя, снизить- влияние изменяющихся частот вращения на точность положения шпинделя, расширить область бескавитпци-онной работы и уменьшить в 2-3 раза потери мощности на трение за счет применения в Щ активной компенсации расхода и оптимизации их конструктивных и режимных параметров;

- конструкции активны? гидростатических подшипников, защищенные авторскими свидетельствами и типовые компоновки ШУ с использованием АГП;

- рекомендации по выбору оптимальных параметров, руководящие технические материалы и подсистема САПР, позволяющие спроектировать ШУ с АГП с заданным! эксплуатационными характеристика;.!!:.

Р е а л и з а ц и я. Конструкторская документация на разработанные шпиндельные узлы передана-предприятиям: МСПО "Красный пролетарий" (г.Москва), п/я Г-4805 (г.Красноярск). ПО "Тяжстанкогидропресс" (г.Новосибирск). Саратовским НИТИ (Мйн-авкапром) изготовлен двухшпиндельныП токарный ПОТ МТД—901 с активным! гидростатическими подшипниками-преобразователями в качестве опор шпинделей. Решения использованные при разработке шпиндельного узла ОТД-901 защищены авторскими свидетельствами на изобретения. "

Руководящие технические материалы по расчету и проектированию ШУ с АГП и активных гидростатических подшипников-преобразователей внедрены с фактическим экономическим эффектом (в ценах 1988-1990 г.г.): НИТИ (г.Саратов) - 17000 рублей; п/я Г-4805 (г.Красноярск) - 17000 рублей. На МСПО "Красный пролетарий" -(г.Москва). внедрена подсистема САПР для АП1 с долевым экономическим эффектом 9000 рублей.

Результаты внедрения я экономический эффект подтверждены соответствующими актами.

Апробация. Основные положения .работы доложены на Всесоюзных конференциях: "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (г.Тольяти, 1988г.); "Унификация и специализация производства составных частей и оборудования" (г.Калининград, 1989г.); "Повышение надежности автоматических станочных систем" (г.Хабаровск, 1990г.); "Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ" (г.Хабаровск, 1991г.) и на международных семинарах - "Оптимиза- . ция эксплуатационных свойств опор скольжения" (г.Рыбинск, 1990г.), "Проблемы техники и технологии XXI века" (г.Красноярск, 1994г.), а также на научных семинарах кафедры "Технология машиностроения" Красноярского государственного технического университета (19371994 г.г.),

П у б л и к а ц и и. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, из них 9 авторских свидетельств, б статей, 7 тезисов докладов, I информационный листок.

О б ъ е м р а б о т ы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с выводами и заключения. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 8Î рисунок и библиографический список,, включающий IÔI наименование. Общий объем диссертации 168 страниц.

2, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении, обоснована актуальность теш иссле- . дования, научная новизна работы и положения, выносимые автором на защиту.

В первом р а з д е л.е отражено состояние научных исследований и тенденций развитая шпиндельных узлов с fil. Дан анализ научно-технической и патентной литературы по вопросам применения в шпиндельных уз"ах металлорежущих станков активных гидростатических подшипников.

Показано, что с возрастанием требований к точности и производительности металлорежущих станков расширяется область применения в ШУ гидростатических подшипников.

Отмечена перспективность ГП с активной компенсацией расхода смазки (АГО), в магистрали питания которых установлены регуляторы расхода смазки с замкнутым контуром обратной связи, по давлению в несущих карманах. Наличие такого регулятора позволяет добиться отрицательной податливости несущего слоя смазки в АП1 и в некоторой степени компенсировать положительную податливость шпинделя и других упругих звеньев несущей системы станка, то есть повысить точность обработки. Этим обусловлено расширение их промышленного освоения как в России, так и за рубежом. В частности конструкции АГП для тяжелых стянкоз разработаны на Коломенском СПО под руководством В.В.Бушуева, Ряд модульных конструкций АГП разработан и исследован в Красноярском государственном техническом университете под руководством С.Н.Шатохина, Из зарубежных разработок мотто выделить конструкция АГП с гидравлическим подвесом кольца-регулятора для высокоскоростного ШУ, выполненную специалистами фирмы А/асЫ-(Япония).

Многочисленные примеры использования гидростатических подшипников в качестве опор высокоскоростных и прецизионных ШУ требуют более детального исследования влияния гидродинамического эффекта, возрастания тепловых факторов, порождающих изменение решма течения смазки, появление кавитации, неустойчивости и других явлений.

