CC BY
32
УДК 62-229.331:621.924 Н д ИВАНОВА,
B. С. ЩЕТИНИН, А. В. КОСМЫНИН, А. С. ХВОСТИКОВ,
C. С. БЛИНКОВ
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕДНЕЙ ГАЗОМАГНИТНОЙ ОПОРЫ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА НА ЕГО ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Анализ системы уравнений для определения эксплуатационных характеристик шпиндельного узла с передней газомагнитной опорой и задней газостатической опорой показал, что существенное влияние на выходные характеристики шпиндельного узла оказывает конструктивный параметр К^ Режим работы шпиндельного узла с включенным магнитным подвесом применим при черновых и получистовых операциях, когда требуется повышенная сила резания и невысокая точность обработки заготовок. Дальнейшая чистовая и финишная обработка детали ведется за один установ без открепления детали со станка при режиме работы шпиндельного узла с отключенным магнитным подвесом, когда не требуется высокая сила резания, а необходима высокая жесткость.
Ключевые слова: шпиндельный узел, газомагнитная опора, шпиндельные подшипники, газостатические подшипники, несущая способность, жесткость шпиндельного узла.
Технологическое переоснащение современной промышленности предъявляет повышенные требования к оборудованию по точности и производительности. Одним из такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях. В основном точность и производительность такого оборудования зависит от эффективности работы шпиндельного узла (ШУ), который, как известно, до 80% определяет погрешность обработки резанием. Поскольку движение формообразования осуществляется шпинделем и шпиндельными подшипниками, то именно они вносят решающий вклад в точность обработки.
К быстроходным опорам, применяемым в высокоскоростных ШУ, предъявляют следующие основные требования. Они должны иметь высокую параметрическую надежность и обладать приемлемой жесткостью и несущей способностью, для обеспечения восприятий нагрузок от сил резания [ 1 ].
Из всех видов опор, применяемых в ШУ, опоры качения и гидростатические подшипники имеют ограничение по частоте вращения. Ограничение по частоте вращения опор качения связано с высокими центробежными силами, не позволяющими попадать смазке в зонуконтактатели дорожек качения. С применением систем масловоздушного смазывания удается достичь предела быстроходности с1хп = 1,2-106 мм-мин"' для обычных шарикоподшипников [2] и с1хп = 1,6-106 мм'мин"1 для шарикоподшипников с керамическими телами и кольцами из специальных сталей. Как показали испытания, такая быстроходность достигается на предельных тонких смазочных пленках, и опоры качения не имеют запаса надёжности по толщине смазочного слоя.
Ограничение по частоте вращения шпинделя на гидростатических опорах связано со значительным тепловыделением из-за относительного скольжения слоев смазки.
Для ШУ, работающих на финишных операциях, когда скорости резания высокие а, силы резания малы, предпочтительно использование бесконтактных опор, у которых отсутствует ограничения по частоте вращения шпинделя. К таким опорам относятся газостатические [3] и активные магнитные подвесы (АМП) [4].
Для АМП и опор с газовой смазкой ресурс работы можно считать неограниченным в связи с отсутствием контакта шипа и вкладыша опоры. Однако эти типы опор имеют невысокую несущую способность, а АМП к тому же ещё и сложную систему контроля и управления положением шпинделя в пространстве [1,4].
Для решения в какой-то мере проблемы низкой несущей способности бесконтактных опор ШУ предлагается использовать газомагнитный подшипник, который совмещает в себе элементы газового и магнитного подшипников [5]. Такая опора обладает большей несущей способностью, в сравнении с обычным газостатическим подшипником за счёт сложения векторов силы магнитного притяжения и силы давления газовой смазки. При этом для магнитной силы не требуется активного управления, поскольку опора самоустанавливается за счёт действия силы газовой смазки.
