НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КОВАЛЬОВ ВІКТОР ДМИТРОВИЧ

УДК 621.9.06

ОСНОВИ ТЕОРІЇ РОЗРАХУНКУ ТА ПРОЕКТУВАННЯ

ГІДРАВЛІЧНИХ ОПОРНИХ ВУЗЛІВ ВЕРСТАТНОГО УСТАТКУВАННЯ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти”

Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Струтинський Василь Борисович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, зав. кафедрою “Конструювання верстатів та машин”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Петко Ігор Валентинович, Київський державний університет технології та дизайну, професор кафедри електромеханічних систем,

доктор технічних наук, професор, Павленко Іван Іванович, Кіровоградський державний технічний університет, зав. кафедрою “Технологія машинобудування”,

доктор технічних наук, професор, Нагорняк Степан Григорович, Тернопільський державний технічний університет, декан факультету переробних і харчових виробництв.

Провідна установа: Інститут машин та систем НАН України та Міністерства промислової політики

Захист відбудеться 23 квітня 2001 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37, корпус 1, ауд. № 214

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланий 22 березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д26.002.11

кандидат технічних наук, доцент Семенов О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Конкурентноздатність продукції машинобудування, підвищення вимог до її якості може бути забезпечено лише в тому випадку, якщо працездатність металорізального устаткування, тим більше важкого й унікального, що знаходиться в експлуатації на заводах-виготовлювачах, буде істотно підвищена. Працездатність і надійність верстатного устаткування у великій мірі залежить від вузлів тертя, отже, один із найбільш ефективних шляхів підвищення цих показників - удосконалювання направляючих, шпиндельних опор та інших вузлів, поверхні яких знаходяться у відносному русі та взаємно передають або сприймають навантаження.

Перспективним шляхом є заміна змішаного тертя і тертя кочення в опорних вузлах рідинним тертям. Перехід на цей робочий процес, завдяки наявності між поверхнями гідравлічної опори гарантованого шару мастильного матеріалу заданої товщини, параметрами якого можна управляти, дозволяє радикально поліпшити показники верстатів по всіх критеріях працездатності, забезпечити нові можливості при механообробці - суміщення чорнової та чистової обробки на одному верстаті, здійснення мікропереміщень для компенсації похибок або керування формоутворенням, стружкодробління та багато іншого.

Оснащення опорами з рідинним режимом тертя при модернізації верстатів, що знаходяться в експлуатації, є дуже ефективним засобом усунення економічних наслідків морального і фізичного зносу. Така модернізація дозволяє підвищити техніко-економічні й експлуатаційні параметри діючих верстатів до показників нових моделей аналогічного устаткування. Це дуже актуально для верстатного парку України, знос якого в даний час перевищує 70-80%, що особливо характерно для важких і унікальних верстатів.

Тому, розробка основ теорії розрахунку та проектування гідравлічних опор шпинделів, напрямних, люнетів, вертлюгів та інших верстатних вузлів з опорами та передачами, що працюють у рідинному режимі тертя при зміні всіх чинників обробки, є проблемою, що потребує свого рішення при дослідженнях, розробці, виготовленні, експлуатації верстатного устаткування, чому і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до перспективного плану науково - дослідних робіт Донбаської Державної машинобудівної академії (державна реєстрація №№ 0194U023543, 0196U023530, 198U004244, 0196U015981, 0198U009089, 0100U001546), виконуваних по Програмі досліджень ДКНТ України “Ресурсосберегаючі технології”, відповідно до Державної науково-технічної програми Міністерства України по справах науки і технологій по напрямку 4.3 “Підвищення надійності і довговічності конструкцій”, і в даний час по Державній науково-технічній програмі Міністерства освіти і науки України по напрямку 4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсосберегаючі технології”, а також у рамках науково - дослідницьких робіт, в основу яких поставлені ті проблеми і задачі, що у силу малої їхньої вивченості та розробленості або через низьку працездатність існуючих конструкцій, були поставлені верстатобудівними і машинобудівними підприємствами України.

Мета роботи. Підвищення працездатності і надійності верстатного устаткування, розширення його технологічних можливостей на основі теоретичних і експериментальних досліджень робочого процесу, обумовленого рухом опорних поверхонь, що деформуються, навантажених тиском мастильного матеріалу в зазорі, і розробки опор і передач верстатів, що працюють у безумовно рідинному режимі тертя.

Задачі досліджень. Поставлену мету реалізовано шляхом вирішення наступних задач:

1. визначення особливостей і проблематики застосування гідравлічних опор у вузлах верстатів для підвищення працездатності та надійності верстатного устаткування, розробка класифікації опор і систем їх живлення;

2. розробка загальної теорії роботи опор та передач з рідинним режимом тертя всіх застосовуваних у верстатах типів і форм на основі загальної математичної моделі робочого процесу, універсальної методики розрахунку та дослідження опор і передач;

3. інтерпретація і реалізація стосовно до поставлених задач чисельних методів рішення систем диференціальних рівнянь у частинних похідних другого порядку та визначення диференціальних та інтегральних експлуатаційних характеристик;

4. виявлення оптимальних і раціональних конструктивних параметрів опор і передач, систем їх живлення, що забезпечують високу працездатність і надійність верстатів;

5. проведення експериментальних досліджень на стендах і натурних випробувань в умовах експлуатації верстатів для перевірки відповідності математичних моделей і результатів параметричних досліджень реальним явищам, що мають місце в опорних вузлах верстатного устаткування;

6. розробка шляхів удосконалювання опор і передач верстатів і систем їх живлення, для забезпечення точності переміщень, жорсткості, адаптивного керування обробкою на верстатах.

