Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цель и задачи работы 11
1.1 Актуальность применения гидростатических шпиндельных опор в металлорежущих станках и другом высокотехнологичном оборудовании 11
1.2 Гидростатические шпиндельные опоры с неподвижной опорной втулкой 15
1.3 Гидростатические шпиндельные опоры с подвижной опорной втулкой 25
1.4 Цель и задачи диссертационной работы 30
Глава 2. Технические решения, математическое моделирование и теоретическое исследование мультиадаптивных гидростатических шпиндельных опор 32
2.1 Технические решения для МГШО с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки 32
2.2 Математическое моделирование и теоретическое исследование статических характеристик МГШО 36
2.3 Конечно-элементное моделирование и численный анализ нагрузочных характеристик и переходных процессов в МГШО 53
2.4 Параметрическая оптимизация МГШО 62
2.5 Выводы по результатам главы 65
Глава 3. Теоретическое исследование нагрузочных характеристик и оптимальное проектирование шпиндельных узлов с МГШО 68
3.1 Математическое моделирование и теоретическое исследование шпиндельных узлов с МГШО 68
3.2 Оптимальное проектирование шпиндельных узлов с МГШО 73
3.3 Выводы по результатам главы 81
Глава 4. Экспериментальная проверка и практическая реализация результатов исследования 83
4.1 Опытный образец радиальной МГШО 83
4.2 Экспериментальный стенд, методика и результаты испытания нагрузочной характеристики опытного образца радиальной МГШО 88
4.3 Экспериментальная установка и методика измерения модуля упругости материала эластомерного подвеса 92
4.4 Практическая реализация результатов работы 94
4.5 Выводы по результатам главы 97
Заключение 98
Основные результаты и выводы 98
Апробация и практическая реализация работы 100
Публикации автора по теме диссертации 102
Список сокращений и условных обозначений 105
Список литературы
- Гидростатические шпиндельные опоры с неподвижной опорной втулкой
- Математическое моделирование и теоретическое исследование статических характеристик МГШО
- Оптимальное проектирование шпиндельных узлов с МГШО
- Экспериментальная установка и методика измерения модуля упругости материала эластомерного подвеса
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования. В шпиндельных узлах прецизионных и тяжёлых металлорежущих станков, станков для микрообработки и другого оборудования находят применение бесконтактные гидростатические шпиндельные опоры, которые обеспечивают точность вращения, нагрузочную способность, виброустойчивость и долговечность недостижимую для других типов шпиндельных опор.
Наименее изучены гидростатические шпиндельные опоры с эластомерным подвесом упруго-подвижной опорной втулки. Анализ показал, что известные технические решения таких опор не в полной мере используют функциональные возможности микроперемещений опорной втулки. Сделан вывод об актуальности создания мультиадаптивных гидростатических шпиндельных опор (далее МГШО) с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки, которые могут обеспечить более высокие технические характеристики. Актуальность проблемы определила цель и задачи работы, которые соответствуют пунктам 1, 2 и 8 паспорта научной специальности 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин.
Объектом исследования являются разработанные мультиадаптивные
гидростатические опоры и шпиндельные узлы с МГШО.
Предметом исследования являются статические нагрузочные и энергетические характеристики МГШО, переходные процессы, а также нагрузочные характеристики шпиндельных узлов с МГШО.
Целью работы является совершенствование технических характеристик шпиндельных узлов обрабатывающих станков и другого технологического оборудования на основе использования функциональных возможностей мультиадаптивных гидростатических шпиндельных опор (МГШО) с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки.
Научная новизна.
Теоретически и экспериментально доказано, что разработанные и исследованные мультиадаптивные гидростатические шпиндельные опоры (МГШО) с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки обеспечивают при оптимальном значении параметров:
- нагрузочную характеристику с большими отрицательными эксцентриситетами во всем
диапазоне нагружения и отрицательной податливостью в большей части этого диапазона за счет
активного дроссельного регулирования нагнетания рабочей жидкости в управляющие камеры,
расположенные в два круговых ряда на внешней поверхности опорной втулки, и в несущие
карманы, аналогично расположенные в два круговых ряда на её внутренней поверхности;
- неколебательный переходный процесс при отрицательной податливости, который
благодаря конструкционному демпфированию эластомерного подвеса затухает за 0,005-0,008 с;
- увеличение нагрузочной способности и уменьшение расхода рабочей жидкости в 1,5-2
раза за счет угловой самоустановки опорной втулки при перекрестном соединении несущих
карманов одного кругового ряда с аналогично расположенными управляющими камерами другого кругового ряда;
- отсутствие параметрического биения шпинделя при вращающейся радиальной нагрузке за
счет углового смещения управляющих камер и несущих карманов одного кругового ряда на 1/2
углового шага относительно другого кругового ряда.
