RU2654453C1

RU2654453C1 - Hydrostatic bearing

Info

Publication number: RU2654453C1
Application number: RU2017123410A
Authority: RU
Inventors: Станислав Николаевич Шатохин; Антон Олегович Головин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" (АО "НПП "Радиосвязь")
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2018-05-17

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to the field of machine building and can be used in the precision and heavy metal cutting machines, as well as in the high-speed machining and micro-processing machines spindle units. Hydrostatic bearing comprises a base bushing (1) fixedly fixed in the spindle unit housing, a support bushing (2) pressed into a base bushing (1) having an annular cavity (6) on the outer surface, limited on both sides by annular projections forming throttling slotted gaps (7) with the spindle unit body and extending into the sectoral grooves (8) and then emerging into support bushing (2) the bearing pockets (4). Support bushing (2) is made of antifriction material, and its bearing pockets (4), which are made in the form of through rectangular cuts, are arranged in two circular rows and are circumferentially limited by annular and axial throttling bridges of equal length, forming throttling slotted gaps (5) with the spindle (3). Base bushing (1) sectoral grooves (8) are arranged in two circular rows opposite to the bearing pockets (4), and in the angular coordinate have the same length as the bearing pockets (4) and are connected to the bearing pockets (4) by radial channels (9) made in the form of the circumferentially arranged throttling openings.

EFFECT: increasing the rotation accuracy and decreasing the spindle runout amplitude, increasing the hydrostatic bearing stability, as well as increasing its manufacturability and reliability by eliminating the movable and elastic elements.

3 cl, 4 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в шпиндельных узлах прецизионных и тяжелых металлорежущих станков, а также станков для высокоскоростной обработки и микрообработки. Применение гидростатических шпиндельных подшипников обеспечивает точность вращения, нагрузочную способность, жесткость и виброустойчивость, недостижимые для других типов шпиндельных подшипников.The claimed invention relates to the field of engineering and can be used in spindle assemblies of precision and heavy metal cutting machines, as well as machines for high-speed processing and microprocessing. The use of hydrostatic spindle bearings provides rotation accuracy, load capacity, rigidity and vibration resistance, unattainable for other types of spindle bearings.

Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2200258, кл. F16C 32/06], содержащий вал и охватывающий вал неподвижный корпус. На внутренней поверхности корпуса выполнены углубленные относительно рабочей цилиндрической поверхности несущие карманы, которые через жиклирующие отверстия в корпусе соединены с источником рабочей жидкости. Все карманы разделены между собой и отделены от дренажной полости вне подшипника. Рабочие поверхности корпуса образуют с поверхностью вала рабочий зазор, через который происходит перетекание рабочей жидкости из несущих карманов в дренажную полость. На рабочих цилиндрических поверхностях корпуса выполнены выходные дросселирующие каналы, которые соединяют несущий карман с дренажной полостью через дренажные канавки, выполненные у задней по направлению вращения вала стенки несущего кармана, преимущественно в углах, образованных задней и боковыми стенками несущего кармана, и направлены (наклонены) в сторону вращения вала.Known hydrostatic bearing [RF Patent No. 2200258, class. F16C 32/06] comprising a shaft and a stationary housing enclosing the shaft. On the inner surface of the housing are made recessed bearing pockets relative to the working cylindrical surface, which are connected to the source of working fluid through the nozzle holes in the housing. All pockets are separated and separated from the drainage cavity outside the bearing. The working surfaces of the housing form a working gap with the shaft surface, through which the working fluid flows from the bearing pockets into the drainage cavity. Outlet throttling channels are made on the working cylindrical surfaces of the housing, which connect the bearing pocket to the drainage cavity through drainage grooves made at the rear in the direction of rotation of the shaft of the bearing pocket, mainly in the corners formed by the rear and side walls of the bearing pocket, and directed (inclined) in side of rotation of the shaft.

Недостатком данного решения является пониженная несущая способность и жесткость подшипника, вызванная тем, что выходные дросселирующие каналы, соединяющие несущий карман с дренажной камерой, наклонены в сторону вращения вала, что не обеспечивает нагнетание жидкости в несущие карманы.The disadvantage of this solution is the reduced bearing capacity and stiffness of the bearing, due to the fact that the output throttling channels connecting the bearing pocket to the drainage chamber are inclined in the direction of rotation of the shaft, which does not provide fluid injection into the bearing pockets.

Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2280789 кл. F16C 32/06], содержащий корпус, канал для подвода смазки, вал, установленную в корпусе и охватывающую вал втулку, образующую с его поверхностью зазор, в котором в процессе работы формируется несущий смазочный слой, плавающий кольцевой регулятор, охватывающий втулку и образующий с наружной цилиндрической поверхностью последней управляемый щелевой дроссель, соединенный с несущим смазочным слоем, причем поверхности втулки и корпуса образуют с торцевыми поверхностями плавающего кольцевого регулятора радиальные щелевые дросселирующие зазоры. Во втулке выполнен канал для подвода смазки, соединенные с ним и размещенные на наружной цилиндрической поверхности втулки кольцевые канавки, кольцевые выступы, расположенные по краям наружной цилиндрической поверхности втулки и образующие с сопряженной цилиндрической поверхностью плавающего кольцевого регулятора ступенчатые щелевые дросселирующие зазоры, и радиальные каналы, соединяющие несущий смазочный слой с управляемым щелевым дросселем, расположенным между кольцевыми канавками.Known hydrostatic bearing [RF Patent No. 2280789 class. F16C 32/06], comprising a housing, a channel for supplying lubricant, a shaft installed in the housing and covering the shaft of the sleeve, forming a gap with its surface, in which a bearing lubricating layer is formed during operation, a floating ring regulator covering the sleeve and forming with the outer the cylindrical surface of the latter is controlled by a slit choke connected to a bearing lubricating layer, and the surfaces of the sleeve and housing form radial slit choke gaps with the end surfaces of the floating ring regulator. In the sleeve there is a channel for supplying lubricant, annular grooves connected to it and placed on the outer cylindrical surface of the sleeve, annular protrusions located along the edges of the outer cylindrical surface of the sleeve and forming step slotted throttling gaps with the mating cylindrical surface of the floating ring regulator, and radial channels connecting bearing lubricating layer with a controlled slotted throttle located between the annular grooves.

Недостатком данного решения является наличие подвижных частей в конструкции, а именно плавающего кольцевого регулятора, охватывающего втулку, в связи с чем имеет место низкая технологичность сборки. С другой стороны, из-за отсутствия несущих карманов на внутренней поверхности втулки, нагрузочная способность понижена.The disadvantage of this solution is the presence of moving parts in the structure, namely, a floating ring regulator covering the sleeve, in connection with which there is a low manufacturability. On the other hand, due to the lack of bearing pockets on the inner surface of the sleeve, the load capacity is reduced.

Известен гидростатический подшипник [Патент РФ №2537217, кл. F16C 17/18, F16C 32/06], содержащий корпус, вал и подвижную втулку, установленную в корпусе на эластичной оболочке с вырезами, которые образуют между корпусом и втулкой управляющие камеры, соединенные каналами с несущими карманами, образованными между валом и внутренней поверхностью втулкой, а в каждой управляющей камере образован дросселирующий щелевой зазор, который связан соединительными каналами на входе - с источником нагнетания рабочей жидкости, а на выходе через соединительные каналы - с несущими карманами, при этом как управляющие камеры, так и несущие карманы расположены в два кольцевых ряда с осевым смещением камер относительно карманов. Соединительные каналы, связывающие управляющие камеры с несущими карманами, выполнены слабо дросселирующими и расположены перекрестно, так чтобы каждая камера была соединена с карманом из дальнего кольцевого ряда. Сопряженные поверхности корпуса, вала и втулки выполнены коническими.Known hydrostatic bearing [RF Patent No. 2537217, class. F16C 17/18, F16C 32/06], comprising a housing, a shaft and a movable sleeve mounted in the housing on an elastic shell with cutouts that form control chambers between the housing and the sleeve, connected by channels to bearing pockets formed between the shaft and the inner surface of the sleeve and in each control chamber a throttling gap is formed, which is connected by connecting channels at the inlet to the source of working fluid injection, and at the outlet through connecting channels to bearing pockets, while as control chambers, ak and bearing pockets are arranged in two circular rows with axial offset relative to the cameras pockets. The connecting channels connecting the control chambers to the bearing pockets are made slightly throttling and are located crosswise so that each chamber is connected to a pocket from a distant annular row. The mating surfaces of the housing, shaft and sleeve are made conical.

