CC BY
53
Ереско С.П., Шатохин С.Н. УДК 621.9.06; 621.822.572.001.04
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПРОБЛЕМАТИКА ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНЫХ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ОПОР В ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛАХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
В современных металлорежущих станках для прецизионной и высокоскоростной обработки, микро-резания, точения сверхтвердым инструментом (алмаз, эльбор, гексанит, минерало-керамика), а также в тяжелых и уникальных станках применяют шпиндельные узлы с бесконтактными гидростатическими опорами скольжения, которые по точностным, нагрузочным, скоростным и динамическим характеристикам значительно превосходят другие опоры. Дальнейшее совершенствование гидростатических и аэростатических шпиндельных опор, расширение их функциональных возможностей является актуальной научно-технической проблемой машиностроения и станкостроения.
Гидростатические шпиндельные опоры имеют высокую надежность и практически неограниченную долговечность. Их можно одновременно использовать как динамометрические преобразователи нагрузки или приводы микроперемещений. Однако они не производятся централизованно и не являются покупными изделиями (как подшипники качения). Станкостроительные предприятия вынуждены самостоятельно решать весь комплекс проблем проектирования, изготовления и эксплуатации.
Наибольшее применение в металлорежущих станках получили гидростатические шпиндельные опоры с постоянным давлением нагнетания и дроссельной компенсацией расхода смазки в несущих карманах (схема «дроссель - карман»). Такие опоры конструктивно просты и хорошо изучены, но имеют сравнительно невысокие нагрузочные характеристики.
Не имеют дроссельной компенсации гидростатические опоры с нагнетанием смазки в несущие карманы от многопоточных объемных насосов или делителей потока (схема «насос - карман»). Считается, что в этом случае затраты мощности снижа-
ются в 1,5-2 раза и податливость опоры в 2-2,5 раза в сравнении со схемой «дроссель - карман». Но это справедливо лишь при малом изменении нагрузки и рабочего зазора, что характерно для незамкнутых направляющих тяжелых станков. В замкнутой шпиндельной гидростатической опоре уже при относительном эксцентриситете 0,4 насосные потери мощности возрастают вдвое, а давление смазки в нагруженном кармане в пять раз. Поэтому схема «насос - карман» не находит применения в шпиндельных гидростатических опорах, так как при одинаковых насосных потерях она обеспечивает такие же нагрузочные характеристики, что и схема «дроссель - карман», а при одинаковом допустимом давлении смазки даже уступает ей. Кроме того, схема «насос - карман» значительно дороже, чувствительна к изменению вязкости и нагреву смазки, имеет худшие динамические характеристики из-за большой длины трубопроводов, соединяющих насосы с несущими карманами.
Наиболее перспективны, но недостаточно разработаны и изучены, а поэтому реже применяются гидростатические опоры с нагнетанием смазки по схеме «регулятор - карман». Регуляторы управляют нагнетанием смазки в несущие карманы либо по изменению перемещения подвижной части опоры, либо по изменению давления смазки в карманах, которое пропорционально нагрузке.
На рисунке 1 приведены типовые графики нагрузочных характеристик для замкнутых гидростатических опор с различными схемами нагнетания смазки. Видно, что только регуляторы, управляемые по изменению давления смазки в несущих карманах (график 5), в начальном диапазоне нагрузок обеспечивают характеристику с отрицательной податливостью (перемещение шпинделя происходит навстречу нагрузке). Отрицательный эксцентриситет шпинделя уменьшает влияние уп-
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
©
ругих деформаций станка на точность обработки, которая повышается в 1,5-2,5 раза более. Поэтому такие гидростатические опоры называют адаптивными.
■)- Л У з / 5 /а )
\fi-A
Диапазон отрицательной податливости
Диапазон отрицательных эксцентриситетов Рис. 1. Нагрузочные характеристики радиальных гидростатических шпиндельных опор с различными схемами нагнетания смазки: 1) самокомпенсация, 2) дроссель-карман, 3) регулятор с управлением по перемещению, 4) насос - карман, 5) регулятор с управлением по нагрузке
Более высокие нагрузочные характеристики адаптивных гидростатических опор позволяют при одинаковой нагрузочной способности уменьшить давление нагнетания смазки, диаметр шпинделя, или рабочий зазор в 1,2^1,4 раза. Это позволяет сократить потери мощности в 2^3 раза - до значений, не уступающих высокоскоростным шпиндельным узлам с подшипниками качения [1, 2].