Гидродинамический перенос смазки вращающимся шпинделем увеличивает нагрузочную способность подшипника, но одновременно создает отклснения траектории движения центра шпинделя от линии действия нагрузки. На высоких скоростях вращения некорректно допущение о ламинарном реише течения в несущих карманах ГП, так.как при окружной скорости ¿/>4 м/с наблюдается переход к турбулентному течении смазки в карманах. Это вызывает увеличение потерь мощности на трение в карманах, которые в Ш высокоскоростных ШУ могут играть доминирующую роль. Кроме увеличения суммарных потерь мощности увеличение скорости вращения шпинделя приводит к возрастанию температуры смазки в несущем слое. Избыточная температура несущего слоя моэ»ет достигать 30°-40°, что приводит к существенному уменьшению вязкости смазки, потере геометрической точности ШУ, нарушению настройки гидравлических сопротивлений опор. Уменьшение вязкости смазки при-

водит к падению среднего давления в несущих карманах, уменьшению згесткости и несущей способности ГП. В экспериментальных работах указываемся на опасность возникновения кавитации в несущих карманах, что приводит к нарушению стабильности положения шпинделя и падению несущей способности опор.

Динамические характеристики высокоскоростных ГП таюге мало изучены и как правило ограничены исследованием ненагругенного шпинделя.

Большое Енймание в проанализированной литературе уделено вопросам оптимизации ШУ с Ш. Наиболее полно проблемы оптимизации ШУ разработаны в работах А.В.Пуша.' В них даны основные критерии и параметры, по которым в зависимости от назначения ШУ необходимо проводить оптимизацию. Однако во всех проанализированных работах ШУ представлен как система-с заведомо положительной податливостью. Сведения о влиянии на характеристики высокоскоростных ШУ функциональных особенностойактивных.гидростатически* подшипников в литературе не встречаются. •

Исходя из вышеизложенного в работе были поставлены следующие задачи:

- теоретически исследовать влияние вращения на точностные, нагрузочные и энергетические характеристики ШУ с учетом изменения температуры и вязкости смазки;

- экспериментально проверить результаты теоретического исследования;

- дать рекомендации по особенностям проектирования л выбору оптимальных геометрических и настроечных параметров высокоскоростных' ГП;

- разработать руководящие технические материалы и подсистему САПР для проектирования и оптимизации ШУ с АГП;

- внедрить в промышленность результаты разработок.

Во втором разделе диссертации приведены методика и результаты теоретического исследования статических характеристик высокоскоростных шпиндельных АГП на примере четырехкарманного радиального АГП, расчетная схема которого приведена на рис.1. Смазка от источника постоянного давления fa - const подается в приемную полость б, дросселируется через зазор hp регулятора и поступает в управляющие карманы под давлением Рр< fy , а далее через демпфирующие дроссели

Рис Л. Расчетная схема АШ

нагнетается в несущие карманы под давлением . При

нагружении шпинделя силой /„ изменяется давление в несущих карманах и связанных с ними управляющих карманах, что вызывает радиальное смещение подвитого кольца регулятора 3 и увеличение (уменьшение) поступления смазки_в нагруженный (разгруженный) несущий карман. В зависимости от значения податливости Ур упругих перемычек регулятора результирующий эксцентриситет 6. шпинделя !..ожет быть положительным, нулевым и отрицательным (Fue.2).

Отношение податливости ненагруженного АГП к податливости аналогичного Ш с пассивной компенсацией расхода названо коэффициентом активности На .

При быстром вращении нагруженного шпинделя увлекаемые им потоки существенно изменяет баланс расходов смазки в несущих карманах. В результате вектор эксцентриситета G уменьшается по модулю и образует угол & с вектором силы j> (рис.1, А-А). В карманах происходит циркуляция смазки - прилегающий к шпинделю слой движется в направлении вращения, а возле дна кармана смазка движется в противоположном направлении. При этом создается положительный градиент давления по длине кармана

б направлении вращения и давление сказки у входной осевой перемычки может стать ниже атмосферного. В этом случае возникает кавитация смаг.ки, резко ухудшающая стабильность положения вра-щагщегося шпинделя. С увеличением нагрузки /„ .падает среднее давление смазки в разгруженном кармане и понижается пороговое значение частоты вращения, соответствующее появлению кавитации.' Установлено, что при характерных значениях параметров III появление кавитации возможно лишь при турбулентном течении в кармане. Б результате теоретического анализа получено условие отсутствия кавитации смазки с учетом циркуляции и нагреве смазки. Для определения температуры tc/[ и вязкости fJc* смазки в несущем слое, которые отличаются от своих входных значений, решали трансцендентное уравнение, полученное из условия баланса выделившегося и отводимого смазкой тепла.

Учет циркуляции смазки и турбулентности течения позволил внести уточнения и в формулу для определения потерь мощности на трение в несущих карманах Nh . Ока дает значения Nu в 4 раза большие, чем рассчитанные без учета обратного потока смазки в карманах.