Недостатком данного решения является низкая технологичность сборки и сложность изготовления входящих в него деталей, обусловленная высокой точностью обработки цилиндрических поверхностей. Применение эластичной оболочки затрудняет обеспечение точного взаимного положения подвижной втулки и вала, необходимого для работы щелевых дросселей, следовательно, не обеспечивает высокую жесткость и точность вращения, поэтому не позволяет применять данный подшипник в шпиндельных узлах для высокоскоростной обработки и микро-обработки.The disadvantage of this solution is the low manufacturability of the assembly and the complexity of manufacturing its constituent parts, due to the high precision machining of cylindrical surfaces. The use of an elastic shell makes it difficult to ensure the exact relative position of the movable sleeve and the shaft necessary for the operation of slotted chokes, therefore, does not provide high rigidity and accuracy of rotation, therefore, it does not allow the use of this bearing in spindle assemblies for high-speed processing and micro-processing.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является гидростатический подшипник [А.с. СССР №397691, кл. F16C 17/16], содержащий корпус с установленной в нем втулкой с несущими карманами и входными дросселями, образованными канавками на наружной поверхности втулки и сопряженной поверхностью корпуса и сообщающимися с несущими карманами соединительными каналами, а также выполненные в корпусе каналы подвода смазки от источника подачи смазки под давлением к входным дросселям. Входные дроссели выполнены в виде кольцевых сообщающихся между собой участков, образующих общий канал, при этом между каждыми двумя смежными участками расположены поочередно каналы подвода смазки и соединительные каналы. Общий канал может быть выполнен кольцевым или спиральным, а также может быть образован совмещенными канавками, одна из которых выполнена на внутренней поверхности корпуса, другая - на наружной поверхности втулки.The closest analogue of the claimed invention is a hydrostatic bearing [A.S. USSR No. 397691, class F16C 17/16], comprising a housing with a sleeve installed therein with bearing pockets and inlet chokes formed by grooves on the outer surface of the sleeve and the mating surface of the housing and connecting channels communicating with the bearing pockets, as well as lubricant supply channels made from the lubricant supply source under pressure to the inlet chokes. The input chokes are made in the form of annular interconnected sections forming a common channel, while between each two adjacent sections there are alternately lubrication supply channels and connecting channels. The common channel can be made circular or spiral, and can also be formed by combined grooves, one of which is made on the inner surface of the housing, the other on the outer surface of the sleeve.

Недостатком данного решения является недостаточные жесткость, нагрузочная характеристика и устойчивость, а также параметрическое биение шпинделя, вызываемое вращающейся радиальной нагрузкой.The disadvantage of this solution is insufficient rigidity, load characteristic and stability, as well as parametric runout of the spindle caused by a rotating radial load.

Технической задачей изобретения является повышение точности вращения и уменьшение амплитуды биения шпинделя, повышение жесткости и устойчивости гидростатического подшипника, а также повышение его технологичности и надежности за счет исключения подвижных и упругих элементов.An object of the invention is to increase the accuracy of rotation and reduce the amplitude of the runout of the spindle, increase the rigidity and stability of a hydrostatic bearing, as well as increase its manufacturability and reliability by eliminating movable and elastic elements.

Для достижения поставленной задачи предлагается гидростатический подшипник, содержащий базовую втулку, неподвижно установленную в корпусе шпиндельного узла, опорную втулку, запрессованную в базовую втулку, имеющую на наружной поверхности кольцевую полость, ограниченную с обеих сторон кольцевыми выступами, образующими с корпусом шпиндельного узла дросселирующие щелевые зазоры, выходящие в секторные канавки и затем выходящие в несущие карманы опорной втулки, которая, согласно изобретению, выполнена из антифрикционного материала, а ее несущие карманы, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем дросселирующие щелевые зазоры, а секторные канавки базовой втулки расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам опорной втулки, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий.To achieve this objective, a hydrostatic bearing is proposed comprising a base sleeve fixedly mounted in the housing of the spindle unit, a support sleeve pressed into the base sleeve having an annular cavity on the outer surface bounded on both sides by annular protrusions forming throttling gap gaps with the spindle unit body, extending into the sector grooves and then extending into the bearing pockets of the support sleeve, which, according to the invention, is made of antifriction material, and the bearing pockets made in the form of through rectangular cutouts are arranged in two circular rows and are peripherally bounded by circular and axial throttling bridges of equal length, forming throttling gap gaps with the spindle, and the sector grooves of the base sleeve are located in two circular rows opposite to the bearing pockets of the supporting sleeve, have the same length as the bearing pockets along the angular coordinate and are connected to the bearing pockets by radial channels made in the form of chokes located around the circumference drilling holes.