Теоретическое и практическое значение.
Разработаны и защищены патентом РФ на изобретение технические решения для радиальных и радиально-упорных (конических) МГШО с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки, которые существенно превосходят известные гидростатические шпиндельные опоры по техническим характеристикам.
Созданы математические модели, вычислительные алгоритмы и компьютерные программы, с помощью которых проведены теоретическое исследование и параметрическая оптимизация функциональных возможностей МГШО и шпиндельных узлов с МГШО.
Разработана методика оптимального проектирования МГШО и шпиндельных узлов с МГШО, позволяющая рассчитать их нагрузочную способность, податливость, расход рабочей жидкости и потребляемую мощность без использования специальных компьютерных программ.
Методология и методы исследования.
Теоретические исследования основаны на фундаментальных положениях теоретической механики, математического анализа, гидродинамической теории смазывания, теории упругости, теории подобия, математической статистики.
Для исследования функциональных возможностей МГШО использовали методы:
математического моделирования и аналитического расчета;
численного конечно-элементного анализа (вычислительный эксперимент);
поисковой параметрической оптимизации по генетическому алгоритму;
- натурного испытания в лабораторных условиях (физический эксперимент).
Положения, выносимые на защиту (личный вклад автора).
-
Технические решения для радиальных и радиально-осевых МГШО с эластомерным подвесом управляющей опорной втулки.
-
Математические модели, вычислительные алгоритмы и компьютерные программы для расчета, исследования и параметрической оптимизации МГШО и шпиндельных узлов с МГШО.
-
Методика и результаты:
- аналитического исследования и параметрической оптимизации функциональных
возможностей МГШО;
конечно-элементного моделирования и численного анализа нагрузочных характеристик и переходных процессов МГШО в компьютерной среде ANSYS (вычислительный эксперимент);
натурного испытания опытного образца МГШО (физический эксперимент).
4. Рекомендации для оптимального проектирования шпиндельных узлов с МГШО.
Степень достоверности.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
- использованием корректных допущений при аналитическом исследовании;
- проверкой результатов аналитического исследования вычислительными
экспериментами и натурным испытанием опытного образца МГШО;
- аттестацией средств измерения и статистической обработкой результатов натурного
испытания;
Апробация, публикация и практическая реализация.
Основные положения работы апробированы на семи международных и всероссийских научно-технических конференциях.
В полном объеме работа доложена и обсуждена:
на расширенном заседании кафедры «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Политехнического института ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск);
в научном совете ФГБОУ ВО «Братский государственный университет» (г. Братск);
на Кафедре станков МГТУ «СТАНКИН» (г. Москва). По материалам работы опубликованы:
три статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК;
семь статей в материалах международных и всероссийских научных конференций;
пять патентов РФ на изобретения;
два свидетельства РФ регистрации компьютерных программ. Результаты работы:
- внедрены в учебно-методический процесс Политехнического института ФГАОУ ВО
«Сибирский федеральный университет» (г. Красноярск);
использованы в отчетах по двум научным контрактам (грантам);
переданы для реализации в АО «Н1Ш «Радиосвязь» (Красноярск) и АО «Информационные спутниковые системы» им. М.Ф. Решетнева» (Железногорск, Красноярского края).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с общими выводами, списка 111 использованных источников и приложения. Общий объем диссертации - 130 страниц, включая 47 рисунков, 6 таблиц в тексте и приложение.
Гидростатические шпиндельные опоры с неподвижной опорной втулкой
Наиболее просты, хорошо изучены и чаще применяются гидростатические шпиндельные опоры с неподвижной опорной втулкой и неуправляемым (пассивным) дроссельным регулированием нагнетания рабочей жидкости.
