Смазывание деталей и узлов технологического оборудования

Гидростатическая смазка играет ключевую роль в работе современного металлообрабатывающего оборудования, особенно того, которое испытывает значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Принцип её действия основан на формировании стабильной масляной пленки под давлением, которая эффективно разделяет контактирующие поверхности, исключая их непосредственное трение.

Наибольшее распространение гидростатическое смазывание получило в опорах и направляющих, поскольку оно существенно повышает эксплуатационные характеристики узлов. Стабильный слой смазки снижает износ деталей, увеличивает долговечность и надёжность работы оборудования.

Применение гидростатической смазки благоприятно сказывается на жёсткости шпиндельных узлов. Подшипники при этом могут иметь относительно малые радиальные размеры при увеличенном диаметре, что обеспечивает высокую точность и устойчивость шпинделя — критически важно при обработке деталей с требованием минимальных вибраций.

Кроме того, гидростатическое смазывание позволяет реализовывать сложные движения шпинделя, сочетая вращение с поступательным перемещением. Это необходимо для ряда технологических операций, включая микроперемещения и осцилляции, применяемые при сверхточной обработке и шлифовании.

Таким образом, гидростатическая смазка повышает не только долговечность и надёжность узлов, но и расширяет функциональные возможности станков, улучшая точность и производительность.

Основные преимущества гидростатического смазывания:

1. Высокая несущая способность (до 1000 т)

Создаваемый под давлением масляный клин позволяет гидростатическим опорам выдерживать нагрузки, недоступные обычным подшипникам качения и скольжения без внешней подпитки. Это особенно важно для тяжёлых станков с крупными заготовками или инструментами.

2. Низкий коэффициент трения на широком диапазоне скоростей

Коэффициент трения гидростатических подшипников существенно ниже, чем у других типов. Например, при окружной скорости 0,2 м/с он на два порядка меньше, чем у подшипников качения. При нулевой скорости трение почти отсутствует, обеспечивая плавное начало движения. Это критично для операций сверхточной обработки, где стабильность перемещения имеет решающее значение.

3. Высокая демпфирующая способность

Слой масла под давлением эффективно гасит вибрации и ударные нагрузки. Это обеспечивает стабильную работу оборудования даже при резких изменениях нагрузки и обработке твёрдых или неравномерных заготовок, снижая уровень шума и увеличивая ресурс станка.

4. Снижение погрешностей обработки сопряжённых поверхностей

Масляный слой компенсирует мелкие отклонения формы и шероховатость деталей, уменьшая ошибки обработки до 10 раз. Благодаря этому гидростатические опоры применяются в координатно-расточных, шлифовальных и других прецизионных станках

Рис. ZSK.41.1. Схемы гидростатических опор: а — единичная;

б — радиальная при отсутствии внешней нагрузки (I) и с нагрузкой (II);

в — радиальные опоры для восприятия внешних усилий, вызывающих перекос вала

Особенность гидростатических опор заключается в том, что слой масла формируется за счёт принудительной подачи насосом. Поверхности деталей не соприкасаются напрямую, что существенно снижает износ и обеспечивает стабильные условия работы.

Масло подаётся от внешнего источника через отверстие 1 в карман 1к (рис. ZSK.41.1, а). Давление распределяется равномерно по всей площади кармана, глубина которого составляет 1–4 мм. Карман ограничен перемычками 2 (шириной до 6 мм, длиной X₁ и X₂), которые удерживают масло в рабочей зоне.

Истечение масла (стрелки на схеме) происходит, когда подвижный элемент 5 приподнимается над опорной поверхностью на величину h₁. Толщина зазора определяется балансом: объём масла, поступающего в карман, равен объёму, выходящему из него. Давление P₁ в кармане автоматически устанавливается в зависимости от приложенной нагрузки F₁.

При увеличении нагрузки давление возрастает до P₂, а толщина масляного слоя уменьшается до h₂. Насос должен поддерживать давление в карманах для работы опоры в оптимальном режиме. На перемычках давление линейно снижается до атмосферного.

Виды гидростатических опор

В радиальной опоре (рис. ZSK.41.1, б) при отсутствии внешней нагрузки давление Pₓ во всех карманах одинаково. При приложении нагрузки F вал смещается на величину e, перераспределяя давление: в кармане с уменьшенным зазором сопротивление вытеканию масла растёт, а в противоположном — давление падает.

