UA51835C2

UA51835C2 - Gas support

Info

Publication number: UA51835C2
Application number: UA2000095252A
Authority: UA
Inventors: Олександр Олексійович Чмут; Александр Алексеевич Чмут; Віталій Володимирович Власюк
Original assignee: Олександр Олексійович Чмут; Александр Алексеевич Чмут; Віталій Володимирович Власюк
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-12-16

Abstract

A gas support can be used in machine-building, in particular in spindle nodes of machine tools. Gas support has drive shaft, mounted in the housing on two radial-support bearings, formed by conical surfaces of the shaft and conical surfaces of the bushings, surrounding the shaft and separated from each other by gas gap. One of the bushings is installed in the housing rigidly, and the other one – with possibility of axial displacement by means of the displacement unit, this acts on the end surface of the bushing, and the system of compressed air supply. Peculiarity of the support is in the fact that the other bushing is installed in the housing through control ring, and on the conical surfaces of the shaft closed long segment channels of changing depth are made, with increase of depth in direction of the ends of the bearings. Displacement unit is arranged as a set of springs with different rigidity. Keeping to constant thickness of gas layer of the radial-support bearings is achieved; this leads to increase of bearing ability of the support and increase of reliability of its work.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до машинобудування і може бути використаний в шпіндельних вузлах металоріжучих 2 верстатів, наприклад в електрошпінделях внутрішньошліфувальних верстатів для підшипникової промисловості.The invention relates to mechanical engineering and can be used in spindle assemblies of metal-cutting 2 machines, for example in electric spindles of internal grinding machines for the bearing industry.

Відомий гідростатичний підшипник (патент Великобританії Мо1462048, МКВ 2 Е16С 32/06,1977), який містить вал, змонтований в корпусі на двох підшипникових вузлах, утворених конічними частинами вала і конічними внутрішніми поверхнями втулок, що охоплюють цей вал, розділених між собою гідростатичним зазором. На внутрішніх поверхнях втулок виконані поздовжні канавки, з'єднані отворами з окружними проточками, які 70 розміщені на зовнішніх циліндричних поверхнях цих втулок. Причому, глибина окружних проточок в периферійній частині більша. Втулки з внутрішньою поверхнею корпуса, що охоплює їх, утворюють обмежники потока змащувальної рідини, яка подається під тиском в зазначені окружні проточки для роз'єднання конічних поверхонь вала і втулок.A known hydrostatic bearing (British patent Mo1462048, MKV 2 E16С 32/06, 1977), which contains a shaft mounted in a housing on two bearing assemblies formed by the conical parts of the shaft and the conical inner surfaces of the bushings covering this shaft, separated from each other by a hydrostatic gap . On the inner surfaces of the bushings, longitudinal grooves are made, connected by holes with circumferential grooves, which are placed on the outer cylindrical surfaces of these bushings. Moreover, the depth of the circumferential grooves in the peripheral part is greater. The bushings with the inner surface of the housing covering them form flow restrictors of the lubricating fluid, which is supplied under pressure to the specified circumferential grooves for disconnection of the conical surfaces of the shaft and bushings.

Недоліком відомого рішення гідростатичного підшипника є те, що в його конструкції відсутні регулювальні 72 елементи, які забезпечують формування гідростатичного зазору в процесі збирання і дотримування його постійної величини при роботі. Крім того, жорстка фіксація втулок на корпусі може привести до втрати роботоздатності, внаслідок заклинювання вала із-за його теплового розширення і виникнення значної різниці температур між валом і, охоплюючими його через гідростатичний зазор, втулками.The disadvantage of the known solution of the hydrostatic bearing is that its design lacks adjusting elements 72, which ensure the formation of the hydrostatic gap during assembly and maintaining its constant value during operation. In addition, the rigid fixation of the bushings on the body can lead to a loss of performance, due to jamming of the shaft due to its thermal expansion and the occurrence of a significant temperature difference between the shaft and the bushings covering it due to the hydrostatic gap.

Відомий повітряний підшипник (заявка Японії Мо2 - 39644, МКВ 5 Е 16 С 32/06, 1990), який містить привідний вал, конусоподібні кінці якого установлені в конічні отвори втулок з утворенням зазорів, в які подається стиснуте повітря. Причому, тілесний кут конічного отвору втулки дорівнює тілесному куту конусоподібного кінця вала, установленого в цей отвір. Повітряний підшипник оснащений механізмом, який дозволяє переміщати одну із втулок паралельно осі вала і датчиком, що визначає величину зазора.A known air bearing (Japanese application Mo2 - 39644, MKV 5 E 16 C 32/06, 1990), which contains a drive shaft, the cone-shaped ends of which are installed in the conical holes of the bushings with the formation of gaps into which compressed air is supplied. Moreover, the body angle of the conical hole of the sleeve is equal to the body angle of the cone-shaped end of the shaft installed in this hole. The air bearing is equipped with a mechanism that allows you to move one of the bushings parallel to the axis of the shaft and a sensor that determines the size of the gap.

