Гидростатические направляющие, конструкции, эксплуатация

 

Гидростатические направляющие более широко распространены в металлорежущих станках. Они обеспечивают жидкостную смазку при любых скоростях скольжения, а значит, и равномерность, и вы­сокую чувствительность точных исполнительных движений. Недо­статком гидростатических направляющих является сложность системы смазывания и необходимость специальных устройств для фикса­ции перемещаемого узла в заданной позиции.

Гидростатические направляющие (рис.65) имеют карманы в которые под давлением подается масло. Вытекая наружу через

зазор h, оно создает масляную подушку по всей площади контакта. Целесообразная форма карманов для гидростатических направляю­щих показана на рис. 17.16. И х геометрические размеры задают на основе ориентировочных зависимостей а — = 0, 5яг, а_х = 0, 1В; а₂ — 2а_х. По характеру восприятия «грузки гидростатические оправляющие делятся на открытые и замкнутые. От­крытые направляющие пред­назначены для восприятия прижимающих нагрузок, а замкнутые (закрытые) могут воспринимать, кроме того, и значительные опрокидывающие моменты. Гидростатические направляющие различаются также системой ре­гулирования толщины масля­ного слоя. Наиболее просты и надежны системы с дроссе­лями перед каждым карманом (см. рис.65, б, г). Однако, гели направляющие незам­кнутые, то они могут обеспечить необходимую жесткость масляного слоя лишь при большой массе подвижного узла. Повысить жесткость масляного слоя можно путем использования для каждого кармана отдельного насоса постоянного расхода (или систему с одним насосом и делителем расхода) (см. рис.65, а, в). Такие системы при­меняют в тяжелых станках (карусельных, продольно-фрезерных идр.). Наилучшими с точки зрения жесткости и постоянства толщины масляного слоя являются гидростатические направляющие с си­стемой автоматического регулирования. Основу таких систем со­ставляют дроссели, сопротивление которых автоматически изме­няется либо в зависимости от толщины масляного слоя, либо от давления в масляном кармане.

Грузоподъемная сила, Н, незамкнутой гидростатической опоры с питанием по схеме насос—карман

(1.17)

где Q — расход смазочного материала, протекающего через зазор, который является постоянным для этого типа опор, см³/с; μ — дина­мическая вязкость, для минеральных масел μ = 1― 100 мПа·с; h —величина зазора, см; F —площадь опоры, см² (отдельной опо­рой будем считать участок F = LB, см. рис. 17.16); c_f, С_g —коэф­фициенты, зависящие от геометрических параметров опоры и кар­мана, для симметричной прямоугольной опоры

(2.17)

 

(3.17)

 

где L, В — соответственно длина и ширина опоры; l, b — длина и ширина кармана.

Жесткость гидростатической опоры с постоянным расходом

(4.17)

где знак минус означает, что с увеличением нагрузки, зазор умень­шается.

У незамкнутой гидростатической опоры с питанием от общего насоса через дроссель к каждому карману (см. рис. 17.15, б) расход жидкости через дроссель и щель равен

(5.17)

где р_к, р_н — соответственно давление в кармане и давление насоса, мПа; R, R _др—соответственно сопротивление щели и дросселя.

Для гидростатических направляющих применяют в основном. Дроссели типа канала, в которых сопротивление потоку создается за счет трения жидкости о стенки. Такие дроссели меньше засоряются, Так как позволяют увеличить проходное сечение канала, а необ­ходимое сопротивление можно обеспечить за счет его длины, причем Компактность дросселя достигается винтовой формой канала

Для дросселей трения с круглым отверстием

(6.17)

а сопротивление щели гидростатической опоры

(17.33)

где l ₀, d₀ —соответственно длина и диаметр отверстия дросселя, см.

Подставив в уравнение (17.31) выражения (17.32) и (17.33), можно получить формулу для определения толщины масляного слоя

(7.17)

где т = р_к/р_н —характеристика дросселя, 0 < т < 1.

Жесткость гидростатической опоры с дроссельной системой пи­тания

(8.17)

а при оптимальной характеристике дросселя т_опт = 2/3

(9.17)

Из формул (7.17) и (8.17) видно, что применение дросселей трения обеспечивает независимость толщины масляного слоя h и жесткости j от вязкости масла μ.Это является достоинством дрос­сельных гидростатических опор, поскольку вязкость масла суще­ственно изменяется из-за нагрева станка при работе.