Так как поле давлений газовой смазки и магнитное поле имеют разную природу, то они не оказывают влияния друг на друга. Из этого следует, что силовые взаимодействия газового и магнитных полей на шпиндель можно рассматривать раздельно. Тогда несущую способность газомагнитной опоры (ГМО)
'НЙ
а
га
Ш
Рнс.1. Схема шпиндельного узла: 1-передний газомагнитный подшипник, 2—задний газостатический подшипник, 3—магнитопровод
а)
0,6 | 0,4-
Г 0,2
0.
1 2
---- - - - _
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Кс ■-
определим как результирующий вектор двух силовых векторов от магнитной силы и давления газа: 0 =&+&,■
где д — газовая составляющая несущей способности; — магнитная составляющая несущей способности.
Схема конструкции одной из таких опор и стенд для исследования ее характеристик подробно описаны в работе [6]. Предлагаемая конструкция ГМО позволяет разгрузить переднюю опору ШУ в направлении противоположном действию вектора нагрузок. При этом заметим, что можно установить несколько магнитных подвесов как по радиусу, так и по длине опоры с различными магнитными силами.
Типовая схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя показана на рис. 1.
Основными характеристиками шпиндельного узла являются нагрузка Р и жесткость ./, измеренные на шлифовальном круге. Нагрузка Рнаходится из решения двух уравнений статики — суммы проекций сил на ось К
¥ = 0-0г
и моментов сил относительно точки О
0,1=02(а+1)+М,
где О, — несущая способность передней опоры, 02— несущая способность задней опоры, М — восстанавливающий момент от перекоса шпинделя.
Подробная методика расчета опор с газовой смазкой представлена в работе [3], а в работе [4] приведены практические расчеты АМП.
Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле:
где у — смещение оси круга.
Последнее выражение можно представить в виде:
3 = (Р*~Ра)кР^
С
где kJ =ёГ / с!у — коэффициент жесткости, с — средний радиальный зазор между шпинделем и вкладышем подшипника, рх—давление наддува газа, ра — атмосферное давление, — длина передней опоры, О—диаметр шпинделя, ^ = Р /(р5 - ра )Ц О — относительная нагрузка, у = у/с — относительное смещение оси шлифовального круга.
Исследованиями, выполненными в КнАГТУ [3], установлено, что из всех типов газостатических опор
Кс ——
--с магнитным подвесом,
--без магнитного подвеса
Рис.2. Зависимость относительной нагрузки (а) и коэффициента жесткости к1 (б) на шлифовальном круге от конструктивного параметра К^ 1 -п = 25000 мин"1, 2-л=50000 мин'1
предпочтительными для использования в высокоскоростных ШУ являются газовые подшипники с частично пористой стенкой вкладыша. Исходя из этого, детальному теоретическому и экспериментальному исследованию была подвергнута ГМО, сконструированная на базе частично пористой газостатической опоры.
Анализ системы уравнений для определения эксплуатационных характеристик ШУ с передней ГМО и задней газостатической опорой показал, что существенное влияние на выходные характеристики ШУ оказывает конструктивный параметр Кс, который равен
Кс=с^д/Зкр02 ,
где 8 —высота пористых вставок, ^—коэффициент газопроницаемости пористого материала.
Ниже приведены теоретические зависимости эксплуатационных характеристик ШУ от конструктивного параметра Кс. Расчеты выполнены при следующих основных исходных данных: длина подшипников Ь = 60 мм, диаметр шпинделя £> = 50 мм, давление наддува газа в опоры р3 = 0,6 МПа. Частота вращения шпинделя п задавалась равной 50000 мин"1 и 25000 мин'1.
На рис. 2 представлены расчетные нагрузочные и жесткостные характеристики ИГУ с включенным и выключенным электромагнитом передней опоры.
Анализ представленных зависимостей показывает, что конструктивный параметр оказывает заметное влияние на выходные характеристики ШУ. В отличие от жесткостных характеристик максимум нагрузки независимо от частоты вращения шпинделя и работы электромагнита достигается практически при одном и том же значении конструктивного параметра. Как видно из графиков, применение магнитной силы позволяет заметно увеличить нагрузку на шлифовальном круге. Однако при этом снижается жесткость.