В Сибирском федеральном университете (СФУ)1 совместно с рядом машиностроительных и станкостроительных предприятий длительное время проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, в результате которых созданы более совершенные конструкции адаптивных гидростатических шпиндельных опор с встроенными регуляторами нагнетания смазки, в том числе плавающими, которые образуют с несущей частью опоры компактный и технологичный модуль. В результате проведенных исследований разработаны различные конструкции и прикладные методы расчета радиальных, осевых и радиально-
1 до 2007 г. - Красноярский государственный технический университет (КГТУ),
до 2002 г. - Красноярский политехнической институт (КрПИ)
осевых адаптивных шпиндельных опор с встроенными плавающими регуляторами [3, 4, 5, 6].
На рисунке 2 показана радиальная адаптивная гидростатическая шпиндельная опора без несущих карманов, с встроенным плавающим кольцевым регулятором, которая имеет следующие достоинства:
- технологичную конструкцию, состоящую из четырех высокоточных деталей простой формы;
- отсутствие несущих карманов, что позволяет уменьшить фрикционные потери мощности при высокой частоте вращения шпинделя;
- авторотацию плавающего кольцевого регулятора от фрикционного момента вращающегося шпинделя, что исключает облитерацию дросселирующих щелевых зазоров и на 25^30% уменьшает фрикционные потери мощности;
- на 20^30% превосходит по нагрузочной способности и экономичности адаптивные гидростатические шпиндельные опоры с другими типами регуляторов нагнетания смазки.
Рис. 2. Радиальная гидростатическая шпиндельная опора с встроенным плавающим кольцевым регулятором: 1 - корпус шпиндельного узла, 2 - неподвижная составная опорная втулка, 3 - неподвижные опорные фланцы, 4 - плавающий кольцевой регулятор, 5 - опорная шейка шпинделя
Проблема создания адаптивных гидростатических опор не сводится лишь к достаточному усилению регулятора. Теоретически и экспериментально установлено, что для устойчивости режима отрицательной податливости необходимы дополнительные конструктивные меры, повышающие собственное демпфирование опоры. Исследование различных способов обеспечения устойчивости адаптивных опор показало, что наиболее простым и эффективным решением является размещение в проточном тракте опоры после управляемых со-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
противлений регулятора дополнительных демпфирующих дросселей, расположенных как можно ближе к несущему слою смазки. Оптимальное сопротивление демпфирующих дросселей составляет 15-20 % от управляемых сопротивлений регулятора, поэтому они незначительно ухудшают статические характеристики опоры [7].
В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально показано, что применяемые в инженерной практике расчеты потерь мощности в гидростатических опорах основаны на недопустимом упрощении математических моделей течения смазки. Это приводит к неоптимальным и даже ошибочным решениям при проектировании высокоскоростных шпиндельных опор. Разработана методика расчета потерь мощности в гидростатических опорах, учитывающая нагрев и изменение вязкости смазки, её сжимаемость, циркуляцию и турбулентность в несущих карманах. Эта методика показала полное соответствие экспериментальным данным при скорости скольжения до 60 м/с [8].
При большой окружной скорости в разгруженном несущем кармане гидростатической опоры возможна кавитации смазки, которая снижает точность вращения шпинделя. Показано, что причиной кавитации является циркуляции смазки по глубине кармана. Разработана методика расчета совокупности параметров опоры, при которой кавитация не возникает [9].
Результаты исследования изменяют традиционные представления об оптимальных параметрах скоростных гидростатических опор. В частности, рекомендуется уменьшить относительную величину внешних сопротивлений, значительно увеличить глубину и уменьшить площадь несущих карманов или вообще отказаться от них.
В связи с непрерывным ужесточением требований к точности шпиндельных узлов прецизионных станков проведено теоретическое и экспериментальное изучение статического и динамического влияния периодических погрешностей формы опорных поверхностей и пульсации давления нагнетаемой смазки на точность вращения. Результаты исследования позволили значительно уменьшить влияние этих факторов на биение шпинделя. Разработана методика расчета допустимых значений геометрических погрешностей опорных поверхностей и пульсации давления смазки, обеспечивающих заданную точность опоры на рабочей частоте вращения [10, 11].
Анализ упругих деформаций шпиндельного узла с гидростатическими опорами позволил выявить экстремальное влияние длины опорной части шпинделя и длины опор на нагрузочные харак-
теристики узла. Установлено, что оптимальная длина передней адаптивной гидростатической опоры в зависимости от давления нагнетания смазки составляет 0,5—0,8 от диаметра опорной шейки шпинделя, то есть существенно меньше обычно рекомендуемых значений. К тому же уменьшение длины гидростатической опоры повышает ее технологичность и снижает фрикционные потери мощности, что особенно существенно для высокооборотных шпинделей [12, 13, 14].