Основные разработки и исследования таких опор представлены в работах А.Н. Альтшуллера, Ю.Н. Соколова, В.Э. Пуша, В.В. Бушуева, М.А. Шимановича, Г.В. Фокина, А.В. Романтеева, Н.П. Артеменко, А.И. Белоусова, А.В. Пуша, Л.Я. Кащеневского, В.Б. Рова и других.
Зарубежные исследования представлены в работах Г. Риппела, И. ОДонохью, Ф. Кенигсбергера, А. Коли, И. Инасаки, Д. Синга, А. Джонса, П. Девиса, Р. Леонарда, Г. Этлса и других.
Нагрузочную способность шпиндельных узлов с такими гидростатическими опорами ограничивает опасность кромочного контакта шпинделя с неподвижной опорной втулкой. На рисунке 1.1 показано, что при консольном нагружении двухопорного шпинделя из-за его изгиба и перекоса допустимый расчетный эксцентриситет в передней радиальной гидростатической опоре e (0,4 0,5) Последовательно, теоретически возможная нагрузочная способность опоры используется на 40 50 % .
Схема вероятного точечного контакта (ВТК) для шпиндельного узла с гидростатическими опорами, имеющими неподвижную опорную втулку и пассивное дроссельное регулирование нагнетания рабочей жидкости: а) - схема ВТК, б) - нагрузочная характеристика e(f) пассивной гидростатической шпиндельной опоры Более сложны и менее изучены адаптивные гидростатические шпиндельные опоры с неподвижной опорной втулкой и управляемым (активным) дроссельным регулированием нагнетания рабочей жидкости. Они могут обеспечить нагрузочную характеристику с отрицательной податливостью, которая позволяет компенсировать негативное влияние податливости других элементов несущей системы станка на точность обработки, либо при заданной точности повысить её производительность за счет увеличения подачи или уменьшения числа проходов.
Основные разработки и исследования адаптивных гидростатических шпиндельных опор с неподвижной опорной втулкой и управляемым (активным) дроссельным регулированием нагнетания рабочей жидкости представлены в работах Г.А. Левита, Б.Г. Лурье, Е.М. Якира, Ю.А. Сухолуцкого, Г.Х. Ингерта, Г.И. Айзенштока М.Е. Мосина, В.В. Бушуева, В.Б. Рова, Л.Я. Кащеневского, С.Н. Шатохина, А.Ф. Коробейникова, В.П. Зайцева, В.А. Курешова, С.А. Ярошенко, Я.Ю. Пикалова С.А. Морси, И. ОДонохью, И. де-Гаста [97, 92, 23, 76, 42, 40, 53, 107] и др.
На рисунке 1.2 показаны разработанные в НПО ЭНИМС (Москва) радиальные гидростатические шпиндельные опоры с кольцевыми многопоточными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости [97]. Опоры имеют шпиндель 1 и неподвижную опорную втулку 2, которые разделяет зазор h несущего слоя рабочей жидкости, корпус 3 и регулятор 4, образующий с поверхностью опорной втулки 2 дросселирующую щель hp. На внутренней поверхности опорной втулки расположены несущие карманы глубиной к, в которые рабочая жидкость нагнетается от источника постоянного давления (гидростанции) через дросселирующий щелевой зазор hp кольцевого регулятора 4 и через дросселирующий щелевой зазор h1 , образованный уплотняющими поясками по периферии несущих карманов, поступает в дренажные каналы и возвращается в гидростанцию. Регулятор 4 выполнен как упруго-подвижное кольцо, охватывающее опорную втулку 2. Упругими элементами регулятора могут быть: тонкие пластины 5 (рисунок 1.2-а), упругие стержни 7 (рисунок 1.2-6) или эластомерные элементы 8 (рисунок 1.2-е и 1.2-г).
При радиальном нагружении адаптивной гидростатической опоры шпиндель сначала смещается в направлении нагрузки и создает положительный радиальный эксцентриситет. Это приводит к уменьшению (увеличению) толщины несущего слоя h на дросселирующих перемычках нагруженных (разгруженных) несущих карманах и увеличению (уменьшению) в них давления рабочей жидкости, которое действует на внутреннюю поверхность кольцевого регулятора и смещает его в направлении нагрузки. При этом гидравлическое сопротивление в соответствующих зонах дросселирующей щели р уменьшается (увеличивается), что приводит к увеличению (уменьшению) нагнетания рабочей жидкости в нагруженные (разгруженные) несущие карманы. В результате шпиндель получает вторичное смещение, которое противоположно направлению нагружения. При соответствующей упругости кольцевого регулятора вторичное смещение может быть больше первичного.
