WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ЩЕТИНИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ И РАЗРАБОТКА

ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ НА

ГАЗОМАГНИТНЫХ ОПОРАХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование

механической и физико–технической обработки

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»)

Научный консультант:  доктор технических наук, профессор

Космынин Александр Витальевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Давыдов Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор

Поляков Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Сабиров Фан Сагирович

Ведущая организация:  «Институт машиноведения и металлургии» ДВО РАН, г. Космомольск-на-Амуре

Защита состоится «22»  декабря  2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «КнАГТУ»

Автореферат разослан «_______»  ноября  2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доц. Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Развитие современной машиностроительной отрасли предъявляет повышенные требования к точности обработки, производительности, надежности металлообрабатывающего оборудования и уровню его автоматизации. Исследованиями по оценке влияния различных факторов на точность обработки установлено, что ее до 80% определяет шпиндельный узел (ШУ). Выходные характеристики ШУ в основном зависят от типа применяемых в них опор, так как последние обеспечивают необходимую быстроходность, точность вращения шпинделя, нагрузочную способность и долговечность ШУ. В современных быстроходных ШУ (dn свыше 1 млн мм /мин) используют опоры качения, гидростатические, газовые и магнитные. Высокоскоростным ШУ на опорах качения свойственны тепловые деформации, нестабильность траектории движения шпинделя, связанная с изменением угла поворота сепаратора с комплектом тел качения и погрешностью изготовления колец, а также ограниченный ресурс работы.

Применение в конструкциях ШУ гидростатических опор обеспечивает высокую точность вращения и демпфирующую способность, что значительно повышает виброустойчивость шпиндельного узла. Такие опоры имеют практически неограниченную долговечность, высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения шпинделя. Главными недостатками применения гидростатических опор является сложная система питания и ограничение по быстроходности обусловленное жидкостным трением.

ШУ на газовых опорах почти могут развивать параметр быстроходности (dn) 5 млн мм /мин. и выше. Это позволяет повысить эффективность металлообработки. Однако, из-за сравнительно невысокой несущей и демпфирующей способности смазочного слоя газовых опор, их использование в ШУ ограничено. Такие опоры нашли применение в высокоскоростных малонагруженных ШУ, эксплуатируемых на финишных технологических операциях.

Шпиндельные узлы на электромагнитных опорах имеют неограниченный ресурс, невысокое энергопотребление, сравнительно высокую жесткость при управлении тяговым усилием электромагнита и незначительный коэффициент сопротивления вращению. Отсутствие механического контакта позволяет таким подшипникам работать в экстремальных условиях. Несмотря на эти достоинства, ШУ на электромагнитных опорах не нашли широкого применения в станкостроении вследствие невысокой несущей способности и сложности как самих ШУ, так и их электронных систем управления.

Недостаточный объем исследований прецизионных ШУ на бесконтактных опорах, имеющих необходимый уровень эксплуатационных характеристик для высокоскоростной обработки, сдерживает развитие конкурентоспособности российской станочной техники на мировом рынке, что диктует необходимость решения этой важнейшей для станкостроения производственной проблемы.

Анализ показал, что многообразие опор шпиндельных узлов, разнообразие их конструкций и разнородная противоречивость их рабочих характеристик усложняет задачу выбора лучшего решения и создания безальтернативного варианта опоры ШУ для высокоскоростной обработки.

Одним из возможных путей дальнейшего повышения выходных характеристик шпиндельных узлов состоит во внедрении в их конструкции нового типа подшипников - газомагнитных опор (ГМО). Они лишены недостатка газовых опор - невысокой несущей способности, которая компенсируется магнитными силами. Недостаток магнитных опор по неустойчивости положения шпинделя и как следствие сложной системы управления, компенсируются самоустанавливающимся полем газовых сил в опоре. Поэтому разработка шпиндельных узлов станков на газомагнитных опорах является актуальной практической задачей современного станкостроения.

Создание высокоскоростных ШУ на основе газомагнитных опор является наукоемкой проблемой и требует применения научно-обоснованных подходов для ее решения. При этом актуальной научной задачей является обоснование и разработка высокоскоростных ШУ на газомагнитных опорах.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ проектирования и создания высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах, обеспечивающих расширение технологических возможностей и повышения эффективности механообработки.

Для реализации сформулированной цели работы поставлены следующие основные задачи:

- теоретическим и экспериментальным путем обосновать применение газомагнитных опор в высокоскоростных ШУ;

- предложить научно обоснованную методику проектирования высокоскоростных ШУ с газомагнитными опорами на основе разработки математической модели, алгоритма и программы для расчета их выходных характеристик;

- выполнить комплекс физических экспериментов по исследованию выходных характеристик модели ШУ с передней газомагнитной опорой;

- путем численного эксперимента в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров исследовать особенности выходных характеристик ШУ на газомагнитных опорах;

- экспериментальным и теоретическим путем сравнить выходные характеристики ШУ с передней газомагнитной и газостатической опорами;

- экспериментальным путем исследовать точность вращения шпинделя на газомагнитных опорах, а также температурное состояние подшипника;

- экспериментальным путем исследовать выходные характеристики ШУ с  газомагнитной опорой при автоматическом управлении тяговым усилием электромагнитов опоры;

-выработать рекомендации и разработать инженерную методику проектирования ШУ с газомагнитной опорой;

- создать опытно-промышленный образец шпиндельного узла металлообрабатывающего станка с исследуемым типом комбинированной опоры.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- предложены теоретические положения по расчёту нагрузки и жесткости на режущем инструменте шпиндельного узла на газомагнитных опорах;

- экспериментально установлены зависимости нагрузки и жесткости на консоли шпинделя на газомагнитных опорах от быстроходности, давления наддува газа в опоры и значения тягового усилия электромагнита;

- на основе сравнительных экспериментальных исследований установлены закономерности изменения точности вращения шпинделя на газостатических и на газомагнитных опорах при различном тяговом усилии электромагнита и нагрузки на консоли шпинделя;

- опытным путем установлены зависимости изменения температуры вкладыша газомагнитной опоры и  шпинделя от его частоты вращения при постоянном значении магнитной индукции в зазоре опоры;

- установлены зависимости выходных характеристик ШУ на газомагнитных подшипниках от безразмерных комплексов и конструктивных элементов, которыми удобно пользоваться на стадии проектирования;

- приведены результаты экспериментальных исследований нагрузки и жесткости на консоли  шпинделя  с передней газомагнитной опорой при управлении тяговым усилием электромагнита.

Метод исследования основан на физическом эксперименте и теоретическом анализе. Расчет эксплуатационных характеристик шпиндельных узлов на газомагнитных подшипниках базируется на решении классических задач теории магнитного поля и газовой смазки, и проводится путем численного интегрирования дифференциальных уравнений. При анализе опытных данных использованы статистические методы обработки результатов наблюдений.

Достоверность результатов работы основывается на использование хорошо известных в теориях газовой смазки и магнитного поля системы исходных уравнений. Результаты теоретических расчетов выходных характеристик ШУ подтверждаются сопоставлением с результатами экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования базируются на использовании широко известной и апробированной на практике методики обработки опытных данных при исследовании ШУ.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложена комбинированная бесконтактная опора шпиндельного узла, сочетающая газостатический подшипник и магнитный подвес, способ работы и конструкции которой защищена патентами РФ. Разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, позволяющих с достаточной для инженерной практики точностью рассчитать выходные характеристики ШУ с газомагнитной опорой. Выполненный комплекс исследований позволил сформулировать ряд практических рекомендаций и на их основе разработать инженерную методику проектирования высокоскоростных ШУ с газомагнитной опорой.

Результаты работы легли в основу создания опытно-промышленного образца ШУ шлифовального станка мод. 3К227, с передней газомагнитной опорой, который позволил получить лучшее качество обработки заготовки и повысить производительность труда, по сравнению с использованием ШУ на газостатических опорах.

Опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ внедрен в производство на ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение» и ОАО «Амурский судостроительный завод» (г. Комсомольск-на-Амуре). Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ».

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований. Лично автором развита математическая модель совместного действия на шпиндель газовых и магнитных сил, а также основы теории расчета выходных характеристик ШУ на газомагнитных опорах, на базе, которой разработаны алгоритм и программный продукт для ПЭВМ.

Спроектированы и созданы экспериментальные стенды, моделирующие работу ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорой.

