Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА МАГНИТОПРОВОДА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА С ГАЗОМАГНИТНОЙ ОПОРОЙ

Космынин А.В. 1 Щетинин В.С. 1 Хвостиков А.С. 1 Смирнов А.В. 1 Блинков С.С. 1
1 ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», Комсомольск-на-Амуре
Рассмотрена методика расчета выходных характеристик высокоскоростного шпиндельного узла с передней газомагнитной опорой, несущая способность которой обусловлена совместным действием газовых сил и сил электромагнитного поля. Приведена конструкция такого подшипника. С целью проверки достоверности теоретических результатов расчетов приведено их сравнение с экспериментальными данными. Проанализировано влияние длины магнитопровода двухполюсного газомагнитного подшипника на выходные характеристики шпиндельного узла. На основе выполненных исследований изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного шпиндельного узла, испытания которого показали на высокое качество и точность обрабатываемых поверхностей.
шпиндельный узел
газомагнитная опора
несущая способность
жесткость смазочного слоя
1. Бессонов П.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1973.– 752 с.
2. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А.В. Космынин, Ю.Г. Кабалдин, В.С. Виноградов, С.П. Чернобай. – М.: Акадения Естествознания, 2006.– 219 с.
3. Стенд для исследования выходных характеристик шпиндельного узла на газомагнитных опорах / В.С. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова, А.В. Хвостиков, С.С. Блинков // CТИН. – 2010. – №5. – С. 8–11.
4. Космынин А.В., Щетинин В.С. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел: патент России № 2347960.2009. Бюл. №6.
5. Пуш А.В. Шпиндельные узлы: Качество и надёжность. – М.: Машиностроение, 1992. – 228 с.

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 для прецизионной и сверхпрецизионной обработки. Точность и производительность таких станков зависит в основном от точности работы шпиндельного узла (ШУ).

Высокоскоростные ШУ шлифовальных станков должны обеспечивать высокую быстроходность, жесткость на шлифовальном круге и достаточную силу резания для повышения производительности и точности обработки.

Высокая быстроходность ШУ достигается при использовании бесконтактных газовых или магнитных опор. Однако такие подшипники имеют сравнительно невысокую несущую способность [5], что ограничивает силу резания на шлифовальном круге и приводит к снижению производительности, особенно при снятии черновых и получистовых припусков.

Один из способов повышения эксплуатационных характеристик бесконтактных опор ШУ состоит в применении комбинированных подшипников, и, в частном случае, газомагнитных опор. Несущая способность таких подшипников обеспечивается совместным действием сил давления газовой смазки и магнитного поля [4].

Рассмотрим методику расчета выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорами. Передняя опора имеет два магнитных полюса. Газ в зазор подшипников подается через пористые вставки, расположенные в газонепроницаемом вкладыше. Типовая схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя показана на рис. 1.

Нагрузка на шлифовальном круге находится из двух уравнений статики: суммы проекций сил на ось Y:

214

и уравнения моментов относительно точки О:

215

где Q1 и Q2 - несущая способность передней и задней опоры соответственно; M - восстанавливающий момент от перекоса передней и задней опоры.

Представленные выражения показывают, что для определения нагрузки на шлифовальном круге необходимо знать несущую способность опор и восстанавливающий момент от перекоса шпинделя. При этом заметим, что последняя величина, как показали расчеты, на порядок меньше моментов сил Q1 и Q2.

Расчет частично пористых газостатических подшипников ШУ достаточно полно изложен в работе [2].

Рассмотрим методику расчета эксплуатационных характеристик газомагнитной опоры с двумя магнитными подвесами, изображенной на рис. 2.

pic 

Рис. 1. Схема ШУ с креплением шлифовального круга на консоли шпинделя:
1 - передняя газомагнитная опора; 2 - задняя газостатическая опора; 3 - магнитопровод

500
 

Рис. 2. Схема газостатической опоры с двумя магнитными подвесами

Методика расчета газомагнитной опоры базируется на том, что поле давлений газовой смазки и магнитное поле имеют разную природу и не оказывают заметного влияния друг на друга. Тогда несущую способность такой опоры можно представить как результирующий вектор двух силовых векторов - магнитной силы и силы давления газа.