От ближайшего аналога предлагаемый гидростатический подшипник отличается тем, что опорная втулка выполнена из антифрикционного материала, а ее несущие карманы, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем дросселирующие щелевые зазоры, а секторные канавки базовой втулки расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам опорной втулки, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий. Секторные канавки базовой втулки и несущие карманы опорной втулки выполнены с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок и несущих карманов относительно другого кругового ряда соответственно.The proposed hydrostatic bearing differs from the closest analogue in that the support sleeve is made of antifriction material, and its bearing pockets, made in the form of through rectangular cutouts, are arranged in two circular rows and circumferentially bounded by circular and axial throttling bridges of equal length, forming throttling with a spindle slotted gaps, and the sector grooves of the base sleeve are located in two circular rows opposite to the bearing pockets of the supporting sleeve, are identical with the bearing pocket length E in the angular coordinate and connected to the bearing pockets radial channels made in the form of circumferentially spaced throttle openings. Sector grooves of the base sleeve and bearing pockets of the support sleeve are made with an angular displacement of one circular row of sector grooves and bearing pockets relative to another circular row, respectively.

Для достижения поставленной задачи также предлагается гидростатический подшипник, имеющий аналогичную конструкцию, однако, в котором сопряженные поверхности базовой втулки, опорной втулки и шпинделя выполнены коническими.To achieve this, a hydrostatic bearing is also proposed, having a similar design, however, in which the mating surfaces of the base sleeve, support sleeve and spindle are tapered.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показан продольный разрез А-А на фиг. 2, 3 гидростатического подшипника. На фиг. 2 показан поперечный разрез Б-Б на фиг. 1. На фиг. 3 показан поперечный разрез В-В на фиг. 1 с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок и несущих карманов относительно другого кругового ряда соответственно. На фиг. 4 показан продольный разрез А-А на фиг. 2, 3 гидростатического подшипника.The invention is illustrated by drawings: in FIG. 1 shows a longitudinal section AA in FIG. 2, 3 hydrostatic bearings. In FIG. 2 shows a cross section BB in FIG. 1. In FIG. 3 shows a cross section BB of FIG. 1 with an angular displacement of one circular row of sectoral grooves and bearing pockets relative to another circular row, respectively. In FIG. 4 shows a longitudinal section AA in FIG. 2, 3 hydrostatic bearings.

Предлагаемый гидростатический подшипник (фиг. 1, 2, 3) является радиальным и имеет базовую втулку 1, неподвижно установленную в корпусе шпиндельного узла (на фиг. 1, 2, 3 не показан), опорную втулку 2, выполненную из антифрикционного материала и запрессованную в базовую втулку 1 шпинделя 3.The proposed hydrostatic bearing (Fig. 1, 2, 3) is radial and has a base sleeve 1, fixedly mounted in the housing of the spindle assembly (not shown in Fig. 1, 2, 3), a support sleeve 2 made of antifriction material and pressed into base sleeve 1 of spindle 3.

Опорная втулка 2 имеет несущие карманы 4, выполненные в виде сквозных прямоугольных вырезов, которые расположены в два круговых ряда и ограничены по периферии круговыми и осевыми дросселирующими перемычками равной длины, образующими со шпинделем 3 дросселирующие щелевые зазоры 5.The supporting sleeve 2 has bearing pockets 4, made in the form of through rectangular cutouts, which are arranged in two circular rows and bounded on the periphery by circular and axial throttling bridges of equal length, forming throttling gap gaps 5 with spindle 3.

Базовая втулка 1 имеет на наружной поверхности кольцевую полость 6, ограниченную с обеих сторон кольцевыми выступами, образующими с корпусом шпиндельного узла дросселирующие щелевые зазоры 7, выходящие в секторные канавки 8, которые расположены в два круговых ряда противоположно несущим карманам 4, имеют одинаковую с несущими карманами длину по угловой координате и соединены с несущими карманами радиальными каналами 9, выполненными в виде расположенных по окружности дросселирующих отверстий.The base sleeve 1 has an annular cavity 6 on the outer surface, bounded on both sides by annular protrusions forming throttling slotted gaps 7 with the spindle assembly housing, extending into sector grooves 8, which are arranged in two circular rows opposite to the bearing pockets 4, have the same as the bearing pockets the length along the angular coordinate and connected to the bearing pockets by radial channels 9, made in the form of throttling holes located around the circumference.