До недоліків даного рішення відноситься складність технічних засобів, які забезпечують формування с розрахункових зазорів і погіршені умови розподілення мастила, обумовлені формою поверхонь, які формують ці (3 зазори.The disadvantages of this solution include the complexity of the technical means that ensure the formation of calculated gaps and the worsened conditions for the distribution of lubricant due to the shape of the surfaces that form these (3 gaps.

Найбільш близькою до заявленого винаходу по технічній суті і результату, що досягається, є саморегулююча гідростатична опора (патент США Мо4919547, МКВ 5 Е 16С 32/06, 1990), яка містить привідний вал, змонтований в корпусі на двох радіально - упорних підшипниках, утворених конічними поверхнями вала і конічними о поверхнями втулок, що охоплюють цей вал, розділених між собою зазором, і систему подачі мастила в зазори. соThe self-adjusting hydrostatic support (US patent Mo4919547, MKV 5 E 16C 32/06, 1990) is the closest to the claimed invention in terms of technical essence and the result achieved, which contains a drive shaft mounted in the housing on two radial thrust bearings formed conical surfaces of the shaft and conical surfaces of the bushings covering this shaft, separated from each other by a gap, and a lubrication supply system in the gaps. co

Втулки базуються на корпусі за допомогою ущільнювачів з низьким коефіцієнтом тертя. Одна із втулок закріплена на корпусі жорстко, а друга установлена з можливостю переміщення вздовж осі корпусу за со допомогою пристрою зміщення, виконаного у вигляді пружини, яка діє на торцеву поверхню цієї втулки. «--The bushings are based on the housing with low friction seals. One of the bushings is fixed on the body rigidly, and the second is installed with the possibility of movement along the axis of the body with the help of a displacement device made in the form of a spring that acts on the end surface of this bushing. "--

Зазначена втулка переміщається вздовж осі корпусу під дією осьової віджимаючої сили, яка виникає при збільшенні тиску в зазорі. Автоматичне саморегулювання величини зазорів здійснюється протидією осьової о відживаючої сили і сили віджимання пружини.The specified sleeve moves along the axis of the housing under the action of the axial pressing force, which occurs when the pressure in the gap increases. Automatic self-adjustment of the clearances is carried out by counteracting the axial force and the force of the spring.

Як мастило може використовуватись рідина або газ.A liquid or gas can be used as a lubricant.

Недоліком описаної саморегулюючої опори є надзвичайна складність забезпечення розрахункової величини « зазорів підшипників в процесі збирання. Відсутність регулювання при забезпеченні розрахункової величини З 50 зазорів підшипників в процесі збирання, викривлює розрахункову модель пристрою, а погрішності форми, які с мають місце при виготовленні деталей, ще більше підсилюють зазначене викривлення. Система подачі мастила з» в зазори не забезпечує оптимальні умови розподілення тиску мастила зазорах.The disadvantage of the described self-adjusting support is the extreme difficulty of ensuring the calculated value of the bearing clearances during the assembly process. The lack of regulation when ensuring the estimated value of 50 bearing clearances during the assembly process distorts the calculated model of the device, and the form errors that occur during the manufacture of parts further increase the specified distortion. The lubricant supply system from" to the gaps does not provide optimal conditions for the distribution of lubricant pressure in the gaps.

Всі ці недоліки при формуванні змащувального шару приводять до пониження несучої спроможності опори і пониження її роботоздатності. Недоліком також є осьове підтискування одного із підшипників єдиною центральною пружиною, оскільки таке рішення не забезпечує надійної співвісності і значно збільшує габарити і-й опори. - Ці недоліки не дозволяють отримати технічний результат, який досягається при використанні запропонованого винаходу. со В основу винаходу поставлено завдання удосконалити газову опору, в якій за рахунок зміни конструкціїAll these shortcomings during the formation of the lubricating layer lead to a decrease in the bearing capacity of the support and a decrease in its efficiency. The disadvantage is also the axial compression of one of the bearings by a single central spring, since such a solution does not ensure reliable alignment and significantly increases the dimensions of the support. - These shortcomings do not allow to obtain the technical result that is achieved when using the proposed invention. Co. The basis of the invention is the task of improving the gas resistance, in which due to a change in design

