Характеристики конічних підвісів з поздовжніми глухими мікроканавками постійної ширини і різним профілем по глибині

Abstract

Газові підвіси з поздовжніми канавками успішно використовуються у високошвидкісних шпиндельних вузлах свердлильних та шліфувальних верстатів, технологічному обладнанні з обробки кристалів і прецизійних приладах. Але невелика в’язкість і стисливість газу вимагає детального дослідження всіх факторів, які впливають на їх роботу. Надійність газових підвісів залежить від відповідності розрахункових значень підйомної сили, моменту реакції і жорсткості робочого газового шару від зовнішньої навантаження, а економічність — від витрати газу. Інженери та вчені наполегливо ведуть пошук конструкцій і методів розрахунку газових підвісів з максимальними силовими характеристиками за мінімальних витрат газу. Це досягається використанням зовнішніх дроселів, комбінації зовнішнього та внутрішнього дроселювання потоку газу. Використання ж газових підвісів з поздовжніми канавками пояснюється технологічністю їх виготовлення та високою надійністю в роботі. Але підвіси такого типу значно поступаються за своїми характеристиками підвісам з регуляторами тиску поза несучого шару газу з відносною довжиною опори l £ 3. Для поліпшення характеристик підвісів з поздовжніми канавками необхідно зменшити витрати і шкідливі кругові перетікання газу в робочому зазорі з ділянки підвищеного тиску в бік зниженого. Це досягається використанням канавок змінного профілю з максимальною глибиною канавок в зоні подачі стисненого газу для роботи газових підвісів.

Запропоновано нанесення східчастих поздовжніх мікроканавок та мікроканавок, глибина яких змінюється за лінійним законом з максимальною глибиною на лінії наддування стиснутого газу в робочі зазори конічного підвісу, що приводить до збільшення ефективності Еε (відношення Kε*/Q*) використання конічних підвісів в шпиндельних вузлах, приладах тощо від 13,9 до 16,8 %, коли α = 2° і від 1,2 до 16,5 %, коли α = 6°, та зменшує радіальне зміщення осі вала із співвісного з корпусом положення на 17…27 % по відношенню до підвісів з мікроканавками постійної глибини (за однакового зовнішнього навантаження), що підвищує надійність роботи шпиндельних вузлів.

Профіль поздовжніх мікроканавок мало впливає на кутову та осьову жорсткості конічного підвісу і суттєво впливає на радіальну жорсткість.

Газовые подвесы с продольными канавками успешно используются в высокоскоростных шпиндельных узлах сверлильных и шлифовальных станков, технологическом оборудовании по обработке кристаллов и прецизионных приборах. Но небольшая вязкость и сжатие газа требует детального исследования всех факторов, которые влияют на их работу. Надежность газовых подвесов зависит от соответствия расчетных значений подъемной силы, момента реакции и жесткости рабочего газового слоя от внешней нагрузки, а экономичность — от расхода газа. Инженеры и ученые постоянно ведут поиск конструкций и методов расчета газовых подвесов с максимальными силовыми характеристиками при минимальных затратах газа. Это достигается использованием внешних дросселей, комбинации внешнего и внутреннего дросселирования потока газа. Использование же газовых подвесов с продольными канавками обусловливается технологичностью их изготовления и высокой надежностью в работе. Но подвесы такого типа значительно уступают по своим характеристикам подвесам с регуляторами давления вне несущего слоя газа при относительной длине подвеса l £ 3. Для улучшения характеристик подвесов с продольными канавками необходимо уменьшить расходы и вредные круговые перетекание газа в рабочем зазоре с участка повышенного давления в сторону пониженного. Это достигается использованием канавок переменного профиля с максимальной глубиной канавок в зоне подачи сжатого газа для работы газовых подвесов.

Предложено нанесение ступенчатых продольных микроканавок и микроканавок, глубина которых изменяется по линейному закону с максимальной глубиной на линии наддува сжатого газа в рабочие зазоры конического подвеса, приводит к увеличению эффективности Еε (отношение Kε*/Q*) использования конических подвесов в шпиндельных узлах, приборах и т.д. от 13,9 до 16,8 % при α = 2° и от 1,2 до 16,5% при α = 6° и уменьшает радиальное смещение оси вала с соосного с корпусом положения на 17…27 % по сравнению с подвесами с микроканавками постоянной глубины (при одинаковой внешней нагрузке), что повышает надежность работы шпиндельных узлов.

Профиль продольных микроканавок в незначительной степени влияет на угловую и осевую жесткости конического подвеса и значительно влияет на радиальную жесткость.

Gas bearings with longitudinal grooves are successfully used in high-speed spindle units of drilling and grinding machines, processing equipment for processing crystals and precision instruments. But a small viscosity and compression of gas requires a detailed study of all factors that affect their work. The reliability of gas bearings depends on the compliance of the calculated values of the lifting force, the moment of reaction and the rigidity of the working gas layer from the external load, and the economy — on the gas flow. Engineers and scientists constantly search for structures and methods for calculating gas bearings with maximum power characteristics with minimal gas consumption. This is achieved using external chokes, a combination of external and internal throttling of the gas flow. The use of gas bearings with longitudinal grooves is determined by the manufacturability of their manufacture and high reliability in operation. But bearings of this type are significantly inferior in their characteristics to bearings with pressure regulators outside the carrier gas layer with a relative bearing length of l £ 3. To improve the characteristics of bearings with longitudinal grooves, it is necessary to reduce costs and harmful circular flow of gas in the working gap from the section of increased pressure to the lower side. This is achieved by using variable profile grooves with a maximum depth of grooves in the compressed gas supply zone for working of gas bearings.

The proposed application of stepped longitudinal micro-grooves and micro-grooves, the depth of which varies according to the linear law with the maximum depth at the line of pressure of compressed gas into the working gaps of the conical bearing, leads to an increase in the efficiency of Eε (Kε*/Q* ratio) of the use of tapered bearings in spindle units, devices and etc. from 13,9 to 16,8 % for α = 2° and from 1,2 to 16,5 % for α = 6° and reduces the radial displacement of the axis of the shaft with the coaxial with the body of the position by 17…27 % compared with the bearings with the micro-grooves constant depth (with the same external load), which increases the reliability of the work of the spindle units.

The profile of longitudinal micro-grooves has an insignificant effect on the angular and axial stiffness of the bevel bearing and greatly affects the radial stiffness.