Выполнен весь комплекс экспериментов с последующим анализом экспериментальных и теоретических данных. Разработана инженерная методика и выработаны рекомендации по проектированию ШУ на газомагнитных опорах.

При личном и непосредственном участии автора предложен способ работы и конструкции бесконтактных шпиндельных опор (патенты №№ 2347960, 2357119, 2408801), разработана конструкция и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ шлифовального станка для обработки ответственных изделий.

Под научным руководством автора по данной научной специальности подготовлена и успешно защищена кандидатская диссертация.

На защиту выносятся:

- теоретические положения расчета выходных характеристик шпиндельных узлов на газомагнитных опорах;

-математическая модель совместного действия на шпиндель газовых и магнитных сил;

-методика и алгоритм расчета выходных характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах;

- защищенная патентом РФ конструкция газомагнитной опоры шпиндельного узла;

-результаты экспериментальных и теоретических исследований выходных характеристик ШУ на газомагнитных опорах;

-зависимости выходных характеристик ШУ от конструктивных и режимных параметров;

-методика и рекомендации по проектированию ШУ с передней газомагнитной опорой;

-результаты экспериментальных исследований точности вращения шпинделя, а также температурного состояния шпинделя и вкладыша газомагнитной опоры шпиндельного узла;

- результаты промышленных испытаний ШУ с передней газомагнитной опорой.

Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и симпозиумах: «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г.), «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С.-Петербург 2007г.), «Актуальные проблемы трибологии конференции» (г. Самара 2007г), РАЕ «Технические науки и современное производство» (г. Пекин, 2007,2008 гг., Париж 2009,2010 гг.), «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2008г.), международных научно-технических конференциях «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2009, 2010 гг.), «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2009 г.), «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.), «Автомобиле- и тракторостроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства» (г.Москва 2009г.), «Инновационный потенциал отечественной науки»  (г.Москва 2009 г), «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва 2010г.), « Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010, 2011г.).

Основные положения и результаты работы докладывалась на кафедре «Технология машиностроения» КнАГТУ (2007-2011 гг.),

В полном объеме работа заслушана на расширенных заседаниях кафедр: «Станки» МГТУ «Станкин» (г. Москва, 2011 г.), «Технологические и информационные системы» ТОГУ (г. Хабаровск, 2011 г.) и «Технология машиностроения» КнАГТУ, 2011г.

Диссертационная работа выполнена при поддержке грантов: 15-И-19 Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края по проекту «Создание высокоскоростных прецизионных шпиндельных узлов металлорежущих станков с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной параметрической надежностью» (2007 г.); Министерства образования и науки РФ по областям авиационное двигателестроение, судостроение, станкостроение на тему «Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах и создание систем управления на основе регистрации сигналов виброакустической эмиссии», гос. контр. №16.740.110258 от 24.09.10; РФФИ «Исследование движение абсолютно твердого тела в активно управляемой среде» № 11-08-00049-а.

Результаты работы легли в основу разработки высокоскоростного шпиндельного узла, отмеченного серебряными медалями на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (2008 г.) и на С.-Петербуржской технической ярмарке в конкурсе «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения» (2008 г.).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 53 работах, включая 3 монографии, 3 патента на изобретение и 14 работ в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертация изложена на 313 страницах и включает 191 рисунок и 3 таблицы. Библиографический список охватывает 239 литературных источника.

Автор выражает искреннюю признательность к.т.н., проф. Виноградову В.С и к.т.н., доц. Хвостикову А.С., с которыми он на протяжении последних лет создал ряд опытно-промышленных образцов высокоскоростных ШУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Сформулирована цель и изложены основные результаты работы.

В первой главе выполнен обзор основных конструкций высокоскоростных ШУ на различных типах опор. Обоснованно применение газомагнитных опор в высокоскоростных ШУ.

Основные требования к шпиндельным узлам и их опорам сформулированы на основе требований к металлорежущим станкам в работах Ачеркана Н.С., Бальмонта В.Б., Бушуева В.В., Века М., Джонса А., Диментберга Ф.М., Зверева И.А., Каминской В.В., Кедрова С.С., Кудинова В.А., Левиной З.М., Лизогуба В.А., Лундберга Г., Маслова Г.С., Маталина А.А., Оптица Г., Пальмгрена А., Пинегина С.В., Пономарева К.К., Портмана В.Т., Проникова А.С., Пуша А.В., Пуша В.Э., Решетова Д.Н., Фигатнера А.М., Хомякова В.С. и др. ученых. Кроме того частные вопросы проектирования, применения и разработки моделей шпиндельных опор различных типов изложено в работах В.С. Баласаньяна, А.И. Белоусова, А.Ф. Гордеева, В.П. Жедя, Л.Я. Кашеневского, В.Н. Константинеску, А.Г. Коршикова., А.В. Космынина, М.В.Коровчинского, Ю.В. Пешти, М.Е. Подольского, В.Н. Прокофьева, А.П. Сегиды, Ю.Н. Соколова, Ю.Б. Табачникова, Н. Типея, Т. Харриса, С.А. Чернавского, С.Н. Шатохина, С.А. Шейнберга, М.А. Шимановича, В.Б. Шолохова и др. учёных.

Требования, предъявляемые к современным высокоточным станкам, например расточной и шлифовальной групп, по точности формы рабочих поверхностей до десятых долей микрона и чистоте поверхности ≤0,08 мкм. Обеспечение таких требований во многом зависит от эксплуатационных характеристик опор ШУ металлорежущих станков.

В современных конструкциях высокоскоростных ШУ применяют опоры качения, гидростатические, гидродинамические, газостатические и магнитные подшипники. Рассмотрены преимущества, достоинства и недостатки шпиндельных опор различного типа, конструкции шпиндельных узлов на этих опорах.

К быстроходным опорам, применяемым в ШУ, можно отнести все бесконтактные опоры, а также подшипники качения имеющие керамическими тела качения с применением масловоздушного смазывания. Однако, ресурс подшипников качения в несколько раз меньше ресурса бесконтактных опор. Кроме этого, заложенная геометрия подшипника снижает точность вращения. 

Недостаток опор скольжения с жидкой смазкой (как гидродинамических, так и гидростатических), состоит в значительном выделении тепла в результате относительного скольжения слоёв смазки, поскольку мощность, затрачиваемая на трение, пропорциональна вязкости смазки и квадрату скорости вращения.

Газостатические опоры позволяют ШУ развить быстроходность до 2,5·106 мм/мин и обеспечить точность вращения, равную 0,02…0,04 мкм. Преимущества высокоскоростных шпинделей на газовых опорах состоит в простоте конструкции и независимости от температурных режимов. Главным недостатком газовых подшипников является невысокая несущая и демпфирующая способность смазочного слоя, что при повышенных силах резания ведёт к снижению точности обработки и возможной потери устойчивой работы подшипника. Поэтому, эти опоры, как правило, применяют в малонагруженных ШУ, когда динамические нагрузки малы, а статические регламентированы.

Первый высокоскоростной шлифовальный шпиндель на активных магнитных подвесах (АМП) создан в Псковском политехническом институте. Большой вклад в развитие АМП внесли ВНИИЭМ, Московский авиационный институт, Московский энергетический институт, Научно-исследовательский институт прикладной математики (г. Нижний Новгород), ЭНИМС. Следует отметить также разработки французской фирмы S2M. Последняя отечественная работа, посвящённая систематизации, анализу и практическим расчётам магнитных подшипников, принадлежит Ю.Н. Журавлёву, который обосновал перспективу использования АМП в высокоскоростных шпиндельных узлах.

Исследования в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» показали, что с помощью электрошпинделя на активных магнитных опорах достигается качество обработанной поверхности Ra=0,4…0,63 мкм.

Активной разработкой АМП в настоящее время занимаются такие фирмы как Псковская инженерная компания (Россия); НИИ ПМК (Россия); MBI (США); JMB (Япония); Mecos Traxler AG (Швейцария); AVCON (США); Center for Magnetic Bearings, University of Virginia (США); Revolve Technologies Inc. (Канада); High Speed Technology (Финляндия).