Отсюда можно сделать вывод, что режим работы ШУ с включенным магнитным подвесом применим
при черновых и получистовых операциях, когда требуется повышенная сила резания и невысокая точность обработки заготовок. Дальнейшая чистовая и финишная обработка детали ведется за один уста-нов без открепления детали со станка при режиме работы ШУ с отключенным магнитным подвесом, когда не требуется высокая сила резания, а необходима высокая жесткость. Таким образом, применение магнитной силы позволяет расширить технологические возможности ШУ на бесконтактных опорах.
Библиографический список
1. Пуш, А. В. Шпиндельные узлы: Качество и надёжность / А. В. Пуш. — М.: Машиностроение, 1992. — 228 с.: ил.
2. Щетинин, В. С. Совершенствование высокоскоростных шпиндельных узлов на основе оптимизации процесса смазывания : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 : защищена 31.05.91 : утв. 31.10.91/Щетинин Владимир Сергеевич. — М.: Мосстанкин, 1991. — 199 с.
3. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А В. Космынин [и др.]. — М.: Академия Естествознания, 2006. — 219 с.
4. Журавлёв, Ю. П. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение / Ю. П. Журавлев. — СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.
5. Пат. 2347960 Российская Федерация МКП И 16 С 32/04, И 16 С 33/05 Способ работы подшипникового узла и подшипниковый
узел / Космынин А В., Щетинин В. С.; заявигельи патентообладатель Комсомольский-на-Амуре государственный технический ун-т. — №2007120545/11 ;заявл.01.06.07;опубл27.02.09,Бюл№6. - 2с.
6. Космынин, А В. Применение магнитной силы в газостатических опорах высокоскоростных шпиндельных узлах / А В. Космынин, В. С. Щетинин, Н. А. Иванова. — Вестник машиностроения. - 2009. - №5. - С. 19-21.
ИВАНОВА Наталья Александровна, старший преподаватель кафедры «Машины и аппараты химических производств».
ЩЕТИНИН Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств».
КОСМЫНИН Александр Витальевич, доктор технических наук, профессор, декан факультета энергетики транспорта и морских технологий. ХВОСТИКОВ Александр Станиславович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения».
БЛИНКОВ Сергей Сергеевич, аспирант кафедры
«Тепловые энергетические станции».
Адрес для переписки: e-mail: Avkosm@knastu.ru
Статья поступила в редакцию 16.07.2010 г.
©НА Иванова, В. С. Щетинин, А. В. Космынин, А. С. Хвостиков,
С.С.Блинков
УДК 621.534.833 с в. ЕЛИСЕЕВ
Ю. В. ЕРМОШЕНКО Р. С. БОЛЬШАКОВ
Иркутский государственный университет путей сообщения
НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования, г. Иркутск
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ В ПОЛОЖЕНИИ ТОЧКИ УСТАНОВКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ НА ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ
Рассматриваются вопросы установки динамического гасителя колебаний на объекте с двумя степенями свободы. Показано, что динамический гаситель колебаний с сочленением может обеспечить дополнительные режимы эффективной работы и необходимые условия для уменьшения вибрации.
Ключевые слова: динамическое гашение колебаний, сочленение твердых тел, виброзащитная система.
Введение. Вопросы использования динамических гасителей в системах с двумя степенями свободы, при всей изученности проблемы динамического гашения колебаний [1—3], редко рассматриваются в научной литературе. Вместе с тем задачи защиты объекта в виде твердого тела на двух упругих опорах имеют значение для инженерной практики, поскольку системы «балочного» типа достаточно широко используются в транспортной динамике [4, 5].
Постановка задачи. Общие положения. Рассмотрим виброзащитную систему, представленную на рис. 1 в виде твердого тела, имеющего массу Ми момент инерции I. В точке А находится центр тяжести системы. Его положение определяется соответствующими длинами отрезков 11 и 1Т В точке А закрепляется Г-динамический гаситель с массами т, и т2, разнесенными от шарнирного соединения на расстояния /6 и /7 соответственно. В точках В, и В2 присоединяются упругие
