Аэростатическая шпиндельная опора
Аэростатическая шпиндельная опора относится к области машиностроения, а именно к аэростатическим опорам с расширенным диапазоном воспринимаемых нагрузок.
Аэростатическая шпиндельная опора содержит корпус, неподвижную втулку с системой параллельно подключенных регулируемых пневмосопротивлений, дозирующих расход газовой смазки и втулку из пористых материалов, состоящую из двух частей. Внешняя часть втулки изготавливается из упругого материала, а внутренняя ее часть из неупругого твердого материала. Пористый материал состоит из большого количества мельчайших капилляров, через которые газ поступает в смазочный зазор. Опора также содержит систему управления, регулирующую положение вала, состоящую из высокочувствительных датчиков перемещения емкостного типа, устройства преобразования, устройства сравнения, задающего устройства и высоковольтных усилителей.
Техническим результатом является повышение нагрузочных характеристик, жесткости, несущей способности, а также виброустойчивости конструкции.
Полезная модель относится к машиностроению и может использоваться во всех отраслях промышленности в качестве радиальной опоры роторной машины, например, в металлорежущих станках.
Известна аэростатическая опора с циркулярным поддувом, выполненная в виде цилиндрической втулки, снабженной отверстиями для подачи сжатого газа, расположенными симметрично по окружности ("Опоры скольжения с газовой смазкой.", С.А.Шейнберг, В.П.Жедь, М.Д.Шишеев. М.; Машиностроение 1969 г., 45-48 с.).
Недостатком такого устройства является тот факт, что достижение максимальной несущей способности, жесткости, а соответственно и максимального диапазона воспринимаемых нагрузок возможно только в случае совпадения плоскости радиального смещения вала с плоскостью одного из питающих сопел. С другой стороны, увеличение числа сопел в ряду приводит к заметному уменьшению коэффициента несущей способности вследствие взаимодействия ударных волн между запертыми соплами при определенных расстояниях между ними.
Известна аэростатическая опора по авторскому свидетельству №1033786, МПК F16С 32/06, опубликованному №29, 83 г. Она состоит из втулки с системой параллельно подключенных питателей, как постоянного проходного сечения, так и переменного, равномерно расположенных по окружности, и систему управления с датчиками положения вала.
Данная опора не позволяет добиться максимальной несущей способности и жесткости, а также подвержена вибрациям.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является аэростатическая шпиндельная опора с поворотной втулкой по патенту №2127377, МПК F16С 32/06, опубликованному №7, 1999 г. Прототип состоит из корпуса, неподвижной втулки с регулируемыми пневмосопротивлениями и датчиками положения шпинделя по информации с которых, система автоматического регулирования выдает управляющие сигналы на регулируемые пневмосопротивления и привод поворотной втулки с нерегулируемыми питателями. Поворотная втулка посредством зубчатой передачи сообщается с шаговым двигателем. На внешней поверхности поворотной втулки по окружности выполнены секторные канавки для подвода газовой смазки от регулируемых пневмосопротивлений к питателям, расположенным в центре каждого сектора поворотной втулки независимо от углового положения этой втулки относительно корпуса. Система автоматического управления состоит из коммутатора, аналого-цифровых преобразователей, программируемого логического блока, демультиплексора, цифро-аналоговых преобразователей и блока усиления.
Данная конструкция позволяет добиться максимальной несущей способности, жесткости и широкого диапазона воспринимаемых нагрузок в результате совмещения плоскости радиального смещения вала с продольной осью одного из питающих сопел посредством поворотной втулки, но имеет достаточно сложную конструкцию и довольно дорогостоящие элементы.
Кроме того, данная опора подвержена вибрациям и требует точной балансировки.
Техническим результатом, достигаемым при реализации полезной модели, является упрощение и снижение себестоимости конструкции, максимально возможная несущая способность и жесткость, расширенный диапазон воспринимаемых нагрузок, а также высокая виброустойчивость опоры.
Этот технический результат достигается тем, что аэростатическая шпиндельная опора, содержащая корпус, неподвижную втулку с системой параллельно подключенных пневмосопротивлений, соединенных через систему управления с датчиками положения шпинделя, содержит втулку, выполненную из пористых материалов и состоящую из двух частей, соединенных между собой, при этом внешняя часть втулки выполнена из упругого материала, а внутренняя - из неупругого, твердого материала, а система автоматического управления, состоит из последовательно соединенных преобразователя, элемента сравнения и высоковольтного усилителя, где на элемент сравнения подается сигнал с задающего устройства.