Следует сказать, что применение электромагнитных опор ведет к росту стоимости шпиндельного узла из-за необходимости использования сложной электронной аппаратуры и дополнительных периферийных компонентов. Кроме этого, к недостаткам таких опор следует отнести сравнительно не высокую несущую способность. Вместе с тем, шпиндельные узлы на магнитных опорах развивают быстроходность до 4·106 мм/мин, и к ним не предъявляют высоких требований к точности рабочих поверхностей опор.





Анализируя выходные характеристики ШУ на электромагнитных и газостатических опорах, можно сделать вывод - один из перспективных способов улучшения выходных характеристик ШУ состоит в использовании в их конструкции комбинированных опор, сочетающих в себе преимущества газовых и магнитных подшипников. Известно, что точность радиального размера обрабатываемой заготовки существенно определяется состоянием упругой системы станка (УСС). Устойчивая работа замкнутой УСС при воздействии на неё или на подсистемы и звенья происходит за счет перераспределения и рассеивания энергии в её подсистемах.

На рис 1. представлена иерархия подсистем в технологической системе, причем отдельно выделен шпиндельный узел как наиболее важная подсистема УСС. Кроме того, в ШУ выделено динамическое звено, которое представляет собой различные среды в виде жидкой или газовой смазки или магнитного поля.

Рис. 1. Схема иерархий подсистем в технологической системе

Приходится констатировать, что научные работы, посвященные исследованию особенностей работы ШУ металлорежущих станков на газомагнитных опорах, практически отсутствуют за исключением единичных информационных материалов. Так, известен ШУ разработанный в Японии с магнитогазовыми гибридными опорами, предназначенный для повышения точности обработки материалов. Основную нагрузочную способность несут в данном шпинделе магнитные опоры, управляемые контролером. При этом газостатические подшипники в нем выполняют в большей степени роль страховочных опор.

В работах ученых КнАГТУ показано, что одним из перспективных путей повышения выходных характеристик ШУ является внедрение в их конструкцию газомагнитных подшипников, которые представляют собой газостатический подшипник дополненный магнитным подвесом.

Основным преимуществом ШУ на газомагнитных опорах является повышенные нагрузки на инструменте, что позволяет существенно сократить время обработки на предварительных операциях.

Выполнен анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию ШУ на газостатических и магнитных опорах, а также анализ конструкций ГМО. Поставлены задачи исследований.

Во второй главе приведены допущения, принятые при разработке математической модели течения газового потока и действия магнитной силы в зазоре подшипника. Выполнено обоснование использования дифференциальных уравнений для расчета тягового усилия электромагнита и поля давления газа в смазочном слое подшипника. Приведена методика и алгоритм расчета выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорами.

На рис. 2 показана расчетная схема шпиндельного узла.

Рис. 2. Схема шпиндельного узла: 1 – передний газомагнитный

подшипник, 2 - задний газостатический подшипник, 3-электромагнит

Для определения нагрузки F на консоли шпинделя составляются два уравнения статики - суммы проекций сил на ось Y

, (1)

где , и уравнение моментов относительно точки О:

,  (2)

где - восстанавливающий момент от перекоса оси шпинделя, равный сумме моментов переднего подшипника (), заднего подшипника ().

С целью обобщения результатов исследования характеристик ШУ, его нагрузочные характеристики приведены к одному масштабу - максимальной несущей способности передней опоры при отключенном электромагнитном подвесе:

.

С учетом этого уравнения (1) и (2) примут вид:

,  (3)

,

где - относительная нагрузка на режущем инструменте, и - коэффициент несущей способности передней и задней опоры соответственно.

Жесткость, измеренная на шлифовальном круге, определяется по формуле:

,

где у – смещение оси круга. Уравнение (4) представим в виде:

,

где - коэффициент жесткости.

Расчет тягового усилия электромагнита ведется на основе использования уравнения магнитной индукции в зазоре, а расчет потока смазки в зазоре подшипников с пористыми питателями базируется на решении известной в теории газовой смазки системы уравнений: политропы, неразрывности, движения и энергии.

Определение характеристик газомагнитного подшипника ШУ выполнено для двух магнитных полюсов. Схема такой газомагнитной опоры показана на рис.3.

Рис. 3. Расчетная схема газомагнитной опоры: 1-корпус; 2- шпиндель;

3- пористая цилиндрическая вставка; 4- сердечник соленоида

ГМО работает следующим образом. Через пористые ограничители расхода газ под давлением поступает в зазор подшипника, в результате чего образуется смазочная пленка. Пористые ограничители расхода газа имеют цилиндрическую форму. В общем случае их количество в одном ряду наддува равно . Электромагниты создают дополнительную подъемную силу. ГМО может одновременно воспринимать, как радиальную нагрузку, вызывающую смещение центра шпинделя в плоскости XOZ, так и продольный момент, который вызван  перекосом оси шпинделя в плоскости .

Для определения поля давления газа в смазочном слое подшипника с частично пористыми ограничителями расхода газа используется дифференциальное уравнение следующего вида:

, (4)

где f=1 в области пористых вставок и f=0 в области непроницаемого вкладыша. Представленное уравнение является дифференциальным уравнением эллиптического типа в частных производных, поиск аналитического решения которого является сложной задачей. Поэтому решение (4) выполнено численным методом путем аппроксимации входящих в него частных производных трехточечными центральными разностями.

Решение уравнения (4) ведется в области интегрирования, показанной на рис. 4.

Рис. 4. Шаблон конечно-разностной сетки области интегрирования

При известном поле давления в зазоре подшипника газовая составляющая несущей способности в проекции на оси X и Y соответственно равна:

; .

Восстанавливающий момент газового слоя относительно оси и в плоскости перекоса равен:

,

.

Известно, что элементарная величина тягового усилия электромагнита находится по формуле:

,  (5)

где 0 - магнитная постоянная.

Из уравнения (5) следует, что тяговое усилие, действующие на элемент площади ферромагнитного тела (dS) в однородном магнитном поле, прямо пропорционально индукции в зазоре (В). Поскольку отношение зазора между магнитопроводом и шпинделем к линейным размерам поверхности магнитопровода меньше, чем 10-3, то примем допущение об однородности магнитного поля.

Основываясь на уравнении (5), элементарное тяговое усилие электромагнита в зависимости от зазора равно:

, (6)

где - коэффициент, учитывающий электрические параметры соленоида.

Зависимость (6) является исходной при определении тягового усилия электромагнита. Магнитная составляющая несущей способности ГМО при условии постоянства силы тока в соленоиде (Кэ = сonst) равна:

. (7)

Исходя из уравнения (7), проекции на оси X и Y тягового усилия для двух полюсов электромагнита находятся из выражения:

,

,

где - удельная магнитная сила.

Магнитная составляющая восстанавливающего момента относительно оси и в плоскости перекоса: :

,

.

В целом восстанавливающий момент в передней опоре от перекоса шпинделя находится из выражения:

.

Несущая способность газомагнитной опоры равна:

.

Угол ориентации нагрузки между осью Х и вектором внешней нагрузки определяется по формуле:

.

Представленные формулы по расчету характеристик газомагнитной опоры используются при расчете характеристик задней газостатической опоры ШУ при условии .

В третьей главе представлена конструкция экспериментального стенда, моделирующего работу шпиндельного узла с газомагнитной опорой, методика обработки экспериментальных данных и определения погрешностей результатов наблюдений. Описана методика оценки теплового влияния на значение конструктивного параметра, а также температурного состояния шпинделя и его опоры.

Исследование выходных характеристик модели шпиндельного узла на бесконтактных опорах выполнено на экспериментальной установке, изображенной на рис.5.

Рис.5. Экспериментальный стенд для исследования выходных

характеристик шпиндельного узла на бесконтактных опорах

Экспериментальный стенд включает в себя: газомагнитный подшипник 5; газостатический подшипник 12; соленоид 4;частотомер ЧЗ-35 1; шпиндель 8; нагрузочный подшипник 3; опорные стойки 11; корпус подшипников 6; датчики емкостного типа 7; кольцо 10; подпятники 2, 13; масловлагоотделитель 14; стойка корпуса турбины 15; клапан подвода воздуха к подшипникам 16; термометр 17; клапан подвода воздуха к турбине 19; сопловой аппарат турбины 18; корпус турбины 20; рабочее колесо 21; микрометры 22; гибкая связь 23; образцовые манометры 24 и 9; клапан подвода воздуха к нагрузочному поршню 25; воздушный фильтр 26; компрессор 27; корпус нагрузочного поршня 28; нагрузочный поршень 29; пьезопреобразователи 30; датчик положения шпинделя 31.