Грузоподъемная сила, Н, замкнутой гидростатической опоры с системой питания насос—карман (см. рис. 65, в)

(10.17)

а жесткость этой опоры

(11.17)

 

где h₀ — первоначальнаявеличина рабочего зазора; с_Р (ε, k) и Cj (ε, k) — коэффициенты, определяемые в зависимости от относитель­ного смещения в = (h₀ — h₁)/h₀ и различия в противоположных

опорах

(12.17)

(индекс 1 —для основной опоры, а индекс 2 —для замыкающей); обычно 0 < k < 1, а при k = 0 опора превращается в незамкнутую.

 

Коэффициенты с_Р (е, k) и Cj (e, k) определяют по выражениям

(13.17)

Замкнутая гидростатическая опора с дроссельным регулирова­нием (рис.65, г) обладает грузоподъемной силой и жесткостью, определяемыми по выражениям (10.17) и (11.17), в которых коэффи­циенты Ср (в, k) и c, j (в, k) определяют по следующим зависимостям:

 

(14.17)

 

 

Повысить жесткость незамкнутых гидростатических опор можно применяя регуляторы толщины масляного слоя. Примером регулятора, использующего обратную связь по давлению, может служить

мембранный регулятор (рис.67, а), принцип действия которого заключается в том, что его сопротивление, зависящее от величины зазора Н, изменяется в соответствии с толщиной щели h при равен­стве расходов. Толщина масляного слоя гидростатической опоры с таким регулятором

 

(15.17)

 

 

где Н₀ —начальный зазор в регуляторе (при р_к = 0), см; с — коэф­фициент податливости мембраны с пружиной, мм-см²/Н.

Подбором жесткости регулятора (используя коэффициенты ) можно изменить жесткостную характеристику опоры. Регуляторы мембранного типа улучшают характеристики незамкнутых гидростатических опор при сравнительно небольшом. Диапазоне изменения внешней нагрузки (примерно до 5 раз), обес­печивая почти постоянное значение толщины смазочного слоя. Рас­ширить диапазон внешних нагрузок во много раз можно путем создания систем автоматического регулирования, в которых осуще­ствляется управление регулятором расхода по сигналу датчика, фиксирующего отклонение движения подвижного узла от идеальной прямой.

Своеобразной автоматической системой с регулятором являются гидростатические опоры с внутренним дросселированием (рис.67, б). В качестве дросселя используют участок щели в виде кольца, причем дроссели располагают на противоположной направляющей. Жесткость и грузоподъемная сила таких опор в 1, 5—2 раза больше жесткости обычных гидростатических опор с внешним дрос­селем постоянного сопротивления.

Демпфирование колебаний в гидростатических направляющих значительно выше, чем в направляющих других типов, и харак­теризуется силой сопротивления, возникающей при сближении I поверхностей с некоторой постоянной скоростью. Для прямоуголь­ных направляющих с карманом демпфирующая сила

(16.17)

а для плоской кольцевой опоры с центральной камерой

(17.17)

где h — начальная (средняя) величина зазора; r₁, r₂ — соответ­ственно наружный и внутренний радиусы кольцевой опоры.

Гидростатические направляющие чувствительны к деформациям и погрешностям изготовления и монтажа, суммарная величина кото­рых для сопряженных деталей не должна превышать примерно одной трети минимальной расчетной толщины щели. Положительным свойством гидростатических опор является способность их в значи­тельной мере усреднять исходные геометрические погрешности со­пряженных поверхностей.

Разделения трущихся поверхностей в аэростатических направ­ляющих добиваются подачей в карманы воздуха под давлением. В результате между сопряженными поверхностями направляющих образуется воздушная подушка. По конструкции аэростатические направляющие напоминают гидростатические. Рабочую поверхность делят на несколько секций, в которых располагаются карманы. Подвод и распределение воздуха к каждой секции независимые. Для устранения опасности потери устойчивости и возбуждения интенсивных колебаний по принципу пневмомолотка карманы и распределительные канавки делают треугольного профиля и неболь­шими по объему (рис.68). Аэростатические направляющие ра­ботают устойчиво, когда объем воздуха в канавке в 4—5 раз меньше объема воздуха в щели. Исходя из этого, глубина канавки

(18.17)

где В —ширина опоры, мм; h —толщина щели, обычно h = 0, 01 ─ 0, 05 мм

Микроканавки замкнутого профиля, аналогичные канавкам ги­дростатических опор (см. рис.66), применяют при значительной ширине направляющих. Воздух подводят к центру канавки через дросселирующее отверстие (d = 0, 2 ─ 0, 8 мм) под избыточным давле­нием 0, 2-0, 4 МПа.

Подъемная сила опоры с одной канавкой

(19.17)

Где l —длина канавки, мм; f_p (k) —коэффициент, зависящий от характеристики опоры,

(20.17)

Коэффициент f_р (k) при рас­чете грузоподъемности можно определить по эмпирической формуле

 

( 21.17)

где р_к —давление воздуха в канавке, МПа.

