CC BY
12УДК 62-229.331:621.924
МЕТОДИКА РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГАЗОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
А.В. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет 681000, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 2
Рассмотрена методика расчета несущей способности газомагнитной опоры высокоскоростного шпиндельного узла. Учтено влияние на характеристики шпиндельного узла магнитной силы, сил, созданных газовым слоем от внешнего наддува, и газодинамического эффекта.
Ключевые слова: шпиндельные узлы, газомагнитная опора, шпиндельные подшипники, газостатические подшипники, несущая способность/
Развитие современной промышленности предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию по производительности и точности. Примером такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях. В основном точность и производительность такого оборудования зависит от шпиндельного узла, установленного на станок.
Высокоскоростные шпиндельные узлы для шлифовальных станков должны обладать достаточной несущей способностью для обеспечения высокой производительности. Для достижения высоких скоростей в шпиндельных узлах применяют газостатические или магнитные опоры.
Газостатические опоры способны обеспечить высокие скорости вращения вала и практически являются долговечными из-за отсутствия контакта между шипом и вкладышем [1]. Главным недостатком этих опор является сравнительно низкая несущая способность, поэтому они находят ограниченное применение в машиностроении. Известны также бесконтактные опоры на магнитных подвесах. Широкое применение магнитных подвесов затрудняется сложностью их управления, а также тепловыделением от индукционных токов, возникающих от перемагничивания вала, вращающегося на высокой частоте.
Для расширения области использования бесконтактных опор в высокоскоростных устройствах предложена комбинированная газомагнитная опора [2], которая обладает повышенной несущей способностью за счёт сложения магнитных и газовых сил. При этом газ, проходящий через зазор между валом и вкладышем, является охлаждающим агентом. Это, в свою очередь, позволяет применять большие магнитные силы. Управление магнитным подвесом в газомагнитной опоре не требуется, так как система является самоорганизующейся. При смещении вала в эксцентричное положение магнитные и газовые силы противостоят внешней нагрузке, в результате чего шип занимает определённое пространственное положение.
Космынин Александр Витальевич - д.т.н., профессор. Щетинин Владимир Сергеевич - к.т.н., доцент. Иванова Наталья Александровна - аспирант.
Предлагаемый тип опоры целесообразно использовать, например, в высокоскоростных шпиндельных узлах, в которых основная нагрузка от сил резания ориентирована в радиальном направлении.
Методика расчета газовых опор с пористыми вставками достаточно полно представлена в монографии [3], а практические расчеты активных магнитных подвесов изложены в работе [4]. В настоящей работе предлагается методика расчета комбинированной газомагнитной опоры с частично пористой стенкой вкладыша, принципиальная схема которой показана на рис. 1.
Так как поле давления газовой смазки и магнитное поле имеют разную физическую природу, то они не оказывают влияния друг на друга. Учитывая вышесказанное, силовое взаимодействие газового и магнитного полей на вал допустимо рассматривать раздельно. Тогда несущую способность комбинированной опоры найдем как векторную сумму двух сил - магнитной и газовой:
(1)
где О г - газовая составляющая несущей
—^
способности; - магнитная состав-
ляющая несущей способности.
На рис. 2 представлена расчётная схема газомагнитного подшипника.
Рис. 1. Конструкция газомагнитной опоры: 1 - внешняя нагрузка; 2 - газостатическая сила; 3 - шпиндель; 4 - магнитопровод; 5 -электромагнит; 6 - магнитная сила; 7 - пористая вставка; 8 - корпус; 9 - наддув газа в пористые вставки; 10 - подача газа
Рис. 2. Расчётная схема газомагнитной опоры:
1 - пористая цилиндрическая вставка; 2 - непроницаемая втулка; 3 - сердечник соленоида
Учитывая изменение индукции от величины зазора, зависимость (1) можно представить в виде:
йбм = КэК-2й$,
где Кэ = 0,5ц0 (т)2 - коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида; I - сила тока в соленоиде; п - число витков соленоида; Н - воздушный зазор между валом и полюсом электромагнита.