Описанные выше уравнения объединяли с уравнениями равновесия сил, действующих на шпиндель и подвижное кольцо регуля-'тора, н уравнениями баланса расходов смазки в несущих и приемник карманах, получая замкнутую математическую модель АГБ. Полученную систему нелинейных уравнений приводили к безразмерному виду и решали на ЭВМ EC-I046, для чего был разработай специальный параметрический алгоритм.

Учитывая, что эксцентриситет регулятора монотонно зависит от нагрузки /„ ' , его делали вводным параметром и изменяли с некоторым шагом в.пределах [о i hpo] . Выражали из уравнения баланса расходов зависимость А(&) (где A^f** daU / /(2PHha) - безразмерный скоростной критерий) и для каждого фиксированного' ûp , методом бясекции, находили такой угол

(9 , чтобы найденное значение Л(&) совпадало со значением Л , заданным как входной параметр для расчета. Таким образом, решение системы нелинейных уравнений сводили к отысканию действительных корней нелинейной целевой функции Ф(<5)=>0 в качестве которой было использовано уравнение равновесия регулятора. Нагрузку jn находили как линейную функцию давлений

Рис.2. Нагрузочные характеристики АГП

в несущих карманах, которые, в своп очередь, находи:;!! решением системы линейных уравнений относительно В ка каудой итерации

ПО £

Анализ результатов исследований показал, что АГП с большими значения!« /</> имеют лучшие нагрузочные характеристики. При Нр >-3.5 на нагрузочной кривой 'р::с.2,а) поягляется участок с отрицательным: значения?.:;! эксцентриситетов, названный адаптивным диапазоном нагрузок . Максимум ^"••обеспечивается при значении параметра гидравлической настройки Xх л ^ ? Из графика очевидны прею.ущества АГП. При <£ -ОЛ АГП способны воспринять нагрузку з 2,5 рааг , а при <?=<?-2 з 3,5 раза большую чем пассивный ГП = I), При этом до 85!? воспринимаемых нагрузок могет летать в области адаптивного диапазона, о котором обеспечивается компенсация упруг:!х деформаций положительно податлитгх звеньев станка.. Анализируя злияние скоростного параметра А , видим, что с ростом /1 увеличиезстся несущая способность АПТ, и появляется угол отклонения центра шпинделя & , монотонно увеличивающийся с ростом нагрузки и описывающий небольшую петлю в третьем квадранте, при £-<0 (рис.2,б). Характерно, что при разных фиксированных X нагрузочные кривые АГП {А'с < О ) икезт общую точку пересечения для различных А и пел "/. = 0,75 она совпадает с границей адаптивного диапазона.

цг

в>

1

чх Сйласп кавитаций

Область оосквьагаздониоа рзеога

3,55 63 ¡¡75 ДО ¿0^5 ИД А

Рис.3. Границы возникновения кавитации

Это «начит, что пот внешней нагрузке, равной частота .

иошстия не оказывает влияния на положение оси шпинделя и, соответственно, на точность обработки, что особенно актуально для

прецизионных станков. ^

- Р-зучьтаты исследования зависимостей температуры и

вязкости Рол смазки от скоростного параметра Л показали, что'разность темлеттур на входе и на выходе из ГП может составлять 20°-30°С4 Вязкость при,этом изменяется в два и более раза и на 30~4СЙ падает значение средаего давления £ в карманах.

Исследования кавитационноЙ устойчивости ГП показали, что область бескавитационной работы АГЛ вире чем у пассивного Ш, т.е. границы критических нагрузок сдвинуты в область больших

скоростей скольжения (Рис.3).

В третьем разделе диссертации приведены методика и результаты исследования динамических характеристик АГП при произвольных значениях нагрузки, эксцентриситета и частоты вращения шпинделя.

Математическая модель описывающая динамическое состояние АГП представляла собой систему уравнений динамического равновесия сил, действующих на шпиндель и регулятор, я баланса расходов через управляющие и несущие карманы. В уравнениях были учтем! силы инерции подвижных элементов, а также сжимаемость и -

вытеснение смазки при Их смещении. Исследования выполняли в предположении о малости отклонения динамических функций от их стационарных значений, которые находили при решении статической задачи. К линеаризованной, относительно заданного статического состояния математической модели, применяли преобразования Лапласа и Фурье, что позволило от дифференциальных уравнений перейти к алгебраическим.

