Покращення характеристик шпиндельного вузла за рахунок оптимізації конструктивних параметрів пневматичної опори

Abstract

Дисертація присвячена покращенню характеристик шпиндельного вузла за рахунок оптимізації конструктивних параметрів пневматичної опори. Проведено аналіз стану теоретичних та експериментальних досліджень газових опор шпинделів. Встановлено, що шпинделі на конічних газових опорах є більш перспективними порівняно з радіальними, тому поставлено задачі щодо покращення їх характеристик. Досліджено параметри газового мастильного шару в конічних опорах шпинделів та виведено рівняння тиску газу в зазорах газової конічної опори з нанесеними на опорну шийку шпинделя канавками різного профілю. Визначено оптимальні геометричні параметри профілю глухих поздовжніх канавок, нанесених на робочі поверхні шийок шпинделя. Розроблено математичну модель розподілення тиску газу в робочих зонах конічної газової опори, поверхня вала якої профільована поздовжніми канавками змінної глибини. Проведено дослідження за допомогою числових методів із використанням сучасного програмного забезпечення. За умовами стійкості руху вала на газовій конічній опорі з канавками змінної глибини проведено розрахунок статичних характеристик шпинделя. Запропонована розрахункова модель шпинделя на одній газовій конічній опорі та проведена оптимізація параметрів глухих поздовжніх канавок змінної глибини. Теоретично та експериментально визначено жорсткість та навантажувальну здатність шпинделя на конічних газових опорах з оптимальними канавками змінної глибини. Розроблено інженерну методику розрахунку шпинделів на конічних газових опорах з оптимізованими конструктивними параметрами поздовжніх канавок. На основі отриманих результатів експериментальних та теоретичних досліджень розроблено науково обґрунтовану інженерну методику проектного розрахунку основних силових, енергетичних та конструктивних параметрів конічної газової опори шпинделя та розроблено практичні рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів шпинделів. Диссертация посвящена улучшению характеристик шпиндельного узла за счет оптимизации геометрических параметров пневматической опоры. В результате анализа основных видов опор шпинделей установлено, что газовые опоры имеют ряд преимуществ перед другими опорами качения, скольжения и других типов. Обосновано, что среди существующих типов газовых опор, которые используются в шпинделях высокоскоростных станков, наиболее эффективными для противостояния как радиальным, так и осевым нагрузкам есть конические газовые опоры. Исследованы параметры газового слоя в конических опорах и выведено уравнение давления газа в зазорах газовой конической опоры с нанесенными на опорную шейку шпинделя канавками разного профиля. Определена оптимальная геометрическая форма глухих продольных канавок нанесенных на рабочие поверхности шеек шпинделя. Разработана математическая модель конической газовой опори в виде уравнения распределения давления газа в рабочей зоне шпинделя. Проведены исследования математической модели численными методами с использованием современного программного обеспечения. Согласно условий статической стойкости вала на газовой конической опоре проведен расчет статических характеристик шпинделя. Предложена расчетная модель шпинделя на одной газовой конической опоре и проведена оптимизация параметров глухих продольных канавок переменной глубины. Показано, что использование шпинделя на двух конических газовых опорах с канавками переменной глубины на валах позволяет увеличить восстанавливающий момент и радиальную жесткость на 18-24% по сравнению с опорами с канавками постоянной глубины. Теоретически и экспериментально определены основные параметры работы шпинделя, а также экспериментально подтверждена адекватность разработанной в работе математической модели конической газовой опоры. Разработана инженерная методика расчета шпинделей на конической газовой опоре с оптимальными геометрическими параметрами. На основании полученных результатов экспериментальных и теоретических исследований разработана научно обоснованная методика проектного расчета основных силовых и конструктивных параметров шпинделя с оптимальными геометрическими параметрами пневматической опоры; предложенная методика внедрена на ПрАО «Калиновский машзавод» (г. Калиновка Винницкой области) и в других, выполненных автором, научно-исследовательских работах. Dissertation is devoted to the improvement of the characteristics of the spindle unit by optimizing the geometrical parameters of gas bearing. The analysis of the main types of supports spindles found that gas bearings have several advantages over the other supports rolling, sliding, and other types. It is proved that among the existing types of gas bearings that are used in high-speed machine tool spindle units, the most effective to resist both radial and axial loads have tapered bearing gas. The parameters of a gas layer in the conical supports and derived an equation of gas pressure in the gas gaps conical bearings coated with a neck bearing spindle grooves of different profiles. The optimal geometric shape of the longitudinal grooves applied to the working surfaces of the necks of the spindle. A mathematical model of the conical gas bearing in the form of the equation of pressure distribution of gas in the operating area of the spindle. The research of mathematical model numerically using modern software. According to the terms of the static stability of the shaft on the gas conical support calculated static characteristics of the spindle. A computational model of the spindle at a gas conical support and the optimization of the parameters of the longitudinal grooves of varying depth. It is shown that the use of two tapered spindle on gas struts with variable depth grooves on the shafts can increase the righting moment, and radial stiffness by 18-24% compared with the supports with grooves of constant depth.Theoretically and experimentally the basic parameters of the spindle assembly, and experimentally confirmed the adequacy of the developed mathematical model of the conical gas strutDeveloped engineering method of calculation and design of spindles on the conical gas bearing with optimal geometric parameters. Based on the results of experimental and theoretical studies to develop scientifically-based methods of calculating the basic design of power and design parameters of the spindle unit with the optimal geometric parameters of air support and the proposed method is implemented on "Kalynowskyi Machine-Building Plant" (Kalinovka Vinnytsia region) and others performed by the author research projects.