Об'єкт дослідження – опорні вузли верстатів: шпиндельні опори; вертлюги; люнети; напрямні супортів, кареток, столів, повзунів, планшайб; кінцеві ланки приводів подач: передачі “черв'як-рейка” та “гвинт-гайка”.

Предмет дослідження – верстатні опори і передачі гідростатичного та гідродинамічного типу, що забезпечують рідинний режим тертя.

Наукова новизна роботи.

Створено теоретичні основи роботи, розрахунку та проектування гідравлічних опорних вузлів і передач з рідинним режимом тертя для верстатного устаткування:

1. Виявлено закономірності робочого процесу, що має місце в гідравлічних опорах і передачах верстатів - руху опорних поверхонь, що деформуються, навантажених тиском мастильного матеріалу в зазорі, з урахуванням перекосів та теплових явищ, на основі чого створена загальна математична модель процесів, що відбуваються в опорах і передачах із рідинним режимом тертя всіх застосовуваних у верстатах форм і типів.

2. Отримано спільне рішення рівнянь механіки суцільних середовищ - диференціальних рівнянь теорії пружності і руху в’язкої рідини, що дозволило визначити експлуатаційні характеристики опорних вузлів верстатів з урахуванням деформацій несучих систем, виявити основні закономірності взаємодії пружних переміщень і виникаючих навантажень у робочому просторі.

3. Розроблено загальну методику кількісного визначення навантажувальних і енергетичних характеристик опорних вузлів верстатів, що дозволяє встановлювати їхні конструктивні параметри для досягнення безумовно рідинного режиму тертя з виконанням наперед заданих вимог до опорного вузла по припустимих деформаціях, точності, жорсткості, навантажувальної спроможності, компенсації шкідливих чинників обробки.

4. Інтерпретовані, дороблені та реалізовані стосовно до поставленої проблеми чисельні методи рішення диференціальних рівнянь у частинних похідних другого порядку з обгрунтуванням дискретизації моделей та точності одержуваних результатів на всіх етапах рішення задач.

5. Виявлено залежності експлуатаційних характеристик і конструктивних параметрів верстатних опор і передач рідинного тертя різних форм і типів, що дозволяють підвищити працездатність верстатного устаткування.

6. Розроблено методи керування жорсткістю і деформаціями верстатних вузлів шляхом цілеспрямованої зміни характеристик опор.

7. Розроблено методики експериментальних досліджень на основі критеріїв подоби, створено ряд стендів, що дозволило робити стендові та натурні випробування опорних вузлів і передач верстатів як у лабораторних, так і безпосередньо у виробничих умовах експлуатації.

Практична цінність роботи. На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені інженерні методики й алгоритми розрахунків гідравлічних опор для шпинделів, люнетів, планшайб, напрямних, вертлюгів, гідростатичних передач, що дозволяють робити вибір геометричних співвідношень і розраховувати системи живлення, оптимізуючи відповідні експлуатаційні параметри в залежності від умов експлуатації і технічних вимог.

Розроблено програмне забезпечення для ЕОМ, що дозволяє моделювати опорні вузли верстатів і розраховувати їхні експлуатаційні характеристики, яке є частиною САПР верстатних вузлів тертя і передач.

Розроблено рекомендації по проектуванню гідравлічних опор і передач для вузлів верстатів різноманітних груп, визначені шляхи удосконалювання вузлів тертя верстатів, запропоновані нові конструкції опор і систем їх живлення. Розроблено методику відновлення точності верстатного устаткування при їхній модернізації шляхом переводу опорних вузлів на рідинний режим тертя.

Натурні експериментальні дослідження опор і передач, що проведені в умовах експлуатації верстатів, дозволили одержати інформацію, необхідну конструкторам, не тільки по опорних вузлах, але і по параметрах інших вузлів і верстата в цілому.

Реалізація результатів роботи. На основі результатів досліджень, проведених у роботі, розроблено ряд опорних вузлів і передач для важких і унікальних токарних і спеціальних верстатів, модернізовані розточувальні, повздовжньо-оброблюючі, токарні, шліфувальні верстати. Результати роботи впроваджені з реальним економічним ефектом при розробці і виробництві нових верстатів на ВАТ “Краматорський завод важкого верстатобудування” і модернізації існуючого верстатного устаткування на ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”, ЗАТ “Старокраматорський машинобудівний завод”. Результати дисертації використовуються в учбовому процесі на кафедрі "Металорізальні верстати та інструмент" ДДМА.

Розроблені нові конструкції опорних вузлів експонувалися на Міжнародному Лейпцігському ярмарку (ФРН) у 1993 р.