Анализ динамической устойчивости АГП проводили-на основе исследования передаточной функции, определяющей податливость^ несущего слоя в направлении действия нагрузки Система уравнений имеет шестнадцатый порядок и вычисление коэффициентов характеристического'многочлена традиционными способами обращения матриц и преобразованием опре,целителя сопряжено с накоплением больших ошибок счета. Для определения коэффициентов ^(s) , уменьшения ошибок счета к ускорения вычислений, совместно с В.А.Коднянко, была разработана специальная процедура, которая моделирует раскрытие определителя по строкам и применяется к любой системе линейных уравнений один раз. Процедура учитывает расположение нулевых и ненулевых компонентов исходной системы и исключает при раскрытии определителей нулевые произведения, формируя два массива чисел, элементы котор::х соответствуют указанным нулевым прсиззедениям, Далее была использована процедура, которая-с помощью этих массивов и парзметров исходной системы вычисляет коэффициенты передаточной функции

^(¿г) . Анализ динамического качества АГП проводили исследованием нормированной степени устойчивости % интенсивности затухания колебаний за период. £ , амплитудных и фазовых частотных характеристик. Установлено, что устойчивость АГП с отрицательной податливостью несущего слоя {Hq^O ) мозэтзт быть гарантирована при оптимальном выборе' параметра- гидравлической каст:,.Яки 'и числа сдавливания

' Ö = ¿5игоу0Щт0/3 ■ hol ■ Значения, обеспечивающие максимум норщро ванной степени устойчивости , соответствуют ^£[о.бч-а?} , <bi*J/0,

Выявлено,

что уменьшение значения коэффициента зктияностн На ■ухудшает быстродействие. При _Но< ~(3~4) возможна потеря устойчивости ( ро< О).

Показано, что с ростом статической нагрузки Fn на шпиндель зависимость fjfn) имеет экстремальный характер, причем

Рис.4. Динамические характеристики АГП --?0(Л))

значение % «:к?иыз&етея тем существеннее, чем г.гаъшэ значс-ниг. коэффициента активности На . При этом амплитуда колебаний с ростом - существенно уменьшаются, ото можно объяснить стабилизирующим эффектом внешней нагрузки и упругости регулятора.

Установлено, что зависимость нормированной степе^г, устойчивости от скоростного параметра А (рис.4) имеет экстремальный характер при ¿>3.0 , причем чем меньше значение «/> , тем тете макету м /^(А") и уже область допустимых частот вращения, при которых сохраняется режим устойчивой работы АГП. При этом до некоторого значения (А ^5,51 переходный процесс имеет неколебательный характер, т.е. £ = 100%. С рсстом Л значения резонансных амплитуд и частот увеличиваются тем больше, чем меньше Анализ зависимости фазочастотной ха-

рактеристики ПГП от скорое: .чого параметра показал, что если при малых А ьс^людается запаздывание колебаний шпинделя относительно внешнего воздействия, то при увеличении Л появляется фазовое опережение, которое растет до некоторого максимального значения, а затем уменьшается, переходит через ноль, а затем вновь вступает в фазу запаздывания.

У АГП фазочастотная хзрактс'/к.лг.о. налоги- :;о адзе». первоначальное значение фаг?; о., (ст.**} -/.--О'" ¡¡р;; ччс и .•:.•

гармонических воздействий

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований шпиндельных узлов с гидростатические подшипниками .

При составлении математической модели ШУ шпиндель рассматривали как упругую балку на двух упруго-демпферных опорах, консольно нагруженную' внешней силой / , приложенной к переднему концу (Рис.5). Реакции опор представляют собой гидростатические подъемные силы и)п и ¡¿л переднего и заднего подшипников соответственно. При решении вначале по заданным входным параметрам ШУ определяли нагрузочные характерис-?ис.5. Расчетная схема тики передней и задней опор

ПУ с Ш (но описанному вышо алгорит-

му из раздела 2) и нз полученных данных формировали банк данных для последующего ряжения. В память ЗШ заносили две трехмерные матрицы Мп ; £пх ; с л у) и М3 {^л ; ; ¿¿у) . характеризующие несущую способность и ь>л опоо ч рзвусиностк от эксцентриситетов

си/ И (так как

учигкваяось вращение шпинделя, результирующий эксцентриситет представляли как векторную суммгу составляющих по координатным осям -< и у ). После формирования матриц Мп и задавали

цикл го нагрузке £ с малым шагом, увеличивая его до тех пор, пока шпиндель не коснется поверхности переднего пли заднего ГП или но отработает ограничение, соответствующее возникновению кавитации я однси из разгруженных карманеэ. На каждом шлго по }

Л, Г^^/О

-0.3

Рис.6. Зависимость максимально допустимой нагрузки и ' потерь мощности от коэф-циента активности АГП

прир^'хчигдя эгачскнк реакций оиор и Яя аналогичным значениям сОп л > из матриц Мп и Мл извлекали соответствующие значения эксцентриситетов £п и и по уравнению упругой линии находили прогиб на коще шпинделя.