Конструктивно газомагнитный подшипник представляет собой втулку. Во втулке выфрезерованы в два ряда по окружности 12 сквозных отверстий. В отверстия вклеены пористые ограничители расхода газа. Пористые вставки имеет размеры: диаметр– 6 мм, толщину – 6 мм. Раздвижка линий наддува равна 40 мм. В конструкцию опоры встроены два магнитопровода длиной-38 мм и шириной 15 мм, расположенных под углом 1200 Шпиндель имеет размеры: диаметр 51мм, длина 370 мм. Подшипники выполнены диаметром 51,09 мм и длиной 60 мм. Средний радиальный зазор между шпинделем и вкладышем подшипника составляет 47 мкм. Конструктивный параметр =0,265. Нагрузка на консоли шпинделя создается нагрузочным устройством.

При статических испытаниях абсолютный эксцентриситет измерялся двумя индикаторными головками с ценой деления 1 мкм, которые устанавливались в вертикальной плоскости. При вращении шпинделя эксцентриситет определялся двумя емкостными датчиками.

Измерения температуры шпинделя проводились цифровым мультиметром серии М890G в комплекте с термопарой ТР-0,1. Погрешность измерения по паспортным данным в диапазоне -500С…4000С + 0,75%, разрешение 10С. Измерения проводились после остановки шпинделя, время остановки составляло 10- 20 секунд. Температура вкладыша подшипника измерялась между линиями наддува в центре нагруженной части опоры кремниевым температурным датчиком LM 135 группы «А» с аналоговым выходом.

На рис. 6 показана схема установки датчиков и используемая аппаратура при исследовании точности вращения шпинделя.

Рис. 6. Схема установки датчиков и аппаратуры для исследования точности вращения шпинделя: 1- нагрузочный подшипник; 2-пьезопреобразователи;

3-передняя газомагнитная опора; 4-задняя газостатическая опора

Для проведения экспериментов была использована следующая аппаратура: вибропреобразователь АР37; 8-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), имеющий 4 синхронных канала, наибольшую частоту дискретизации 20000 МГц; в качестве блока усиления используется двухканальный запоминающий осциллограф ЛА-н10; ПЭВМ типа IВМ РС Pentium-4/512 МБ.

Реконструкция аттрактора (траетория движения оси шпинделя) проведена методом задержек, основанного на теореме Такенса.

Максимальная относительная погрешность выполненного комплекса экспериментов по определению температуры вкладыша газомагнитной опоры не превышала 5%. Нагрев шпинделя оценивался с точностью до 10С. При этом максимальная относительная погрешность определения его температуры не превышала 7%.

Оценка погрешностей результатов наблюдений показала, что относительная ошибка в определении выходных характеристик ШУ, измеренных на консоли вала, составляет: для относительной нагрузки 1,94%, для коэффициента жесткости 3,06%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований выходных характеристик ШУ. Приведены результаты исследований точности вращения шпинделя, а также температурного состояния шпинделя и его опоры.

Комплекс экспериментов выполнен для оценки достоверности теоретических результатов исследований.

Для представления характеристик ШУ в зависимости от безразмерного комплекса прямо пропорционально среднему радиальному зазору в рассмотрение введен конструктивный параметр, определяемый соотношением:

.

В безразмерных величинах модель ШУ имела следующие параметры: ; =0,265; =4; =1,2; = 1,49; =12; = 1200.

Комплекс экспериментов выполнен при абсолютном давлении наддува сжатого воздуха , равном 0,3; 0,4 и 0,5 МПа. Соответственно этим значениям относительное давление наддува составляло 0,333; 0,25и 0,2.

Зависимости выходных характеристик ШУ в режиме подвеса (=0) показаны на рис.7.

Рис.7. Зависимость нагрузки F, (а) и жёсткости J, (б) от относительного эксцентриситета : теория;  опыт; =1/5, =0

Зависимости выходных характеристик ШУ при работе опор в гибридном режиме (при вращении шпинделя) представлены на рис.8-10.

Рис.8. Зависимость нагрузки F, (а) и жёсткости J, (б) от относительного эксцентриситета : теория;  опыт; =1/5, =0,096

Рис.9. Зависимость относительной нагрузки (а) и жёсткости (б) от

относительного давления наддува : =0,4;=0,096; теория;

, –опыт

Рис.10. Зависимость нагрузки F, (а) и жёсткости J, (б) от относительного эксцентриситета =0,4: =0,33; теория; , – опыт

Анализ сопоставления результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов показал на их вполне удовлетворительное согласование. Установлено, что рассогласование в оценке относительной нагрузки находится в диапазоне 3…12%, а коэффициента жёсткости в пределах 7…28%.

Положительные результаты комплекса экспериментов позволили провести широкие численные исследования по влиянию на выходные характеристики ШУ различных конструктивных и режимных параметров.

Теоретическим путем исследовано влияние на эксплуатационные характеристики шпиндельных опор относительного эксцентриситета , конструктивного параметра , удельной магнитной силы , удлинения магнитопровода = T/R,  полюсного угла раздвижки магнитопроводов , относительного давления наддува газа , удлинения подшипников , числа сжимаемости , относительного вылета шпинделя , относительной раздвижки опор , относительный диаметр пористого ограничителя , раздвижки линии наддува и количества пористых ограничителей в одном ряду наддува .

По результатам зондирующих расчётов были приняты следующие конструктивные и режимные параметры базового варианта ШУ: =1/6; =0,2; =1,2; =1,2; =0,12; =0,6; =4; =1; =6; =1,2; =600.

Зависимость относительной нагрузки на консоли ШУ и коэффициента несущей способности газомагнитной опоры от относительного эксцентриситета и конструктивного параметра при работе опор в режиме подвеса представлены на рис.11.

Рис.11. Зависимости относительной нагрузки (а) и коэффициента

несущей способности газомагнитной опоры (б) от конструктивного параметра и относительного эксцентриситета :  с отключенным электромагнитом;  с включенным электромагнитом

Анализ нагрузочных характеристик, показывает, что их максимум достигается примерно при =0,35. При этом в широком изменении конструктивного параметра относительная нагрузка при =0,2 и включенном электромагните изменяется незначительно, т.е. не имеет ярко выраженного максимума. Это объясняется сравнительно высокой магнитной составляющей ГМО при =0,2, что видно из рис. 11,б, и малой несущей способностью при этом эксцентриситете задней газостатической опоры.

На рис. 12 представлены зависимости коэффициента жесткости и удельного восстанавливающего момента от перекоса оси шпинделя в передней опоре при её работе в режиме подвеса.

Рис.12. Зависимости коэффициентов коэффициента жесткости (а) и удельного восстанавливающего момента (б) от конструктивного параметра и относительного эксцентриситета : с отключенным

электромагнитом;  с включенным  электромагнитом

Приведенные зависимости показывают, что экстремум функции существенно зависит от значения относительного эксцентриситета и с его увеличением смещается в область высоких значений конструктивного параметра. При низких значениях , как видно из графиков, коэффициент жесткости принимает отрицательные значения. Это связано с существенным влиянием магнитной составляющей ГМО при уменьшении относительного эксцентриситета на формирование зависимости. Заметим, что при включенном и отключенном электромагните при =0,6, при котором и рекомендуется эксплуатировать газовые опоры, в диапазоне изменения конструктивного параметра =0,6…0,8 не происходит заметного падения коэффициента жесткости.

Анализ зависимостей представленных на рис. 12,б показал, что эксплуатация ГМО с включенным электромагнитом ведет к росту восстанавливающего момента от перекоса оси шпинделя, что связано с увеличением среднего плеча газомагнитных сил. В области низких значений конструктивного параметра при =0,6 наблюдается заметный рост удельного восстанавливающего момента. Как показал детальный анализ результатов расчетов, это объясняется существенным ростом угла перекоса оси шпинделя , и как следствие этого, заметным увеличением магнитной составляющей удельного восстанавливающего момента.