Если нагрузка вызывает перекос вала (рис. ZSK.41.1, в), одной опоры недостаточно. Используются две разнесённые опоры 2 и 3, обеспечивающие устойчивое положение вала и равномерное распределение нагрузки.

Гидростатические опоры могут быть плоскими, цилиндрическими, коническими, винтовыми и др., но на практике чаще применяют плоские и цилиндрические из-за технологических ограничений при изготовлении сложных поверхностей.

Рис. ZSK.41.2. Конструктивные формы гидростатических опор

По направлению воспринимаемых усилий опоры классифицируются на:

• радиальные — воспринимают боковые нагрузки;
• радиально-упорные — сочетают функции радиальных и осевых опор;
• упорные — работают под осевой нагрузкой, например, в круговых направляющих планшайб.

Особое внимание уделяется радиально-упорным опорам с раздельным восприятием нагрузок. Радиальные усилия воспринимаются одними элементами, осевые — другими, что упрощает расчёт и повышает стабильность работы.

Конические опоры используются в компактных высоконагруженных узлах, но чувствительны к тепловым деформациям и смещению вала, что ограничивает точность регулирования.

Опоры могут иметь дренажные канавки или обходиться без них. Канавки уменьшают рабочую площадь, но улучшают отвод тепла, повышая эффективность охлаждения при интенсивных нагрузках.

Для небольшого диапазона нагрузок применяют разомкнутые направляющие (рис. ZSK.41.3) — проще в изготовлении и дешевле. Замкнутые направляющие обеспечивают повышенную жёсткость масляного слоя за счёт предварительной нагрузки и подачи масла под давлением к дополнительной направляющей.

На подвижных элементах (салазках, поз. 3 на рис. ZSK.41.3) формируют несколько карманов с дренажными канавками (поз. 4). Форма направляющих зависит от назначения: ползун — квадратное или прямоугольное сечение, вал/шпиндель — цилиндрическое.

Форма карманов (рис. ZSK.41.3):

I — для компактных узлов;

II — для средних станков с устойчивым распределением давления;

III — замкнутые канавки, обеспечивающие равномерность масла и повышенное демпфирование при вибрациях

Рис. ZSK.41.3. Классификация направляющих прямолинейного перемещения

В передачах со сложной геометрией (червяк-рейка, винт-гайка, рис. ZSK.41.4) вдоль гайки делают несколько карманов 1 для снижения влияния погрешностей и стабилизации работы передачи.

Рис. ZSK.41.4. Осевое сечение передачи винт-гайка

Системы питания и регулирования

Системы питания карманов определяют надёжность гидростатических опор:

• насос–карман (рис. ZSK.41.5, а) — каждый карман получает масло от отдельного насоса;
• с дросселями (рис. ZSK.41.5, б) — один насос через дроссели подаёт масло к карманам;
• с регуляторами (рис. ZSK.41.5, в) — сопротивление изменяется в зависимости от давления в кармане.
•  

Рис. ZSK.41.5. Системы питания типа насос-карман, дроссель-карман и регулятор-карман

Толщина масляного слоя (рис. ZSK.41.6) зависит от выбранной системы. Правильная настройка регуляторов позволяет достичь высокой жёсткости, иногда даже «отрицательной»: при росте нагрузки зазор увеличивается.

Рис. ZSK.41.6. Изменение толщины масляной пленки при различных системах питания

Система питания насос-карман

Отличается высокой жесткостью масляного слоя, надежностью, простотой конструкции и обслуживания, а также хорошей энергетической эффективностью, так как не требует дополнительного дросселирования. Она особенно эффективна в металлорежущих станках, где отношение максимальной нагрузки к минимальной достигает 3…4, а также при значительных опрокидывающих моментах — например, в круговых направляющих планшайб карусельных станков с диаметром 4…10 м. Также такие системы применяют в направляющих поступательного перемещения (столы, салазки, ползуны) и значительно реже — в шпиндельных опорах, где сложнее поддерживать расчетное давление масла и компенсировать влияние его температуры.

В подобных системах часто используют многопоточные шестеренные насосы (4–10 потоков) с подачей 0,2…0,4 л/мин. Для уменьшения различий между потоками, упрощения фильтрации и повышения допустимого давления в карманах применяется подкачка масла под давлением. При больших расходах (4…5 л/мин через каждый карман, например, в круговых направляющих карусельных станков) используют обычные насосы, объединенные редукторами в группы по 4–6 штук.