Особистий внесок здобувача. Автор особисто створив теоретичні основи досліджень, розрахунків і проектування верстатних гідравлічних опор і передач всіх форм і типів, розробив методи керування жорсткістю і деформаціями верстатних вузлів шляхом цілеспрямованої зміни характеристик опор, провів теоретичні, експериментальні дослідження та натурні випробування опорних вузлів різних форм і типів.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи докладалися та обговорювалися на більш 40 наукових конференціях і семінарах, у тому числі на міжнародних науково-технічних конференціях “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (1998, Київ), “Інтерпартнер-93-99” “Високі технології в машинобудуванні” (1993-1999, Харків), “Контактна гідродинаміка” (1990, Самара), “Обробка неметалічних матеріалів” (1990, Жешув, Польща), 1-4 Міжнародних симпозіумах інженерів-механіків у Львові (1993-1999, Львів), “Типові механізми і технологічна оснастка верстатів-автоматів, верстатів із ЧПК, ГВС” “Верстати 91,92” (1991, 1992, Київ), “Ресурсо- і енергозберігаючі технології в машинобудуванні” (1990, 1992, 1994, Одеса), “Машинобудування і техносфера на рубежі ХХI сторіччя, прогресивна техніка і технологія машинобудування” (1994-2000, Донецьк), “Сучасні технології машинобудування” (1994-2000, Суми), “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (1996, Луганськ), “Ремонт і модернізація технологічного устаткування” (1990, С.-Петербург), “Удосконалення технічного обслуговування і ремонту устаткування” (1990, Пенза), “Підвищення ефективності і якості механоскладального виробництва” (1991-1994, Київ), “Якість і надійність технологічних систем” (1990-1999, Краматорськ).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 45 роботах, у тому числі 29 - у спеціалізованих виданнях (25 –без співавторів). Здобуто 1 патент України, 1 авторське свідоцтво.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 213 найменуваннями та 1 додатка. Повний обсяг дисертації становить 424 сторінок, включаючи 154 рисунка, 23 таблиці. Ілюстрації, таблиці, додаток, список використаних джерел займають 158 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначаються мета та задачі досліджень, наводиться наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено сучасний стан проблеми.

На основі аналізу шляхів підвищення працездатності та надійності верстатного устаткування, визначені найбільш ефективні засоби збільшення геометричної і кінематичної точності, жорсткості, вібростійкості, теплостійкості, зносостійкості. Для підвищення точності обробки найкращі результати дає адаптивне керування ходом технологічного процесу по поточних вимірах при обробці деталі. Підвищення якості технологічної системи дозволяє підвищити як точність, так і продуктивність обробки деталей, причому одним із найефективніших і економічно виправданих шляхів є підвищення якості опорних вузлів верстата, зокрема заміна змішаного тертя і тертя кочення рідинним тертям, тобто застосування гідравлічних опор і передач в шпиндельних вузлах, направляючих, люнетах та інших вузлах верстатів.

Розглянуто області й особливості застосування гідравлічних опор у вузлах верстатів. Розроблено класифікацію гідравлічних опор по 4 ознакам - за принципом утворення шару мастильного матеріалу, що розділяє поверхні деталей рухомих сполучень; по відносному напрямку сумарного вектора сприйманих ними зовнішніх сил; по геометричній формі поверхонь, що сполучаються; по конструктивному виконанню.

При розробці методик досліджень і розрахунків опор верстатного устаткування, необхідно враховувати роботу опор із різноманітними системами живлення, особливо із саморегулюючими характеристиками, як кращими для прецизійних верстатів. Розроблено класифікацію систем живлення верстатних гідравлічних опор і розглянуто їхній вплив на працездатність верстатного устаткування. Виділено 5 класів систем живлення: із постійною витратою мастильного матеріалу через кожну камеру; із дросельним регулюванням через постійні опори від мережі з постійним тиском; від мережі постійного тиску із саморегулюючими характеристиками; від мережі постійного тиску з автоматичним регулюванням із зворотнім зв'язком; системи, що використовують комбіновані методи регулювання.

Теоретична база досліджень гідравлічних опор розвивалася починаючі з класичних праць Н.П.Петрова, Н.Е.Жуковського, О.Рейнольдса, А.Мічела та ін. Подальший розвиток теорія одержала в роботах Н.П. Артеменка, Д.С.Кодніра, В.А.Максимова, О.Б.Приходька, Н.А.Сльозкіна й інших дослідників. Дослідження гідростатичних опор верстатного устаткування й інших машин відображені в роботах Д.Н.Рєшетова, В.В.Бушуєва, В.Б. Струтинського, Ю.Н.Соколова, І.А.Тодера і багатьох інших.

Проаналізовано проблеми, що супроводжують дослідження та використання опор з рідинним режимом тертя у верстатному устаткуванні. Відсутній загальний підхід до досліджень верстатних гідравлічних опор, не існує загальної теорії та методики розрахунку опор різних форм і типів. Відсутність точних, перевірених на практиці методик розрахунку і проектування опор з рідинним режимом тертя різко обмежує їх застосування в конструкціях нових верстатів. Відомі методи досліджень і розрахунків верстатних гідравлічних опор потребують удосконалення, тому що вони не враховують деформативність опорних поверхонь, їх відносний рух, нелінійність діючих на них розподілених навантажень. Це дає значні похибки, утрудняє вибір конструктивних параметрів опор і систем їх живлення, не дозволяє аналізувати працездатність опорних вузлів в аварійних режимах, знижує точність обробки, надійність і безпеку верстатів. Не розроблені методи дослідження і розрахунку опор верстатів, засновані на спільному рішенні задач теорії пружності і задач течії рідини для дослідження деформацій поверхонь опори і впливу деформацій на експлуатаційні характеристики. Недостатньо вивчене і обгрунтоване питання визначення раціональних конструктивних параметрів опор.