В результате исследований установлено, что применение в ШУ активных гидростатических подшипников с отрицательной податливостью несущего слоя (/&>*<>) позволяет в 2-3 раза увеличить максимально допустимую нагрузку /та* на шпиндель по .сравнению с пассивным 1П. График на рис.6 (сплошные линии) иллюстрирует зависимость {тах(^°) при различных ограничениях: шпиндель коснулся торцевой перемычки переднего АГПв( Сгр = I); переместился на торце на половину рабочего зазора ( <?/-/> =0,5) и наиболее реальное £гр = 0,3, традиционно рекомендуемое при эксплуатации ШУ с ГП.

Показано, что значение максимально допустимой нагрузки в ШУ с АГП экстремально зависит от длины опорной части шпинделя

£ и длин опор и /з . Экстремальность функции /та1с (?) объясняется вкладом" в результирующее перемещение конца шпинделя смещений от его перекоса, обоусловленного податливостью опор, и изгиба, завися'щего от диаметра шпинделя и осевых размеров его опорной части. Наличие экстремума {так(?п) обусловлено следующим: с ростом длины передней опоры увеличивается ее несущая способность, но, в то же время, из-за увеличения длины консоли Оо и уменьшения межопорного расстояния возрастает величина нагрузки на опору и увеличивается изгиб шпинделя.

Отмечено, что за счет применения АПЛ (по сравнению с ПГТ^) без ухудшения несущей способности ШУ мокно в 1,3-1,5 раза уменьшить диаметр шпинделя, в 1,4-1,6 раза рс-бочиГГ, р раза

вязкость смазки, что, в совокупности, позволяет в 2-3 раза уменьшить потери мощности высокоскоростных шпиндельные ГП и довести их до значений сопоставимых с характеристиками традиционных подшипников качения, применяемых в ШУ высокоточных станков. На рис.6 (штриховые линии) показано насколько можно снизить потери мощности в АШ, уменьшая коэффициент активности ко и диаметр шпинделя с/о (с с/о = 50 мм при ЛЬ = I до ¿То = 34 мм при Но = -1) при фиксированных- ]гпах = I кН-и £гр = 0,3,

При расчете потерь мощности в ГП высокоскоростных ШУ, во избежание существенных погрешностей (до 100%), доказана необходимость учета циркуляции потока смазки по глубине несущих карманов ГП и изменения режима ламинарного течения на турбулентный.

Выявлено, что при скоростях скольжения и 30 м/с и более потери на трение в несущих карманах ГП становятся-доминирующими. Для их снижения необходимо увеличивать - глубину карманов-до 4-5 км, а соотношение площадей дросселирующих перемычек и несущих карманов до Зп/бн~0,5.

Показана целесообразность многокритериальной оптимизации геометрических и режимных параметров при проектировании высокоскоростных; ШУ с ГП, На основе симплекс-метода и ЛП-поиска. Разработаны программы многопараметрической оптимизации эксплуатационных характеристик ШУ с АГП. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров.

В пятом разделе приведено описание методики экспериментов, экспериментальных стендов, сопоставлены результаты теоретических исследований к экспериментов, описаны подсистема САПР "Шпиндельные узлы с ГП", прикладная методика проектирования ШУ с ГП и'АГП, конструкции ШУ с АП1 переданные для внедрения ка предприятия.

Работоспособность АГП аналогичной конструкции была экспериментально подтверждена в работе В.П.Зайцева, однако исследования были проведены без вращения шпинделя.

Проверка достоверности полученных теоретических выводов проводилась на специальных моделирующих стендах. Нагрузочные характеристики ШУ с АГП исследовали на экспериментальном стенде созданном в лаборатории КГГУ на базе универсального шлифовального станка ЗБ12. Изучение кавитации проводили на опытном образце токарного ГШ МГДг901, изготовленном в Саратовском НИТИ.

Для измярл-гйя ь.!-г"\Узоч!»ей характерис-чи-ж 'й- прп вращающемся шпинделе использовали спецоправку, ка консольную часть которой посажен с натягом" высокоточный подшипник качения. На подшипник напрессовано кольцо с двумя шлифованными площадками, расположенными через 50° и предназначенными .для установки наконечни- . ков измерительных головок МИГ-001. Опгшзитно одной из площадок в кольцо ввернут рымболт, связанный через талреп с динамометром растяжения ДР 500, по показаниям которого фиксировали значения нагрузки, создаваемой регулировкой талрепа. Частоту вращения ' изменяли путем смены пары шкивов.

При исследовании кавитации на торце АШ вместо блока динамометрических датчиков устанавливалась спецкрышка, в которую были ввернуты штуцеры, соединенные с манометрами М0-40 класса 0,6. Для нагругения и измерения перемещений использовали спецоправку аналогичную описанной выше. Частоту вращений изменяли от 0 до 4000 об/мин с интервалом в 40 об/мин за счет регулируемого электродвигателя привода главного движения.

