Шпиндельний вузол з газовими опорами

Реферат: Винахід належить до машинобудування та верстатобудування, у тому числі конструювання приводів обертального руху різноманітного призначення, електрошпинделів верстатів та турбомолекулярних вакуумних насосів. У шпиндельному вузлі з газовими опорами, що містить розташовані послідовно вздовж осі два основні радіальні підшипники та два підп'ятники з живильниками для стисненого газу, а також вал з приводом та консольно розміщеним робочим органом, на одному кінці якого з боку привода розміщений один з радіальних підшипників та підп'ятники, а на іншому - другий радіальний підшипник, а також два додаткові радіальні підшипники, один з яких змонтований на кінці вала з боку ротора, а другий - на іншому кінці вала перед підп'ятником та основним радіальним підшипником, при цьому жорсткість одного підшипника, розташованого на кінці вала з боку робочого органу дорівнює жорсткості одного з підшипників, встановлених на кінці вала з боку привода, та відрізняється від жорсткостей двох інших підшипників, які є рівними між собою, згідно винаходу середня ділянка вала виконана у вигляді двох конусів з однаковими кутами нахилу при вершинах, поверхні яких розширюються до середини вала, причому на них попарно розташовані основні та додаткові радіальні підшипники, при цьому живильники основних радіальних підшипників з боку газового зазору забезпечені круговими заглибленнями, а між парами радіальних підшипників встановлене кільце, осьовий розмір якого визначає жорсткість радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла. Винахід забезпечує збільшення жорсткості та несучої здатності шпиндельного вузла у осьовому напрямку, підвищення його надійності при роботі з осьовими навантаженнями, можливість регулювання жорсткості радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла, зростання максимальної частоти обертання вала завдяки додатковому розведенню частот коливань окремих пар радіальних підшипників. UA 98084 C2 (12) UA 98084 C2 UA 98084 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі машинобудування та верстатобудування, у тому числі до конструювання приводів обертального рух, і може бути використаний у електрошпинделях верстатів та у турбомолекулярних вакуумних насосах. За прототип вибраний шпиндельний вузол з газовими опорами, який містить розташовані послідовно вздовж осі два основні радіальні підшипники та два підп'ятники з живильниками для стисненого газу, а також вал з приводом та консольно розміщеним робочим органом, на одному кінці якого з боку привода розміщений один з радіальних підшипників та підп'ятники, а на іншому - другий радіальний підшипник, а також два додаткові радіальні підшипники, один з яких змонтований на кінці вала з боку ротора, а другий - на іншому кінці вала перед підп'ятником та основним радіальним підшипником, при цьому жорсткість одного підшипника, розташованого на кінці вала з боку робочого органу, дорівнює жорсткості одного з підшипників, встановлених на кінці вала з боку привода та відрізняється від жорсткостей двох інших підшипників, які є рівними між собою [див. А. с. СРСР № 1686231А1, МПК F16С32/06, опубл. 23.10.91, Бюл. № 39]. Недоліками відомого шпиндельного вузла з газовими опорами є мала жорсткість та несуча здатність у осьовому напрямку, відсутність регулювання жорсткості газових опор в залежності від особливостей застосування шпиндельного вузла. В основу винаходу поставлена задача удосконалення шпиндельного вузла з газовими опорами шляхом того, що середню ділянку вала виконано у формі двох конусів, радіальні аеростатичні підшипники попарно розміщені на конічних поверхнях вала з протилежних боків, між ними встановлене кільце для регулювання газових зазорів, а також виконані кругові заглиблення на живильниках основних підшипників з боку газового зазору. Це приведе до збільшення несучої здатності та жорсткості шпиндельного вузла з газовими опорами в осьовому напрямку, підвищення його надійності при осьових навантаженнях, дозволить регулювати газові зазори і жорсткість газових опор, підвищити несучу здатність основних радіальних підшипників, збільшити різницю у частотах коливань підшипників і, таким чином, зменшити амплітуду коливань та підняти максимальну частоту обертання вала. Поставлена задача досягається тим, що у шпиндельному вузлі з газовими опорами, який містить розташовані послідовно вздовж осі два основні радіальні підшипники та два підп'ятники з живильниками для стисненого газу, а також вал з приводом та консольно розміщеним робочим органом, на одному кінці якого з боку привода розміщений один з радіальних підшипників та підп'ятники, а на іншому - другий радіальний підшипник, два додаткові радіальні підшипники, один з яких змонтовано на кінці вала з боку ротора, а другий - на іншому кінці вала перед підп'ятником та основним радіальним підшипником, при цьому жорсткість одного підшипника, розташованого на кінці вала з боку робочого органу дорівнює жорсткості одного з підшипників, встановлених на кінці вала з боку привода та відрізняється від жорсткостей двох інших підшипників, які є рівними між собою, згідно винаходу середню ділянку вала виконано у вигляді двох конусів з однаковими кутами нахилу при вершинах, поверхні яких розширюються до середини вала, і на них попарно розташовані основні та додаткові радіальні підшипники, при цьому живильники основних радіальних підшипників з боку газового зазору забезпечено круговими заглибленнями, а між парами радіальних підшипників встановлено кільце, осьовий розмір якого визначає жорсткість радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла. Технічним