Математическое моделирование и теоретическое исследование статических характеристик МГШО
Управляющие камеры через кольцевые канавки и каналы 7 соединены с гидростанцией (не показана), которая нагнетает в опору рабочую жидкость под давлением рн = const. Каждая управляющая камера перекрестно соединена каналом 8 с аналогично расположенным несущим карманом другого кругового ряда.
Радиальная нагрузка f действующая на опорную шейку шпинделя, вызывает смещение ё опорной шейки в зазоре h по направлению нагрузки (ё 0). При этом давление ркн в нагружаемых (pкр в разгружаемых) несущих карманах и связанных с ними управляющих камерах увеличивается (уменьшается). Разность давлений в диаметрально противоположных несущих карманах и управляющих камерах создает радиальную нагрузку на наружную и внутреннюю поверхность опорной втулки, которая для сохранения силового равновесия смещается в зазоре на величину радиального эксцентриситета ёв.
Если эффективная площадь управляющих камер существенно больше эффективной площади несущих карманов радиальное смещение опорной втулки происходит противоположно направлению нагрузки (ев 0). При этом в нагружаемой (разгружаемой) управляющей камере дросселирующий щелевой зазор h увеличивается (уменьшается) и происходит дополнительное увеличение
(уменьшение) нагнетания рабочей жидкости в нагружаемые (разгружаемые) несущие карманы, давление в которых увеличивается (уменьшается).
Сохраняя силовое равновесие, опорная шейка шпинделя вторично смещается в зазоре h на величину радиального эксцентриситета ё , который противоположен направлению нагрузки (e" 0). В результате после завершения переходного процесса установится отрицательный радиальный эксцентриситет шпинделя e = e + e" 0, то есть МГШО будет иметь отрицательную податливость.
Перекрестная гидравлическая связь управляющих камер одного кругового ряда с аналогично расположенными несущими карманами другого кругового ряда обеспечивает угловую самоустановку опорной втулки при перекосе и изгибе нагруженного шпинделя. Это уменьшает возможность кромочного контакта шпинделя с опорной втулкой и существенно расширяет реальный диапазон нагрузочной характеристики МГШО [82].
Показанная на рисунке 2.2 радиальная МГШО отличается от рассмотренной выше тем, что управляющие камеры имеют увеличенную длину и осевое смещение относительно несущих карманов в сторону другой опоры шпиндельного узла. Это позволяет обеспечить максимально возможную угловую самоустановку опорной втулки при перекосе консольно нагруженного двухопорного шпинделя, практически исключает возможность кромочного контакта и в 1,5 2 раза увеличивает реальный нагрузочный диапазон МГШО.
Теоретическое исследование технических характеристик проводили для радиальной МГШО, показанной на рисунке 2.1.
Математическая модель и алгоритм вычислений. Для расчета и исследования нагрузочных характеристик МГШО разработана аналитическая математическую модель в цилиндрической системе координат ф r, z, где ось z является продольной осью.
Функции распределения давлений рабочей жидкости в дросселирующих щелях определяли решением краевых задач для стационарного уравнения Рейнольдса при следующих упрощающих допущениях: - течение рабочей жидкости в щелевых дросселирующих зазорах ламинарное, изотермическое и одномерное; - влияние гидродинамического эффекта, возникающего при вращении шпинделя, не учитывали, так как при характерных значениях окружной скорости до « 10 м/с вращения шпинделя он несущественно влияет на нагрузочные характеристики, но значительно усложняет математическую модель и не позволяет привести её к конечным аналитическим формулам.
Эти допущения являются общепринятыми и означают, что функции распределения давления рабочей жидкости в узких щелевых дросселирующих зазорах определяются решением краевых задач для однородного уравнения Рейнольдса [27, 10, 11, 14, 15, 72, 93].
В уравнении (2.2) значение радиальной податливости кп эластомерного подвеса опорной втулки определяли на основании формул, приведенных [91]. Для эластомерного подвеса в виде тонкостенной цилиндрической эластомерной оболочки с двумя окружными рядами прямоугольных вырезов: где E и v - модуль упругости и коэффициент Пуассона эластомера, Фп - центральный угол продольной перемычки эластомерного подвеса, n и m - число продольных и кольцевых полос эластомерного подвеса.
