Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследований 12
1.1. Область применения подшипников на газовой смазке в станкостроении 12
1.2. Обзор конструкций шпиндельных узлов с опорами на газовой смазке .
1.3. Обзор типов привода ШУ 23
1.4. Обзор конструкций основных типов подшипников на газовой смазке 25
1.5. Обзор работ по исследованию радиальных газостатических опор с пористыми ограничителями расхода 32
1.6. Методы расчета радиальных газовых подшипников 42
1.7. Выводы и постановка задач исследований 44
Глава 2. Численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками 46
2.1. Дифференциальное уравнение для определения поля давления газа в смазочном слое подшипника с пористыми вставками 46
2.2. Численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельного подшипника с пористыми шпоночными вставками 53
2.3 Сравнение результатов расчета характеристик подшипников с данными других исследований 66
2.4. Выводы 69
Глава 3. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 70
3.1. Конструкции экспериментальной установки для исследования характеристик газостатических подшипников с пористыми вставками 70
3.2. Методика обработки опытных данных 74
3.3. Оценка погрешности определения экспериментальных данных .75
3.4. Выводы 78
Глава 4. Эксплуатационные характеристики шпиндельных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками и рекомендации по их проектированию 79
4.1. Оценка достоверности теоретических данных 79
4.2. Анализ эксплуатационных характеристик шпиндельных опор, работающих в режиме подвеса 85
4.3. Анализ эксплуатационных характеристик шпиндельных опор, работающих в гибридном режиме 116
4.4. Рекомендации и методика проектирования шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками 163
4.5. Сравнение эксплуатационных характеристик шпиндельных опор с пористыми вставками и питающими отверстиями 166
4.6. Высокоскоростная внутришлифовальная шпиндельная головка на газостатических опорах с пористыми вставками 170
4.7. Выводы 172
Заключение 174
Библиографический список 178
Приложения 191
- Обзор конструкций шпиндельных узлов с опорами на газовой смазке
- Численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельного подшипника с пористыми шпоночными вставками
- Методика обработки опытных данных
- Анализ эксплуатационных характеристик шпиндельных опор, работающих в режиме подвеса
Введение к работе
Актуальность темы. Точность обработки и производительность металлорежущих станков в значительной степени определяются выходными характеристиками шпиндельного узла (ШУ), поскольку он является последним звеном кинематической цепи главного привода. В связи с этим к ШУ предъявляются высокие требования по обеспечению высокой точности вращения, быстроходности, параметрической надежности и т.д. Поскольку движение формообразования осуществляется шпинделем и шпиндельными подшипниками, то именно они вносят решающий вклад в выходные характеристики шпиндельных узлов.
Эксплуатация ШУ на опорах качения связана с нестабильной траекторией вращения шпинделя, тепловыми смещениями подшипниковых узлов, ограниченным ресурсом работы опор и т.д. Применение в конструкциях ШУ гидростатических опор приводит, в частности, к необходимости ограничения частоты вращения шпинделя вследствие значительного тепловыделения из-за относительного скольжения слоев смазки. Шпиндели на электромагнитных опорах не нашли широкого применения вследствие сложности и высокой стоимости шпинделей и электронных систем управления. Таких недостатков лишены шпиндельные опоры на газовой смазке.
Установка шпинделей на газовые подшипники позволяет существенно повысить точность вращения и быстроходность шпинделя, практически полностью устранить его вибрацию, упростить конструкцию и значительно повысить параметрическую надежность ШУ и т.д.
Газовые опоры не лишены недостатков. Они имеют сравнительно невысокие жесткость смазочного слоя, несущую и демпфирующую способность. В связи с этим такие опоры применяют в малонагруженных ШУ.
