Гидростатический подшипник

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к деталям машин-подшипникам скольжения с гидростатической смазкой, предназначенным для обеспечения устойчивого без вибрационного вращения в опорах подшипника с ультрапрецизионной точностью позиционирования его оси. Он может быть использован в конструкции шпинделей бабок изделия приводов главного движения ультра прецизионных токарных станков, выполняющих обработку методом ультрапрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов, в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 н.м). Техническим результатом заявленного технического решения является обеспечение технических характеристик по назначению гидростатического подшипника (точности позиционирования оси вала подшипника, жесткости, несущей и демпфирующей способности, устойчивой без вибрационной работы в области равновесного состояния фазового пространства роторной динамической системы шпинделя передней бабки привода главного движения ультрапрецизионного станка), определяемой механикой резания ультрапрецизионного микрорезания при условии непрерывности процесса механической обработки со сверх тонкими стружками (толщина измеряется десятками н.м.). Указанный технический результат достигается тем, что гидростатический подшипник содержит корпус с выполненными на его внутренней рабочей поверхности замкнутыми разделенными камерами 1, выполненными на внутренней рабочей поверхности 2 друг напротив друга, а также систему подвода гидродинамической смазки к камерам. Каждая из замкнутых камер 1 выполнена в форме сегмента цилиндра, а система подвода гидродинамической смазки выполнена в виде сквозного отверстия 11 в каждой камере 1 для индивидуальной подачи гидродинамической смазки.

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к деталям машин - подшипникам скольжения с гидростатической смазкой, предназначенным для обеспечения устойчивого без вибрационного вращения вала в опорах подшипника с ультрапрецизионной точностью позиционирования его оси. Он может быть использован в конструкциях шпинделей бабок изделия приводов главного движения ультрапрецизионных токарных станков, выполняющих обработку методом ультрапрецизионного микрорезания асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов в которых отражательная способность обрабатываемой поверхности существенно определяется средней квадратической величиной шероховатости (величина не более 5 н.м), а именно обеспечивающих траекторию вращательного координатного движения в процессе формообразования обрабатываемой поверхности с точностью позиционирования оси шпинделя 4080 н.м.

Из уровня техники известна конструкция гидростатического подшипника с системой камер на внутренней рабочей поверхности, которые соединены с источником внешнего давления каналами с дросселирующими отверстиями. Истечение масла из гидростатического подшипника происходит в тангенциальном направлении за счет сквозных осевых канавок на поперечных перемычках, в осевом направлении через кольцевой зазор между внутренней рабочей поверхностью корпуса и наружной поверхностью вала. Наличие сквозных осевых канавок в подшипнике вызывает падение давления на участках поперечных перемычек за счет процесса дренажа, что определяет существенную неравномерность распределения полей давления на кольцевом контуре внутренних связей рабочих поверхностей корпуса и вала с гидродинамическим слоем смазки. Указанное несовершенство конструкции приводит к ограниченным возможностям по достижению приемлемых по критерию качества характеристик точности и непрерывности алмазного ультра прецизионного микроточения при без вибрационном процессе работы гидростатического подшипника (см. Д.Н.Решетов «Детали машин». Машиностроение, М - 1975, стр.486-487, рис.236).

Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности признаков, технической сути и достигаемому результату является гидростатический радиальный подшипник вала, содержащий корпус с выполненными на его внутренней рабочей поверхности замкнутыми камерами, систему питания к ним и вал (RU 74982 U1 20.07.2008, F16C 17/00).

Обоснование выбора прототипа обусловлено совокупностью конструктивных признаков основных частей гидростатического подшипника оказывающих существенное влияние на обеспечение равновесного устойчивого состояния при позиционировании оси вала на слое гидростатической смазки между внутренней рабочей поверхности корпуса с замкнутыми камерами и наружной цилиндрической поверхностью вала.

