7. Шпиндельные узлы на опорах с гидродинамической смазкой, конструкции, основы проектирования и эксплуатации

Опоры скольжения применяют в шпиндельных узлах тех станков, где подшипники качения не могут обеспечить требуемой точ­ности и долговечности работы. В качестве таких опор используют в зависимости от свойств гидродинамические и гидростатические под­шипники, а также подшипники с газовой смазкой.

Гидродинамические подшипники применяют в станках с высо­кими постоянными или мало изменяющимися скоростями вращения шпинделей при незначительных нагрузках (станки шлифовальной группы).

Рассмотрим принцип возникновения гидродинамического клина масляной пленки на которой происходит всплытие шпинделя.

В зазор между шпинделем 1 и подшипником 2 на рис.25 подается под давлением масло. При вращении шпинделя масло за счет сил жидкостного трения увлекается в клиновой зазор. Известно, что с уменьшением площади сечения, через которое протекает жидкость, в жидкости поднимается внутреннее давление, на рис.(а) показана эпюра распределения силы давления масляной пленки. На этой пленке происходит всплытие шпинделя.

Несущая способность (гидроподъемность) будет очевидно зависеть от :

1.от скорости вращения,

2.от вязкости масла

3.от угла провоцирующего клина (α).

Также одинаковые подшипники непригодны для шпиндельных узлов, так как возникает неопределенность положения оси шпинделя.

В станкостроении используют многоклиновые гидродинамические подшипники (рис. 25, б), так как одноклиновые (рис. 25, а) не могут обеспечить требуемой жесткости и точности вращения. В мно­гоклиновых подшипниках создается несколько клиновых зазоров, куда вращающимся валом увлекается масло, и результирующая гидродинамических сил F_n позволяет воспринимать внешнюю нагруз­ку F, действующую в любом направлении. Клиновые зазоры созда­ются обычно с помощью башмаков, самоустанавливающихся в зави­симости от нагрузки и положения шпинделя. Самоустановка башма­ков осуществляется либо их поворотом на сферических опорах (подшипник ЛОН-34 конструкции ЭНИМС, рис. 26, а), либо поворотом относительно специально выполненной втулки (подшипник ЛОН-88, рис. 26, б).

Конструктивные параметры гидродинамических подшипников оп­ределяют исходя из диаметра D шейки шпинделя, для обеспечения необходимой жесткости. При этом длину L вкладыша в осевом направлении и длину его по дуге В, см, принимают из соотношений

(2.7)

Обычно диаметральный зазор, мкм,

(3.7)

где D — диаметр шейки шпинделя, см.

В качестве рабочей жидкости применяют минеральное масло марки Л (велосит) с коэффициентом динамической вязкости µ = (4 ÷ 5)·10^-3 Па·с при 50 °С.

Существенным недостатком гидродинамических опор является изменение положения оси шпинделя при изменении частоты его вращения.

Одной из основных причин, снижающих работоспособность и надежность шпиндельных подшипников, является непараллельность образующих рабочих поверхностей цапфы и вкладышей, вызванная либо несоосностью расточек корпусных деталей или вкладышей, либо изгибом шпинделя под действием внешней нагрузки. Непараллельность образующих рабочих поверхностей цапфы и вкладышей вызывает неравномерное распределение давлений по длине цапфы. На отдельных участках, обычно у кромок вкладышей, давления резко возрастают (кромочные давления), а толщины масляного несущего слоя уменьшаются. Несущий масляный слой в этих местах практически отсутствует и трущиеся поверхности разделяются лишь тонкой граничной поверхностной пленкой масла. Во время работы подшипника эта пленка быстро перегревается и теряет свои смазочные свойства, что приводит к непосредственному контакту трущихся поверхностей и вызывает их повышенный износ и схватывание. Поэтому предотвращение возможности образования кромочных давлений в шпиндельных подшипниках скольжения является одной из основных задач как конструкторов, так и технологов. Конструктивно и технологически предотвращение кромочных давлений наиболее надежно обеспечивается самоустановкой вкладышей в плоскости оси шпинделя.

Шпиндельные подшипники смазывают минеральными маслами.

Основными свойствами масел, обеспечивающими возможность образования несущих масляных слоев, является вязкость и маслянистость