Відзначено необхідність удосконалювання наявних конструкцій опор і передач в напрямках забезпечення рідинного режиму тертя у всіх режимах експлуатації верстатів, керування точністю переміщень та жорсткістю верстатних вузлів, компенсації деформацій, розробки опор спеціальних форм, адаптивних опор та ін.

На основі аналізу сучасного стану методів дослідження і розрахунку гідравлічних опор верстатного устаткування розглянуті й обгрунтовані основні припущення, прийняті при побудові математичних моделей, і методи рішення основних диференціальних рівнянь. Модель обов'язково повинна описувати взаємний вплив пружних деформацій, просторових перекосів опорних вузлів та двомірної течії мастильного матеріалу в зазорі між поверхнями опор. При розгляді термічного стану течії мастила проаналізовані методики ізотермічні і неізотермічні, методики, у яких застосовується термогідродинамічний і термопружньогідродинамічний аналіз. Для опорних вузлів верстатів, коли ho>10-20 мкм і U<70-80 м/с цілком прийнятна постановка в припущенні ізотермічної ламінарної течії мастильного матеріалу з температурою, середньою між температурами на вході в досліджувану область і виході з неї, що практично не вносить похибок при визначенні інтегральних експлуатаційних параметрів опор у порівнянні з аналогічними параметрами, знайденими в припущенні неізотермічної течії мастильного матеріалу.

В другому розділі викладені методи досліджень. Розроблені методики дозволяють здійснювати теоретичні й експериментальні дослідження верстатних опор і передач з рідинним режимом тертя.

Методика теоретичних досліджень побудована на спільному рішенні крайових задач, що описують робочий процес, на основі диференціальних рівнянь у частинних похідних із відповідними граничними умовами і визначенні диференціальних та інтегральних експлуатаційних характеристик. Для визначення розподілених навантажень в опорах вирішуються рівняння течії вязкої рідини. Вихідними рівняннями для рішення задачі теорії пружності прийняті статичні, геометричні і фізичні співвідношення.

Для реалізації математичних моделей на ЕОМ застосовані чисельні методи рішення систем диференціальних рівнянь в частинних похідних другого порядку - метод кінцевих різниць і метод кінцевих елементів, а також чисельні методи визначення інтегральних експлуатаційних характеристик. При рішенні крайових задач методом кінцевих різниць, відповідно до схеми центральної п’ятиточечної зірки, для дискретизації досліджуваної області застосовані нерегулярні сітки з локально зменшеним кроком пропорційно градієнтам функції, що визначається.

Методика експериментальних досліджень робочого процесу, що має місце в опорних вузлах верстатів, дозволяє на основі розроблених критеріїв подоби вимірювати фізичні величини при дослідженнях на стендах і натурних випробуваннях в умовах експлуатації верстатів, включаючи методи виміру зазорів, тисків із безперервним записом цих функцій, що дозволяє зробити співставлення диференціальних й інтегральних величин, визначених по розробленій загальній теорії і знайдених експериментально, і поширити результати дослідів на групи явищ для перевірки адекватності математичних моделей і результатів параметричних досліджень реальним процесам, що мають місце в опорних вузлах верстатного устаткування. Для визначення кількісних характеристик вимірювалися: товщина шару мастильного матеріалу (за допомогою Ш-подібних; малогабаритних П-подібних і чашкових індуктивних, ємнісних датчиків); тиски в досліджуваних областях і системах живлення (за допомогою тензодатчиків на стінках трубок Бурдона манометрів і датчиків із оболонками, що деформуються, для виміру в дискретних точках області); об'ємні витрати мастильного матеріалу; температура мастильного матеріалу (за допомогою залізно-константанових термопар); величини віброприскорень (за допомогою датчиків прискорень і п’єзоелектричних вібровимірюючих перетворювачів). Реєстрація параметрів, що вимірювалися, провадилася осцилографами та безпосередньо в ЕОМ через аналогово-цифрові перетворювачі.

Третій розділ присвячено розробці загальних теоретичних основ досліджень, розрахунків та проектування гідравлічних опор і передач верстатів.

Розглянуто вплив експлуатаційних характеристик опорних вузлів на точність верстатів. Для забезпечення необхідної точності, жорсткості, навантажувальної спроможності й інших експлуатаційних характеристик за критеріями працездатності верстата визначаються конструктивні параметри опор. Змінюючи конструктивні характеристики і настроювання опорних вузлів (наприклад, на рис.1 наведена розрахункова схема для шпиндельного вузла важкого токарного верстата), керують системою сил, регулюючи величини навантажувальної спроможності Wi й жорсткості Ji опор і координати Xi, Yi, Zi головних векторів реакцій опорного вузла, перерозподіляють загальний силовий баланс із метою мінімізації відхилення кінцевих ланок формоутворюючої системи. Регулюючи і перерозподіляючи витрату мастильного матеріалу Qj через окремі j камери опор, здійснюються мікропереміщення у вузлах у межах величини зазору hi між опорними поверхнями для компенсації відхилень .