Конструктивно-компоновочное решение внутренних связей основных конструктивных частей прототипа не в полной мере способствует компенсации внутренних возмущений от весовой нагрузки на вал роторной системы гидростатического подшипника ввиду наличия соединения замкнутых камер между собой кольцевой канавкой и пазами, расположенными на внутренней рабочей поверхности корпуса. Исполнение дросселирующих питателей в форме пазов, расположенных в тангенциальном направлении от кольцевой канавки к замкнутым камерам вызывает нарушение постоянства полей давления на внутренней рабочей поверхности корпуса с замкнутыми камерами, кольцевой канавки и пазов, что в свою очередь вызывает ухудшение условий компенсирующего действия при восстановлении равновесного состояния оси вала в процессе ее движения от возмущения действующей статической и динамической нагрузки, при этом роторная система, установленная на гидростатические подшипники сколь угодно, поздно возвращается в сколь угодно близкое равновесное состояние.

Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение технических характеристик по назначению точности позиционирования оси вала, жесткости, несущей и демпфирующей способности, устойчивой без вибрационной работы в области равновесного состояния фазового пространства роторной динамической системы шпинделя передней бабки привода главного движения ультрапрецизионного токарного станка, гидростатического подшипника, отвечающих требованиям без вибрационного вращения вала в опорах подшипника с ультрапрецизионной точностью позиционирования его оси в пределах 4080 н.м. Указанная точность определяется механикой резания ультрапрецизионного микроточения асферических оптических элементов с шероховатостью обработки 5 н.м.

Гидростатический подшипник имеет замкнутые камеры, выполненные в форме сегментов прямого кругового цилиндра, прямолинейные образующие, которого расположены на периферии внутренней рабочей поверхности, а их относительное расположение между собой определено их соседством во взаимосвязи с поперечными перемычками, середины которых находятся в диаметральных взаимно перпендикулярных плоскостях внутренней рабочей поверхности независимо от их углового расположения, причем сегменты цилиндров камер расположены оппозитно, например, в четырех равно расположенных диаметральных плоскостях внутренней рабочей поверхности.

Работа гидростатического подшипника в шпинделе привода главного движения ультрапрецизионного алмазного токарного станка с параметрами точности в нанометровом диапазоне по позиционированию его оси и критерию ее движения как свойства движущейся роторной системы шпинделя мало отклоняющейся при малых независимых возмущениях со стороны рабочего процесса ультрапрецизионного микрорезания при движении по траектории с равномерными регулярными отклонениями от равновесного состояния, при этом оставаясь в ограниченной сколь угодно близкой к равновесному положению области фазового пространства динамической роторной системы шпинделя передней бабки привода главного движения ультрапрецизионного токарного станка.

Указанная выше целевая техническая задача осуществляется при необходимой и достаточной совокупности отличительных признаков конструкторско-компоновочного решения внутренних связей основных конструктивных частей, формирующих гидростатический слой смазки, движение которого происходит при ламинарном стационарном истечении мало вязкой несжимаемой жидкости.

Геометрические размеры длины дуги сегмента, ширины поперечной перемычки определяются из условия распределения давления при гидродинамическом эффекте, а высота сегмента - из условия распределения давления при гидростатическом эффекте из решения краевых задач уравнения Рейнольдса для ламинарного стационарного течения мало вязкой несжимаемой жидкости.

Для получения практически одинаковой жесткости в любом диаметральном направлении гидростатического подшипника в сочетании с достаточной необходимой демпфирующей способностью, середины перемычек и сегменты прямого кругового цилиндра расположены в диаметральных взаимно перпендикулярных плоскостях оппозитно, например, в четырех равно расположенных диаметральных направлениях внутренней рабочей поверхности.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является создание компоновочно-конструкторского инженерного замысла в форме и взаимосвязи совокупности проектно-конструкторских решений функционального исполнения основных частей корпуса гидростатического подшипника, выраженных в виде формы и размеров геометрических конструктивных образов фигур, размещение и сочетание которых на внутренней рабочей поверхности корпуса создают условия устойчивого состояния оси вала на слое гидродинамической смазки в области равновесного позиционирования фазового пространства динамической роторной системы вала. Ламинарное истечение мало вязкой жидкости в диаметральном зазоре системы корпус - масляный слой - вал подшипника и закон движения его оси по траектории определенного вида, способствующей к малому отклонению от устойчивого равновесного состояния.