Исследованы функциональные возможности гидростатических шпиндельных опор как бесконтактных динамометрических преобразователей действующей нагрузки. Показано, что в адаптивных опорах динамометрическим аналогом, кроме изменения давления смазки в несущем слое, является перемещение активного элемента регулятора, которое проще поддается измерению. Установлено, что в адаптивных гидростатических опорах полоса пропускания такого преобразователя увеличивается в 1,5—1,8 раза и достигает при оптимальном выборе параметров 60—70 Гц. При этом наибольшую линейность динамометрической характеристики обеспечивает плавающий регулятор с гидростатическим подвесом активного элемента [15].
Получаемая от шпиндельных опор динамометрическая информация позволяет осуществлять комплексное двухконтурное адаптивное управление процессом обработки. Первый контур на основе полученной динамометрической информации стабилизирует размер динамической настройки, управляя через СЧПУ станка подачей инструмента или скоростью резания. Второй контур стабилизирует размер статической настройки станка за счет отрицательной податливости адаптивных шпиндельных опор. Установлено, что двухконтурное управление при черновых и получистовых токарных, расточных, фрезерных и шлифовальных операциях повышает точность обработки в 2,5-4,5 раза и производительность на 30-60% .
Результаты проведенных исследований реализованы при разработке для предприятий и организаций руководящих технических материалов, подсистем САПР, опытных конструкций шпиндельных узлов и направляющих с гидростатическими и аэростатическими опорами, в том числе:
- разработан, изготовлен и испытан высокоскоростной шпиндельный узел с адаптивными гидростатическими опорами, которые одновременно используются СЧПУ как динамометрические датчики-преобразователи для многоцелевого двухшпиндель-ного токарного станка МТД-901; для этого станка разработан также шпиндельный узел с гидростати-
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
©
ческими опорами, имеющими пьезоэлектрические регуляторы активного нагнетания смазки в несущие карманы, которые позволяют через СЧПУ реализовать различные алгоритмы управления микроперемещениями шпинделя (НИТИ Минавиапрома, г. Саратов, 1993 г.);
- разработан, изготовлен и испытан высокоскоростной мотор-шпиндель с аэростатическими опорами для специального фрезерного станка с ЧПУ (ФГУП «Красмаш», г. Красноярск, 1990 г.);
- разработана, изготовлена и испытана навесная фрезерно-расточная головка с гидростатическими опорами шпинделя для тяжелого обрабатывающего центра НС421МФ4 (ПО «Тяжстанкогид-ропресс», г. Новосибирск, 1989 г.);
- разработана, изготовлена и испытана бабка изделия с гидростатическими опорами шпинделя для кругло-шлифовального станка особо высокой точности 3У10А (СПО «Комунарас», г. Вильнюс, 1986 г.);
- разработан, изготовлен и испытан шпиндельный узел с адаптивными гидростатическими опорами для серийной модернизации токарно-винторезных станков 1К62 (ВФ СКБ «Индикатор», г. Выборг, 1980 г.);
- разработан проект шпиндельного узла и задней бабки с гидростатическими опорами шпинделя и пиноли для токарного станка высокой точности ФТ-12 (СКТОС завода им. В.И. Ленина, г. Фрунзе, 1980 г.);
- разработаны, изготовлены и использованы в производственных условиях фрезерные головки с гидростатическими опорами шпинделя для планетарного фрезерования точных пазов немерными концевыми фрезами на тяжелом токарном станке (ПО «Сибтяжмаш», г. Красноярск, 1974 и 1979 г.);
- разработан проект модернизации зубофре-зерного станка 5306П, в котором предусмотрено использование гидростатических опор для шпинделей фрезерного суппорта и стола («Станкостроительный завод им. 40 лет Октября», г. Вильнюс, 1977 г.);
- разработаны и испытаны шпиндельные узлы с гидростатическими опорами для желобо-шлифовального автомата ЛЗ-154 и внутришлифо-вального полуавтомата ЛЗ-105 (ГПЗ № 14, г. Прокопьевск, 1977 г.).
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Шатохин С.Н., Коднянко В.А., Зайцев В.П. Функциональные возможности радиальной адаптивной гидростатической опоры / Журнал «Машиноведение», 1988, № 4 - С. 85-91.
2. Шатохин С.Н., Зайцев В.П. Ярошенко С.А. Проектирование адаптивных гидростатических подшипников / Журнал «Вестник машиностроения», 1992, № 6-7 - С. 25-28.
3. Шатохин С.Н., Пикалов Я.Ю., Демин В.Г. Адаптивные бесконтактные опоры скольжения с плавающими регуляторами нагнетания смазки для шпиндельных узлов и направляющих металлорежущих станков / Журнал «Технология машиностроения», 2006, №9 - С. 29-33.
4. Демин, В.Г. Пикалов Я.Ю. Проектирование адаптивных гидростатических опор с плавающими регуляторами нагнетания смазки для шпиндельных узлов и направляющих металлорежущих станков. / Журнал «Технология машиностроения», 2008, №9 - С. 27-30.