На основі проведеного безрозмірного аналізу рівнянь, що описують закономірності течії в’язкої нестисливої рідини, записаних в ортогональній криволінійній системі координат і поданих у проекціях вектора швидкості, можна перейти до системи, що у розмірних величинах запишеться як:

;

; (1)

;

, (2)

При цьому в системі рівнянь (1) відсутні як члени, що враховують квадратичні сили інерції, так і другорядні доданки, обумовлені в’язкістю - у вихідних рівняннях відкинуті доданки більш високого порядку малості. Інтегруючи рівняння нерозривності (2) з урахуванням (1) по q3 у межах товщини зазору 0 q3h, одержуємо рівняння, що описує закон розподілу навантажень p у досліджуваній області, які виникають у шарі мастильного матеріалу, що розділяє поверхні опор, які знаходяться у відносному русі або стані спокою та передають або сприймають зовнішні навантаження. Рівняння подане в безрозмірній формі в ортогональній криволінійній системі координат:

; (3)

де і - безрозмірні перемінні, що довільно змінюються, відповідно в напрямку координатних осей q1 і q2 (;; ), значення яких у залежності від прийнятої системи координат, у якій розглядається задача, приведені в таблиці 1;

А і Б - характерні величини, що визначають геометричні параметри аналізованої опори, відповідно в напрямку координатних осей q1 і q2;

- безрозмірні і розмірні частини коефіцієнтів Ляме ; ; ; ;

- безрозмірна величина, що характеризує величину зазору при наявності перекосу hпер поверхонь, що сполучаються, та їх деформації д; h0 - мінімальна величина зазору;

(4)

- безрозмірний параметр, що характеризує величину тиску в точці області;

µ - значення коефіцієнта динамічної вязькості, обумовлене в залежності від температури по експериментально перевіреній емпіричній залежності, справедливої при 303T0K373:

; (5)

pс - тиск у системі живлення, якщо така необхідна з умов, що предявляються до опори;

(6)

- безрозмірний параметр, що характеризує тип досліджуваної гідравлічної опори та режим її роботи.

З наведеного (4, 6) випливає, що при U=0 M=0, а при pc=0 M=1, тобто розглядаються як опори гідростатичного (М=0), так і гідростатодинамічного (0<М<1) та гідродинамічного типу (М=1).

Граничні умови, у загальному випадку, на межах досліджуваної області:

, (7)

на межах джерела (камер підводу мастильного матеріалу):. Величина тиску в джерелі визначається в процесі рішення, з умови балансу витрат мастильного матеріалу (8), що надходить у камеру із системи живлення і витікає з неї в область, що досліджується.

(8)

У тих випадках, коли в досліджуваній області джерела відсутні, тобто розглядаються опори гідродинамічного типу (М=1), граничні умови перетерплюють істотні зміни, обумовлені специфікою явищ, що мають місце в тонких шарах мастильного матеріалу. На межах області величина тиску приймається така ж, як при М<1: , а по вхідної Г003 і вихідний Г001 межах області надмірних тисків (у межах області, що розглядається) задається відповідно до таких умов:

(9)

причому, положення самих меж Г001 і Г003 визначається з цих же умов у процесі реалізації крайової задачі.

Аналогічно задаються граничні умови для гідростатичних опор, коли мастильний матеріал у них є, але надмірний тиск відсутній (практично, випадок, коли М=1). Така ситуація можлива, якщо засмічена система живлення, або вийшов із ладу насос високого тиску та ін. Розгляд цього варіанта дозволяє прогнозувати навантажувальну спроможність гідростатодинамічної опори при , тобто у випадку якщо вона працює в гідродинамічному режимі, що дозволяє при проектуванні призначити конструктивні параметри так, що опора буде працездатною навіть при аварії.

Кінцеворізнична апроксимація вихідного диференціального рівняння (3), що вирішена щодо (i; k) вузла має вигляд:

,

де H01 і H02 - крок сітки відповідно по горизонтальній і вертикальній осям (по рядку і стовпчику).

При побудові обчислювальних алгоритмів організується зовнішній цикл по визначенню сумарних деформацій опорних поверхонь під дією зовнішніх навантажень і тисків в зазорі. В якості першого наближення у вузлах визначаються деформації тільки від зовнішніх навантажень , уточнюється величина зазору у вузлах кінцеворізничної сітки:

, (11)

а потім провадиться визначення розподілу навантажень між поверхнями опори ( - величина зазору, визначена в припущенні недеформованості поверхонь опори, що сполучаються, при їхньому відносному перекосі). Після цього здійснюється наступна ітерація по визначенню деформацій опорних поверхонь уже під спільною дією зовнішніх сил і навантажень, визначених на попередній ітерації, знову уточнюється величина зазору і визначається уточнений розподіл тисків і т.д. Ітераційний процес завершується, коли уточнення деформації на ітерації j не перевищує заданої величини:

. (12)

Отримане значення додається до значення у кожному з вузлів кінцеворізничної сітки для обчислення остаточних значень зазору в кожній точці:

. (13)

Визначення деформацій методом кінцевих елементів зводиться до системи алгебраїчних рівнянь:

, (14)

де [К] - матриця жорсткості всієї конструкції; {} - вектор переміщень вузлів; {F}- вектор вузлових сил.

