Конструкции шпиндельных узлов на подшипниках скольжения

Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точности и долговечности работы. В качестве таких опор используют в зависимости от свойств гидродинамические и гидростатические подшипники, а также подшипники с газовой смазкой [10].

Гидродинамические подшипники применяют в станках с высокими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной группы).

В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические подшипники (рис. 5.12, б), так как одноклиновые (рис. 5.12, а) не могут обеспечить требуемой жесткости и точности вращения. В многоклиновых подшипниках создается несколько клиновых зазоров, куда вращающимся валом увлекается масло, и результирующая гидродинамических сил F_д позволяет воспринимать внешнюю нагрузку F, действующую в любом направлении. Клиновые зазоры создаются обычно с помощью вкладышей, самоустанавливающихся в зависимости от нагрузки и положения шпинделя. Самоустановка вкладышей осуществляется либо их поворотом на сферических опорах (подшипник ЛОН-34 конструкции ЭНИМС, рис. 5.13, а), либо поворотом относительно специально выполненной втулки (подшипник ЛОН-88, рис. 5.13, б).

а) б)

Рис. 5.12. Гидродинамические подшипники с одним (а) и несколькими (б)

Масляными клиньями

а)

б)

Рис. 5.13. Гидродинамические подшипники с самоустановкой вкладышей:

а – поворотом на сферических опорах; б – поворотом относительно втулки

Конструктивные параметры гидродинамических подшипников определяют исходя из диаметра d шейки шпинделя, выбранного конструктивно.

При этом длину L вкладыша в осевом направлении и длину его по дуге В, см, принимают из соотношений

; .

В качестве рабочей жидкости применяют минеральное масло марки Л (велосит) с коэффициентом динамической вязкости при 50°С.

Существенным недостатком гидродинамических опор является изменение положения оси шпинделя при изменении частоты его вращения.

Гидростатические опоры обеспечивают высокую точность вращения, обладают высокой демпфирующей способностью, что значительно повышает виброустойчивость шпиндельного узла, имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения шпинделя.

Принцип действия гидростатического подшипника основан на том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источника через зазоры (щели) между сопряженными поверхностями в зазоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосредственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе (см. рис. 5.14). В радиальных подшипниках равномерно по окружности делают полости-карманы, куда через дроссели подается под давлением масло от источника питания (насоса). При приложении внешней нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в подшипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления р масла в одних карманах и уменьшению в противоположных. Уравнивания давлений в карманах не происходит вследствие наличия дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создает результирующую силу F_c, воспринимающую внешнюю нагрузку. Отвод смазочного материала производится через торцы подшипника, иногда и через дренажные канавки, выполненные на перемычках между карманами.

Конструктивные параметры радиальных гидростатических подшипников выбирают в зависимости от диаметра шейки шпинделя d. При этом обычно длина подшипника , размеры перемычек, ограничивающих карманы , диаметральный зазор мм.

Число карманов, как правило, принимают равным четырем. В качестве рабочих жидкостей применяют минеральные масла с вязкостью ; для высокоскоростных шпинделей с целью уменьшения потерь на трение используют масла с минимальной вязкостью, для повышения демпфирующей способности применяют более вязкие масла. Параметры капиллярных или щелевых дросселей, обеспечивающих ламинарное течение смазочного материала, при малых эксцентриситетах е рассчитывают таким образом, чтобы выполнялось условие , где р_к – давление в кармане; р_н – давление, создаваемое насосом. Параметры гидростатических подшипников могут быть оптимизированы исходя из получения максимальной жесткости или минимальных потерь на трение.

а)

б)

Рис. 5.14. Гидростатические осевые (а) и радиальные (б) опоры

Применение гидростатических опор требует сложной системы питания и сбора масла, что является их недостатком.

Принципиальная схема питания гидростатических опор приведена на рис. 5.15. Когда требуется высокая точность станка, к системе питания подключают холодильную установку для стабилизации температуры. Для обеспечения нормальной работы гидростатических опор требуется тщательная фильтрация масла. Максимальный размер частиц, попадающих в зазор, не должен превышать половины минимальной величины зазора (5-10 мкм).

Расчет гидростатических подшипников сводится к определению нагрузочной способности, жесткости масляного слоя, расхода смазочного материала и потерь на трение и прокачивание масла.

Опоры с воздушной смазкой. В станкостроении применяют аэростатические подшипники, по принципу действия подобные аналогичным гидростатическим, только несущий слой в них создается путем подвода в зазоры между сопряженными поверхностями не жидкости, а сжатого воздуха под давлением, не превышающим 0,3-0,4 МПа. Вследствие этого нагрузочная способность их невелика, однако малая вязкость воздуха позволяет существенно снизить потери на трение, что предопределило применение аэростатических подшипников в небольших прецизионных станках при больших окружных скоростях вращения шпинделя.

Рис. 5.15. Схемы питания гидростатических опор шпинделя:

1 – насос питания; 2 – фильтр грубой очистки; 3 – фильтр тонкой очистки;

4 – обратный клапан; 5 – фильтр особо тонкой очистки; 6 – дроссели; 7 – манометр;

8 – гидроаккумулятор; 9 – реле давления; 10 – насос откачки; 11 – теплообменник;

12 – перепускной клапан

Материалы шпинделей на подшипниках скольжения представлены в табл. 5.6 [13].

Таблица 5.6