В уравнениях (2.3) и (2.4) коэффициент нагружения kf, учитывает влияние углового направления радиальной нагрузки f а также числа несущих карманов и управляющих камер в одном круговом ряду.
Оптимальное проектирование шпиндельных узлов с МГШО
Конечно-элементное моделирование и численный анализ нагрузочных характеристик МГШО в компьютерной среде ANSYS проводили как вычислительный эксперимент, позволяющий оценить достоверность результатов, которые получены на основании аналитической математической модели [99], которые приведены в главе 2, а также для оценки достоверности самой методики конечно элементного моделирования и численного анализа, чтобы использовать её для расчета переходных процессов в МГШО [18, 17]. Для конечно-элементного моделирования и численного анализа использована двухсторонняя связь численных решателей (ANSYS Transient structural + CFX) [100, 34], позволяющая одновременно учитывать динамику твердой и жидкой среды путем поочередной передачи информации о давлениях рабочей жидкости в качестве нагрузок для структурного решателя и перемещения конечных элементов для гидродинамического решателя. Передача информации о перемещениях подвижных элементов МГШО позволяет учитывать изменение гидравлического сопротивления дросселирующих зазоров в переходном процессе. [24, 25].
Для обоснования выбора модели турбулентности RANS (модели, базирующиеся на осредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса), а также плотности расчетной сетки, были использованы практические данные по каждой из известных моделей [29], а также данные вычислительного эксперимента по решению задачи Пуазейля [18].
Задача решается в псевдо-двумерной постановке [105], т.е. строится трехмерная модель подшипника и полостей толщиной в один конечный элемент [64]. При этом конечно-элементная модель МГШО имеет переменную толщину в радиальном направлении для учета различной площади сечения в тангенциальном направлении. Толщина слоя конечно-элементной модели в дросселирующем зазоре h несущих карманов составляла 0.45 мм. Толщина слоя конечноэлементной модели в зазоре h1 управляющих камер составляла 1 мм.
В качестве модели материала для твердых деталей МГШО принята сталь без учета нелинейных эффектов. В качестве модели эластомерного подвеса принят материал с модулем упругости E = 0,3 МПа и коэффициентом Пуансона v = 0.47. Радиальную нагрузку на шпиндель задавали в виде силы, возрастающей от нуля до номинального значения за 0,2 миллисекунды. Импульсная нагрузка, длительностью 2 миллисекунды, также падала до нуля за 0,2 миллисекунды [8].
Для учета условия касания шпинделя с опорной втулкой и опорной втулки с корпусом МГШО задана контактная пара с учетом смещения, равного среднему остаточному зазору, на поверхностях возможного соприкосновения (рисунок 2.14- б), чтобы в гидродинамическом расчете не получилась нулевая высота сетки. а б
Гидродинамический решатель был настроен следующим образом: - тип решаемых уравнений: полная энергия (учет сжимаемости и генерации температуры от внутреннего трения жидкости); - начальная турбулентность и турбулентность на входе и выходе: высокая, 10% (помогает лучше учитывать потери энергии в жидкости с учетом перехода энергии в тепловую); - модель турбулентности: shear stress transport. Структурный решатель настроен следующим образом: - класс решаемой задачи: переходная (транзиентная), с учетом больших перемещений; - вспомогательные уравновешивающие «пружины» отключены; - демпфирование эластомера задается через свойства материала; - вспомогательное численное демпфирование отключено.
Для проверки достоверности выбранной модели конечно-элементного моделирования и расчета переходных процессов МГШО предварительно в компьютерной среде ANSYS проводили конечно-элементный расчет статических характеристик, который сравнивали с аналитическим расчетом статических характеристик МГШО, проведенном в главе 2 [18, 105].
С учетом рекомендаций по плотности расчетной сетки [18] для наименьшего отклонения от аналитического решения был выбрана модель SST (перенос сдвиговых напряжений). Выбранная модель конечно-элементного расчета статических характеристик позволяла варьировать геометрические параметры, параметры системы нагнетания рабочей жидкости и параметры режима нагружения МГШО.