Визначивши чисельно диференціальні експлуатаційні характеристики опорного вузла поля деформацій та тисків між поверхнями при взаємному впливі зовнішніх і розподілених навантажень, знаходяться інтегральні величини, що характеризують основні експлуатаційні характеристики опорних вузлів рідинного тертя (навантажувальні, жорсткісні, енергетичні), причому всі величини розділені на розмірну частину і безрозмірний коефіцієнт КШ , що характеризує відповідний параметр Ш .

Навантажувальна спроможність:

W=П2p*KW = П2p*[(KWx)2 + (KWy)2+KWz)2]1/2, (15)

; ;

, (16)

де - кут між вектором W і проекцією Wz на вісь z; - кут між Wx і Wxy .

Координати головного вектора реакції опорного вузла, відповідно по осях x, yі z:

XW=XW'Kx; YW=YW'Ky; ZW=ZW'Kz, (17)

де Kx; Ky; Kz мають по дві складові по координатах, відмінних від складової навантажувальної спроможності W, що визначаються інтегруванням. Наприклад, для складової Wx координати KxWy і KxWz:

,

де Ф и - відповідно кути охоплення досліджуваної області; Ф0 і 0 - відстані (по куту) до досліджуваної області від початку відліку; значення XW' ; YW'; ZW' визначаються в залежності від системи координат.

Момент головного вектора реакції опори:

;. (18)

Жорсткість опори:

; , (19)

де h - для досліджень лінійної жорсткості плоских опор; - для кутової жорсткості; - для жорсткості циліндричних опор. У залежності від форми опор, можуть виникати випадки, коли напрямок зміщення в опорі може не збігатися з напрямком навантаження, що вона сприймає. При цьому вводяться показники жорсткості (перший елемент індексу - проекція сили на координатну вісь, другий - проекція відносного переміщення поверхонь опори), для визначення яких використовується метод малих збуджень із положення рівноваги - досліджується зміна відповідної проекції навантажувальної спроможності при малому зміщенні з положення рівноваги в одному з напрямків. У загальному випадку жорсткість можна характеризувати дев'ятьма показниками:

; ; ; ; ;

; . (20)

При дії навантаження в напрямку, ортогональному зазору h, жорсткість буде визначатися коефіцієнтами з однойменними індексами xx, yy, zz, тобто в напрямку дії навантаження. Якщо зміна , то жорсткість - нескінченно висока. Якщо збільшення навантаження призводить до збільшення зазору - то жорсткість шару негативна (рухомий вузол буде зміщуватися в напрямку навантаження). Ці випадки можливі при застосуванні автоматичних регуляторів із зворотними зв'язками. Показники жорсткості з різнойменними індексами xy, yx, xz, zx, yz, zy повинні мати малі величини, щоб вони не викликали втрату усталеності системи “рухомий вузол - опора”. Крім цього, для опорних вузлів, що сприймають навантаження, яке змінюється по напрямку (для циліндричних, конічних, сферичних опор), бажано, щоб показники жорсткості з однойменними індексами були постійними при зміні напрямку навантаження. У противному випадку несиметричність показників буде дестабілізуючим чинником, що порушує рівновагу системи “рухомий вузол - опора”.

Для визначення зв'язку загальної жорсткості та її показників підсумовуються показники жорсткості по зміщенню в одному напрямку від сили, що діє в різних напрямках:

. (21)

Загальна жорсткість визначається як:

, (22)

Витрати мастильного матеріалу через відповідну межу (j=1;2;3;4):

; ;

; ;

; ;

, . (23)

Потужність, що витрачається на подолання сил тертя:

, (24)

Потужність, що витрачається на прокачування мастильного матеріалу (у випадку гідростатичних або гідростатодинамічних опор):

, KNпр=1,25KQcm /KWcm2 , (25)

Середня температура в опорному вузлі:

; (0М<1)

. (М=1) (26)

Для зниження деформацій верстатних вузлів шляхом керування їхньою жорсткістю локально змінюють жорсткість і деформації вузлів несучих систем регулюванням характеристик опор у відповідних напрямках. Створено алгоритми мінімізації деформацій і визначення відповідних параметрів опор. Для цього ітераційно перерозподіляють витратні характеристики камер підводу мастильного матеріалу відповідно деформаціям опорних поверхонь на ділянці опори, де розташована камера. Якщо деформація зменшує зазор h - витратну характеристику збільшують, що призводить до підвищення тиску в камері, і навпаки. У такий спосіб визначаються параметри гідравлічних компенсаторів і систем живлення, при яких деформації опорних вузлів і несучих систем мінімальні. При необхідності змінюють геометричні параметри опори - розташування і величини камер та ін. Критеріями визначення параметрів опорних вузлів служать досягнення мінімальних відхилень осі обертання для опор обертального руху або відхилень поверхонь оброблюваної деталі і ріжучих кромок інструмента від номінальних положень.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням опор і передач з рідинним режимом тертя, які проведені на спеціально створених стендах і установках із моделями та натурними зразками опорних вузлів у режимах, що відповідають, а в ряді випадків перевищують режими експлуатації верстатів.

Експериментальні дослідження полягали в реєстрації кількісних диференціальних і інтегральних параметрів, що характеризують експлуатаційні показники опор, відповідно до знайдених критеріїв подоби, в аналізі отриманих при цьому результатів і співставленні їх із теоретичними даними, а також у якісній перевірці працездатності натурних зразків опорних вузлів, аналогічних вузлам верстатного устаткування.