Экспериментальные результаты* использованные для сравнительного анализа энергетических характеристик были получены путем измерения моментов трения возникающих в масляном слое при вращении шпинделя, температуры и вязкости смазки.

В соответствии с разработанной методикой, подробно описанной в работе, проводили серии экспериментов, и полученные результаты, после статистической обработки, сопоставляли с результатами теоретических исследований. Сопоставление показало полное качественное и хорошее количественное соответствие расчетных и опытные данных.

Исследования зависимости нагрузочной характеристики АГП от параметра настройки среднего давления в несущих карманах X подтвердили вывод о необходимости увеличивать значения X до /®=0,7 при А'о < 0. При 'том обеспечивается максимум адаптивного диапазона и значение максимального отрицательного эксцентриситета также больше, чем при X = 0,5, традиционно рекомендуемого для ПГП. Для экспериментального ШУ конкретные значения этих величин равны : /а тех = 650 Ни 3 - 14 мкм.

*Г.Х.Ингерт, В.П.Глебкин, Г.И.Айзеншток, Потери мощности в высокоскоростных гидростатических подшипниках//Станки и инструмент. _ -1937.-!?' 4.-с.20-22.

Подтвердилось также, что с ростом частоты вращения увеличивается несущая способность АГП, появляется угол бокового смещения цапфы от линии действия нагрузкй, хотя их опытные значения оказались несколько меньше расчетных. При нагрузке / = 800 Н смещение оси шпинделя составило ~ 7,5 мкм, тогда как по расчету такое смещение доляно соответствовать $ - 850 Н (для п = в 4000 об/мин). Средний расчетный угол при этом должен быть равным & ^ 30°, тогда как в эксперименте ^«22°.

: Анализ результатов исследований по определению границ ка-витационной неустойчивости подтвердил еще одно преимущество АГП - более широкий диапазон нагрузок и частот вращения без появления кавитации по сравнения с ПГП. При одинаковой нагрузке, например / = 1,5 кН допустимая скорость скольжения возрастает от и ш 5,9 м/с (А'вл I) до и = 7,23 м/с (А'в = -2), что актуально для высокоскоростных ШУ точных и прецизионных станков. Максимальное расхождение расчетных и экспериментальных резуль-. татов исследований.изменения потерь мощности, температуры и вязкости смазки от скорости скольжения не превышает 25что позволяет сделать вывод о приемлемости математической модели тепловых процессов заложенной в расчетные алгоритмы.

В разделе описана подсистема автоматизированного проектирования ШУ с ГП „ЭПиК", написанная на языке Я^"/, разработанная для ОС СЕ1 и работающая под управлением ПДО система позволяет расчитать геометрические и режимные параметры ШУ с ГП; определить их нагрузочные и энергетические характеристики, а также оптимизировать их одним из двух методов - симплекс-методом или ЛП-поиском.

Кроме того, приведена прикладная методика проектирования ШУ с АГП, разработанная на основе упрощения исходных математически-. моделей, с учетом обобщений и анализа теоретических и экспериментальных данных.

Б качестве примера конкретной реализации АШ описана разработанная при участии автора конструкция шпиндельного узла токарного двухшшгндольного станочного модуля МТД—901 изготовленного Саратовским НИТИ. Кроме регулятора расхода в конструкцию АШ компактно встроен блок динамометрических патчикоч-пре-обрпзозателей давления «кхзки в несущих карйака-с, что позволило-расширить его функциональные возможности - регистрировать действующие на кпчндель радиальную и осевую нагрузки, осущестр-

лять синхронную диагностику реющего инструмента, адаптивное управление режимами резания.

3. ОСНОШЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили подучить новое решение актуальной научно-технической проблемы станкостроения - улучшения точностных, нагрузочных, энергетических и скоростных характеристик шпиндельные узлов с гидростатическими подшипниками.' Подробные выводы по рассмотренным в работе задачам даны в конце каждого раздела. По роботе в целом можно сделать следующие обобщенные выводы:

1. Разработаны математические модели статического и динамического состояния шпиндельных узлов (ШУ) с гидростатическими подшипниками пассивного и активного типов (ШП и АГО),

в которые учтены: Изгиб и перекос шпинделя; вращение шпинделя; изменение вязкости и тешературы рабочего слоя смазки, циркуляция, режим течения и появление кавитации смазки в несущих карманах.