На фиг.1 показана схема аэростатической шпиндельной опоры (разрез А-А, разрез Б-Б, В-В, Г-Г на фиг.2).
Аэростатическая шпиндельная опора содержит корпус 1, неподвижную втулку 2 с равномерно распределенными по окружности пневмосопротивлениями 3, втулку из пористых материалов 4, вал 5, датчики
положения 6 (преимущественно емкостного типа), преобразователь 7, элемент сравнения 8, задатчик 9 и высоковольтный усилитель 10.
Аэростатическая шпиндельная опора работает следующим образом. Специально подготовленный воздух под давлением Pпит через управляемые пневмосопротивления 3 поступает в полость между неподвижной втулкой 2 и втулкой из пористых материалов 4. Далее через втулку из пористых материалов 4 воздух поступает в смазочный зазор. Вал 5 в опоре под действием нагрузки смещается из своего первоначального положения на некоторую величину, влияя тем самым на перераспределение давлений в смазочном зазоре, таким образом, что в области, где величина смазочного зазора уменьшается, давление возрастает, а в области, где эта величина увеличивается, давление соответственно снижается. Изменение положения вала фиксируют емкостные датчики 6 (возможно использование датчиков другого типа). Сигнал с датчиков через устройство преобразования 7 поступает на устройство сравнения 8, где сравнивается с сигналом задающего устройства 9. Сигнал рассогласования после усиления поступает на пневмосопротивления 3, состоящие из пакета синфазно соединенных пьезопластин, изменяющих свои размеры в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Проходное сечение пневмосопротивлений увеличивается, либо уменьшается, дозируя расход газовой смазки и влияя на величину давления Р о (давление в полости между неподвижной втулкой 2 и втулкой из пористых материалов 4). Втулка 4,
изготовленная из пористых материалов, содержит большое количество мельчайших капилляров, через которые воздух попадает в смазочный зазор равномерно распределяясь в нем, создает подъемную силу, стабилизирующую вал в эксцентричном положении.
В результате ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что величина подъемной силы Кн газовой подушки в смазочном зазоре, а соответственно несущая способность и диапазон воспринимаемых нагрузок самой опоры, прямопропорционально зависит от величины давления на пористую втулку Рo и от величины параметра пористого материала 
: (фиг.3)
В - коэффициент пропорциональности, характеризующий проницаемость материала;
r1 - длина окружности пористой втулки;
- толщина пористого материала;
h- величина смазочного зазора (зазора между пористой втулкой и валом);
Таким образом, с уменьшением величин и h увеличивается несущая способность опоры в целом, поэтому конструктивная особенность самой пористой втулки позволяет во многом увеличить несущую способность, жесткость и диапазон воспринимаемых нагрузок. Внешняя часть втулки выполнена из упругого материала, и под действием давления Po на нее со
стороны регулируемых пневмосопротивлений сжимается, т.е. уменьшается толщина стенок втулки в зоне повышенного давления, образуя тем самым дополнительную восстанавливающую силу в смазочном зазоре (см. формулу 1) и чем выше это давление, тем больше сжимается упругая часть пористой втулки (фиг.2. Г-Г). Внутренняя часть втулки напротив изготавливается из неупругого твердого материала, что не позволяет ей под действием давления P1 сжимать пористую втулку со стороны смазочного зазора, увеличивая тем самым его величину, т.к. это, напротив, приведет к уменьшению подъемной силы.
Отличительной особенностью пористой втулки является то, что она состоит из большого числа мельчайших капилляров, через которые газ равномерно распределяется по всей рабочей поверхности опоры. Это устраняет необходимость в применении карманов, способствующих появлению вибрации. Кроме того, пористые материалы обладают способностью поглощать энергию вынужденных колебаний, если таковые возникают, и обладает хорошими демпфирующими свойствами. Простота и хорошие эксплуатационные качества данного материала делают опору более дешевой и простой по конструкции без потери ее рабочих характеристик.
1. Аэростатическая шпиндельная опора, содержащая корпус, неподвижную втулку с системой параллельно подключенных пневмосопротивлений, соединенных через систему управления с датчиками положения шпинделя, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную втулку, выполненную из пористых материалов и состоящую из двух частей, соединенных между собой, при этом внешняя часть втулки выполнена из упругого материала, а внутренняя - из неупругого, твердого материала.
2. Опора по п.1, отличающаяся тем, что система управления состоит из последовательно соединенных преобразователя, элемента сравнения и высоковольтного усилителя, где на элемент сравнения подается сигнал с задающего устройства.