Одними из важных эксплуатационных характеристик газовых опор являются жесткость смазочного слоя и несущая способность, влияние которых на результаты шлифования хорошо известны в практике. Поэтому задача создания газовых подшипников, способных обеспечить высокие выходные параметры точности ШУ, имеет первостепенное значение. Продвижению решения этой актуальной для машиностроения задачи и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Повышение эффективности работы ШУ внутришли-фовальных станков за счет разработки и применения радиальных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- разработка научно обоснованных методов проектирования шпин
дельных газостатических подшипников с пористыми шпоночными встав
ками на базе создания математических моделей, алгоритмов и программ
для расчета их эксплуатационных характеристик;
- численное и экспериментальное исс.педптание эксплуатационных
CntTtpOt-pf ; (
характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми вставками в зависимости от различных конструктивных и режимных параметров;
создание промышленного образца высокоскоростного внутришли-фовального шпинделя с опорами исследуемого типа;
выработка рекомендаций по проектированию газостатических опор с пористыми шпоночными вставками высокоскоростных ШУ.
Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ. Численное решение уравнения Рейнольдса ведется итерационным методом Гаусса-Зейделя. При экспериментальном исследовании характеристик подшипников применяются хорошо апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
установлены зависимости статических и гибридных эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками от различных конструктивных и режимных параметров, которые позволяют определять оптимальные параметры опор на стадии проектирования высокоскоростных ШУ;
разработан численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками;
путем сравнения с экспериментальными данными установлена точность расчетных характеристик шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением известной в теории газовой смазки системы исходных уравнений и подтверждается сопоставлением результатов теоретического расчета и экспериментального исследования.
Практическая ценность. Разработан комплекс программ по расчету эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками, позволяющий эффективно решать задачу проектирования газостатических опор высокоскоростных ШУ. На основе проведенных исследований выработаны рекомендации по надежному проектированию исследуемого типа опор ШУ.
Создан опытно-промышленный образец высокоскоростной внутри-шлифовальной головки к шлифовальному станку мод. ЗА228, которая внедрена в производство на филиале ОАО «ОКБ Сухого» г. Комсомольска-на-Амуре.
Результаты работы используются также в учебном процессе в ГО-УВПО «КнАГТУ» на кафедре «Технология машиностроения».
Личный вклад автора состоит в разработке численного метода расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками, для которого составлен алгоритм
расчета и реализован на ПЭВМ комплекс программ. Проведены экспериментальные и теоретические исследования эксплуатационных характеристик частично пористых шпиндельных опор с последующим анализом полученных данных. Разработаны методика и рекомендации по проектированию исследуемого типа газовых опор высокоскоростных ШУ. На защиту выносятся:
метод и алгоритм расчета эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками;
результаты экспериментальных и численных исследований эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками в зависимости от конструктивных и режимных параметров;
результаты сравнительного анализа характеристик шпиндельных газостатических опор с питающими отверстиями, традиционно используемых в высокоскоростных ШУ, и опор с пористыми вставками;
методика и рекомендации по проектированию радиальных газостатических шпиндельных опор с пористыми шпоночными вставками.
Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на региональной научной конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» (г. Владивосток, 1998 г.), научно-технических конференциях аспирантов и студентов КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000, 2002 гг.), межрегиональной научно-технической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (г. Новосибирск, 2002 г.). Основные результаты работы докладывались также на профилирующих кафедрах КнАПУ (2002-2004 гг.) и ХГТУ (2004 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 190 страниц, включает 180 рисунков. Библиографический список охватывает 151 литературный источник.
Автор выражает благодарность к.т.н, проф. Виноградову B.C. за помощь в организации экспериментальных исследований.