результатом винаходу є збільшення жорсткості та несучої здатності шпиндельного вузла в осьовому напрямку, підвищення його надійності при роботі з осьовими навантаженнями, можливість регулювання жорсткості радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла, зростання максимальної частоти обертання вала завдяки додатковому розведенню частот коливань окремих пар радіальних підшипників та зменшенню амплітуди коливань. На схемі у перерізі показаний шпиндельний вузол з газовими опорами, стрілкою показана подача стисненого повітря для радіальних підшипників та підп'ятників. Шпиндельний вузол з газовими опорами містить корпус 1, у якому розміщений вал 2 з середньою ділянкою у вигляді двох конусів, на протилежних кінцях якого розміщені ротор 3 електричного привода та робочий орган 4, причому вал встановлений в аеростатичних опорах, що складаються з двох підп'ятників 5, двох основних радіальних підшипників 6 та 7 і двох додаткових радіальних підшипників 8 та 9, кожний з яких має живильники 10, до яких стиснене повітря подається через штуцер 11, при цьому посередині шпиндельного вузла між парами радіальних підшипників встановлене кільце 12 для регулювання газового зазору і жорсткості. Живильники 10 основних радіальних підшипників 6 та 7 з боку газового зазору забезпечені круговими заглибленнями 13. 1 UA 98084 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Шпиндельний вузол з газовими опорами працює наступним чином. Штуцер 11 підключається до джерела стисненого повітря, яке через систему каналів шпиндельного вузла надходить до радіальних підшипників 6-9, підп'ятників 5 та через їх живильні отвори - живильники 10 - надходить у повітряний зазор для змащення. В результаті цього вал 2 спливає у потоці повітря, і воно розділяє рухому поверхню вала 2 та нерухомі поверхні двох підп'ятників 5, двох основних радіальних підшипників 6, 7 і двох додаткових радіальних підшипників 8, 9. До вала 2 і закріпленого на ньому робочого органа 4 обертальній рух передається від ротора 3 електропривода. При обертанні вала 2 з частотою, яка є резонансною для пари основних радіальних підшипників 6 і 7, часткова втрата жорсткості цієї пари компенсується жорсткістю пари додаткових радіальних підшипників 8 і 9, для якої ця частота не є резонансною. Для більш значного розведення цих частот коливань, живильники 10 основних радіальних підшипників 6 і 7 з боку повітряного зазору виконані з круговими заглибленнями 13, які прийнято називати "кишенями". Вони суттєво підвищують жорсткість та несучу здатність основних радіальних підшипників 6 і 7, змінюють частоту коливань, що дозволяє зменшити амплітуду коливань вала 2 і стійко проходити резонансні частоти, а тому досягати більш високих швидкостей обертання. Конусні поверхні вала 2 при вершинах мають однаковий кут  (див. крес.), який може знаходитися в межах від 5° до 45°. Він забезпечує нахил рівнодіючих сил реакції з боку газового змащення по конусних поверхнях. Виникають осьові складові рівнодіючих сил реакції, які у вихідному положенні вала 2 компенсуються, а при його осьовому зміщенні у сумі з силами реакції підп'ятників утворюють головний вектор, який спрямований завжди проти осьового зміщення. Таким чином, осьове навантаження сприймається не тільки підп'ятниками 5, а також радіальними підшипниками 6-9, які, з точки зору навантажень, можна також розглядати як радіально-упорні. Завдяки конусним поверхням жорсткість основних радіальних підшипників 6, 7 та додаткових радіальних підшипників 8, 9 регулюється через змінення осьового розміру кільця 12, що приводить до змінення величини повітряного зазору, а тому і жорсткості. Тиск повітря, яке подається на штуцер 11 знімається після повної зупинки ротора 2. Використання запропонованого шпиндельного вузла з газовими опорами дозволить: - збільшити жорсткість та несучу здатність шпиндельного вузла у осьовому напрямку; - підвищити надійність шпиндельного вузла при роботі з осьовими навантаженнями; - підвищити максимальну частоту обертання вала завдяки додатковому розведенню частот коливань окремих пар радіальних підшипників; - регулювати жорсткість радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Шпиндельний вузол з газовими опорами, що містить розташовані послідовно вздовж осі два основні радіальні підшипники та два підп'ятники з живильниками для стисненого газу, а також вал з приводом та консольно розміщеним робочим органом, на одному кінці якого з боку привода розміщений один з радіальних підшипників та підп'ятники, а на іншому - другий радіальний підшипник, а також два додаткові радіальні підшипники, один з яких змонтований на кінці вала з боку ротора, а другий - на іншому кінці вала перед підп'ятником та основним радіальним підшипником, при цьому жорсткість одного підшипника, розташованого на кінці вала з боку робочого органу дорівнює жорсткості одного з підшипників, встановлених на кінці вала з боку привода, та відрізняється від жорсткостей двох інших підшипників, які є рівними між собою, який відрізняється тим, що середня ділянка вала виконана у вигляді двох конусів з однаковими кутами нахилу при вершинах, поверхні яких розширюються до середини вала, причому на них попарно розташовані основні та додаткові радіальні підшипники, при цьому живильники основних радіальних підшипників з боку газового зазору забезпечені круговими заглибленнями, а між парами радіальних підшипників встановлене кільце, осьовий розмір якого визначає жорсткість радіальних підшипників та всього шпиндельного вузла. 2 UA 98084 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3