2. Анализ статических характеристик ШУ с ГП проведенный на основе разработанных математических моделей показал:

- при скоростях скольжения более 10-15 м/с существенно проявляется рост температуры и снижение динамической- вязкости смазки в несущем слое, что приводит к падению давления в несущих карманах и уменьшению'гидродинамической составляющей несущей способности подшипника; для уменьшения влияния этого эффекта рекомендовано значение параметра гидравлической настройки

/ = 0,7-0,75 (а не 0,5, как принято);

- потери мощности на трение в несущих карманах, расчитанные

с учетом циркуляции потока смазки по глубине кармана, получаются в 4 раза больше чем гри традиционно принятом расчете, не учитывающем циркуляции;

- переход ламинарного течения, смазки в турбулентное, -возникающий при скоростях скольжения И > 5_з м/с, существенно увеличивает потери мощности на трение в карманах и нагрев смазки; при скоростях скольжения и > 25-30 м/с потери мощности в карманах становятся доминирующими, поэтому ь высокоскоростных ШУ с ГП и АШ целесообразно не ^-.лнъыать. а '.»бзлгоияпть гглрину дросселирующих перетачек до (0,'-'!,<-') <Зе глубину кармзн-1 до 0,1 с/о .

- несущая способность ШУ с ГП и ЛГИ экстремально зависит от длины опорной части шпинделя и длины гидростатических подшипников, послетля должна составлять (0,7-0,8) do для ПГП и (0,8-0,9) "о для АГП, -что благоприятно и. для снижения потерь мощности на трение.

3, При анализе динамических характеристик нагруженного шпиндельного узла установлено:

- нормированная степень устойчивости и частотные характеристики АГП существенно, в том числе экстремально, зависят от частоты вращения и нагрузки на шпиндель, а такте от параметра гидравлической настройки yt , для которого рекомендуются значение / « 0,7;

- предельная частота'вращения, до которой сохраняется устойчивость'ШУ с АГП, уменьшается с ростом коэффициента активности На ; для высокоскоростных ШУ с АГП его необходимо ограничить значением На = -(3-4).

4. Результаты исследований и разработок позволяют:

- увеличивать в 1,5-2,5 раза нагрузочную способность ШУ и за счет отрицательной податливости АГП в определенной мере компенсировать упругие деформации положительна податливых звеньев несущей системы станка;

- повысить скоростные характеристики ШУ за счет снижения в 2-3 раза суммарных потерь мощности и расширения на 25-30% области бескавитационной работы.

5. В результате проведенных исследований созданы и внедрены, или переданы для внедрения на предприятиях:

- конструкции шпиндельного узла токарного ГПМ МТД-901 и навесной шпиндельной головки для тяжелого фрезерно-расточного станка НС42Ш4;

- руководящие технические материалы по расчету и конструиро--ванж ШУ с Ш и 'АГП; '•.'.'.•

- подсистема САПР, позволяющая .оптимизировать параметр ШУ по нагрузочным и энергетическим критериям. . .

4. -пУЕтшт по работе ■

I. Шатотин С.Н., Пикалоэ D.A., Ярошеико С.А. Шпиндельные-узлы с • отрицательной пЗдатливостью и динамометрическими преоб-

разователями 'в адаптивных и доппюспда&фгс екегх-иах станков// Тез.докл.Всесоюзн.научн.-техн.конф., Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств, 24-26 мая 1938.-Тольятти,1938.-с.323.

2. Зайцев В.П., Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Исследование и расчет радиальных адаптивно-гидростатических подшипников-преобразояателей//Опоры скольжения с внешним источником давления смазки: Межвуз.сб;научн.тр./Краен.политехи.ин-т.-Красноярск, 1989.-е.Щ-121.

3. Ярошенко С.А. Теоретическое исследование статических характеристик шпиндельного радиального адаптивно-гидростатического подшипника с осевым противодавлением//Опоры скольжения

с внешним источником давления смазки: Ыежвуз.сб.научн.тр./ Краен.полит ехн.ин-т.-Красноярск,1939.-с.121-134.

4. Шатохин С.Н., Зайцев В.П., Ярошенко С.А. Унифицированные гидростатические подшипники-преобразователи для шпиндельных узлов станков/Дез.докл.Всесоизн.научк.-техн.конф., Унификация и специализация производства составных, частей оборудования, 3-5 октября I939.-Калининград,1969,. -с.27.

5. A.c. Р 1530853 (СССР), Ш FI6C32/05. Гидростатический подшипник/С.Н.Шатохин, В.П.Зайцев, С.А.Ярошенко- Заявл.19.01.87 //Открытия, Изобретения.-1989.47.

6. A.c. I? 1530854 (СССР), МНИ FT6C32/06. Гидростатический. подшипник/С.Н.Шатохин, В.П.Зайцев, С.А.Ярошенко- Заявл.03.11.87 //Открытия. Изобретения.-1989.- № 47.