5. Пикалов Я.Ю., Шатохин С.Н., Демин В.Г. Конструкции и характеристики адаптивных гидростатических шпиндельных опор с плавающим регулятором нагнетания смазки / Журнал СТИН, 2006, №5 - С. 18-22.
6. Пикалов Я.Ю., Шатохин С.Н. Динамические характеристики адаптивной гидростатической шпиндельной опоры с плавающим кольцевым регулятором / Вестник Ассоциации выпускников КГТУ №3. Красноярск: Изд-во СФУ, 2007 - С. 141-148.
7. Шатохин С.Н., Коробейников А.Ф. Апериодическая устойчивость и статические характеристики гидростатических опор с отрицательной податливостью / В кн. «Опоры скольжения с внешним источником давления // Под ред. С.Н. Шатохина. Красноярск: Изд-во КГТУ. 1977 - С. 57-70.
8. Шатохин С.Н. Расчет и минимизация потерь мощности в гидростатических подшипниках / Журнал «Станки и инструмент», 1989, № 9. - С. 16-19.
9. Шатохин С.Н. Ярошенко С.А. Влияние высокой частоты вращения на эксплуатационные характеристики адаптивного гидростатического подшипника / Журнал «Проблемы машиностроения и надежности машин», 1990, № 2 - С. 38-43.
10. Шатохин С.Н., Секацкий В.С. Влияние некруг-лости опорных поверхностей на точность радиальных гидростатических подшипников шпинделя / Журнал «Известия вузов. Машиностроение», 1988, № 7 - С. 127-131.
11. Шатохин С.Н., Секацкий В.С. Влияние пульсации давления масла в гидростатических шпиндельных опорах на точность станка / Журнал «Станки и инструмент», 1985, № 12 - С. 9-10.
12. Шатохин С.Н. Расчет и оптимизация шпиндельных узлов с гидростатическими подшипниками /
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Журнал «Станки и инструмент», 1983, № 7 - С. 15-16.
13. Расчет и оптимизация нагрузочных характеристик шпиндельных узлов с гидростатическими подшипниками / Журнал «Станки и инструмент», 1987, № 3 - С. 13-14.
14. Пикалов Я.Ю., Демин В.Г., Шатохин С.Н. Многопараметрическая оптимизация нагрузочных и энергетических характеристик шпиндельного узла с адаптивными гидростатическими опорами
/ Вестник Ассоциации выпускников КГТУ, №10. Красноярск: Изд-во КГТУ, 2004 - С. 177-183.
15. Зайцев В.П., Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Исследование и расчет адаптивных гидростатических подшипников-преобразователей / В кн. «Опоры скольжения с внешним источником давления смазки (гидростатические, аэростатические) // Под ред. С.Н. Шатохина. Красноярск: Изд-во КГТУ. 1977 - С. 57-70.
Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. УДК 621.311:621.331
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С УЧЕТОМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК
Введение. Линии электропередачи напряжением 6-10-35 кВ, проходящие вдоль трасс железных дорог переменного тока, подвержены электрическому и магнитному влияниям контактной сети (КС) [1]. За счет этого возможно появление опасных напряжений на отключенных ЛЭП даже при значительной их удаленности (100 м и более) от КС. Так как наводимое напряжение магнитного влияния пропорционально частоте влияющего тока, возможно существенное возрастание уровня наведенных напряжений на отключенных линиях 6-10-35 кВ из-за наличия в КС высших гармоник (ВГ).
Предварительная оценка этого фактора может быть сделана следующим образом. Напряжение магнитного влияния от гармоники V с частотой v а> = 2п/ v определяется законом электромагнитной индукции с учетом экранирующего действия рельсов [1]:
и у = vaMIv 15 ,
где V - ток контактной сети на гармонике V;
М у = 10 -
1п
1 +
6 ■ 10
5 \
а а/V
Гн/км -
взаимная
ной сети, рассчитанная для частоты гармоники с номером v ; а - ширина сближения, м, а - удельная проводимость земли, См/м; I - длина смежного провода, км; 5 - коэффициент экранирования
рельсами, в первом приближении равный 0.5.
Если аппроксимировать тяговый ток прямоугольными импульсами с амплитудой 1т, то для тока нечетной гармоники с номером V можно записать [1] следующее соотношение:
т = 4т
1 V .
vп
Эффективное значение напряжения, наводимое высшими гармониками, при этом равно
и %> = Ди; =
V=3 п V V=3
Е м 2
индуктивность 1 км смежного провода и контакт-
Суммирование проводится только по нечетным гармоникам, а величина п не превосходит 21 из-за необходимости учета на более высоких частотах эффектов распределенности параметров. Из анализа приведенной формулы можно сделать вывод о том, что напряжение и Эф) сопоставимо с напряжением, наводимым током основной частоты.
4