Несущая способность магнитного подвеса определим как
22м = д/ Охм + Оум ,
где Охм и Оум - проекции на ось х и у вектора магнитной силы. Эти проекции находятся из выражений:
О* = КМ
Р+Рі і <р. г йр
со*{¥-—) ] —
О„ = к/г ап^-Г) |
_ 2 Р
где у - угол положения нагрузки, в - окружная координата начала первого полюса, Гм - полюсный угол, Т - длина электромагнита, В - ширина электромагнита.
Используя зависимости (2), а также методику расчета газостатической опоры [3], выполним оценочный расчет несущей способности газостатической и газомагнитной опор и попутно сравним с опытными данными. Описание конструкции экспериментального стенда и результатов эксперимента приведены в работе [5].
Расчеты, как и эксперимент, проведены для опоры длиной Ь=60 мм и диаметром вкладыша 0=50 мм при абсолютном давлении наддувар=6 МПа.
На рис. 3 показана зависимость несущей способности опор Q от частоты вращения вала п и относительной магнитной силы Ом, которая определяет долю магнитной силы от максимальной газостатической силы:
Ом 0м
Р
Р+Рі
йр
(2)
Ом =-
О
тах
г
рЬБ
<3,н
750
600
450
300
150
0
<Зм=о,з
О II $
-1
0 13000 26000 39000 52000 65000 п,мин
Рис. 3. Зависимость несущей способности опор 2 от частоты вращения вала п и относительной магнитной силы Ом :
■ - экспериментальные данные, полученные на стенде [5]
Как видно из представленных графиков, несущая способность газомагнитного подшипника при Ом =0,3 на 10...30% выше, чем у газостатической опоры (Ом =0).
При этом экспериментальные точки, соответствующие QM =0,3, достаточно близко
лежат к теоретической кривой.
В настоящее время в Комсомольском-на-Амуре ГТУ ведутся работы по широкомасштабному исследованию характеристик газомагнитных опор и высокоскоростных шпиндельных узлов шлифовальных станков с такими опорами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ПушА.В. Шпиндельные узлы: качество и надёжность. - М.: Машиностроение, 1992. - 228 с.: ил.
2. Пат. 2347960 РФ. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел / Космынин А.В., Щетинин В.С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре государственный технический ун-т. - № 2007120545/11; заявл. 01.06.07; опубл. 27.02.09. Бюл. №6. - 2 с.
3. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А.В. Космынин, Ю.Г. Кабалдин, В.С. Виноградов, С.П. Чернобай. - М.: Академия естествознания, 2006. -219 с.: ил.
4. Журавлёв Ю.П. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.: ил.
5. Космынин А.В., Щетинин В.С., Иванова Н.А. Применение магнитной силы в газостатических опорах высокоскоростных шпиндельных узлов // Вестник машиностроения. - 2009. - №5. - С. 19-21.
Статья поступила в редакцию 10 марта 2010 г.
UDC 62-229.331:621.924
DESIGN PROCEDURE of BEARING ABILITY GAS-MAGNETIC BEARING A.V. Kosmynin, V.S. Scthetinin, N.A.Ivanova
Komsomolsk-na-Amure State Technical University 27, Lenina pr., Komsomolsk-na-Amure, 681000
In the article we saw the methods of calculation of bearing ability gas-magnetic bearing highspeed spindle assemblies. Influence on characteristics spindle assemblies of magnetic force and forces created by a gas layer from external pressurization and the gas-dynamic effect was taking into account.
Keywords: spindle assemblies, gas-magnetic bearing, spindle bearings, gas-static bearings, bearing ability.
Alexander V. Kosmynin - Doctor of Technical Sciences, Professor.
Vladimir S. Scthetinin - Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Natalia A. Ivanova - Postgraduate student.