Обзор конструкций шпиндельных узлов с опорами на газовой смазке
Шлифовальные шпиндели с аэростатическими опорами были впервые введены в практику фирмой Churchill, выпустившей гамму из 16 станков различного назначения, оснащенных бабками с аэростатическими опорами [1]. Вал вращается в двух цилиндрических подшипниках, запрессованных (или вклеенных) в корпус. Осевые усилия воспринимаются двумя подпятниками, охватывающими торцы вала. В представленной конструкции шпинделя привод осуществляется клиновым ремнем, причем вал электродвигателя также вращается в аэростатических опорах, что сделано с целью уменьшения вибрации. При такой схеме возможны повреждения заднего подшипника вследствие перетяжки ремня, и неизбежны толчки, возникающие по причине неравномерной толщины ремня. Поэтому предпочтительнее схема со встроенным приводом. Созданный на этой основе шлифовальный электрошпиндель мод. ША-4 (рис. 1.2) получил широкое распространение на подшипниковых заводах, в частности на ГПЗ 5, где такие шпиндели установлены на 15 круглошлифовальных станках автоматах взамен шпинделей на шарикоподшипниках [1].
Представленный шпиндель является тихоходным (скорость вращения 3000 мин 4). Согласно характеристикам шпинделя [1] биение оси вала (0.2 мкм) в 15 раз меньше погрешности изготовления шейки вала и подшипника.
Изложенные ранее достоинства шпинделей на газостатических опорах способствовали их применению в сходных узлах станков, например, в передней бабке тяжелого универсального внутришлифовального станка [89], изображенного на рис. 1.3. Бабка изделия тяжелого внутришлифовального станка Многократное увеличение массы шпинделя устранило влияние дисбаланса обрабатываемой заготовки; исключен также неподвижный центр, что стало возможным благодаря большой точности вращения. Овальность и конусооб-разность заготовки диаметром 200 мм5 прошлифованной в патроне с этим шпинделем, не превышает 1 мкм.
Разработана и серийно производится гамма высокоточных станков для двустороннего обтачивания, наружного и внутреннего шлифования. Все основные узлы этих станков — шлифовальные и передние бабки, расточные головки и т.д. включают в себя опоры с воздушной смазкой.
Для производительной и качественной обработки необходима скорость резания 1000 м/мин и более, что при небольших диаметрах обрабатываемых от-верстий соответствует частоте вращения 12 000...15 000 мин " . Применение газостатических опор позволило придать шпинделю большую массу, обеспечивающую плавное вращение, нечувствительность к дисбалансу, вносимого резцом, и отсутствие нагрева, нарушающего диаметр расточки.
В ЭНИМСе разработаны и внедрены в промышленность различные внут-ришлифовальные и сверлильные головки на опорах с воздушной смазкой, имеющие в качестве привода встроенный высокочастотный электродвигатель -электрошпиндели или пневмотурбину - пневмопшиндели.
Внутришлифовальные электрошпиндели предназначены для высокоточного шлифования абразивным и алмазным инструментом в условиях крупносерийного и массового производства, а пневмопшиндели предпочтительны в условиях мелкосерийного производства, при котором одной головкой приходится качественно шлифовать отверстия разных диаметров и конфигураций при пониженных требованиях к производительности (мощности привода). При применении пневмопривода источник питания для смазки опор и привода общий -сеть сжатого воздуха, а для работы электрошпинделя, кроме источника сжатого воздуха,, требуется генератор тока повышенной частоты [64]. Основной частью электрошпинделя является трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель. На рис. 1.5 представлена типовая конструкция электрошпинделя мощностью до 3 кВт. Более мощные шпиндели отличаются наличием дополнительного охлаждения статора. На основе типовых воздушных опор и эффективного автоматического регулятора скорости в ЭНИМСе разработаны две гаммы пневмошпинделей - общего назначения и в специальном исполнении для координатно-шлифовальных станков. Использование воздушных опор во внутришлифовальных шпинделях со встроенной йневмотурбиной особенно выгодно, так как при этом смазка опор и привод вращения осуществляются от единого источника энергии — сжатого воздуха давлением 0.4.. .0.6 МПа, получаемого из заводской сети [64].
Подшипники типового пневмошпинделя общего назначения унифицированы с подшипниками соответствующих моделей электрошпинделей. В зависимости от назначения и диапазона регулирования частоты вращения использованы различные турбины; центробежные — для тихоходных шпинделей и центростремительные —для быстроходных. На рис. 1.6 показан пневмопшин-дель мод. А15/40 с центробежной турбиной.