Из представленных зависимостей и видно, что при рабочем значении относительного эксцентриситета =0,6 и значениях =0,5…0,6 в режиме работы ГМО с включенным электромагнитом нагрузка консоли шпинделя уменьшается не более чем на 8 %, а при отключенном снижается не более чем на 18%. Жесткостная характеристика шпинделя при указанных значениях и в режиме работы ГМО с включенным электромагнитом не сильно отличается от максимального значения (при =0,7), в то время как при отключенном электромагните жесткость практически достигает максимума. Это послужило основанием проведения расчетов выходных характеристик ШУ в гибридном режиме опор (со вращающимся шпинделем) при значении конструктивного параметра =0,6.

На рис. 13-15 показаны выходные характеристики ШУ при работе опор в гибридном режиме.

Рис. 13. Зависимость относительной нагрузки (а), и коэффициента жесткости (б) от числа сжимаемости и относительного эксцентриситета :

  с отключенным электромагнитом;  с включенным

электромагнитом; =0,6

Рис.14. Зависимость относительной нагрузки (а), и коэффициента жесткости (б) от числа сжимаемости и конструктивного параметра :

  с отключенным электромагнитом;  с включенным электромагнитом; =0,6

Рис.15. Зависимость относительной нагрузки (а), и коэффициента жесткости (б) от числа сжимаемости и удельной магнитной силы :

с отключенным электромагнитом;  с включенным электромагнитом; =0,6

Графики зависимостей и наглядно демонстрирует, что относительная нагрузка и коэффициент жесткости возрастают во всем диапазоне , что обусловлено явлением смазочного клина, который ярче проявляется с увеличением относительного эксцентриситета.

Изменение конструктивного параметра на ± 0,2 от значения базового варианта показывает, что снижение конструктивного параметра до 0,4 благоприятно отражается на нагрузочных характеристиках, как при работе передней  опоры с включенным, так и с выключенным электромагнитом. Более сложный характер имеют жесткостные характеристики ШУ. В рабочем диапазоне до 0,5 при отключенном и включенном электромагните более высокая жесткость достигается при =0,6. При этом существенная разница в жесткости, измеренной на режущем инструменте, с включенным электромагнитом наблюдается при =0,6 и =0,4.

Увеличение магнитной силы оказывает большее влияние на значения нагрузки на консоли шпинделя, из-за увеличения несущей способности передней опоры. Однако, во всем исследованном диапазоне изменения коэффициент жесткости при отключенном электромагните ГМО выше, чем при включенном.

Исследования влияния на выходные характеристики ШУ относительной длины магнитопровода проведены при равном 1,5, 2 и 2,5. Увеличение относительной длины ведет как к увеличению нагрузки, так и коэффициента жесткости .

Полюсной угол раздвижки магнитопроводов в диапазоне его изменения от 400 до 800 не оказывает заметного влияния на нагрузочные и жесткостные характеристики. Однако с увеличением полюсного угла раздвижки возрастает и угол ориентации нагрузки , что с точки зрения устойчивой работы ГМО является нежелательным.

Исследование влияния удлинения передней опоры на выходные характеристики ШУ проведено при значениях равном 1, 1,2 и 1,4. Более высокие значения и достигаются при более длинных газомагнитных подшипниках. Это обусловлено ослаблением влияния внешнего наддува с ростом числа сжимаемости.

Исследованиями установлено, что увеличение относительной раздвижки опор от =3 до 5 способствует повышению нагрузки и, особенно, жесткости при отключенном электромагните. Обратная картина наблюдается при включенном магнитном подвесе - с уменьшением относительной раздвижки опор жесткость возрастает, что обусловлено влиянием магнитной составляющей ГМО.

Численное исследование влияния относительного давления наддува газа  на выходные характеристики ШУ при работе опор в гибридном режиме выполнено при равном 1/5, 1/6 и 1/7. Получено, что не зависимо от режима работы ГМО относительное давление практически не влияет на относительную нагрузку и коэффициент жесткости. Исключение составляет увеличения угла ориентации нагрузки , который возрастает с увеличение относительного давления наддува. Заметим, что при этом абсолютные значения нагрузки и жесткости с уменьшением относительного давления возрастают.

Влияние относительного вылета шпинделя исследовано в диапазоне значений равном 0,7, 1 и 1,3. При гибридном режиме работы опоры с включенным и выключенным магнитным подвесом увеличение приводит к уменьшению относительной нагрузки . Коэффициент жесткости при отключенном электромагните увеличивается с уменьшением . С включенным магнитным подвесом более высокая жесткость достигается при =1.

В целом анализ выходных характеристик ШУ показал, что при включенном электромагнитном подвесе заметно повышается нагрузка на режущем инструменте, при одновременном снижении жесткости. Такой режим может быть использован на черновых и предварительных операциях обработки заготовки, когда требуются повышенные силы резания и менее значима точность обработки. Последующую чистовую обработку следует проводить без переустановки заготовки, но только с отключенным электромагнитом. В этом случае передняя опора ШУ работает как обычный газостатический подшипник, обеспечивая более высокую жесткость, чем ГМО. Очевидно, что такая эксплуатация ШУ с передней газомагнитной опорой ведет к увеличению производительности работы.

Повысить жесткость на режущем инструменте ШУ при работе передней опоры с включенным магнитным подвесом можно путем управления магнитной составляющей ГМО. С этой цель в работе выполнены зондирующие экспериментальные исследования, в процессе проведения которых магнитная сила изменялась в зависимости от смешения шпинделя. Результаты экспериментов показаны на рис. 16.

Из представленных зависимостей видно, что управление магнитной силой ведет не только к увеличению нагрузки, но и способно заметно повысить жесткость.

Рис. 16. Зависимость нагрузки (а) и жесткости (б) от относительного эксцентриситета: 1- при отключенном электромагните; 2- при включенном электромагните в режиме автоматического управления (n=21000 мин-1)

В работе выполнена теоретическая и экспериментальная оценка температурного состояния шпинделя и вкладыша газомагнитной опоры. Регистрация температуры объектов исследования проводилась при достижении теплового равновесия, которое в среднем устанавливалось в течение 50 мин. Результаты исследований представлены на рис. 17.

Рис. 17. Зависимость изменения температуры шпинделя (а) и вкладыша (б) газомагнитной опоры от частоты вращения шпинделя : =0,24; =0,265, =0,2; -эксперимент; теория

Нагрев шпинделя в зоне передней газомагнитной опоры связан с воздействием токов Фуко, возникающих при вращении массивного проводника (шпинделя) в магнитном поле.

Как показали эксперименты, вкладыш ГМО практически не нагревается. Невысокое повышение температуры объясняется наличием интенсивного вынужденного конвективного теплообмена, возникающего вследствие наддува сжатого воздуха в зазор опоры.

Результаты экспериментальной оценки точности вращения шпинделя с включенным и выключенным электромагнитом ГМО представлены на рис. 18. На рис. 18, а показан уровень колебаний корпуса ШУ в месте установки ГМО. Видно, что при включенном электромагните уровень вибрации, измеренный, например, в точке 2, заметно ниже по сравнению с включенным магнитным подвесом (точка 1). Реконструированные траектории движения оси шпинделя с выключенным и включенным магнитным подвесом (в точках 1 и 2) изображены на рис. 18, б и  18, г соответственно. На рис. 18, в и  18, д показан частотный спектр мощности сигнала для точек 1 и 2.

Рис. 18. Уровень вибрации корпуса шпинделя (а), траектории движения оси шпинделя: с выключенным (б) и включенным электромагнитом (г), частотный спектр мощности сигнала: с выключенным электромагнитом (в) и включенном электромагните (д):        n=25000 мин-1; =0,03; F=50 Н; =0,2

Реконструированные траектории, а также частотный спектр мощности сигнала показывают, что при вращении шпинделя с включенным магнитным подвесом уменьшается амплитуда размаха эллипса оси шпинделя до 55%. Это позволяет примерно на 45% повысить точность вращения по сравнению с установкой шпинделя на газостатические опоры.

В пятой главе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований приведены рекомендации и предложена инженерная методика проектирования конструкции ШУ с передней газомагнитной  и задней газостатической опорой. Описана конструкция такого ШУ.

Рекомендации и методика инженерного расчета разработаны при относительном давлении наддува газа в опоры =1/6, что соответствует давлению в заводской пневмосети.

