Введение к работе
Актуальность темы. Достижение высокой точности и параметрической надежности металлообрабатывающего оборудования является важной проблемой высокоразвитого машиностроения.
Уже на стадии проектировочных расчетов требуется создание таких узлов и элементов станков, которые бы в течение всего эксплуатационного периода обеспечивали заданную точность обработки. Исследования по оценке влияния различных факторов на точность обработки говорят, что ее до 80% определяет шпиндельный узел (ШУ). Поскольку движение формообразования осуществляется шпинделем и шпиндельными подшипниками, то именно они вносят решающий вклад в выходные характеристики.
Работа ШУ на опорах качения сопровождается нестабильной траекторией движения шпинделя, тепловыми смещениями подшипниковых узлов, периодическим изменением жесткости подшипников, что связано с изменением угла поворота сепаратора с комплектом тел качения и т.д. Применение в конструкциях высокоскоростных ШУ гидростатических подшипников приводит к ограничению частоты вращения шпинделя (из-за потерь на трение) и усложнению конструкции опорного узла. Шпиндели на электромагнитных опорах пока не нашли широкого применения в ШУ вследствие сложности и высокой стоимости шпинделей и электронных систем управления. Таких недостатков лишены ШУ с подшипниками на газовой смазке.
В настоящее время определилось несколько областей техники, в которых применение газовой смазки считается целесообразным, а в некоторых случаях единственно возможным решением, обеспечивающим нормальную работу узлов трения машин Наибольший эффект применения опор на газовой смазке в станкостроении достигнут при создании высокоскоростных ШУ фрезерно-сверлильных станков для обработки плат печатного монтажа, внутришлифо-вальных и расточных станков для обработки отверстий малых диаметров.
Многолетний опыт ЭНИМС по эксплуатации высокоскоростных ШУ на газовых опорах в условиях мелкосерийного и серийного производства позволил выявить их основные преимущества по сравнению с ШУ на опорах качения: большая долговечность, определяемая временем работы шпинделя при неизменном качестве шлифования; большая масса и жесткость шпинделя, уменьшающие чувствительность к дисбалансу оправки и круга, позволяют улучшить качество шлифуемой поверхности; отсутствие времени для прогрева шпинделя, значительно меньший (в 4...5 раз) уровень вибрации; меньший износ шлифовального круга.
Газовые опоры ШУ имеют и определенные недостатки, которые заключаются в относительно небольшой жесткости, несущей и демпфирующей способности смазочного слоя. Поэтому такие опоры применяют в малонагружен-ных ШУ, когда динамические нагрузки малы, а статические регламентированы.
вые г-
Анализ промышленных конструкций высокоскоростных ШУ с опорами на
«>с национальная!
вНЬЛКОТЕКА І
газовой смазке показывает, что в их состав входят радиальные и упорные газостатические подшипники (УГСП). Наиболее важными эксплуатационными характеристиками таких опор являются жесткость смазочного слоя, восстанавливающий момент от перекоса оси шпинделя и несущая способность, влияние которых на результаты шлифования хорошо известны в практике. Поэтому проблема создания газовых опор, позволяющих обеспечить высокие выходные характеристики высокоскоростных ШУ и тем самым повысить точность обработки изделий, имеет первостепенное значение. Решению этой актуальной для машиностроения проблемы и посвящена настоящая работа.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности работы высокоскоростных ШУ металлообрабатывающих станков путем совершенствования эксплуатационных характеристик газостатических опор.
Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:
разработать научно обоснованные методы проектирования газостатических подшипников высокоскоростных ШУ - радиальных с частично пористой стенкой вкладыша и упорных с прямоточным лабиринтным уплотнением рабочей поверхности на основе создания математических моделей, алгоритмов и программ для расчета их эксплуатационных характеристик;
в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров исследовать особенности эксплуатационных характеристик частично пористых опор высокоскоростных ШУ;
исследовать выходные характеристики шпинделя, установленного на газостатических опорах с пористыми вставками;
экспериментальным путем исследовать точность вращения вала на газостатических опорах с пористыми вставками и питающими отверстиями, а также температурное состояние частично пористого подшипника;
выполнить комплекс физических экспериментов по оптимизации конструкции шпиндельных кольцевых УГСП с прямоточным лабиринтным уплотнением рабочей поверхности;
исследовать раздельное влияние конструктивных и режимных параметров на эксплуатационные характеристики шпиндельных кольцевых УГСП;
- создать промышленные образцы металлообрабатывающего оборудова
ния с исследуемыми типами газовых опор и выработать практические рекомен
дации по их надежному применению в высокоскоростных ШУ.
Научная новизна работы состоит в том, что:
установлены зависимости статических и гибридных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми вставками от безразмерных комплексов и параметров, которыми удобно пользоваться при проектировании ШУ;
установлены выходные характеристики ШУ на газостатических опорах с пористыми вставками в зависимости от смещения оси шлифовального круга;
приведены результаты экспериментальных исследований точности вращения вала на газостатических опорах с пористыми вставками и питающими от-
\ гъ, «W ГА-
верстиями, а также результаты исследований температурного состояния подшипника с частично пористой стенкой вкладыша;
предложены математическая модель течения газа в зазоре частично пористых подшипников и численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных опор с пористыми цилиндрическими и кольцевыми вставками;
предложен критерий оптимизации ..шпиндельных кольцевых УГСП с прямоточным лабиринтным уплотнением рабочей поверхности;
установлены зависимости эксплуатационных характеристик и конструктивных элементов шпиндельных кольцевых УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями от безразмерных величин, позволяющие определять оптимальные параметры подшипников на стадии проектирования ШУ;
выявлено раздельное влияние конструктивных элементов шпиндельных кольцевых УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями на эксплуатационные характеристики подшипника.
Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ. Решение задачи о расчете эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми вставками базируется на системе фундаментальных в теории газовой смазки уравнений, и ведется в рамках численного метода решения уравнения Рейнольдса. При экспериментальном исследовании таких опор используются хорошо апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных. В основе экспериментального решения задачи нахождения оптимальных конструкций кольцевых УГСП с прямоточным лабиринтным уплотнением рабочей поверхности лежит метод симплекс-планирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов работы обеспечивается использованием хорошо известного в теории планирования экспериментов метода симплекс-планирования, известной в теории газовой смазки системы исходных уравнений и подтверждается сопоставлением результатов теоретического и экспериментального исследований характеристик газовых подшипников и выходных характеристик ШУ.
Практическая ценность работы заключается в разработанных комплексах программ по расчету эксплуатационных характеристик частично пористых радиальных газостатических подшипников и УГСП с прямоточным уплотнением рабочей поверхности, позволяющих эффективно решать задачу проектирования газостатических опор высокоскоростных ШУ.
Разработан пакет программ по расчету нагрузочных и жесткостных характеристик на шлифовальном круге ШУ. Выполненные исследования позволили сформулировать ряд практических рекомендаций по надежному использованию в ШУ исследуемых типов газовых подшипников.
Предложены защищенные патентами РФ конструкции газостатических опор и турбоприводов высокоскоростных ШУ.
Результаты работы легли в основу создания опытно-промышленных образцов внутришлифовальных шпинделей, внедренных в производство на Комсомольском-на-Амуре филиале ОАО «ОКБ Сухого» и ЗАО «Дальневосточный инструментальный завод» (г. Амурск). На уровне изобретений и полезных моделей созданы промышленные образцы высокоскоростных копировально-фрезерных станков для изготовления лопаточных аппаратов турбоприводов ШУ и ручных пневмошлифовальных машин с подшипниками на газовой смазке, серийное производство которых с объемом 1200 маш/мес освоено в ООО «Контакт» (г. Комсомольск-на-Амуре). Шлифовальные машины нашли спрос на предприятиях России (Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении, ПФ «КамАЗинструмент», Амурском судостроительном заводе и др.), странах СНГ, Ю. Кореи, Китая и демонстрировались на ряде предприятий концерна «Боинг» (США).
Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ГОУВПО «КнАГТУ».
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследований.
Лично автором, а также под его научным руководством разработаны математическая модель течения смазки в зазоре частично пористых газостатических подшипников, методы расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных УГСП с прямоточным уплотнением рабочей поверхности и газостатических опор с пористыми вставками, для которых составлены алгоритмы расчета и реализованы на ПЭВМ комплексы программ. Развита методика определения консольных характеристик ШУ, на основе которой разработаны алгоритм расчета и реализован на ПЭВМ пакет программ.
Сформулирована функция цели при решении задачи оптимизации конструкции шпиндельного УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями. Спроектированы и созданы экспериментальные установки. Выполнен весь комплекс экспериментов с последующим анализом экспериментальных и теоретических данных. Разработаны методики и рекомендации по проектированию исследуемого типа шпиндельных опор.
При личном и непосредственном участии автора разработаны конструкции высокоскоростных внутришлифовальных шпинделей и металлообрабатывающего оборудования, отработаны проектно-технологические вопросы серийного производства ручных пневмошлифовальных машин.
На защиту выносятся:
математическая модель, методы и алгоритмы расчета эксплуатационных характеристик частично пористых радиальных газостатических подшипников высокоскоростных ШУ;
результаты физического и численного эксперимента с частично пористыми радиальными газостатическими подшипниками ШУ, а также зависимости их эксплуатационных характеристик от конструктивных и режимных параметров;
результаты экспериментальных и теоретических исследований характеристик на консоли вала;
результаты экспериментальных исследований точности вращения вала и температурного состояния вкладыша опоры с пористыми вставками;
результаты оптимизации конструкции шпиндельных УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями рабочей поверхности и зависимости их эксплуатационных характеристик от конструктивных и режимных параметров;
методики и рекомендации по проектированию исследуемого типа газостатических опор ШУ;
- результаты практического использования разработанных математиче
ских моделей, методов расчета и рекомендаций, представленных в виде экс
плуатационных характеристик высокоскоростных ШУ металлообрабатываю
щего оборудования.
Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и межрегиональных научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах: «Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установою) (г. Канев, 1989 г), «Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1993 г.), «Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1994 г.), «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.), «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2002 г.), «Техника и технологии в рыбной отрасли XXI века» (г. Владивосток, 2002 г.), «Современные материалы и технологии 2002» (г Пенза, 2002г.), «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2002 г.), «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (г. Пенза, 2003 г.), «Пути и технологии экономии и повышение эффективности использования энергетических ресурсов региона» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г) Основные результаты работы докладывалась также на профилирующих кафедрах КнАГТУ (1995-2004 гг.), ДВГГУ (2002 г.) и ХГТУ (2002 г.).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 75 работах, включая две монографии и тринадцать патентов на изобретение
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложений Диссертация изложена на 350 страницах и включает 201 рисунок и 12 таблиц Библиографический список охватывает 251 литературный источник.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Кабапдину Ю.Г. за оказание всесторонней поддержки проводимых исследований и критические замечания к отдельным положениям диссертационной работы, позволившие улучшить изложение материала. Автор выражает также искреннюю признательность к т.н , проф Виноградову B.C., с кем он на протяжении последних лет создал ряд опытно-промышленных образцов высокоскоростного металлообрабатывающего оборудования.