Пневмошпиндель приспособлен для выполнения разнообразных работ: его скорость вращения плавно регулируется и поддерживается на заданном уровне автоматическим регулятором, а конструкция допускает работу в горизонтальном и вертикальном положениях оси шпинделя. Пневмошпиндели также широко применяют для разнообразных производственных операций и физических исследований (намотка бифилярных спиралей, вращение лазерного луча и т.п.), так как вал может быть выполнен полым [64].
Опыт применения электропшинделей в координатно-шлифовальных станках показал, что погрешность, обусловленная деформацией станины вследствие нагрева теплотой, выделяемой двигателем электрошпинделя, может оказаться на порядок больше допустимой погрешности установки координат. Использование пневмопривода и опор с воздушной смазкой в устройстве внутри-шлифовальных шпинделей для данных станков практически устранило этот недостаток.
Численный метод расчета эксплуатационных характеристик шпиндельного подшипника с пористыми шпоночными вставками
Поле давления в зазоре подшипника определяется путем численного интегрирования дифференциального уравнения (2.13). Обозначим координаты точек конечно-разностной сетки (г рА через координаты узлов (г,у) и заменим все частные производные, которые содержит уравнение (2.14), центральными конечными разностями по формулам. В соответствии с представленной областью интегрирования (см. рис. 2.4) поставим граничные условия решаемой задачи с учетом дискретного расположения пористых вставок. Попутно заметим, что с целью упрощения расчетов шпоночная форма вставок, заменена на эквивалентную ей по площади прямоугольную форму.
Исходя из граничных условий, запишем систему алгебраических разностных уравнений, с помощью которых находится относительное давление р на границах пористых вставок и разностной сетки. При этом, будем иметь в виду периодичность функции р: p(zt p) = p(z,(p + 2x).
При известном поле давления в зазоре подшипника можно легко определить эксплуатационные характеристики опоры: несущую способность, жесткость смазочного слоя, расход смазки и их безразмерные величины.
Как показали вариантные расчеты подшипников с невращающимся валом, столь жесткое задание погрешности в (2.52) обеспечивает ошибку в определении угла положения нагрузки у/ не выше 0.2. Выражение (2.52) является необходимым, но недостаточным условием завершения итерационного процесса. Последнее связано с тем, что ориентация пористых вставок относительно линии центров вала и вкладыша, от которой ведется отсчет угла р, заранее неизвестна, поскольку неизвестен угол положения нагрузки ц/. Таким образом, при решении совокупной системы уравнений (2.43)-(2.51) не определенными оказываются координаты рхк и р1к каждой вставки, что и является причиной второго итерационного цикла. Для его проведения необходимо задать вполне определенную схему расположения вставок во вкладыше подшипника. Имея это в виду, в расчетах принято такое расположение вставок, когда центр одной из них находится на вертикальной оси симметрии вкладыша в нагруженной части подшипника. Условие окончания второго итерационного цикла: Тестирующие расчеты показали, что устойчивое решение задачи достигается при числе узлов в области каждой пористой вставки (исключая границы) не менее четырех. Этому соответствовала сетка размером примерно 20x80 (точный размер сетки зависит в основном от площади вставок). При исследовании характеристик подшипника размер сетки составлял 23x109 с девятью узлами в области вставки.
Встречающиеся в открытой печати отдельные сведения о характеристиках радиальных газостатических подшипников с частично пористой стенкой вкладыша не позволяют, к сожалению, корректно выполнить сравнительный анализ. Во-первых, это связано с неполной информацией о характеристиках рассчитываемых опор, и, во-вторых, с использованием упрощенных методов, не отличающихся высокой точностью.
Но поскольку вкладыш подшипника состоит из непроницаемой и проницаемой (пористой) поверхностей, то разработанный комплекс программ позволяет рассчитать подшипник и в двух предельных случаях: для газодинамического подшипника (без наддува газа) и газостатического полностью пористого подшипника. Характеристики таких опор широко представлены в технической литературе. Такое сравнение позволяет сделать вывод о корректности построения алгоритма расчета и разработанного комплекса программ.