На верстаті-стенді проведені експериментальні дослідження циліндричних шпиндельних опор важких верстатів натурних розмірів. Для опорних вузлів з різними конструктивними параметрами вимірювалися експлуатаційні характеристики, причому основна увага приділялася дослідженню жорсткості та деформативності, а також умов виникнення гідродинамічного ефекту.

На стенді для випробувань плоских гідростатичних опор вимірювалися експлуатаційні параметри прямокутних і квадратних опор із різним числом камер підводу мастила, а також досліджувалися можливості керування опорами з різноманітним числом і типом камер.

На стенді для випробувань натурних гідростатичних напрямних, гідростатичних передач і систем їх живлення для важких верстатів вимірювалися експлуатаційні параметри замкнутих гідростатичних напрямних натурних розмірів (каретка 1,61,6м), опор, що входять у їхній склад, у тому числі плаваючих, передач “гідростатичний черв'як - рейка” в умовах переміщення напрямних по ділянці станини довжиною 4м, при різноманітних системах живлення. Проведено також перевірку працездатності замкнутих гідростатичних напрямних важких верстатів, відпрацьовування конструктивних і компоновочних рішень при проектуванні напрямних, передач і систем їх живлення.

На стенді зроблені численні досліди по дослідженню впливу гідродинамічного ефекту на експлуатаційні параметри опорного вузла. Досвіди підтверджують виявлену теоретично закономірність: при зростанні швидкості переміщень опор різноманітних форм до М 0,5 змін товщини шару h і тисків у камерах рj практично не спостерігається. При подальшому зростанні швидкості починається перекошування опори і збільшення товщини шару мастила. Перекіс різко збільшується при швидкостях, що відповідають 0,79 - 0,84, унаслідок гідродинамічного ефекту істотно змінюються експлуатаційні характеристики.

Експериментальні дослідження гідростатичних передач “черв'як - рейка” проводилися в таких напрямках: перевірка функціонування систем живлення, визначення фактичних значень жорсткості і навантажувальної спроможності, товщини шару мастила, перевірка працездатності передач на швидкостях до 25 м/хв.

Експериментальні дослідження підтвердили адекватність створеної загальної математичної моделі робочого процесу реальним явищам, що мають місце в опорних вузлах верстатного устаткування. Співставлення результатів теорії й експерименту показало їхню розбіжність по жорсткості опор в межах 8-19%, по деформаціях - 9-16%, по величині зазору - 6-11%, по навантажувальній спроможності - 4-9%, по витратам мастильного матеріалу - 10-16%.

Результати проведених на стендах випробувань дозволили отримати інформацію, що значно підвищила технічний рівень опорних вузлів при розробці нових важких верстатів і скоротила трудомісткість проектування, складання і наладки верстатів. Для удосконалення конструкцій опорних вузлів, систем їх живлення дуже інформативними є випробування моделей і зразків натурних розмірів, що значно скоротило терміни розробки і доведення конструкції, підвищило працездатність і загальні техніко - економічні показники верстатів.

У п’ятому розділі проведено дослідження циліндричних опор шпинделів, люнетів, циліндричних напрямних верстатів.

Для циліндричних опор із Rвтулки > Rвала розглядається просторове положення вала у втулці з ексцентриситетом і перекосом:

, (27)

де е - ексцентриситет вала в опорі; - радіальний зазор в опорі;

- відносний ексцентриситет , - координата лінії нахилу;

- закон зміни сумарних деформацій опорних поверхонь.

, (28)

ев і ег - проекції ексцентриситету е на вертикальну і горизонтальну осі;

ев0 і евL, ег0 і егL- значення проекцій у точках із координатами z=0 і z=L.

Для циліндричних опор із поверхнями, що сполучаються, рівної кривизни, у котрих Rвала=Rвтулки=R:

,(29)

де - кут лінії центрів, що змінюється по довжині підшипника:

. (30)

Основою для визначення експлуатаційних характеристик опорних вузлів є розподіл навантажень у досліджуваній області (рис.2).

Урахування деформацій опорних поверхонь істотно уточнює значення експлуатаційних характеристик, особливо по жорсткості і моменту головного вектора, що характеризує кутову жорсткість опор. Зменшення моменту самоустановки, зокрема, пов'язано з деформацією перемички між камерами. Це призводить, до того, що при вигині і перекосі вала в опорі в наслідок деформацій знижується момент, що вирівнює, і вал не встановлюється в положення, паралельне осі втулки. Величина деформацій збільшується в зоні мінімального зазору, приводячи до більш різкого падіння тиску у вихідної межі опори. Це знижує навантажувальну спроможність і жорсткість опори, збільшує витрату мастильного матеріалу і потужність на його прокачування. Так, для опори, показаної на рис.1, зміна безрозмірних коефіцієнтів, що характеризують основні експлуатаційні характеристики, через урахування деформацій склала: для KW -13,6%; KJ -16,3%; KM -32,2%; KQГ0 +8,1%; KNпр+5,9%.

