Гідростатичний підшипник

Гідравлічний підшипник -це підшипник в якому безпосереднє навантаження іде на тонкий шар рідини . Гідравлічні і пневматичні підшипники часто використовуються при великих навантаженнях , високих швидкостях і при необхідності забезпечити точну посадку валу . На відміну від звичайних кулькових підшипників вони не створюють великих вібрацій , працюють майже безшумно і менше зношуються .

1-Вал ,2-Підшипник , 3-Підвід мастила

Принцип Дії та конструктивні особливості підшипників

Гідростатичний підшипник є опорою рідинного тертя, в якій тиск у шарі змащувального матеріалу, що розділяє вал та втулку, створюється зовнішнім джерелом і не залежить від швидкості обертання вала. Радіальне навантаження на шпиндель сприймається радіальним, а осьове — упорним гідростатичним підшипниками

Рисунок 1 – Схеми радіального гідростатичного підшипника: а – схема живлення та радіальний переріз; б – осьовий переріз; в – епюри тисків при центральному положенні шпинделя (суцільні лінії) та під навантаженням (штрихові лінії)

На внутрішній поверхні втулки радіального підшипника виготовляють кармани 2 (рисунок 1,а,б), в які через радіальні отвори підводиться масло від насоса. Далі воно витікає через перемички 1 та по шийці вала. У карманах та у зоні перемичок виникають симетричні поля тисків, які утримують ненавантажений шпиндель у середньому положенні із зазором δ між ним та втулкою (на рисунку 1,в поля тисків при відсутності навантаження показані суцільними лініями). Якщо на шпиндель діє зовнішня сила, наприклад направлена вертикально сила різання Р, то вісь шпинделя зміщується на величину ексцентриситету. Таким чином у верхнього кармана зазор збільшується, а тиск знижується, у нижнього навпаки — зазор зменшується, а тиск зростає (нова епюра тисків на рисунку 1,в показана штриховими лініями). В результаті сили тиску масла та зовнішнє навантаження приходять у стан рівноваги. Для здійснення цього процесу необхідні дві умови: перша— тиск в карманах стає неоднаковим, друга — подача масла через різні кармани лишається приблизно постійною. Перша умова виконується завдяки розділенню поверхні ковзання втулки на кармани з перемичками, друга забезпечується дроселями на вході в кармани, які пропускають у них постійний об’єм масла незалежно від навантаження. Гідростатичний підшипник з радіальними отворами для зливу масла потребує підвищеної подачі масла, але забезпечує краще відведення тепла від опори при великій швидкості обертання шпинделя (рисунок 2,а). Гідростатичний упорний підшипник сприймає осьові навантаження (рисунок 2,б). Масло через дроселі подається до кільцевих канавок на опорних поверхнях. На них можуть бути виконані декілька незалежних карманів

Рисунок 2 – Схеми гідростатичних підшипників: а — радіального з отворами у перемичках; б — упорного

Конструктивні параметри гідростатичних радіальних підшипників

З метою попередження пошкоджень поверхонь при обертанні шпинделя без вмикання гідросистеми втулки гідростатичних підшипників виконують біметалевими або з антифрикційних матеріалів. Параметри шорсткості робочих поверхонь, що безпосередньо впливають на радіальний зазор, приймають Rа = 0,63...0,4 мкм, а для прецизійних верстатів — Rа = 0,16...0,1 мкм. Конструктивні параметри згідно зі схемою на рисунку 6 визначають відносно діаметра шийки вала: – діаметр шийки шпинделя вибирають виходячи з потрібної його жорсткості — D; – довжина підшипника повинна забезпечувати максимальну жорсткість при заданому діаметрі — L = (1,0…1,2) D; – ширина перемички у осьовому та тангенціальному напрямках повинна забезпечувати задовільну несучу здатність підшипника при мінімальних витоках — l1 = 0,1 D;

– діаметральний зазор у підшипнику, який впливає на його жорсткість, перенесення на оброблювану деталь похибок форми шийок шпинделя, витрати масла, приймають Δ = (0,0006...0,00065) D; – кут, що обмежує карман, для підшипника з чотирма карманами приймають рівним φк = 72° (звичайно виготовляють чотири кармани, оскільки їх симетричне розташування знижує негативний вплив овальності шийок шпинделя на точність оброблюваної деталі); – глибину карманів приймають за умови відсутності в них гідродинамічних ефектів — h > 50 Δ.

