Способ управления выходными характеристиками ротора в виде его несущей способности и жесткости
Владельцы патента RU 2641942:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "КнАГТУ") (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, насосах и компрессорах. Способ включает установку ротора в упорных подшипниках, размещенных на его переднем и заднем концах, и в размещенных со стороны упорных подшипников соответственно газостатическом подшипнике и коническом газостатическом подшипнике с конусностью 0,5-20%, образованном конической частью ротора и коническим вкладышем, которые устанавливают с радиальным зазором между собой. При этом осуществляют управление осевым перемещением ротора относительно конического вкладыша с изменением упомянутого радиального зазора путем изменения давления газа, подаваемого на упорные подшипники через упомянутые газостатические подшипники. Использование изобретения позволяет упростить процесс управления несущей способностью и жесткостью ротора. 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в шпиндельных узлах металлорежущих станков, насосах и компрессорах и других машинах, имеющих вращательные части.
Из уровня техники известен способ регулирования радиального зазора с помощью магнитного подшипника (CN 20141802731, 17.12.2014).
Данный способ позволяет перемещать ротор в радиальной плоскости с помощью магнитного подшипника, тем самым изменяя воздушный зазор.
Применение данного способа к газостатическим опорам не возможно в связи с тем, что будет нарушена целостность поверхности вкладыша, а также сложность самой системы и ее системы управления.
Задачей данного технического решения является управление выходными характеристиками ротора (нагрузочная способность, жесткость) за счет изменения радиального зазора в газостатической опоре.
Данная задача достигается за счет замены радиального газостатического подшипника на конический с конусностью 0,5-20%, что позволит за счет горизонтального перемещения самого ротора изменять радиальный зазор на консольном конце. В качестве системы управления используются упорные подшипники, установленные на переднем и заднем концах ротора. За счет варьирования давления в этих опорах будет происходить перемещение ротора вдоль продольной оси, что заставляет перемещаться конический подшипник относительно вкладыша, тем самым изменяя радиальный зазор по всей длине. При этом длина конуса больше длины вкладыша на величину перемещения.
Таким образом, способ управления выходными характеристиками ротора в виде его несущей способности и жесткости включает установку ротора в упорных подшипниках, размещенных на его переднем и заднем концах, и в размещенных со стороны упорных подшипников соответственно газостатическом подшипнике и коническом газостатическом подшипнике с конусностью 0,5-20%, образованном конической частью ротора и коническим вкладышем, которые устанавливают с радиальным зазором между собой, а также включает управление осевым перемещением ротора относительно конического вкладыша с изменением упомянутого радиального зазора путем изменения давления газа, подаваемого на упорные подшипники через упомянутые газостатические подшипники.
Техническим результатом данного решения является возможность регулирования выходных характеристик ротора за счет конического газового подшипника.
Ротор с конической газовой опорой изображен на фиг. 1, где 1 - корпус, 2 - конический газовый подшипник (опора), 3 - упорный подшипник, 4 - газостатический подшипник, 5 - ротор, 6 - упорный подшипник 7 - привод ротора, 8 - режущий инструмент, 9, 10, 11 - питающие отверстия.
Описание способа.
Ротор 5 располагается в корпусе 1. Вращение ротора 5 производится с помощью привода 7. Вращение ротора приводит в работу режущий инструмент 8, установленный на консольном конце.
Изменение выходных характеристик ротора (несущей способности и жесткости) происходит за счет изменения радиального зазора в конической опоре 2 с конусностью 0,5-20%. Изменение радиального зазора осуществляется путем перемещения конической части ротора относительно конического вкладыша, при этом ротор длиннее вкладыша на величину его перемещения. Перемещение ротора вдоль оси осуществляется посредством изменения зазоров Δ1 и Δ2 в упорных подшипниках 3 и 6. Для изменения зазоров в упорных подшипниках 3 и 6 в отверстия 9, 10, 11, находящиеся на газостатическом подшипнике 4 и радиальном подшипнике 2, подаются разные давления от регулирующей аппаратуры.
Согласно проведенным исследованиям (Космынин А.В., Кабалдин Ю.Г., Виноградов B.C., Чернобай С.П. Эксплуатационные характеристики газовый опор высокоскоростных шпиндельных узлов. // М.: Академия естествознания, 2006. - 219 с., Космынин А.В., Шаломов В.И., Щетинин B.C., Жесткая В.Д., Хвостиков А.С., Смирнов А.В. Выходные характеристики высокоскоростных шпиндельных узлов на газовых опорах: монография / - М.: Издательский Дом «Академия Естествознания», 2011. - 178 с.), для удобства оценки жесткости KS и несущей способности СQ их можно представить в относительных величинах
,
где kр - коэффициент проницаемости пористого материала, R2 - радиус вкладыша, с - радиальный зазор, δ - средний осевой зазор двухстороннего упорного кольцевого подшипника, высота (или толщина) пористой вставки радиального подшипника;
,
где F - сила резания, D - диаметр подшипника, L - длина подшипника, ΔР - подаваемое давление.
На фиг. 2а показаны зависимости изменения жесткости KS от радиального зазора С и эксцентриситета ε и несущей способности CQ в зависимости от радиального зазора С и эксцентриситета ε (б) (D - диаметр подшипника, L - длина подшипника).
Результаты исследований, приведенные на графиках (фиг. 2б) показывают, что жесткость ротора сильно зависит от эксцентриситета и с его увеличением смещается в область высоких значений радиального зазора. Отдельно отметим область изменения жесткости при эксцентриситете ε=0,8 и выделим три диапазона изменения радиального зазора, в котором по мере его возрастания:
1) коэффициент жесткости увеличивается;
2) коэффициент жесткости уменьшается или замедляет свой рост;
3) коэффициент жесткости вновь увеличивается.
Из графика фиг. 2б видно, что с увеличением ε коэффициент несущей способности подшипников увеличивается, это происходит за счет перераспределения давления газа при смещении вала. В нагруженной части, где зазоры велики, давление уменьшается. С ростом эксцентриситета эта разность давлений возрастает, увеличивая несущую способность подшипника.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют доказать достижение технического результата и сделать вывод о зависимости выходных параметров высокоскоростных роторных систем от радиального зазора. Это позволяет получить желаемое качество обработки поверхности в зависимости от производственных требований.
Способ управления выходными характеристиками ротора в виде его несущей способности и жесткости, включающий установку ротора в упорных подшипниках, размещенных на его переднем и заднем концах, и в размещенных со стороны упорных подшипников соответственно газостатическом подшипнике и коническом газостатическом подшипнике с конусностью 0,5-20%, образованном конической частью ротора и коническим вкладышем, которые устанавливают с радиальным зазором между собой, и управление осевым перемещением ротора относительно конического вкладыша с изменением упомянутого радиального зазора путем изменения давления газа, подаваемого на упорные подшипники через упомянутые газостатические подшипники.