По условию устойчивости характеристику опоры следует брать в интервале 0, 3 < к < 2.

Жесткость незамкнутых аэростатических направляющих можно оценить по приближен­ной формуле

(22.17)

где р₀ — подводимое давление воздуха, МПа.

Недостатки аэростатических опор и направляющих, по сравнению с гидростатическими, заключаются в малой нагрузочной способности, невысоком демпфировании колебаний, так как вязкость воздуха на четыре порядка меньше вязкости масла, низкими динамическими ха­рактеристиками, склонностью к отказам из-за засорения магистра­лей и рабочего зазора. Динамические характеристики можно улуч­шить, применяя аэростатические направляющие закрытого типа, а поднять нагрузочную способность за счет автономной системы пи­тания от отдельного компрессора.

Преимущества аэростатических направляющих состоят в том, что они при движении обеспечивают низкий коэффициент трения, а при отключении подачи воздуха очень быстро создается контакт поверхностей с большим трением, обеспечивающим достаточную жесткость фиксации узла станка в заданной позиции. Отпадает Необходимость в фиксирующих устройствах, в которых нуждаются

Все это определяет целесообразную область применения аэростатических направляющих. Их используют в прецизионных стан­ках, в которых малы силы резания и необходимо точное позициони­рование.

 

 

18. Обзор конструкций направляющих с гидродинамической, газовой смазкой. Использование гидро- и аэроразгрузки при перемещении узлов станка по направляющим.

 

Гидродинамические направляющие отличаются простотой конструкции, хорошо работают лишь при достаточно больших скоростях скольжения, которым соответствуют скорости главного движения (в продольно-строгальных, карусельных станках). Гидродинамиче­ский эффект, т. е. эффект всплывания подвижного узла, создается пологими клиновыми скосами между смазочными канавками, вы­полненными на рабочей поверхности направляющих (рис.69). В образованные таким образом сужающиеся зазоры при движении затягивается смазочный материал, и обеспечивается разделение тру­щихся поверхностей слоем жидкости. При малой ширине направляющей по сравнению с ее длиной

критическая скорость скольже­ния, м/с, после которой наступает жидкостная смазка,

 

(1.18)

 

где Р — общая нагрузка на направляющую, Н; h_min — минимальная толщина смазочного слоя, в зависимости от длины направляющей f_min = 0, 06 ─ 0, 1 мм; μ —динамическая вязкость, мПа·с; L, В — длина и ширина направляющей, мм.

Для различных скоростей скольжения и нагрузки существуют свои оптимальные геометрические параметры клинового скоса.

Серьезным недостатком гидродинамических направляющих яв­ляется нарушение жидкостной смазки в периоды разгона и торможе­ния подвижного узла.

Гидроразгрузка направляющих с полужидкостной смазкой за счет подачи в разгружающие карманы масла под давлением весьма эффективна для наиболее ответственных направляющих. Подбором давления масла в карманах можно резко уменьшить коэффициент трения, обеспечить высокую долговечность направляющих, а отсут­ствие всплывания, которое имеет место в гидростатических на­правляющих, обеспечивает высокую контактную жесткость и надеж­ную фиксацию узла после перестановки.

Сила трения в направляющих с гидроразгрузкой

(2.18)

 

 

где f — коэффициентсмешанного трения; Р₀ — сила гидрораз­грузки.

Сила гидроразгрузки та же, что и для гидростатических на­правляющих, Р₀ = p_KFc_F; обычно Р₀ = 0, 7P_N.

Комбинация гидростатических и гидродинамических опор целе­сообразна при большом диапазоне изменения скоростей, что в на­правляющих встречается редко. Такие опоры применяют для быстро­ходных шпинделей станков с большим диапазоном регулирования

частоты вращения.

Комбинации гидростатических опор и направляющих качения целесообразны в отдельных случаях для создания замкнутых гидро­статических опор. Подпружиненные катки могут обеспечить надеж­ное замыкание гидростатических опор даже при отсутствии внешней постоянной нагрузки.

Сочетание гидростатических направляющих с аэростатическими возможно в случаях, когда аэростатические опоры выполняют вспомогательные функции уплотняющих устройств. Для силового замыкания аэростатические направляющие малопригодны из-за низкого давления в пневмосети.

Сжатый воздух используется для разгрузки нетяжелых узлов при вспомогательных их перемещениях. Например, для облегчения перемещения задней бабки в карманы ее напрвляющих подается сжатый воздух, создается воздушная подушка, на которой всплывает задняя бабка