Ге) 20 забезпечується дотримування постійної товщини газового шару, що приводить до збільшення несучої спроможності опори і підвищення надійності її роботи. сл Поставлене завдання вирішується тим, що в газовій опорі, яка містить привідний вал, змонтований в корпусі на двох радіально - упорних підшипниках, утворених конічними поверхнями вала і конічними поверхнями втулок, що охоплюють цей вал, розділених між собою газовим зазором, причому одна із втулок установлена в корпусі 25 жорстко, а друга - з можливостю осьового переміщення за допомогою пристрою зміщення, що діє на торцевуGe) 20 ensures that the constant thickness of the gas layer is maintained, which leads to an increase in the bearing capacity of the support and an increase in the reliability of its operation. sl The task is solved by the fact that in the gas support, which contains the drive shaft, mounted in the housing on two radial thrust bearings formed by the conical surfaces of the shaft and the conical surfaces of the bushings covering this shaft, separated from each other by a gas gap, and one of the bushings installed in the body 25 rigidly, and the second - with the possibility of axial movement using a displacement device acting on the end

ГФ) поверхню цієї втулки, а також систему подачі мастила, згідно запропонованому рішенню, друга втулка установлена в корпусі через регулювальне кільце, а на конічних поверхнях вала виконані глухі поздовжні о сегментні канавки перемінної глибини, яка збільшується в напрямку торців підшипників. При цьому пристрій зміщення виконаний у вигляді групи пружин з різною жорсткістю. 60 Сукупність всіх суттєвих ознак запропонованого рішення дозволяє скомпенсувати теплове розширення вала і пружнорадіальні деформації, які виникають на високих частотах обертання вала без зміни розрахункової товщини газового шару в радіально - упорних підшипниках.GF) the surface of this bushing, as well as the lubrication supply system, according to the proposed solution, the second bushing is installed in the housing through the adjusting ring, and on the conical surfaces of the shaft, blind longitudinal o segmental grooves of variable depth are made, which increases in the direction of the ends of the bearings. At the same time, the displacement device is made in the form of a group of springs with different stiffness. 60 The combination of all the essential features of the proposed solution allows compensating for thermal expansion of the shaft and elastic radial deformations that occur at high shaft rotation frequencies without changing the calculated thickness of the gas layer in radial thrust bearings.

Наявність регулювального кільця дозволяє з достатньою технологічною точністю і простотою зібрати радіально - упорні підшипники і забезпечити при цьому розрахунковий газовий зазор, за рахунок якого бо компенсуються технологічні погрішності форми виготовлення.The presence of the adjusting ring allows you to assemble radial thrust bearings with sufficient technological accuracy and simplicity and at the same time provide the calculated gas gap, due to which the technological errors of the manufacturing form are compensated.

Наявність на конічних поверхнях вала глухих поздовжніх сегментних канавок перемінної глибини, яка збільшується в напрямку торців підшипників, приводить до поліпшення розподілення мастила в газових зазорах і збільшення тиску, внаслідок чого підвищується несуча спроможність опори і сталість обертання вала на високих частотах.The presence on the conical surfaces of the shaft of blind longitudinal segmental grooves of variable depth, which increases in the direction of the ends of the bearings, leads to an improvement in the distribution of lubricant in the gas gaps and an increase in pressure, as a result of which the bearing capacity of the support and stability of rotation of the shaft at high frequencies are increased.

Пристрій зміщення забезпечує дотримування постійної величини газових зазорів в автоматичному режимі за рахунок протидії осьової віджимаючої сили і сили віджимання пружин, а виконання пристрою зміщення у вигляді групи пружин зрізною жорсткістю, запобігає виникненню вібрацій і гасить різні відхилення положення осі вала, які виникають при його обертанні на високих частотах.. 70 Все це в результаті приводить до збільшення несучої спроможності газової опори і підвищення надійності її роботи.The displacement device ensures compliance with the constant value of the gas gaps in automatic mode due to the opposition of the axial pressing force and the pressing force of the springs, and the execution of the displacement device in the form of a group of springs with shear stiffness prevents the occurrence of vibrations and extinguishes various deviations in the position of the shaft axis that occur during its rotation on high frequencies.. 70 All this ultimately leads to an increase in the bearing capacity of the gas support and an increase in the reliability of its operation.