Шпиндель пассивной опоры, конечно-элементный расчет Сравнение результатов конечно-элементного и аналитического расчета статических нагрузочных характеристик, приведенное на рисунке 2.17, показывает, что они полностью совпадают для пассивной гидростатической опоры и вполне удовлетворительно для МГШО. Среднее отклонение составляет 13,5 % - для шпинделя и 3,4 % - для опорной втулки МГШО.
Результаты конечно-элементного анализа статических нагрузочных характеристик стали основанием для использования выбранной методики для конечно-элементного моделирования и численного анализа переходных процессов в МГШО, результаты которого приведены на рисунках 2.17, 2.18, 2.19 и 2.20.
Графики на рисунке 2.18 подтверждают предположение, что при ступенчатом нагружении МГШО переходные процессы начинаются с перемещения шпинделя по направлению нагружения (линия 1). При этом давление рабочей жидкости в нагружаемых (разгружаемых) несущих карманах и связанных с ними управляющих камерах увеличивается (уменьшается). Разность давлений в нагружаемых и разгружаемых управляющих камерах, эффективная площадь которых больше эффективной площади несущих карманов, для сохранения силового равновесия опорную втулку с некоторым запаздыванием из- за инерции смещает её противоположно направлению внешней нагрузки (линия 2). Шпиндель с несколько большим запаздыванием также смещается противоположно направлению нагружения для сохранения баланса расходов рабочей жидкости в несущих карманах. Из-за смещения опорной втулки одновременно увеличивается (уменьшается) дросселирующий щелевой зазор h1 в нагружаемых (разгружаемых) управляющих камерах и происходит увеличение (уменьшение) нагнетания рабочей жидкости в нагружаемые (разгружаемые) управляющие камеры и несущие карманы. Изменившийся баланс расходов рабочей жидкости в управляющих камерах и несущих карманах приводит к дополнительному смещению опорной втулки и шпинделя МГШО противоположно направлению внешней нагрузки до установления нового равновесия давлений и баланса расходов рабочей жидкости в управляющих камерах и несущих карманах, которое соответствует значению внешней нагрузки.
На графике 1 рисунка 2.19 виден кратковременный контакт шпинделя с опорной втулкой в конце его первичного перемещения по направлению нагружения. Контакт возможен при больших значениях внешней нагрузки, недостаточном значении дросселирующего зазора несущих карманов h0 и недостаточной инерционности перемещения опорной втулки в направлении противоположном нагружению. Для устранения кромочного контакта можно ограничить диапазон нагружения МГШО, увеличить динамическую вязкость рабочей жидкости, чтобы уменьшить скорость перемещения опорной втулки, или увеличить гидравлическое сопротивление каналов, соединяющих несущие карманы с управляющими камерами [ 20, 24, 25].
Экспериментальная установка и методика измерения модуля упругости материала эластомерного подвеса
Для корректного сравнения расчетных и экспериментальных значений нагрузочной характеристики опытного образца МГШО фактический модуль упругости эластомерного подвеса опорной втулки определяли на экспериментальной установке, которая показана на рисунке 4.10.
Основание экспериментальной установки имеет три цилиндрических стойки, которые по концам связаны коническими замками с верхней и нижней плитами и образуют жесткую рамную конструкцию. На стойках между верхней и нижней плитами с помощью цанговых зажимов закреплены две промежуточные плиты. На каждой промежуточной плите закреплены три радиально регулируемые шариковые направляющие, в которых без зазора установлен шток, подвижный в осевом направлении.
На нижней плите неподвижно установлен плоский подпятник, а на нижнем торце подвижного штока - плоская пята. Между подпятником и пятой помещали экспериментальный образец эластомера, выполненный в виде диска радиусом r0 = 25 мм и толщиной 1мм. Подвижный шток через динамометр ДОС 0,5 нагружали осевым усилием с помощью нажимного винта, гайка которого закреплена на верхней плите основания.
Регистрация осевого перемещения штока происходит с помощью трех измерительных головок часового типа (МИГ 0,001), которые позволяют также контролировать отсутствие перекоса пяты и подпятника.
Результаты измерения деформации при объемном сдавливании двух образцов эластомера приведены в таблице 4.3 и показаны на рисунке 4.11.
Рассчитанные значения модуля упругости равны: E-3,4 МПа - для образца №1 и E 0,5 МПа для образца №2. Для изготовления эластомерного подвеса опорной втулки опытного образца МГШО использовали материал образца №2, модуль упругости которого близок к теоретически оптимальному значению.