Исходя из опыта эксплуатации высокоскоростных ШУ на бесконтактных опорах, и во избежание контакта шпинделя с вкладышем опоры не рекомендуется развивать силу резания, при которой относительный эксцентриситет был бы выше 0,6. Рост удлинения передней опоры до 1,4 ведет к благоприятному повышению выходных характеристик ШУ. Однако это сопровождается ростом угла ориентации нагрузки. Поэтому предлагается проектировать переднюю ГМО удлинением 1,2. Принимая во внимание обеспечение достаточной жесткости при черновой обработке, относительная раздвижка опор должна составлять около 4. Для достижения высоких нагрузочных и жесткостных характеристик вылет шпинделя должен быть минимально возможным. Полюсной угол раздвижки магнитопроводов оказывает влияния только на угол ориентации нагрузки. В связи с этим, руководствуясь конструктивными особенностями газомагнитной опоры следует задавать минимально возможным  полюсной угол раздвижки магнитопроводов, числом вставок и их размеры. Расчеты показали, что более длинные магнитопроводы обеспечивают повышенную жесткость и нагрузку на консоли шпинделя. Это следует учитывать при проектировании ГМО. В работе также представлены рекомендации по назначению конструктивного параметра , относительной магнитной силы , количества вставок в ряду наддува и относительного диаметра пористых вставок .

Основываясь на выработанных рекомендациях и разработанной инженерной методике, при личном и непосредственном участии автора спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ для внутришлифовального станка 3К227А, внешний вид и конструкция которого показаны на рис. 19 и 20 соответственно.

Основными элементами ШУ являются: цанговый захват 1, корпус 4, шпиндель 5, втулка 3, газостатические подшипники 2 и 6, рабочее колесо турбины 7, сопловой аппарат турбины 8, регулятор предельной частоты вращения 9 и входное устройство 10 с пусковым клапаном 11, магнитопровод 12 с соленоидом 13.

Рис. 19. Шпиндельный узел с открытой передней

газомагнитной опорой

Рис.20. Конструкция высокоскоростного шпиндельного узла

Удлинение опор ШУ составляет ==1,2, их относительная раздвижка равна =4. Опоры имеют два ряда наддува по 6 пористых вставок в ряду. Опоры рассчитаны при конструктивном параметре =0,53. Относительный вылет шпинделя составляет =0,7. Испытания проведены при относительном давлении =1/6. Передняя опора ШУ содержит два магнитопровода с полюсным углом раздвижки 600. Относительное удлинение магнитопроводов =1,4.

Для контроля положения шпинделя использованы индуктивные датчики с ферритовыми сердечниками. Управление тяговым усилием ГМО осуществлялось системой управления с ПИД- регуляторами.

Испытания опытного образца внутришлифовального шпинделя проведены с участием специалистов ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение». Испытания проведены в соответствии с ГОСТ 25889.4-86. Требования к образцам изделия соответствуют ГОСТ 25443-82. В результате шлифование электрокорундовым кругом 25СТ18К поверхностей образцов изделий диаметрами 25 и 40 мм, выполненными из стали 20Х13, получены следующие результаты: некруглость отверстий не более 0,2 мкм (5, 6 квалитеты точности), шероховатость поверхности Ra не более 0,03 мкм. Для сравнения следует отметить, что достигаемая на ОАО «КнААПО» точность обработки на металлообрабатывающих станках мод. 3А228, 3К227А, WOTAN и VOUHARD по типовому процессу высокоскоростной обработки соответствует 7-12 квалитетам при шероховатости Ra = 0,4…1,6 мкм.

Шпиндель эксплуатировался при избыточном давлении наддува сжатого воздуха в опоры 0,5 МПа, рабочей частоте вращения шпинделя около 40000 мин1 (dn=2106 мм/мин), и показал безотказную работу газомагнитных опор.

Установлено также, что разработанная конструкция ШУ при работе передней опоры с включенным электромагнитом позволяет снизить износ шлифовального круга до 15% по сравнению с работой ШУ с отключенным электромагнитом, и до 40% по сравнению с отраслевой конструкцией шпинделя мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненный комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований шпиндельных узлов на газомагнитных опорах позволил выявить основные закономерности изменения их выходных характеристик  при варьировании конструктивных и режимных параметров. Получен обширный расчетный и экспериментальный материал, показывающий на более высокую эффективность работы предложенной конструкции шпиндельного узла по сравнению с традиционными высокоскоростными ШУ на газостатических опорах. Таким образом, достигнуты результаты, способствующие продвижению решения проблемы расширения технологических возможностей высокоскоростных ШУ и повышения эффективности механообработки.

Основные научные и практические результаты, полученные в процессе теоретических и экспериментальных исследований, состоят в следующем:

1. На уровне изобретений предложены способ работы и конструкция газомагнитной опоры, обеспечивающая более высокие нагрузочные характеристики по сравнению с газостатическими опорами, традиционно применяемыми в отраслевых конструкциях высокоскоростных ШУ. Сопоставление выходных характеристик ШУ на таких опорах показало, что внедрение в конструкции шпиндельных узлов газомагнитных опор позволяет повысить силу резания до двух раз.

2. Предложена математическая модель и методика расчета выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной и задней газостатической опорой, на основе которой разработан алгоритм расчета и реализована программа на ПЭВМ.

3. Разработан и спроектирован экспериментальный стенд для исследования выходных характеристик ШУ с передней газомагнитной опорой при статическом и гибридном режиме её работы.

4. Анализ экспериментальных и теоретических характеристик ШУ с газомагнитной опорой показал, что разработанная методика позволяет с достаточной для практики точностью определять выходные характеристики ШУ. Установлено, что расхождение расчетных и опытных значений относительной нагрузки не превосходит 12%, а коэффициента жесткости 28%.

5. Выполнен анализ влияния конструктивных и режимных параметров на выходные характеристики ШУ с передней газомагнитной опорой при ее работе с включенным и отключенным электромагнитом. Исследованиями установлено, что в целом более высокие нагрузочные характеристики имеет ШУ с включенным электромагнитом, достигаемые при конструктивном параметре подшипников 0,5; относительной длине магнитопровода 1,4; удельной магнитной силе не более 0,2; удлинении переднего подшипника ; относительной раздвижке опор и относительном вылете шпинделя . В исследуемом диапазоне изменения независимых переменных наиболее сильное влияние на характеристики ШУ оказывают: конструктивный параметр подшипников ; диаметр частично пористых питателей ; относительная длина магнитопровода ; удлинение опоры и относительный вылет шпинделя . Менее чувствительны безразмерные характеристики к изменению полюсного угла раздвижки и давления наддува .

6. Установлено несущественное изменение конструктивного параметра газомагнитной опоры высокоскоростного ШУ вследствие уменьшения среднего радиального зазора от теплового расширения шпинделя, нагреваемого токами Фуко. Исследования температурного состояния газомагнитной опоры ШУ позволили сделать вывод о незначительном нагреве вкладыша (не более 10С) и шпинделя (не более 6 0С). При этом изменение конструктивного параметра опоры не превосходит 9%.

7. Эксперименты показали, что установка шпинделя на ГМО позволяет примерно на 45% повысить точность вращения по сравнению с установкой шпинделя на газостатические опоры.

8. Экспериментально установлено что, применение системы управления тягового усилия электромагнита ГМО позволяет заметно повысить жесткость на режущем инструменте по сравнению с использованием в конструкции ШУ газостатических опор. Это позволяет проводить обработку заготовки на всех её стадиях.

9. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложена инженерная методика проектирования и выработаны рекомендации по проектированию высокоскоростных ШУ с газомагнитными опорами.

10. Выполненный широкомасштабный комплекс исследований послужил основой разработки опытно-промышленного образца высокоскоростного шпиндельного узла с передней газомагнитной опорой для внутришлифовального станка 3К227А. Результаты испытаний шпинделя на точность обработки показали, что отклонение от круглости составляет не более 0,2 мкм (5, 6 квалитеты точности) при шероховатости Ra не более 0,03 мкм. Установлено также, что разработанная конструкция ШУ при работе опоры с включенным электромагнитом позволяет снизить износ шлифовального круга до 15% по сравнению с работой ШУ с отключенным электромагнитом, и до 40%  по сравнению с отраслевой конструкцией шпинделя мод. ВШГ 000.000РЭЭ на опорах качения. Вследствие увеличения быстроходности шпиндельного узла сокращено операционное время обработки на финишных операциях в 2,8 раза.