Суть винаходу пояснюється на прикладі газової опори шпінделя. На фіг.1 показаний загальний вигляд газової опори шпінделя в розрізі; на фіг.2 - переріз Б-Б на фіг.1; на фіг.З - вид А на фіг.1.The essence of the invention is explained on the example of a gas spindle support. Fig. 1 shows a general view of the gas support of the spindle in section; in Fig. 2 - section B-B in Fig. 1; in Fig. 3 - view A in Fig. 1.

Газова опора шпінделя містить привідний вал 1, змонтований в корпусі 2 на двох радіально - упорних /5 підшипниках. Передній підшипник утворений конічною поверхнею вала 1 і конічною поверхнею втулки 3, жорстко закріпленої в корпусі болтами 4. Задній радіально - упорний підшипник утворений конічною поверхнею вала 1 і конічною поверхнею втулки 5, установленої в корпусі з можливістю осьового переміщення. Зовнішня торцева поверхня втулки 5 прилягає до ряду пружин 6,7, а її внутрішня торцева поверхня опирається на корпус 2 через регулювальне кільце 8. Пружини 6,7 закріплені на корпусі за допомогою болтів 9 і контровочних елементів 10.The gas support of the spindle contains the drive shaft 1, mounted in the housing 2 on two radial thrust /5 bearings. The front bearing is formed by the conical surface of the shaft 1 and the conical surface of the bushing 3, rigidly fixed in the housing with bolts 4. The rear radial thrust bearing is formed by the conical surface of the shaft 1 and the conical surface of the bushing 5 installed in the housing with the possibility of axial movement. The outer end surface of the bushing 5 adjoins a row of springs 6,7, and its inner end surface rests on the body 2 through the adjusting ring 8. The springs 6,7 are fixed to the body with the help of bolts 9 and counter parts 10.

На конічних поверхнях вала 1 виконані глухі поздовжні сегментні канавки 11, розміщені рівномірно по колу. На внутрішній конічній поверхні втулки З виконана кільцева проточка 12, з'єднана з каналом підводу стиснутого газу штуцером 13. На внутрішній конічній поверхні втулки 5 виконана кільцева проточка 14, з'єднана з каналом підводу стиснутого газу штуцером 15. Газовий зазор радіально - упорних підшипників сполучається з зовнішнім середовищем з боку зовнішніх торців втулок З і 5, а з боку внутрішніх торців - Через порожнини 16,17 і канали сч ов 18,19. В передній частині вала закріплена оправка 20, яка несе технологічний інструмент. 21.On the conical surfaces of the shaft 1, blind longitudinal segmental grooves 11 are made, placed evenly around the circle. An annular groove 12 is made on the inner conical surface of the sleeve C, connected to the compressed gas supply channel by a fitting 13. An annular groove 14 is made on the inner conical surface of the sleeve 5, connected to the compressed gas supply channel by a fitting 15. The gas gap of radial thrust bearings communicates with the external environment from the side of the outer ends of bushings 3 and 5, and from the side of the inner ends - through cavities 16, 17 and channels 18, 19. A mandrel 20, which carries a technological tool, is fixed in the front part of the shaft. 21.

Газова опора шпінделя працює таким чином. і)The spindle gas support works like this. and)

Стиснуте повітрю від штуцерів 13,15 по каналах надходить в кільцеві проточки 12 і 14. Попадаючи в центральну частину радіально-упорних підшипників, стиснуте повітря під тиском розповсюджується до торців підшипників, рухаючись переважно по глухих поздовжніх сегментних канавках 11. Зазначені канавки мк зо забезпечують максимальні несучі спроможності об'ємів підшипників з одного боку, а з другого боку - значне спрощення подачі газового мастила порівняно з відомими рішеннями. і,The compressed air from the fittings 13, 15 enters the annular grooves 12 and 14 through the channels. Having entered the central part of the radial thrust bearings, the compressed air under pressure spreads to the ends of the bearings, moving mainly along the blind longitudinal segmental grooves 11. The indicated grooves provide maximum bearing capacity of the bearing volumes on the one hand, and on the other hand - a significant simplification of the supply of gas lubricant compared to known solutions. and,

Стиснуте повітря, проходячи через зазор, частково виходить безпосередньо в оточуючий простір, ачастково оду попадає в порожнини 16, 17 і потім виходить в оточуючий простір по каналах 18,19 відповідно.Compressed air, passing through the gap, partially exits directly into the surrounding space, partially enters the cavities 16, 17 and then exits into the surrounding space through channels 18, 19, respectively.