Нелінійність епюри, особливо істотне падіння тисків на перемичках між камерами підводу мастильного матеріалу, говорить про неприпустимість випрямлення епюр тиску з постійним максимальним значенням на ділянці камер і перемичок між ними. Найбільше значний вплив на експлуатаційні параметри чинять зони, що знаходяться біля межі опори, як-от співвідношення результуючих максимальної і мінімальної величин зазору, як у повздовжньому, так і в поперечному напрямках. Викривлення форми зазору від деформацій на внутрішніх ділянках опори чинить менш значний вплив. Вплив взаємних перекосів поверхонь, що сполучаються, на працездатність гідростатичних опор несприятливий, тому в конструкцію опорних вузлів варто закладати багатокамерні рішення з забезпеченням рухливості опор щодо базових деталей для їхньої самоустановки стосовно поверхні, що сполучається. Деформації чинять шкідливий вплив на всі експлуатаційні характеристики, тому необхідно вживати заходів для їхньої мінімізації.

Проведено численні параметричні дослідження залежностей експлуатаційних характеристик від конструктивних параметрів опор різних форм, при цьому особлива увага приділялася жорсткості. Результати систематизовані. На рис.3, як приклад, приведені показники жорсткості. Рекомендовані співвідношення конструктивних параметрів опор і систем їх живлення для верстатних вузлів тертя різних форм і типів, що забезпечують високу точність переміщень, жорсткість, безумовно рідинний режим тертя.

Отримані результати теоретичного аналізу, задовільне узгодження даних теорії й експериментальних досліджень дозволили впровадити опори рідинного тертя, розраховані і спроектовані по запропонованій методиці в ряді різноманітних верстатів. Наведені результати промислових випробувань опор рідинного тертя шпинделів, люнетів, циліндричних напрямних верстатів.

Досвід експлуатації важких токарних верстатів із гідростатичними шпиндельними опорами, випущених ВАТ КЗВВ, дозволяє підтвердити, що застосування цього прогресивного виду опор забезпечує підвищення точності і надійності верстатного устаткування, причому це справедливо як при проектуванні нових верстатів, так і при модернізації в терміни капітальних ремонтів, причому витрати на заміну шпиндельних опор кочення на гідростатичні підшипники - незначні.

Проведено аналіз причин виникнення відхилень форми деталей при обробці на токарних верстатах. Для визначення впливу конструкції підшипникових вузлів важких токарних верстатів на форму поперечного перетину деталі мінімальний і стабільний розмір похибок форми поперечного перетину показує метод обробки - точіння широкими твердосплавними різцями з наступним однократним накочуванням роликом, при цьому некруглість форми, що утвориться, не залежить від жорсткості супорта і числа проходів. Ця властивість дозволяє використовувати процес точіння твердосплавними різцями в якості методу дослідження впливу підшипникових вузлів на некруглість форми. Проведено дослідження впливу жорсткості супорта (як найменш жорсткого вузла верстата) на важкому токарному верстаті при обробці точінням, шліфуванням і накочуванням на різних режимах. Жорсткість супорта змінювалася шляхом підтягуванням клинів.

Виявлено особливості, що мають місце при роботі гідростатичних шпиндельних вузлів важких токарних верстатів, пов'язані з великими робочими навантаженнями, відносно малою частотою обертання, досить великими зазорами в підшипниках і вимогами забезпечення високої точності, що необхідно враховувати при їхньому проектуванні.

Некруглість зразків, оброблених на верстаті зі шпиндельною групою на гідростатичних опорах нижче, ніж на тому ж верстаті зі шпиндельною групою навіть на прецизійних підшипниках кочення. На верстатах, оснащених гідростатичними шпиндельними опорами, можна проводити чорнову і чистову обробку без утрати точності.

Жорсткість самого шпинделя в декілька разів нижче жорсткості гідростатичних підшипників. Підвищення точності шпиндельних вузлів потребує збільшення діаметральних розмірів шпинделя, а, отже, і підшипників. Для усунення цього недоліку рекомендується конструкція трьохопорної шпиндельної групи, де в якості додаткової опори використана гідростатична опора планшайби, що дозволяє зменшити вигин шпинделя.

Модернізації був підданий плоскошлифувальний верстат особливо високої точності мод. 3А741АФ1. Внаслідок тривалої експлуатації верстат втратив точностні характеристики. Випробування верстата після модернізації показали, що радіальне биття шпинделя складає менше 1 мкм, що перевищує початкову паспортну точність верстата.

Застосування гідростатичних опор у шпиндельних вузлах нових і модернізованих верстатів підвищило точність, якість обробки, навантажувальну спроможність і дозволило збільшити в 2-3 разу міжремонтні терміни, а також робити як чорнові, так і чистові операції на тих самих верстатах без утрати точності устаткування.

Для опор із частковим кутом охоплення люнетів токарних і шліфувальних верстатів і додаткових опор планшайб важких токарних верстатів найбільш раціональним варіантом є опора з Rвала Rвтулки, що мінімізує прояви гідродинамічного ефекту в шарі мастильного матеріалу, який прагне змінити положення центру вала в залежності від швидкості обертання.

Розроблено гідростатичні люнети важких токарних верстатів для обробки деталі масою 200...250 тонн на максимальних частотах обертання при високій точності (некруглість 0,01 мм) і надійності роботи. Люнети дозволяють забезпечити точну і стабільну вистановку осі виробу на вісь верстата при мінімальній потужності приводу підйому, що значно скорочує допоміжний час вистановки і вивірки виробу. Можливість