Ламинарное стационарное истечение мало вязкой жидкости в диаметральном зазоре системы «корпус подшипника - масляный гидростатический слой - вал» при его вращении и законе движения его оси по траектории определенного вида, способствующего к малому отклонению от устойчивого равновесного состояния при определенных параметрах жесткости и демпфирующей способности, при без вибрационной работе с малыми возмущениями от ультрапрецизионного микрорезания процесса алмазного точения.

Указанный технический результат достигается тем, что гидростатический подшипник содержит корпус с выполненными на его внутренней рабочей поверхности замкнутыми разделенными камерами, выполненными на внутренней рабочей поверхности друг напротив друга, а также систему подвода гидродинамической смазки к камерам, согласно полезной модели, каждая из замкнутых камер выполнена в форме сегмента цилиндра, а система подвода гидродинамической смазки выполнена в виде сквозного отверстия в каждой камере для индивидуальной подачи гидродинамической смазки.

Заявленный гидростатический подшипник поясняется иллюстрациями, где:

- на фиг.1 представлен вид корпуса гидростатического подшипника спереди (вал не показан);

- на фиг.2 - вид А-А с разрезом в диаметральной плоскости гидростатического подшипника (вал не показан);

- на фиг.3 - аксонометрия внешнего вида корпуса с расположением конструктивных элементов в осевом и диаметральном пространстве внутренней рабочей поверхности гидростатического подшипника;

- на фиг.4 - увеличенный местный разрез вида Б-Б спереди конструктивных элементов замкнутой камеры гидростатического подшипника.

При этом:

1. Замкнутая камера;

2. Внутренняя рабочая поверхность гидростатического подшипника;

3. Корпус;

4. Поперечные перемычки;

5-8. Диаметральные плоскости внутренней рабочей поверхности 2 гидростатического подшипника;

9. Сегмент цилиндра;

10. Сектор цилиндра;

11. Сквозное отверстие системы питания.

Гидростатический подшипник состоит из корпуса 3, в котором выполнена внутренняя рабочая поверхность 2, взаимодействующая с наружной поверхностью вала посредством слоя гидродинамической смазки (на фиг. не показаны). На внутренней рабочей поверхности 2 размещены замкнутые камеры 1, в которые через системы питания подается маловязкая жидкость. Камеры 1 выполнены в форме сегментов 9 цилиндра, их относительное расположение между собой определено их соседством во взаимосвязи с поперечными перемычками 4, середины которых находятся в диаметральных взаимно перпендикулярных плоскостях (на фиг. не показаны) внутренней рабочей поверхности 2, независимо от их углового расположения, причем сегменты 9 цилиндров камер 1 расположены оппозитно, например, в четырех равно расположенных диаметральных плоскостях 5, 6, 7, 8 внутренней рабочей поверхности 2.