Методика обработки опытных данных
Эксперименты выполнены для проверки достоверности расчетных характеристик шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками. Исследования проводились при работе подшипника в режиме подвеса и в гибридном режиме. По результатам прямых и косвенных наблюдений, расчет экспериментальных характеристик подшипника проводился по представленным ниже формулам. Относительный эксцентриситет определяется по формуле: є = е/с, где e = c h - абсолютный эксцентриситет; c (D-D /2 - средний радиальный зазор между валом и вкладышем подшипника; h - текущее значение зазора; - диаметр вала. При работе подшипника в режиме подвеса, зазор h измерялся двумя индикаторами часового типа с ценой деления 1 мкм, закрепленными на корпусе подшипника. В гибридном режиме работы зазор измерялся двумя датчиками емкостного типа. Нагрузка на исследуемом подшипнике определялась следующим образом: Q = pBS„ + W, где рп - избыточное давление в штоковой полости нагрузочного устройства; Sn - эффективная площадь поршня; W— дополнительная нагрузка на подшипник, учитывающая вес подшипника, измерительных приборов, поршня нагрузочного устройства и влияние гибкого шланга.
Коэффициент несущей способности рассчитывается по формуле: с б где ps - абсолютное давление наддува газа; S = LD - площадь проекции внутренней поверхности вкладыша на диаметральную плоскость. После аппроксимации экспериментальной зависимости CQ = f(s) коэффициент жесткости смазочного слоя находился по формуле: dCn ks--r - (3-І) as Расход газа определяется по методике [146]: где Км — коэффициент расхода; АН- перепад уровня жидкости на U-образном дифманометре; pyt- плотность уравновешивающей жидкости; р\ - плотность воздуха над уравновешивающей жидкостью; р - плотность рабочего воздуха. Максимальный расход газа через подшипник Gmax определяется при снятом вале. Экспериментальное значение относительного расхода равно ё= G max При известной угловой скорости вращения вала со-тіпїШ число сжимаемости рассчитывалось по формуле: 6цК2 о 2Ps Коэффициент динамической вязкости воздуха /J. определялся по приближенной формуле Сазерленда [147]: м=17.12- ю-6 273+ш 7 +111 1 273 у где 7 - абсолютная температура сжатого воздуха.
Экспериментальные значения эксплуатационных характеристик подшипников определяются косвенным путем с помощью различных измерительных инструментов и приборов, которые имеют определенную степень точности. Поэтому для корректного анализа опытных данных необходимо найти суммарное влияние этих погрешностей на результаты экспериментов.
Как уже отмечалось, с целью определения коэффициента жесткости смазочного слоя экспериментальные зависимости радиальных подшипников с частично пористой стенкой вкладыша CQ - /(є) методом наименьших квадратичных отклонений аппроксимировались полиномом, который имеет вид: CQ = а + а2є2 + а є ; (3.2) где CQ - сглаженное значение коэффициента несущей способности. Тогда на основании уравнений (3.1) и (3.2) получается следующее выражение для расчета коэффициента жесткости смазочного слоя: ks = aj + 2а2є + За3є , где ks - сглаженное значение коэффициента жесткости смазочного слоя. Необходимость аппроксимации зависимостей CQ для нахождения значений ks требует иного подхода в определении погрешности эксперимента, как это изложено, например, в работе [148]. Такой метод анализа погрешностей корректно может быть выполнен на основе математической теории корреляции [149], который и используется в настоящей работе.
D(T)) для коэффициентов ks и Сп будет одинаковой. Найденные на основе представленных формул доверительные интервалы коэффициентов несущей способности и жёсткости смазочного слоя при доверительной вероятности 0.95 позволили найти максимальные относительные погрешности этих величин. Как показали расчеты, максимальные погрешности коэффициентов ks и CQ достигаются при больших осевых зазорах и относительных эксцентриситетах. Обработка результатов выполненных экспериментов показала, что максимальные погрешности определения эксплуатационных характеристик исследуемого подшипника равны: SCQ = 4.5 %; Sks 5.1 %. При этом с доверительной вероятностью 0.95 относительная погрешность определения абсолютного массового расхода газа через подшипники равна 1.65 %, а относительного расхода - 2.3 %.
