Методика расчета несущей способности газомагнитного подшипника высокоскоростного шпиндельного узла

Щетинин Владимир Сергеевич - к.т.н., доцент.

Иванова Наталья Александровна - аспирант.

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

681000, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 2

Рассмотрена методика расчета несущей способности газомагнитной опоры высокоскоростного шпиндельного узла. Учтено влияние на характеристики шпиндельного узла магнитной силы, сил, созданных газовым слоем от внешнего наддува, и газодинамического эффекта.

Ключевые слова: шпиндельные узлы, газомагнитная опора, шпиндельные подшипники, газостатические подшипники, несущая способность/

Развитие современной промышленности предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию по производительности и точности. Примером такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях. В основном точность и производительность такого оборудования зависит от шпиндельного узла, установленного на станок.

Высокоскоростные шпиндельные узлы для шлифовальных станков должны обладать достаточной несущей способностью для обеспечения высокой производительности. Для достижения высоких скоростей в шпиндельных узлах применяют газостатические или магнитные опоры.

Газостатические опоры способны обеспечить высокие скорости вращения вала и практически являются долговечными из-за отсутствия контакта между шипом и вкладышем [1]. Главным недостатком этих опор является сравнительно низкая несущая способность, поэтому они находят ограниченное применение в машиностроении. Известны также бесконтактные опоры на магнитных подвесах. Широкое применение магнитных подвесов затрудняется сложностью их управления, а также тепловыделением от индукционных токов, возникающих от перемагничивания вала, вращающегося на высокой частоте.

Для расширения области использования бесконтактных опор в высокоскоростных устройствах предложена комбинированная газомагнитная опора [2], которая обладает повышенной несущей способностью за счёт сложения магнитных и газовых сил. При этом газ, проходящий через зазор между валом и вкладышем, является охлаждающим агентом. Это, в свою очередь, позволяет применять большие магнитные силы. Управление магнитным подвесом в газомагнитной опоре не требуется, так как система является самоорганизующейся. При смещении вала в эксцентричное положение магнитные и газовые силы противостоят внешней нагрузке, в результате чего шип занимает определённое пространственное положение.

Предлагаемый тип опоры целесообразно использовать, например, в высокоскоростных шпиндельных узлах, в которых основная нагрузка от сил резания ориентирована в радиальном направлении.

Методика расчета газовых опор с пористыми вставками достаточно полно представлена в монографии [3], а практические расчеты активных магнитных подвесов изложены в работе [4]. В настоящей работе предлагается методика расчета комбинированной газомагнитной опоры с частично пористой стенкой вкладыша, принципиальная схема которой показана на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так как поле давления газовой смазки и магнитное поле имеют разную физическую природу, то они не оказывают влияния друг на друга. Учитывая вышесказанное, силовое взаимодействие газового и магнитного полей на вал допустимо рассматривать раздельно. Тогда несущую способность комбинированной опоры найдем как векторную сумму двух сил - магнитной и газовой:

, (1)

шпиндельный газомагнитный опора

где - газовая составляющая несущей способности; - магнитная составляющая несущей способности.

На рис. 2 представлена расчётная схема газомагнитного подшипника.

Рис. 2. Расчётная схема газомагнитной опоры:

1 - пористая цилиндрическая вставка; 2 - непроницаемая втулка; 3 - сердечник соленоида

Учитывая изменение индукции от величины зазора, зависимость (1) можно представить в виде:

,

где - коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида; - сила тока в соленоиде; n - число витков соленоида; h - воздушный зазор между валом и полюсом электромагнита.

Несущая способность магнитного подвеса определим как

,

где и - проекции на ось x и y вектора магнитной силы. Эти проекции находятся из выражений:

(2)

где ш - угол положения нагрузки, в - окружная координата начала первого полюса, - полюсный угол, Т - длина электромагнита, В - ширина электромагнита.

Используя зависимости (2), а также методику расчета газостатической опоры [3], выполним оценочный расчет несущей способности газостатической и газомагнитной опор и попутно сравним с опытными данными. Описание конструкции экспериментального стенда и результатов эксперимента приведены в работе [5].

Расчеты, как и эксперимент, проведены для опоры длиной L=60 мм и диаметром вкладыша D=50 мм при абсолютном давлении наддува p=6 МПа.

На рис. 3 показана зависимость несущей способности опор Q от частоты вращения вала n и относительной магнитной силы , которая определяет долю магнитной силы от максимальной газостатической силы:

.

Рис. 3. Зависимость несущей способности опор Q от частоты вращения вала n и относительной магнитной силы :

¦ - экспериментальные данные, полученные на стенде [5]

Как видно из представленных графиков, несущая способность газомагнитного подшипника при =0,3 на 10…30% выше, чем у газостатической опоры (=0). При этом экспериментальные точки, соответствующие =0,3, достаточно близко лежат к теоретической кривой.

В настоящее время в Комсомольском-на-Амуре ГТУ ведутся работы по широкомасштабному исследованию характеристик газомагнитных опор и высокоскоростных шпиндельных узлов шлифовальных станков с такими опорами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пуш А.В. Шпиндельные узлы: качество и надёжность. - М.: Машиностроение, 1992. - 228 с.: ил.

2. Пат. 2347960 РФ. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел / Космынин А.В., Щетинин В.С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре государственный технический ун-т. - № 2007120545/11; заявл. 01.06.07; опубл. 27.02.09. Бюл. №6. - 2 с.

3. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А.В. Космынин, Ю.Г. Кабалдин, В.С. Виноградов, С.П. Чернобай. - М.: Академия естествознания, 2006. - 219 с.: ил.

4. Журавлёв Ю.П. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. - СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.: ил.

5. Космынин А.В., Щетинин В.С., Иванова Н.А. Применение магнитной силы в газостатических опорах высокоскоростных шпиндельных узлов // Вестник машиностроения. - 2009. - №5. - С. 19-21.

Размещено на Allbest.ru