Гидростатический подшипник работает следующим образом. При подаче через сквозное отверстие 11 системы питания мало вязкой жидкости в замкнутых камерах 1 создается давление за счет эффекта дросселирования в кольцевом зазоре между внутренней рабочей поверхностью 2 корпуса 3 и наружной поверхностью вала (на фиг. не показан) при истечении ее из подшипника в осевом направлении с каждой стороны. Расположение камер 1 оппозитно во взаимосвязи с поперечными перемычками 4, например, в четырех равно расположенных в диаметральных плоскостях 5, 6, 7, 8 внутренней рабочей поверхности 2 создает непрерывно регулярную многопоточность полей гидростатического давления на периферии кольцевого контура внутренних связей корпуса 3 с валом, направленных по радиальным лучам, совпадающим с направлением в каждом секторе сегмента 9 с диаметральной плоскостью 5, 6, 7, 8 цилиндра, не зависимо от его углового расположения. Многопоточный охват во внутренней связи гидростатическим давлением маловязкой жидкости периферийного контура наружной поверхности вала, обеспечивает наряду с компенсацией внутренних возмущений весовой нагрузки от массо-габаритных конструктивных форм роторной системы, в которой применяется в качестве опор гидростатический подшипник и состояние устойчивого позиционирования оси вала в области равновесного положения. Сочетание внутренних возмущений от весовой нагрузки и возмущений от сил резания при обработке алмазным ультрапрецизионным микроточением происходит изменение увеличение (уменьшение) гидростатического давления в слое маловязкой жидкости гидростатического подшипника в нагруженной (разгруженной) областях (определяется направлением действия весовой нагрузки) кольцевого контура вала. В результате появившейся дополнительной разности давлений в нагруженной и разгруженной областях несущего слоя гидродинамической смазки вала за счет малого смещения в направлении, противоположном действию весовой нагрузки происходит восстановление положения оси в состояние устойчивого равновесия. Сочетание жесткости, демпфирующей способности и радиально-лучевого центрирования в секторах полей давлений камер при их многопоточном распределении во внутренних связях внутренней рабочей поверхностью корпуса, гидродинамического слоя смазки и наружной поверхностью вала, обеспечивает устойчивый спокойный равновесный режим малых колебаний с определенными собственными частотами, который удовлетворяет условиям непрерывности процесса алмазного ультрапрецизионного микроточения.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, позволяет обеспечить достижение точности позиционирования оси вала гидростатического подшипника отвечающей характеристикам изделия по назначению и обеспечивающих непрерывность процесса алмазного ультрапрецизионного микроточения, роторной системой привода главного движения ультрапрецизионного токарного станка, где он применяется в опорных узлах, причем вынужденные возмущения от весовой нагрузки и процесса резания не приводят к неустойчивости процесса движения оси вала гидростатического подшипника обусловленных параметрами жесткости и демпфирующей способности конструктивно-компоновочного решения внутренних связей между внутренней рабочей поверхностью корпуса, наружной поверхностью вала и гидродинамическим слоем смазки маловязкой жидкости.

Описанные выше технические результаты позволяют в своей совокупности использовать заявленное устройство гидростатический подшипник в качестве опор в конструкциях шпинделей приводов главного движения ультрапрецизионных токарных станков. Предлагаемые конструктивные решения обеспечивают устойчивое без вибрационное движение оси шпинделя при вращении на слое гидростатической смазки между внутренней рабочей поверхностью корпуса с замкнутыми камерами и наружной цилиндрической поверхностью вала или опорного участка шпинделя.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки является существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверх суммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном устройстве отдельными признаками, не описанными в материалах заявки, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют, о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для ультрапрецизионных токарных станков в качестве опор шпинделей приводов главного движения с гидростатической смазкой мало вязкой жидкостью при обработке асферических поверхностей оптических элементов наукоемких машин и приборов методом алмазного ультрапрецизионного микроточения;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, описанного в материалах заявки.

Исходя из изложенного, заявленный объект, по мнению заявителя, соответствует требованиям условий патентоспособности: «новизна» и «промышленная применимость».

Гидростатический подшипник, содержащий корпус с выполненными на его внутренней рабочей поверхности замкнутыми разделенными камерами, выполненными на внутренней рабочей поверхности друг напротив друга, а также систему подвода гидродинамической смазки к камерам, отличающийся тем, что каждая из замкнутых камер выполнена в форме сегмента цилиндра, а система подвода гидродинамической смазки выполнена в виде сквозного отверстия в каждой камере для индивидуальной подачи гидродинамической смазки.