Основные научные положения и результаты диссертации изложены в следующих работах:

Монографии

1.Щетинин, В.С. Частично пористые газостатические опоры шпиндельных узлов. Теория и эксперимент / А.В. Космынин, , В.С. Виноградов, В.С. Щетинин, А.В. Смирнов. - М: «Академия Естествознания», 2011. - 125 с.

2. Щетинин, В.С. Выходные характеристики высокоскоростных шпиндельных узлов на газовых опорах / А.В. Космынин, В.И. Шаломов, В.С. Щетинин, и др. - М: «Академия Естествознания», 2011.- 177с.

3. Щетинин, В.С. Основы проектирования высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.С. Хвостиков. - Владивосток: Дальнаука, 2011.- 178 с.

Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК

4. Щетинин, В.С. Повышение точности обработки в технологических самоорганизующихся системах /Ю.Г. Кабалдин, В.С. Щетинин, А.М. Шпилёв // Вестник машиностроения.- 1999.-№6,-С.34-37.

5. Щетинин, В.С. Диагностирование процессов резания с помощью вейвлет- анализа сигнала акустической эмиссии / А.С. Хвостиков, В.С. Щетинин // Цифровая обработка сигналов.- 2007.- №4, - С 40-43.

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

7. Щетинин, В.С. Влияние тепловых явлений в высокоскоростных шпиндельных узлах с газомагнитными опорами на их эксплуатационные характеристики / Щетинин В.С.// Металлообработка.- 2009.- № 6- С.52-54.

8. Стенд для исследования выходных характеристик шпиндельного узла на газомагнитных опорах / А.В Космынин., В.С. Щетинин, Н.А. Иванова, А. С. Хвостиков, С.С. Блинков// CТИН.- 2010.- №5-.С8-11.

9. Щетинин, В.С. Влияние магнитной силы в газомагнитных подшипниках на эксплуатационные показатели высокоскоростных шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования / А.В. Космынин, В.С.Щетинин // Вестник машиностроения.- 2010.- №5, -С.5-8.

10. Щетинин, В.С.  Влияния полюсного угла раздвижки магнитопроводов в газомагнитной опоре шпиндельного узла шлифовального станка на его эксплуатационные показатели / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.В. Смирнов // Вестник Брянского государственного технического университета.- 2010.- №2(26), -С.22-25.

11. Щетинин, В.С. Математическая модель расчета несущей способности высокоскоростного шпиндельного узла на газомагнитной опоре / В.С. Щетинин, А.В. Космынин, // Трение и смазка в машинах и механизмах.- 2010.- №8,-С.31-35.

12. Щетинин, В.С. Расчет несущей способности газомагнитных опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А.В. Космынин, Щетинин В.С.// СТИН.- 2010.- №9,-С. 6-8.

13. Повышение эксплуатационных характеристик бесконтактных шпиндельных опор путем самоорганизации комбинированного динамического звена / А.В. Космынин, В.С.Щетинин, А.С. Хвостиков, А.В Смирнов // Фундаментальные исследования.-2010.-№12.- С. 96-99.

14. Щетинин, В. С. Методика расчета несущей способности газомагнитного подшипника высокоскоростного шпиндельного узла/ А.В Космынин., В.С. Щетинин, Н.А. Иванов // Вестник Самарского государственного технического университета.-2010.- №4 С.226-229.

15. Щетинин, В. С. Высокоскоростной шпиндельный узел внутришлифовального станка для прецизионной обработки деталей летательных аппаратов/ А.В. Космынин , В.С.Щетинин, А.С. Хвостиков, С.С. Блинков.// Фундаментальные исследования.-2011.-№8 ч.1.- С. 136-138.

16. Щетинин, В. С. Метод расчета газомагнитного подшипника высокоскоростного шпиндельного узла / Н.А. Иванова, С.С. Блинков, В.С. Щетинин // Омский научный вестник.- Омск.: Изд-во ОмГТУ, 2011-№ 1–С.63-65.

17. Щетинин, В. С. Влияние конструктивного параметра газомагнитных опор на выходные характеристики высокоскоростных шпиндельных узлов металлорежущих станков / Н.А. Иванова, Щетинин В.С., А.В. Космынин и др.// Омский научный вестник.- ОмГТУ, 2011-№ 2–С.61-63.

Статьи и материалы конференций, опубликованные в других научных изданиях

18 Щетинин, В. С.. Применение вейвлет- анализа для диагностики методом акустической эмиссии при сильном зашумлении сигнала / А.С. Хвостиков, Научное обозрение.- 2007. - №6,- С. 63-65.

19. Щетинин, В.С. Частично пористые аэростатические подшипники шпиндельных узлов металлообрабатывающих станков/ В.С. Щетинин, А.В. Космынин // Актуальные проблемы трибологии: сб. трудов междунар. науч.-техн. конф., Самара, июнь 2007 г.,: М.: «Машиностроение».-2007. - т. 1. –С. 263-271

20. Щетинин, В. С. Совершенствование шпиндельных узлов с бесконтактными опорами / Н.А. Иванова, Щетинин В.С., А.В. Космынин // Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность Дальнего востока: материалы Всероссийской науч.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре , 15-17 окт. 2007 г . Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ»,2007.-С 115-119.

21. Щетинин, В. С. Комбинированная опора шпиндельного узла / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, С.В.Виноградов.// Фундаментальные исследования. -2007. -№12 –С. 83-84.

22. Scthetinin, V.S.Gas static bearings with porous inserts of high-speed spindle units/ A.V. Kosminin, S.P. Chernobay,  V.S.  Scthetinin // Materials of international VIII Russia-China Symposium «Modern Materials And Technologies 2007», Pacific National University, 17-18 October 2007.- Vol. 2,.- Р. 138-143.

23. Щетинин, В. С. Повышение точности работы металлообрабатывающих станков при производстве деталей летательных аппаратов/ А.В. Космынин, В.С. Щетинин, С.В.Виноградов.// Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: сб. трудов 4-й междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 2 - 5 октября 2007 г.,. СПб. :Изв-во Политех. ун-та, 2007. –С. 289-290.

24. Щетинин, В. С. Шпиндельные узлы на газомагнитных опорах/ А.В. Космынин, В.С.Щетинин, Н.А. Иванова // Фундаментальные исследования. -2008. -№10. –С. 76-78.

25. Щетинин, В. С.  Газомагнитные опоры высокоскоростных шпиндельных узлов/ А.В. Космынин, В.С Щетинин., Н.А. Иванова // Новые материалы и технологии - НМТ-2008: материалы Всероссийской науч.-техн. конф., Москва 2008 г. - М.: МАТИ, 2008.-Т.3- С. 22-23.

26. Щетинин, В. С. Подшипники на газовой смазке высокоскоростных роторов: материалы Общероссийской науч. Конф. «Инновационный потенциал отечественной науки» Москва //, 17-19 февр. 2009 г. /С.В. Виноградов, А.В Космынин, В.С. Щетинин, А.В.Смирнов// Современные наукоемкие технологии. -2009.- №1.  – С. 19-21.

27. Щетинин, В. С.Применение шпиндельных узлов на газомагнитных опорах в шлифовальных станках для повышения эксплуатационных показателей / А.В. Космынин, В.С., Щетинин, Н.А. Иванова // Материалы и технологии XXI века: сб. статей VII межд. науч.-техн. конф. -Пенза: Изд-во Приволжского Дома Знаний, 2009. –С. 139-142.

28. Щетинин, В. С. Совершенствование финишной обработки за счет применения газомагнитных опор в  высокоскоростных шпиндельных узлах шлифовальных станков / А.В. Космынин, В.С., Щетинин, Н.А. Иванова // Наука. Промышленность. Оборон: Труды Х Всероссийской науч.-техн. конф., Новосибирск, 22-24 апреля 2009 г. - Новосибирск: НГТУ, 2009. - С. 144-146.

29. Щетинин, В.С. Несущая способность газомагнитных опор шпиндельных узлов/ В.С Щетинин.// Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 13: сб. науч. тр.- Комсомольск-на –Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - Ч.1.– С.21-24.

30. Щетинин, В. С. Расчет несущей способности газомагнитных опор высокоскоростных шпиндельных узлов с двумя магнитными подвесами / А.В. Космынин, В.С.Щетинин // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 13: сб. науч. тр.- Комсомольск-на –Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - Ч.1.– С.25-28.