1. Разработан экспериментальный стенд для исследования эксплуатаци онных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками.
2. С доверительной вероятностью 0.95 погрешность определения экс плуатационных характеристик газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками не превышает следующих значений: SCQ = 4,5 %; Sk$ = 5.1%; SG= 2.3%.
Анализ эксплуатационных характеристик шпиндельных опор, работающих в режиме подвеса
В настоящем параграфе, как и в п. 4.3, анализируются эксплуатационные характеристики двухрядных подшипников с симметричным расположением пористых шпоночных вставок во вкладыше (основной вариант), которые представлены в сравнении с характеристиками опор, отличающихся разным способом размещения шпоночных вставок. Варианты размещения вставок показаны на рис. 4.9. Для выявления преимущества использования в высокоскоростных ШУ исследуемых частично пористых подшипников, дополнительно были рассчитаны эксплуатационные характеристики подшипника с полностью пористым вкладышем.
Варианты расположения пористых вставок во вкладыше подшипника: а - основной вариант; б - шахматное смещение рядов наддува; в - асимметричное смещение вдоль направляющей вкладыша; г — симметричное смещение вдоль направляющей вкладыша
Расчет характеристик частично пористых опор с другими вариантами размещения вставок выполнен при тех же исходных данных, за исключением относительных расстояний L{ и 1 для вариантов размещения вставок «в» и «г». Расчет характеристик полностью пористого подшипника выполнен при ps =1/6 и =1.2. Сделаем небольшое пояснение. В представленных в настоящей главе графиках будет указаны только значения или диапазон изменения варьируемых параметров. Остальные параметры соответствуют значениям исходных данных. Для краткости изложения материала, частично пористые подшипники с разным размещением шпоночных вставок будем условно называть вариант или подшипник «а», «б» и т.д.
Поле относительного давления p=p/ps в зазоре опор с пористыми ограничителями расхода показано на рис. 4.10 - 4.14. Развертка поверхности вкладыша выполнена по линии минимального зазора при относительном эксцентриситете є = 0.6. Значение конструктивного параметра Кс подшипников соответствует максимуму коэффициента несущей способности в статическом режиме работы.
Анализ характера распределения давления в зазоре частично пористых подшипников (рис. 4.10 - 4.13) показывает, что на линии наддува в нагруженной части подшипников давление газа заметно выше, чем в разгруженной части, где оно практически не меняется. Это полностью соответствует физической природе возникновения несущей способности газовых опор. Поле давления в зазоре подшипника «г»: Кс =0.475 На поле давления отчетливо видны локальные максимумы давления, которые появляются в местах расположения шпоночных вставок. Наиболее равномерное распределение давления в центральной части частично пористых опор имеют подшипники вариантов «а», «б» и «в», поскольку их ряды наддува газа расположены ближе друг к другу. У варианта «г» на линии минимального зазора в центральной части опоры имеет место заметная депрессия давления, вследствие близкого расположения вставок к торцам подшипника, что уменьшает сопротивление течению смазки.
Подшипник с полностью пористым вкладышем имеет наиболее благоприятный характер распределения давления газа (рис. 4.14). У такой опоры максимум давления в нагруженной области достигается в центре вкладыша (при f =0.5). При этом, давление незначительно изменяется практически во всем диапазоне z, и начинает падать до давления окружающей среды лишь в непосредственной близости от торцов подшипника.