По мірі обертання вала 1 виникають температурні деформації, як від роботи електродвигуна, так і від -- з5 роботи технологічного інструменту. В результаті температурних деформацій зменшуються величини ю розрахункових несучих газових шарів підшипників. Компенсацію цього явища забезпечують з одного боку жорстко посаджена на корпус 2 втулка 3, а з другого боку - рухома відносно корпусу втулка 5, яка опирається на корпус через регулювальне кільце 8.As the shaft 1 rotates, temperature deformations occur, both from the operation of the electric motor and from the operation of the technological tool. As a result of temperature deformations, the values of the calculated bearing gas layers of the bearings decrease. Compensation of this phenomenon is ensured on the one hand by the bushing 3, which is rigidly seated on the body 2, and on the other hand by the bushing 5, which is movable relative to the body, and rests on the body through the adjusting ring 8.

Зменшення величини газового зазора приводить до виникнення значних осьових сил розсування « підшипників. Під дією розпираючих сил втулка 5 переміщається в осьовому напрямку і відновлює розрахункові з с газові зазори, переборюючи при цьому опір, який виникає від дії групи пружин 6,7. Вирівнювання цих сил дозволяє в автоматичному режимі компенсувати температурні деформації вала зі збереженням постійної ;» товщини несучого газового шару.A decrease in the size of the gas gap leads to the emergence of significant axial displacement forces of the bearings. Under the action of expanding forces, the bushing 5 moves in the axial direction and restores the gas gaps calculated with c, while overcoming the resistance arising from the action of the group of springs 6,7. The equalization of these forces allows in automatic mode to compensate for thermal deformations of the shaft while maintaining a constant;" thickness of the carrier gas layer.

Крім того, різні відхилення положення осі вала, які виникають при обертанні вала на високих частотах, ефективно гасяться за допомогою групи пружин 6,7, що мають різну жорсткість. с Особливо необхідно відмітити функціональність регулювального кільця 8, яке при збиранні газової опори шпінделя забезпечує необхідний елемент підгонки для формування розрахункових газових зазорів. Дійсно, в - процесі збирання величина газових зазорів між валом і втулками 3,5 забезпечується осьовим положеннямIn addition, various deviations in the position of the shaft axis, which occur when the shaft rotates at high frequencies, are effectively damped by means of a group of springs 6,7, which have different stiffness. c It is especially necessary to note the functionality of the adjusting ring 8, which, when assembling the gas support of the spindle, provides the necessary adjustment element for the formation of calculated gas gaps. Indeed, in the assembly process, the value of the gas gaps between the shaft and the bushings of 3.5 is ensured by the axial position

Го! втулки 5 відносно нерухомого корпусу 2. При необхідності, за допомогою технологічної операції - "плоскої 5р шліфовки", можна легко добитися виходу на розрахункові газові зазори. Враховуючи погрішності виготовлення, о які присутні навіть при прецизійному виготовленні і відчутні на величинах 10...20мкм, що відповідає величині с застосовуваних газових зазорів, дуже важливим є компенсація цих погрішностей завдяки наявності регулювального кільця 8 і можливості контролювання несучої спроможності газової опори шпінделя.Go! bushings 5 relative to the fixed body 2. If necessary, with the help of a technological operation - "flat 5r grinding", it is possible to easily reach the estimated gas gaps. Taking into account manufacturing errors, which are present even during precision manufacturing and are noticeable at values of 10...20 μm, which corresponds to the size c of the gas gaps used, it is very important to compensate for these errors due to the presence of the adjusting ring 8 and the ability to control the bearing capacity of the gas support of the spindle.

Claims

The formula of the invention Ф) GI 1. A gas support, which contains a drive shaft mounted in the housing on two radial thrust bearings formed by the conical surfaces of the shaft and the conical surfaces of the bushings covering this shaft,

separated from each other by a gas gap, and one of the bushings is fixed in the body rigidly, and the other can be axially moved with the help of a displacement device acting on the end surface of this bushing, as well as a system for supplying compressed gas to the gaps, which is distinguished by the fact that the second sleeve is installed in the housing through the adjusting ring, and on the conical surfaces of the shaft, blind longitudinal segmental grooves of variable depth are made, which increases in the direction of the bearing ends.

65 2. Gas support according to claim 1, which differs in that the displacement device is made in the form of a group of springs with different stiffness.

Official bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated microcircuits", 2002, M 12, 15.12.2002. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine.

with

(8) IS) so s "- IS c) shi s ;"

1 - (ee) at 50 sl

F) name) 60 b5