31. Щетинин, В. С. Применение новых газомагнитных опор в шпиндельных узлах для высокоскоростной обработки деталей машин / А.В. Космынин, В.С.Щетинин, Н.А. Иванова // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 13: сб. науч. тр.- Комсомольск-на –Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - Ч.1.– С. 180-182.

32. Scthetinin, V.S. Using magnetic force in the gas-static bearings of high-speed spindles / A.V Kosminin, V.S. Scthetinin, N.A. Ivanova// Russian Engineering Research:- 2009, -V. 29, № 5. – Р. 456-458.

33. Щетинин, В.С. Тепловое воздействие индукционных токов на радиальный зазор газомагнитной опоры шпиндельного узла / В.С. Щетинин// Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов: материалы международ. науч.- техн. конф., Комсомольск-на-Амуре , 28-30 октября -2009.-Ч.1. -С 45-50.

34. Щетинин, В.С. Стабилизация точности обработки шпинделя на газомагнитных опорах / Н.А.Иванова, Блинков С.С., В.С. Щетинин// Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов: материалы международ. науч.- техн. конф., Комсомольск-на-Амуре , 28-30 октября -2009.-Ч.2. -С257-261.

35. Щетинин, В.С. Повышение точности обработки с помощью высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах за счёт повышения несущей способности /Н.А. Иванова, В.С. Щетинин, А.В. Космынин// Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов: материалы международ. науч.- техн. конф., Комсомольск-на-Амуре , 28-30 октября -2009.-Ч.2. -С266-269.

36. Щетинин, В.С. Шлифовальный шпиндельный узел для высокоскоростной обработки металлов / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова // Успехи современного естествознания: -2009. -№9, -74-75.

37. Щетинин, В.С. Эксплуатационные показатели высокоскоростных шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования с газомагнитными опорами /А.В. Космынин, В.С. Щетинин// Успехи современного естествознания: -2009. -№11, -С.69-70.

38. Щетинин, В.С. Расширение технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования на основе применения шпиндельных узлов на газомагнитных опорах / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова // Международный журнал экспериментального образования:-2010.- - №7-С.120-121.

39. Щетинин, В.С. Определение полезной нагрузки газомагнитного подшипника высокоскоростного шпиндельного узла / В.С.Щетинин, А.В. Космынин// Ученые записки КнАГТУ. Вып. I-1(1). Науки о природе и технике, гл. Ред А.М. Шпилев. -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010.- С 55-57.

40. Scthetinin, V.S. Influence of the Magnetic Force in Gas-Magnetic Bearings on the Operation of High-Speed Spindles in Metalworking Equipment / A.V Kosminin, V.S. Scthetinin// Russian Engineering Research:- 2010,- Vol. 30, № 5, -Р. 451-452.

41. Щетинин, В.С. Совершенствование высокоскоростных шпиндельных узлов на бесконтактных опорах за счёт применения газомагнитных подшипников /А.В. Космынин, В.С. Щетинин// Ученые записки КнАГТУ Вып. II-1(2). Науки о природе и технике, гл. Ред А.М. Шпилев. -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. С. 65-68.

42. Щетинин, В.С. Расчет эксплутационных характеристик газомагнитного подшипника / Н.А. Иванова, В.С. Щетинин, С.С. Блинков // Материалы и технологии XXI века: Сб. статей VIII межд. науч.-техн. конф. -Пенза: Изд-во Приволжского Дома Знаний, 2010. –С. 143-145.

43. Scthetinin, V.S. Test bench for determining the output characteristics of a spindle on gas-magnetic bearings / A.V. Kosmynin, V.S Scthetinin, N.A. Ivanova, A. S. Khvostikov, S. S. Blinkov // Russian Engineering Research:- 2010.- Vol. 30, -№ 8, -Р. 816-817.

44. Мониторинг движения оси шпинделя на бесконтактных опорах /А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.С. Хвостиков, А.В. Смирнов, С.С.Блинков // Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств»: материалы междунар. науч.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 27-30 сент.2010 г.- Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ»,2010. -Т.2. –С. 97-101.

45. Щетинин, В.С. Газомагнитные опоры – один из путей совершенствование процесса высокоскоростной обработки деталей / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, Н.А. Иванова // Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств»: материалы междунар. науч.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 27-30 сент.2010 г.- Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ»,2010. -Т.2. –С102-104..

46. Совершенствование эксплуатационных характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов на бесконтактных опорах / А.В. Космынин, В.С. Щетинин, А.С. Хвостиков, С.С. Блинков // Современные наукоемкие технологии:-2010.- №9 – С. 183-184.

47. Определение траектории движения шпинделя на бесконтактных опорах методом виброакустической эмиссии./ А.С. Хвостиков, А.В. Космынин, В.С. Щетинин, С.С. Блинков // Современные наукоемкие технологии:-2010.- №9 – С. 182-183.

48. Scthetinin, V.S. Carrying capacity of gas-magnetic bearings for high-speed spindles / A.V. Kosmynin,V.S Scthetinin // Russian Engineering Research:- 2010.- Vol. 30, -№ 12, -Р.1252-1253.

Патенты , программы для ЭВМ

49. Пат. №2347960 РФ МПК F16C 39/06 Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел // Космынин А.В., Щетинин В.С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - 2007120545/11; заявл.01.06.2007; опубл.27.02.2009, бюл. № 6.

50. Пат. №2357119 РФ МПК F16C Газостатический подшипник // Космынин А.В., Чернобай С.В.,. Щетинин В.С,. Виноградов С.В.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т.- 2007133080/11; заявл.03.09.2007; опубл.27.05.2009, бюл. № 15.

51. Пат. №2408801 РФ МПК F16C Газостатический подшипник// Космынин А.В., Щетинин В.С., Жесткая В.Д, Каменских И.В., Суходоев И.Г.; заяв. и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т. - 2009121040/11; заявл.02.06.2009; опубл. 10.01.2011, бюл. № 1.

52. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612152 Газомагнитная опора /Космынин А.В., Щетинин В.С., Иванова Н.А., -Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 27.04.09.

53. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Роспатента №2009612950 Spindle block / Космынин А.В., Щетинин В.С., -Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 05.06.2009.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- раздвижка опор шпинделя; В – магнитная индукция; с – средний радиальный зазор; - коэффициент несущей способности подшипника; D – диаметр подшипника; – нагрузка на режущем инструменте; FM - магнитная сила в опоре; - оператор; е1–эксцентриситет переднего подшипников; h –радиальный зазор между шпинделем и вкладышем подшипника; - относительный зазор между шпинделем и вкладышем подшипника; М – восстанавливающий момент смазочного слоя от перекоса шпинделя; - удельный момент передней опоры, - удельный момент задней опоры, К – параметр питания; - конструктивный параметр; - коэффициент проницаемости пористого материала; - коэффициент жесткости; - ток в соленоиде; J- жесткость шпиндельного узла; , - длина переднего и заднего подшипника соответственно; , - удлинение переднего и заднего подшипника; l – вылет шпинделя; п – частота вращения шпинделя; - число витков соленоида; – атмосферное давление; - абсолютное давление наддува газа; - относительное давление газа в любой точке смазочного слоя подшипника; - относительное давление наддува газа; Q1, Q2 – несущая способность переднего и заднего подшипников; - газовая составляющая несущей способности газомагнитного подшипника, - радиус подшипников; Rа – шероховатость; S – площадь ферромагнитного тела; Т- длина магнитопровода; - осевая координата радиального подшипника; - относительная осевая координата радиального подшипника; - угол раздвижки магнитопроводов; - угол перекоса осей шпинделя и вкладыша подшипника; – высота пористой вставки подшипника; - смещение оси шлифовального круга; - относительное смещение оси шлифовального круга; - относительный эксцентриситет; 0 - магнитная постоянная; – угловая координата; - полюсный угол; t -градиент температуры; – угловая скорость вращения шпинделя; – угол ориентации нагрузки; – динамическая вязкость газа; – число сжимаемости.

Щетинин Владимир Сергеевич

Научное обоснование создания и разработка высокоскоростных шпиндельных узлов на газомагнитных опорах металлорежущих станков

Автореферат

ЛР №  от .

Подписано в печать………...

Формат 60х84/16. Бумага писчая. Печать офсетная.

Усл. печ. Л 2. Уч.-изд. л.  . Тираж 100 экз. Заказ 

Отпечатано в полиграфической лаборатории ФГБОУ ВПО

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.