Таким образом, при работе опор в режиме подвеса наиболее благоприятным распределением давления газа в зазоре подшипника, с точки зрения обеспечения высоких значений коэффициента несущей способности и коэффициента жесткости, имеет подшипник с полностью пористым вкладышем. 4.2.2. Влияние относительного эксцентриситета на эксплуатационные характеристики подшипников
Из представленных графиков видно, что у всех подшипников зависимость CQ = f(s,Kr) имеет вполне определенный экстремум, который слабо зависит от значения є. Так, оптимальное значение конструктивного параметра подшипников (Кс) примерно составляет: варианта «а» и «б» - 0.5, вариантов «в» и «г» - 0.475, подшипника с пористым вкладышем -1.0.
Из графиков также видно, что зависимости CQ - /{S KQ) частично пористых подшипников практически совпадают. Наибольшее отличие от нагрузочных характеристик подшипника «а» имеет вариант «г», у которого максимум коэффициента несущей способности при Б = 0.8 равен 0.374, что больше варианта «а» всего лишь на 3.9 %.
Начиная со значения конструктивного параметра Кс да 0.54, коэффициент CQ пористого подшипника при всех значениях относительного эксцентриситета заметно выше, чем у частично пористых опор. При низких значениях конструктивного параметра, которые можно связать с повышенной газопроницаемостью пористой матрицы, нагрузочная способность частично пористых опор превосходит соответствующую характеристику пористого подшипника. Это объясняется, главным образом, более низким давлением в разгруженной части подшипников с пористыми вставками.
Анализ поля давления газа в этом диапазоне изменения конструктивного параметра показывает, что в нагруженной части подшипника, имеющей минимальный радиальный зазор, давление газа незначительно зависит от величины относительного эксцентриситета.
Давление в разгруженной части газовой опоры, в которой образуется максимальный зазор, более чувствительно к изменению относительного эксцентриситета. Это связано с более высокой скоростью движения газа в пористом материале из-за меньшего, чем в нагруженной части сопротивления движению газа в пористой вставке. При этом, хотя и слабо, прослеживается следующая тенденция. По мере возрастания относительного эксцентриситета и конструктивного параметра интенсивность падения давления в этой части подшипника сначала увеличивается, а потом из-за усиления окружной перетечки газа и, как следствие, выравнивания поля давления в нагруженной и разгруженной частях газовой опоры, уменьшается. Это, однако, не приводит к снижению коэффициента жесткости при =0.8, а вызывает только уменьшение его темпа роста с увеличением конструктивного параметра. Кроме этого, описанный характер изменения давления объясняет тот результат, что при весьма низких значениях конструктивного параметра коэффициент жесткости смазочного слоя при =().8 является максимальным, а при увеличении Кс становится минимальным. Следует отметить, что такое изменение коэффициентов жесткости и несущей способности наименее выражено у подшипника с пористым вкладышем, у которого формирование большей части поля давления в меньшей степени подвержено влиянию утечки газа в направлении торцов подшипника.
Во втором диапазоне изменения конструктивного параметра газопроницаемость пористого материала уменьшается. При этом, с изменением относительного эксцентриситета происходит существенное изменение давления в зазоре нагруженной части подшипника. То есть, с увеличением є темп роста давления заметно снижается. Последнее связано, главным образом, со значительной интенсификацией окружной перетечки газа. Особенно выражен этот нежелательный эффект у подшипников с частично пористой стенкой вкладыша, у которых он усиливается утечкой газа из пористой области в непроницаемую область вкладыша.
Наиболее подвержено влиянию таких утечек формирование поля давления частично пористых подшипников из-за наличия локальных утечек на линии наддува между вставками. Анализ характера распределения давления в нагруженной части таких подшипников при значениях относительного эксцентриситета равном 0.6 и 0.8 показал, что, несмотря на повышенное давление в области пористых вставок при е= 0.8, более высокое давление в центральной части подшипников достигается при е 0.6. С ростом конструктивного параметра и относительного эксцентриситета это ведет не только к уменьшению разницы в нагрузочной способности опоры, но и к снижению коэффициента жесткости смазочного слоя, в результате чего на кривой ks = f(Kc) при є= 0.8 образуется локальный максимум функции.
