Аэростатические опоры

Аэродинамические подшипники применяют крайне редко, только для особо быстроходных шпинделей малого размера, например во внутришлифовальных и сверлильных станках для обработки отверстий небольшого диаметра. Аэростатические подшипники нашли более широкое применение для шпинделей прецизионных станков с малыми нагрузками и большими окружными скоростями.

Главные особенности аэростатических подшипников с воздушной смазкой связаны с использованием малых давлений, так как в питающей магистрали после очистки и стабилизации давление воздуха не превышает 3-4 кгс/см². Другие особенности опор с воздушной смазкой связаны с малой вязкостью воздуха и склонностью шпинделя на воздушных опорах к потере устойчивости. Основным средством повышения устойчивости опор является уменьшение объема воздуха в карманах, а также применение специальных способов поддува.

Грузоподъемность аэростатических подшипников может быть определена приближенным способом на основе допущений о линейном распределении давлений вдоль подшипника и одностороннем потоке воздуха только вдоль образующей цилиндра. При этих допущениях эпюра давлений по длине подшипника соответствует трапеции (рис. 17) и грузоподъемность подшипника представляется в виде

(9)

где р_н – избыточное давление поддува воздуха, кгс/мм²; D – диаметр шейки шпинделя, мм; L – длина подшипника, мм; l – расстояние от края подшипника до отверстий поддува, мм.

Коэффициент f_p (e) зависит от величины эксцентричного смещения . Приближенно можно принять

(10)

Если ограничить предельное значение эксцентриситета e_max £ 0,5, то можно получить величину грузоподъемности подшипника

. (11)

Рис. 17. Аэростатическая опора

Применив разложение выражения (10) в ряд и ограничиваясь областью малых эксцентриситетов, отбрасывая все члены, кроме первого, что приемлемо для e < 0,3, грузоподъемность подшипника можно выразить как

. (12)

Жесткость аэростатического подшипника при малых эксцентриситетах, т. е. для шпинделей прецизионных станков, на основе приближенной зависимости (205) соответствует выражению

, (13)

где D – диаметральный зазор в подшипнике.

Расход воздуха в аэростатических подшипниках обычно невелик и может быть рассчитан на основе следующей формулы для объемного расхода:

м³/ч, (14)

где d – диаметр отверстия поддува, мм; z – число отверстий поддува; р_н – избыточное давление воздуха при подводе к отверстиям, кгс/см².

Конструктивное оформление аэростатических подшипников предусматривает использование жесткого цельного вкладыша (рис. 17) с системой ввода воздуха под давлением по концам, а при коротких подшипниках иногда и в среднюю часть втулки. Часто руководствуются соотношением l = 0,1L, а длину подшипника выбирают в пределах

L = (1–1,5) D. (15)

Диаметр отверстий поддува принимают 0,2–0,3 мм, а величину диаметрального зазора ограничивают значением

D = (0,0002¸0,0004) D. (16)

Число z отверстий поддува по экспериментальным данным, полученным в ЭНИМС, целесообразно выбирать, учитывая зависимость

, (17)

с округлением в большую сторону до ближайшего целого числа и с условием, что число отверстий поддува не должно быть менее трех [диаметр D в формуле (17) в мм].

Отверстия поддува целесообразно соединять кольцевой микроканавкой, что повышает грузоподъемность и жесткость примерно в 1,5 раза. Профиль микроканавки показан на рис. 17, а глубину выбирают, исходя из тех же соображений и на основе тех же зависимостей, которые даны для аэростатических направляющих. Объем воздуха в микроканавках должен быть в 4–5 раз меньше, чем объем воздуха в рабочем пространстве зазора.

Рис. 18. Шпиндель шлифовального круга на аэростатических опорах

Динамические характеристики опор с воздушной смазкой связаны с появлением и возможным развитием колебаний с частотой, равной половине частоты вращения (полускоростной вихрь), и колебаний с частотой, равной частоте вращения (синхронный вихрь). Первый вид колебаний обусловлен некруглостью шейки шпинделя, а второй – остаточным дисбалансом шпинделя и связанных с ним деталей. Малые эксцентриситеты (e < 0,2) колебаний типа полускоростного или синхронного вихря приводят к тому, что центр вала совершает движение с траекторией, весьма близкой к окружности. Лишь при больших нагрузках и соответственно больших значениях относительного эксцентриситета траектория движения центра шпинделя видоизменяется в эллипс. Основными способами устранения вредного влияния колебаний является ослабление самих источников появления полускоростного и синхронного вихрей – повышение точности формы шейки шпинделя и тщательная балансировка шпиндельного узла вместе с комплектом сопряженных деталей. В качестве примера конструктивного оформления шпинделя на воздушных опорах на рис. 18 приведена конструкция шпиндельной бабки шлифовального круга универсального круглошлифовального станка высокой точности. Жесткий шпиндель диаметром 95 мм вращается в аэростатических радиальных и упорных подшипниках; также аэростатическими выполнены направляющие каретки для поперечной подачи шлифовальной бабки. Диаметральный зазор в радиальных подшипниках равен 0,03 мм, а в плоских осевых подшипниках и в замкнутых направляющих 0,04 мм. Суммарная жесткость шпиндельного узла при действии поперечной силы в плоскости шлифовального круга равна 2,5 кгс/мкм.