7. A.C. № I551860 (СССР), МНИ П6С32/06. Адаптивный подшипник скольжения/С.Н.Шатохин, С.А.Ярошенко- Заявл.18.02.83// Открытия, Изобретения.-1990.II.

8. A.c. № 1599596 (СССР), МКИ И6С32/06. Опора скольжения/ С.Н.Шатохин, В.И.Шахворостов, С.А.Ярошенко, С.С.Шатохин- Заявл. 30.10.87//0ткрытия. Изобретения.-1990.-1? 33.

9. Шатохин С.Н., Ярошгнко С.А. Влияние высокой.частоты ; вращения на эксплуатационные характеристики адаптивного гидростатического подшипника//Проблемы машиностроения и надежности машин.-1990.2.-с.33-43.

10. Ярошенко С.А. Особенности гидравлической настройки высокоскоростных гидростатических подшипников//Повышенке надежности функционирования гибких производственных систем конструкторскими и технологическими методами: Сб.научи.тр.//Хабар.поли-

техн.ин-т.-Хабаровек,I990.-с.бI-66.

11. Шатохин С.Н., Зайцев В.Ш, Ярошенко С.А. Особенности проектирования и новые конструкции высокоскоростных гидростатических "подшипников/Дез.докл.междуняр. cer/иняра-школы Триболог - 6М, Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения.

1-5 октября 1990.-с.179-104.

12. Ярошенко С.А.Зайцев В.П., Секацкий B.C., Куликов Д.А. Подсистемы САПР шпиндельных узлов и параметров гидростатических подшипников/Дез.докл.сов.-болг.научи.-техн.семинара, Микропроцессорная техника в машино- и приборостроении, 16-20 мая 1990.-Абакан,1990.-с.8-9.

13. Яроаенко С,А. Особенности расчета высокоскоростных гидростатических подшипников//Гез.докл.научн.-техн.конф., Повышение-надежности автоматических станочных систем, 10-12 сентября 1990,-Хабаровск,1990.-с.77-79.

14. A.c. 1Г» I66S763 (СССР), МКИ FI6C32/06. Радиально-упор-ная гидростатическая опора/С.Н.Шатохин, С.А.Ярошенко.-Заявл. 2б.01.39//0ткрытия. Изобретения.-1991.29.

15. A.c. $ I69I609 (СССР), МКИ FI6C32/06. Гидростатическая опора/С.Н.Шатохин, В.П.Зайцев, С.А.Ярошенко.-Заявл.23.10.39// Открытия. Изобретения.-IS9I.-JP 42.

16. Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Повышение быстроходности шпиндельных гидростатических подшипников//Гез.докл.Всесоюзн. изучи.-техн.конф., Надежность технологического оборудования, качество'поверхности, трение и износ, 20-23 ноября 1991,-Хабаровск,1991.-с.42-44.

17. Шатохин С.Н., Зайцев В.П., Ярошенко С.А. Проектирование адаптивных гидростатических подшипшксв//Вестник машиностроения. -1992.-1? 6-7.-0.25-28.

13. Шатохин С.Н., Зайцев В.П., Ярошенко С.А. Адаптивные гидростатические подшипники.-Информационный листок, J"' 790-93. Крс еноярск:ЦНТИ.-1993.-с.3.

19. A.c. № 1796343 (СССР), !ЖЙ B23BI9/00. Шпиндельный узел станка/С.Н.Шатохин, С.А.Яроаенко, Д.К.Тверской.-Заявл.20.II.90 //Открытия. Изобретения.-1993,- !Р» 7.

20. A.c. № I8I6674 (СССР), МКИ Б24Е55/02. Устройство для охлаждения, очистки и стабилизации абразивно-отрезных кругои/ С.Н.Шатохин, С.А.Ярошенко, В.А.Абакумов, В.А.Грибач.-Заявл. 13.0б.91//0ткрытия. Изобретения.-1993.19.

21. Л. с. № 1826646 (СССР), МКИ П6С32/06. Гидростатическая опора/С.Н.Шатохин, В.П.ЗоЙцев, С.А.Ярошенко, В.Н.Тронов, И.С.Ходош, Д.Н.Тверской.-Занвд.30.01.8Э//Длн служебного пользования .

22. Ярошенко С.А. Повышение быстроходности шпиндельных узлов с гидростатическими подшипниками/Дез.,докл.научн.-техн. конф. с мекдунар.уч., Проблемы техники и технологий XXI века, 23-25 февраля 1994.-Красноярск,1994.-с.IV.

Подп. в печать 05.05.94 г. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 2. Офсетная печать. Усл. печ. л.1,5. Уч-иэд. л. 1,5. Тираж 120 зкз. Заказ 345.

Отпечатано на ротопшите КГТУ. 660074, Краснояоск,*ул.Киренского,2б.