Розрахунок гідростатичних радіальних підшипників

Мета розрахунку полягає у визначенні його розмірів в залежності від заданої навантажувальної здатності та жорсткості опори. Визначають також необхідні витрати масла, потужність для його прокачування та параметри дроселів. Наведена методика призначена для розрахунків гідростатичних радіальних підшипників з чотирма симетрично розташованими карманами, які працюють із швидкостями ковзання до 25 м/с при відносних ексцентриситетах ε < 0,4. Попередньо прийняті такі допущення: – підшипник вважається абсолютно жорстким, а масло нестисливе; – осі вала та втулки завжди лишаються паралельними; – тиск масла у карманах підшипника у два рази менший тиску на вході дроселя — рк = 0,5 рн; – гідродинамічні ефекти у підшипнику відсутні. Початкові дані: прийняті конструктивні параметри підшипника, розрахунковий ексцентриситет ε, робоча температура опори, найбільше радіальне зусилля, необхідна радіальна жорсткість, в’язкість масла, що використовується.

Переваги і недоліки

Переваги :

• Гідравлічні і пневматичні підшипники в загальному , мають низькі коефіцієнти тертя - набагато нижче ,ніж у механічних підшипників . Основне джерело тертя це в'язкість рідини або газу. Оскільки в газів в'язкість нижча ніж у рідин , то газодстатичні підшипники відносяться до числа підшипників із найменшим коефіцієнтом тертя . Проте чим менша в'язкість , тим більші втрати і витікання , що потребує додаткових витрат на на подачу рідини (або газу ) в підшипник. Такі підшипники також потребують ущільнювача.
• При високих навантаженнях ,щілина між поверхнями в гідравлічних підшипниках змінюється менше ніж в механічних підшипниках .
• Внаслідок принципу своєї роботи , гідравлічні підшипники часто мають значну демпферуючу здібність
• Гідравлічні і пневматичні підшипники як правило працюють тихіше і створюють менше вібрацій ніж підшипники кочення .
• Гідравлічні підшипники прості в конструкції і відповідно дешевші ніж механічні підшипники.Проте для виготовлення гідравлічних підшипників потрібно більш точне обладнання .

Недоліки

• В гідродинамічних підшипниках засвичай розсіюється більше енергії ніж в кулькових підшипниках .
• Розсієння енергії в підшипниках ,а токож їх демпферуюча здібність сильно залежать від температури , що ускладнює виготовлення підшипників і їх роботу в широкому діапазоні температур
• Гідравлічні підшипники можуть миттєво заклинюватись і виходити із ладу . кулькові ж підшипники виходять із ладу поступово при цьому збільшується рівень шумі або люфт .
• Ще одним недоліком є ймовірність витоку газу або рідини із підшипника що призводить до більших економічних затрат .

Джерела інформації

1. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. В. Э. Пуша, М.: Машиностроение, 1985. – 256 с 2. Кочергин А. И. Конструкция и расчёт металлорежущих станков и станочных комплексов. Минск: Вышейша школа, 1991. – 382 с. 3. Кузнецов Ю.Н. Станки с ЧПУ: Учеб. Пособие. – К.: Выща шк., 1991. – 278 с. 4. Малярчук А.О. Конструювання та розрахунок металорізальних верстатів. Курсове проектування. Частина 1. Навчальний посібник. – Вінниця: ВНТУ, 2004. – 119 с. 5. Харченко А.О. Станки с ЧПУ и оборудование гибких производственных систем: Учебное пособие/ МОН Украины. — К.: ИД "Профессионал", 2004. — 304 с.