В скалярной форме выражение для определения несущей способности газомагнитной опоры имеет вид:

216

где Qx и Qy - проекции нагрузки на ось X и Y соответственно. Каждая из этих проекций равна:

217  218

где Qxг и Qyг - проекции на ось X и Y газовой составляющей несущей способности, Fxм и Fyм - проекции на ось X и Y магнитной составляющей несущей способности.

Согласно работе [3] проекции на оси координат газовой составляющей нагрузки равны:

219

220

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

Магнитная составляющая несущей способности опоры по абсолютной величине равна тяговому усилию соленоидов. Известно [1], что его элементарная величина находится по формуле:

221 (1)

где В - магнитная индукция, S - площадь ферромагнитного тела, μ0 - магнитная постоянная.

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

222 (2)

где 223 - 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.

Поскольку величина зазора в сравнении с линейными размерами полюса меньше примерно в 10-3, то примем допущение об однородности магнитного поля. Принимая это во внимание, можно показать, что при угловой раздвижке электромагнитов α проекции магнитной составляющей нагрузки с учётом длины магнитопровода Т на оси координат находятся из выражений:

224

225

где ψ - угол положения нагрузки; β - окружная координата начала первого полюса; φм - полюсный угол; Т - длина электромагнита.

Заметим, что зазор 226 между шпинделем и вкладышем подшипника находится из выражения:

227

где 228 - параметр перекоса; 229 - удлинение подшипника; с - средний радиальный зазор; ε - относительный эксцентриситет; γ - угол перекоса; - диаметр подшипника; - длина подшипника.

Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле:

230

где у - смещение оси круга.

Изложенная методика послужила основой для исследования влияния длины магнитопровода Т - одного из основных элементов конструкции газомагнитной опоры, на выходные характеристики ШУ.

Результаты расчёта нагрузки F и жесткости J на шлифовальном круге в зависимости от частоты вращения шпинделя и длины магнитопровода представлены соответственно на рис. 3 и 4. Расчет выполнен, когда несущая способность передней опоры создается только как за счёт сил давления газа (T = 0), так и при совместном действии газового и магнитного поля с относительной магнитной силой 231. Экспериментальные данные получены на стенде. Конструкции и принцип работы стенда подробно описаны в работе [3].

Относительная магнитная сила определяется по следующей зависимости:

232

где 233 - абсолютная магнитная сила; ΔP - избыточное давление наддува газа.

Из представленных зависимостей видно, что увеличение длины магнитопровода позволяет увеличить нагрузку на шлифовальном круге. Следует отметить, что при работе опоры в газомагнитном режиме при постоянной магнитной силе (234) жесткость шпиндельного узла ниже. Этот недостаток устраняется при использовании следящей системы управления положением шпинделя.

501 

Рис. 3. Зависимость нагрузки F на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом;
 режим работы ШУ с включенным электромагнитом; ■ - эксперимент при Т = 40 мм;
● - эксперимент с выключенным электромагнитом

502

Рис. 4. Зависимость жесткости J на шлифовальном круге от частоты вращения шпинделя n
и длины магнитопровода T; режим работы ШУ с выключенным электромагнитом; режим работы ШУ с включенным электромагнитом

В Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного внутришлифовального шпиндельного узла, имеющего переднюю газомагнитную опору, а заднюю - газостатическую.

В результате испытаний ШУ при обработке образцов изделий диаметрами 25 и 40 мм, выполненными из стали 20×13, получены следующие результаты: некруглость отверстий не более 1,0 мкм, волнистость - до 0,15 мкм, шероховатость поверхности Ra не более 0,12 мкм, что на 10-15 % выше, чем у ШУ, имеющих только газостатические опоры.

Из сказанного следует, что применение в станках ШУ с газомагнитными опорами позволит более эффективно использовать станочное оборудование за счет совмещения получистовых, чистовых и финишных операций за один установ, а также получать более высокое качество обработки.

Рецензенты:

Козин В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре;

Амосов О.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой информатики ФГОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре.

Работа поступила в редакцию 25.02.2011.


Библиографическая ссылка

Космынин А.В., Щетинин В.С., Хвостиков А.С., Смирнов А.В., Блинков С.С. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА МАГНИТОПРОВОДА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА С ГАЗОМАГНИТНОЙ ОПОРОЙ // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12-1. – С. 129-132;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=28863 (дата обращения: 21.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074