Введение к работе
Актуальность темы. Достижение высоких показателей эффективности и качества обработки отверстий малых диаметров тесно связано с повышением быстроходности и точности вращения валов шпинделей внутришлифовальных станков. Существующие типы опор качения и под-шинников на жидкостной смазке имеют ограничение по частоте вращения и уже только с этой точки зрения по многих случаях не удовлетворяют конструкторов прецизионного металлообрабатывающего оборудования. Достойной альтернативой указанным типам опор являются подшипники на газовой смазке.
Многолетний опыт ЭНИМС по эксплуатации высокоскоростных шпинделей на газовых опорах в условиях мелкосерийного и серийного производства позволил выявить их основные преимущества по сравнению со шпинделями на опорах качения:
большая долговечность, определяемая временем работы шпинделя при неизменном качестве шлифования;
большая масса и жесткость вала шпинделя, уменьшающие чувствительность к дисбалансу оправки и круга, позволяют повысить производительность и улучшить качество шлифуемой поверхности;
значительно меньший (в 4...5 раз) уровень вибрации;
меньший износ шлифовального круга;
применение чистого воздуха в качестве смазки исключает загрязнение окружающей среды масляным туманом.
В настоящее время определилось несколько областей техники, в которых применение газовой смазки является целесообразным, а в некоторых случаях единственно возможным решением, обеспечивающим нормальную работу узлов трения машин. Так, подшипники на газовой смазке хорошо зарекомендовали себя в пневмошлифовалыюй и криогенной технике, в метрологическом оборудовании, в гироскопических устройствах, в газотурбинных установках и т.д. Наибольший эффект применения опор на газовой смазке в станкостроении достшнут при создании высокоскоростных шпиндельных узлов внутрнщлифовальных и расточных голозок для обработки отверстий малых диаметров.
Как показывает анализ существующих конструкций высокоскоростных пневмошпинделей, в их состав входят радиальные опорные и упорные газостатические подшипники. Наиболее важным параметром таких подшипников являются радиальный и осевой рабочий зазор. От их величины зависит жесткость, пиброустойчивость и другие эксплуатационные характеристики шпинделя, влияние которых на результаты шлифования хорошо известны is практике. Поэтому задача создания н исследования газовых
подшипников, способных надежно работать при повышенных зазорах имеет первостепенное значение.
Тема диссертации посвящена исследованию характеристик упорных газостатических подшипников (УГСП) с лабиринтными уплотнениями и имеет непосредственное отношение к решению этой актуальной задачи.
Ранее исследование таких опор было выполнено в Николаевском кораблестроительном институте. Исследованиями, в частности, установлено, что наличие лабиринтных уплотнений на рабочих поверхностях упорных газостатических подшипников приводит к повышению несущей способности только при абсолютном давлении наддува свыше 0,6 МПа. Такой вывод ограничивает в большинстве случаев практическое применение указанного типа опор в высокоскоростных пневмошпинделях, поскольку именно это давление является стандартным для заводской пневмосети. При этом заметим, что в течение суток оно может изменяться. Очевидно, что с целью практического применения упорных газостатнческнх подшипников с лабиринтными уплотнениями в различном металлообрабатывающем оборудовании необходимо проведение их дальнейших исследований при давлении наддува газа близком к реальному значению заводской пневмосетн.
Теоретическое решение задачи о нахождении оптимальных геометрических параметров УГСП с лабиринтными уплотнениями без принятия дополнительных допущений является сложным из-за большого числа взаимосвязанных между собой факторов, влияющих на эффективность работы опор. Корректное решение этой задачи состоит в проведении экстремальных экспериментов на основе теории планирования и создании на базе их результатов инженерных методик расчета.
Цель н задачи работы. Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивных элементов упорных кольцевых газостатических подшипников с прямоточным» лабиринтными уплотнениями, способных эффективно эксплуатироваться в высокоскоростных шпинделях внутришлифовальных станков, а также в различном металлообрабатывающем оборудовании.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Обоснование метода проведения экстремального эксперимента.
Обоснование функции цели и дискретизации зацачи при поиске оптимальной конструкции УГСП с лабиринтными уплотнениями.
Проведение экстремальных экспериментов методом симплекс-планирования по поиску конструкций упорных подшипников с уплотнением рабочей поверхности, доставляющих экстремум функции.
Исследование раздельного влияния конструктивных элементов УГСП и режимных параметров на их основные характеристики.
Разработка инженерных методик проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лп биринтными уплотнениями.
Выработка рекомендаций по проектированию конструктивных элементов УГСП с лабиринтными уплотнениями.
Метод исследования. Методом исследования является физический эксперимент, поставленный на основе проведения экстремального эксперимента методом симплекс-планирования.
Научная новизна. Получены новые данные об оптимальных конструктивных элементах упорных кольцевых газостатических подшипников г прямоточными лабиринтными уплотнениями, способных работать в заводских условиях более эффективно, чем гладкощелевые УГСП. Выполнен комплексный анализ по влиянию различных конструктивных элементов и режимных параметров на основные характеристики подшипников исследуемого типа. Разработаны инженерные методики проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы основана на использовании хорошо апробированного па практике метода симплекс - планирования, а также подтверждается экспериментами, поставленными для упорных газостатических подшипников с лабиринтными уплотнениями, имеющими другие абсолютные размеры.
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается а создании инженерных методик проектирования конструктивных элементов и расчета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями, способных эффективно работать при сравнительно низкой величине давления наддува газа. Па их основе спроектированы и изготовлены упорные газовые подшипники высокоскоростной пневмошлифовалыюй машины ВПМШ 150.01 и быстроходного шпинделя копировально-фрезериого станка, успешно эксплуатируемые в ДЛО "Подма" (г. Комсомольск-на-Амуре) и ЗЛО "Комсомольск-металлосервис" (г. Комсомольск-на-Лмуре). Результаты исследований переданы также для полезного использования в ООО «Контакт» (г. Комсомольск-на-Лмуре) и используются в учебном процессе в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете.
Личный вклад автора. Автором разработана и создана экспериментальная установка по исследованию характеристик кольцевых упорных газостатических подшипников. Для определения характеристик подшипников, удовлетворяющих сформулированной функция цели, поставлена и решена экстремальная задача. Выполнен весь комплекс экспериментальных исследований с последующим анализом полученных данных. Созданы инженерные методики проектирования конструктивных элементов и рас-
чета основных характеристик УГСП с прямоточными лабиринтными уплотнениями.
Апробация работы. Общее содержание работы и отдельные ее результаты были изложены в докладе на научно-технической конференции в г. Комсомольске-на-Амуре (1998 г.), а также на совместном заседании кафедр "Технология машиностроения", 'Кораблестроение" и "Судовые энергетические установки".
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в трех работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения. 4 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертационная работа содержит 165 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 9 таблиц. Библиографический список охватывает 76 литературных источников.