Вращающаяся радиальная нагрузка вызывает параметрическое биение шпинделя 3, так как нагрузочная характеристика радиального гидростатического подшипника при этом периодически изменяется. Поэтому для уменьшения амплитуды биения и повышения устойчивости, секторные канавки 8 базовой втулки 1 и несущие карманы 4 опорной втулки 2 выполнены с угловым смещением одного кругового ряда секторных канавок 8 и несущих карманов 4 относительно другого кругового ряда соответственно.A rotating radial load causes a parametric runout of the spindle 3, since the load characteristic of the radial hydrostatic bearing changes periodically. Therefore, to reduce the amplitude of the runout and increase stability, the sector grooves 8 of the base sleeve 1 and the bearing pockets 4 of the support sleeve 2 are made with an angular offset of one circular row of sector grooves 8 and the bearing pockets 4 relative to another circular row, respectively.

Предлагаемый радиальный гидростатический подшипник работает следующим образом. Рабочая жидкость от гидростанции (на фиг. 1, 2, 3 не показана) нагнетается в кольцевую полость 6 базовой втулки 1 под давлением р_н=const, отсюда через дросселирующие щелевые зазоры 7 поступает в секторные канавки 8 и через радиальные каналы 9 поступает в несущие карманы 4 опорной втулки 2 под давлением, меньшим чем давление нагнетания. Далее через дросселирующие щелевые зазоры 5, образованные между шпинделем 3 и крайними круговыми дросселирующими перемычками несущих карманов 4, рабочая жидкость поступает в дренажные каналы (на фиг. 1, 2 не показаны) и возвращается в гидростанцию.The proposed radial hydrostatic bearing operates as follows. The working fluid from the hydraulic power station (not shown in Figs. 1, 2, 3) is pumped into the annular cavity 6 of the base sleeve 1 at a pressure p _n = const, from here it flows through the throttling slotted gaps 7 into the sector grooves 8 and through the radial channels 9 enters the bearing pockets 4 of the support sleeve 2 under a pressure lower than the discharge pressure. Then, through the throttling slotted gaps 5 formed between the spindle 3 and the extreme circular throttling bridges of the bearing pockets 4, the working fluid enters the drainage channels (not shown in Fig. 1, 2) and returns to the hydraulic power station.

Предлагаемый гидростатический подшипник (фиг. 4) является радиально-осевым и имеет конструкцию аналогичную, показанной на фиг 1, 2, 3, но коническая форма сопряженных поверхностей базовой втулки 1, опорной втулки 2 и шпинделя 3 позволяет ему, помимо радиальной нагрузки, воспринимать дополнительно осевую и угловую нагрузки соответственно.The proposed hydrostatic bearing (Fig. 4) is radially axial and has a design similar to that shown in Figs. 1, 2, 3, but the conical shape of the mating surfaces of the base sleeve 1, the support sleeve 2 and the spindle 3 allows it, in addition to the radial load, to perceive axial and angular loads, respectively.

Предлагаемый радиально-осевой гидростатический подшипник (фиг. 4) работает аналогично радиальному гидростатическому подшипнику, показанному на фиг 1, 2, 3.The proposed radial-axial hydrostatic bearing (Fig. 4) works similarly to the radial hydrostatic bearing shown in Figs. 1, 2, 3.

Claims

1. A hydrostatic bearing comprising a base sleeve fixedly mounted in the housing of the spindle assembly, a support sleeve pressed into the base sleeve having an annular cavity on the outer surface bounded on both sides by annular protrusions forming throttling slotted gaps extending into the sector with the housing of the spindle assembly grooves and then extending into the bearing pockets of the supporting sleeve, characterized in that the supporting sleeve is made of antifriction material, and its bearing pockets made in the form of rectangular cutouts, arranged in two circular rows and circumferentially bounded by circular and axial throttling bridges of equal length, forming throttling gap gaps with the spindle, and the sector grooves of the base sleeve are located in two circular rows opposite to the bearing pockets of the supporting sleeve, have the same length as the bearing pockets along the angular coordinate and connected to the bearing pockets by radial channels made in the form of throttling holes located around the circumference.

2. The hydrostatic bearing according to claim 1, characterized in that the sector grooves of the base sleeve and the bearing pockets of the support sleeve are made with angular displacement of one circular row of sector grooves and bearing pockets relative to another circular row, respectively.

3. The hydrostatic bearing according to claim 1 or 2, characterized in that the mating surfaces of the base sleeve, the support sleeve and the spindle are made conical.