Влияние полюсного угла раздвижки магнитопроводов в газомагнитной опоре шпиндельного узла шлифовального станка на его эксплуатационные показатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние полюсного угла раздвижки магнитопроводов в газомагнитной опоре шпиндельного узла шлифовального станка на его эксплуатационные показатели

А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.В. Смирнов

Определено влияние полюсного угла раздвижки магнитопроводов на несущую способность и жесткость шпиндельного узла с передней газомагнитной опорой. Выполнен сравнительный анализ несущей способности и жесткости шпиндельного узла в газомагнитном и газостатическом режимах. Предложены области технологического использования таких шпиндельных узлов.

Ключевые слова: шпиндельный узел, газомагнитная опора, полюсный угол раздвижки магнитопроводов, шпиндельные подшипники, газостатические подшипники, несущая способность, жесткость шпиндельного узла.

Развитие современной промышленности предъявляет повышенные требования к технологическому оборудованию по производительности и точности. Одним из видов такого оборудования являются шлифовальные станки, применяемые на финишных операциях, точность и производительность которых зависят в основном от шпиндельного узла (ШУ), 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. Однако эти типы опор имеют невысокую несущую способность [1; 2], а активные магнитные подвесы (АМП) еще и сложную систему управления [3].

Для решения возникшей проблемы низкой грузоподъемности (несущей способности) предлагается использовать гибридную опору, совмещающую в себе элементы газовой опоры и магнитного подшипника [4]. Схема конструкции такой опоры с двумя магнитными подвесами в газостатическом подшипнике шпиндельного узла приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема газомагнитной опоры

магнитопровод жесткость шпиндельный узел

Представленная опора обладает большей несущей способностью в обратном направлении вектора магнитных сил в сравнении с обычным газостатическим подшипником. Это достигается за счёт сложения векторов сил от магнитного притяжения и газового давления.

Так как поле давлений газовой смазки и магнитное поле имеют разную природу, то они не оказывают заметного влияния друг на друга, и это влияние не учитывается в дальнейших расчетах. Следовательно, силовые воздействия газового и магнитного полей на шпиндель допустимо рассматривать по отдельности. Тогда несущую способность гибридной опоры можно найти как результирующий вектор двух силовых векторов: от магнитной силы и давления газа. Методика расчета опор ШУ с газовой смазкой достаточно полно представлена в [2]. Практические расчеты АМП представлены в работе. В скалярной форме выражение для определения несущей способности газомагнитной опоры имеет вид

,

где и - проекции нагрузки на оси X и Y соответственно.

; ,

где и - проекции на оси X и Y газовой составляющей несущей способности; и - проекции на оси X и Y магнитной составляющей несущей способности.

Проекции на оси координат газовой составляющей нагрузки определяются следующим образом [2]:

;

где R - радиус вкладыша; L - длина подшипника; р - давление в газовом слое; ? -координата в окружном направлении подшипника; z - координата в осевом направлении подшипника.

Определим магнитную составляющую несущей способности опоры, которая по абсолютной величине равна тяговому усилию АМП. Известно, что его элементарная величина находится по формуле

(1)

где В - магнитная индукция; S - площадь ферромагнитного тела; ?0 - магнитная постоянная.

Поскольку величина зазора в сравнении с размерами полюса меньше примерно в 10-3 раз, то примем допущение об однородности магнитного поля.

Принимая во внимание хорошо известную зависимость индукции от величины зазора, выражение (1) запишем в виде

(2)

где - коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида; i - ток в соленоиде; n - число витков соленоида; h- зазор между шпинделем и вкладышем подшипника. Зависимость (2) является исходной при определении магнитной составляющей несущей способности, развиваемой двумя электромагнитами.

Можно показать, что при угле раздвижки электромагнитов ? проекции магнитной составляющей нагрузки на оси координат находятся из следующих выражений:

;

,

где ? - угол положения нагрузки; ? - окружная координата первого полюса; ?м - полюсный угол; Т - длина электромагнита.

Заметим, что зазор h между шпинделем и вкладышем подшипника определяется по формуле

где с - средний радиальный зазор; е - эксцентриситет.

Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле

где - смещение оси шпинделя.

Изложенная методика послужила основой для исследования влияния угла раздвижки магнитопроводов ? - одного из основных элементов конструкции газомагнитной опоры - на выходные характеристики ШУ.

Разработана программа для расчета на ЭВМ эксплуатационных характеристик шпиндельного узла на газомагнитных опорах [5].

Результаты расчёта нагрузки F и жесткости J газомагнитного подшипника на конце шпинделя в зависимости от частоты вращения и угла раздвижки магнитопроводов представлены на рис. 2. Расчет выполнялся, когда несущая способность передней опоры создавалась только за счёт сил давления газа (), а также при совместном действии газового поля и магнитных сил (при ).

а) б)

Рис. 2. Зависимости (нагрузки (а) и жесткости (б) на конце шпинделя от частоты вращения для разных углов раздвижки магнитопроводов газомагнитной опоры (диаметр вкладыша D=50 мм, длина L=60 мм, давление наддува pS=0,6 МПа): 1-; 2-?=400; 3-?=600; 4-?=800; ¦- экспериментальные данные (?=800)

Из полученных зависимостей следует, что применение магнитной силы в газостатическом подшипнике увеличивает несущую способность. Необходимо отметить, что изменение угла раздвижки не влияет на несущую способность. Однако жесткость таких опор (более низкая, чем у газостатических) с увеличением угла раздвижки возрастает.

При проектировании шпиндельных узлов следует учитывать положение магнитных подвесов в газостатической опоре, так как они обеспечивают в диапазоне параметра быстроходности до 15-20% увеличения жёсткости.

Режим работы с включённым магнитным подвесом применим при черновых и получистовых режимах обработки заготовки, когда требуется повышенная несущая способность и не очень высокая точность, зависящая от жёсткости. Дальнейшая (чистовая и финишная) обработка детали ведётся за один установ (без открепления и снятия детали со станка) в режиме работы только газостатического подшипника (электромагнитный подвес выключен), когда не требуются большие усилия, а необходима высокая жёсткость.

Проведенные в Комсомольском -на - Амуре государственном техническом университете теоретические и стендовые исследования показали существенное увеличение несущей способности шпиндельного узла с газомагнитной опорой. Ведутся дальнейшие исследования и разработка опытно-конструкторских образцов шпиндельных узлов. Применение шпиндельных узлов с газомагнитными опорами позволит добиться высокой точности обработки и сокращения технологического времени на переустановку детали и переналадку станочного оборудования.

Список литературы

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

2. Пат. 2347960 РФ. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел / Космынин А.В., Щетинин В.С.; заявитель и патентообладатель Комсом.н /А гос. техн. ун-т.- № 2007120545/11; заявл. 01.06.07; опубл. 27.02.09, Бюл. №6. - 1с.

3. Журавлёв, Ю.П. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение / Ю.П.Журавлев. - СПб.: Политехника, 2003.- 206с.

4. Космынин, А.В. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А.В.Космынин [и др.]. - М.: Акад. естествознания, 2006. - 219с.

5. Spindle block. Программа для ЭВМ: свидет.№2009612950 / Космынин А.В., Щетинин В.С.; приоритет 05.06.09; заявка № 2009611704 от15.04.09.

Размещено на Allbest.ur