Результаты исследования внедрены в учебно-научный процесс кафедры «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Политехнического института СФУ по учебной дисциплине «Теория автоматического управления» при проведении практических занятий по темам: - Устойчивость линейных систем автоматического управления; - Оценка качества переходных процессов; - Статическая точность системы автоматического регулирования.
Результаты диссертационной работы переданы для практической реализации в НПО «Информационные спутниковые системы» (г. Железногорск), и АО «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск). Техническое решение радиально-осевой МГШО использовано при разработке опытно-промышленного мотор-шпинделя с гидростатическими опорами и бесконтактным пьезогидравлическим генератором резонансной осевой микроосцилляции шпинделя (РОМШ), которая
Конструкция мотор-шпинделя, показанная на рисунке 4.12 и защищенная патентом РФ на изобретение, разработана совместно ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» и АО «НПП «Радиосвязь» для повышения эффективности сверления, развертывания и шлифования малых отверстий в деталях из труднообрабатываемых конструкционных материалов [83]. Передняя коническая часть шпинделя, является резонансным концентратором амплитуды собственных продольных волн и одновременно использована для радиально-осевой МГШО.
В переднем фланце сборного корпуса 1 на эластомерном подвесе установлена коническая опорная втулка 2 МГШО, которая воспринимает радиальную и осевую нагрузку шпинделя 3. Рабочая жидкость (маловязкое минеральное масло или водная эмульсия) нагнетается от гидростанции (не показана) под давлением рн = 2 5 МПа в кольцевую камеру 4 по трубопроводу 5, проходящему внутри дренажного винтового канала 6, который образован между наружной и внутренней частью сборного корпуса. Далее рабочая жидкость дросселируется в щелевом зазоре 7 между поверхностями опорной втулки 2 и шпинделя 3, затем поступает в дренажные кольцевые полости 8 и через винтовой дренажный канал 6 возвращается в гидростанцию с помощью насоса откачки.
Заднюю радиальную гидростатическую опору шпинделя образует ступенчатый дросселирующий щелевой зазор 8 между опорной поверхностью шпинделя и внутренней цилиндрической поверхностью заднего фланца корпуса. Первая ступень дросселирующего зазора образована продольными микроканавками на опорной поверхности шпинделя, которые выходят в кольцевую камеру 9, но не доходят до дренажной кольцевой полости 10. Рабочая жидкость под давлением рн = 2 5 МПа нагнетается от гидростанции в кольцевую камеру 9, далее дросселируется в ступенчатом щелевом зазоре 8 и через дренажную кольцевую полость 10 возвращается в гидростанцию с помощью насоса откачки.
Вращение шпинделя осуществляет частотно регулируемый асинхронный электродвигатель, короткозамкнутый ротор 11 которого установлен между опорами шпинделя, а статор 12 - в средней части сборного корпуса. Обмотки статора подключены к регулируемому высокочастотному генератору трехфазного переменного тока (на рисунке не показан).
В заднем фланце корпуса расположен бесконтактный пьезогенератор РОМШ, который имеет пакет пьезопластин 13, установленный соосно шпинделю на крышке 14 заднего фланца корпуса и подключенный к регулируемому высокочастотному генератору переменного тока (на рисунке не показан). Торец пакета пьезопластин образует с задним торцом шпинделя дросселирующий щелевой зазор 15, в который из кольцевой камеры 9 поступает рабочая жидкость под давлением рн = 2 5 МПа и уравновешивает внешнюю осевую нагрузку шпинделя и осевую реакцию конической гидростатической опоры.
При работе мотор-шпинделя осевая микро-осцилляция пакета пьезопластин 13 изменяет давление рабочей жидкости в зазоре h0 с частотой собственных продольных волн шпинделя и генерирует РОМШ. В межопорную полость моторшпинделя подается сжатый воздух с небольшим избыточным давлением рв, чтобы исключить попадание сюда рабочей жидкости из дренажных полостей 8 и 10. Через канал в корпусе сжатый воздух поступает также к лабиринтному уплотнению переднего конца шпинделя, чтобы исключить внешнюю утечку рабочей жидкости. Охлаждение мотор-шпинделя осуществляет рабочая жидкость, циркулирующая в нагнетающих и дренажных каналах корпуса.