Дроссельные ситсемы питания

Среди дроссельных систем питания наиболее простыми являются капиллярные дроссели из трубок диаметром 0,7…1,4 мм (допуск до 5%). Регулировка сопротивления достигается изменением длины трубок, которая может составлять 2 м и более; чтобы уменьшить габариты, их часто свивают в спираль.

Еще один вариант дросселя (рис. ZSK.41.7, а) представляет собой пакет дисков 1 и 2. На диске выполнена круговая канавка 3 треугольного сечения, прерываемая штифтом 5. Диск 1 имеет паз 4, соединенный с каналом отвода масла к подшипнику. Поворачивая один из дисков на угол φ, можно изменять сопротивление дросселя и тем самым регулировать подачу масла.

Рис. ZSK.41.7. Капиллярные дроссели в виде дисков (а) и винтовой канавки (б)

На рис. ZSK.41.7 показана схема десятипоточного дросселя, где регулирование сопротивления каждого потока 2 осуществляется изменением длины дросселирования винтом 3. Масло подается по магистрали 1 к десяти равномерно расположенным дросселям и далее через магистраль 4 поступает в карманы. Для контроля давления в каждом кармане используют манометр и поворотный золотник 5.

Широкое применение получили щелевые дроссели, которые обеспечивают идентичность сопротивлений всех потоков за счет конструктивных и технологических решений. Щелевые дроссели могут изготавливаться как автономные блоки, так и встроенными в опору, что позволяет значительно сократить габариты системы.

Примеры блоков с высокой точностью равенства сопротивлений всех дросселей показаны на рис. ZSK.41.8. В этих блоках дросселирующими элементами являются кольцевые щели, образованные отверстием корпуса 6 и проточками плунжера 5 шириной и диаметром b1, выполненными концентрично (тип I) или с эксцентриситетом e (тип II) относительно центрирующих поверхностей с диаметром c1. Масло под давлением подается по магистрали 4, а отвод осуществляется через магистрали 1, 2 и 3. Поворот плунжера 5 на угол φ (тип II) или изменение длины щели (тип I) позволяет одновременно регулировать сопротивление всех дросселей блока, обеспечивая равномерное распределение потока по карманам.

Рис. ZSK.41.8. Щелевые дроссели с концентрической (I) и эксцентрической (II) щелью

Регуляторы

Регуляторы используют для уменьшения колебания толщины масляной пленки при изменении Регуляторы с обратной связью широко применяются для поддержания оптимальных условий смазки в карманах гидростатических опор. Их принцип действия основан на том, что при увеличении давления в кармане (например, из-за роста нагрузки) сопротивление дросселирующего устройства автоматически изменяется за счет деформации упругого элемента или перемещения регулирующей части. Это позволяет поддерживать стабильную толщину масляного слоя и высокую жесткость опоры.

Регуляторы изготавливают как для разомкнутых, так и для замкнутых опор. В регуляторах для разомкнутых опор в качестве упругого элемента обычно используется плоская мембрана (рис. ZSK.41.9, а). При изменении давления в кармане величина дроссельного зазора Δr изменяется пропорционально нагрузке P, обеспечивая соответствующее распределение расхода масла. Конструктивное исполнение мембранного регулятора (рис. ZSK.41.9, б) включает мембрану 3 и пластину 4, образующие дроссельный зазор Δr. Масло подается в регулятор под постоянным давлением и через отверстие в мембране поступает в дроссельный зазор, автоматически корректируя поток в зависимости от нагрузки.

Рис. ZSK.41.9, Регулятор мембранного типа для разомкнутых опор (а) и его

Регуляторы с обратной связью поддерживают стабильную толщину масляного слоя: мембранные для разомкнутых опор (рис. ZSK.41.9) и мембранные/золотниковые для замкнутых опор (рис. ZSK.41.10).

Рис. ZSK.41.10. Регуляторы для замкнутых опор мембранного (а, б) и золотникового (в) типов

Виды опор

Гидростатические шпиндельные опоры (ГШО) применяются на станках, требующих высокой точности вращения и демпфирования: шлифовальные, горизонтально-расточные, токарные, зубообрабатывающие. Конструкции обычно разделяют осевые и радиальные нагрузки.

Диаметры шпинделей 50–180 мм используют стальные втулки и узкий бурт осевого подшипника (рис. ZSK.41.11, а). Для шпинделей 200–240 мм применяют антифрикционные втулки с упорным подшипником (рис. ZSK.41.11, б)

Рис. ZSK.41.11. Гидростатические шпиндельные подшипники

Для шпинделей >260 мм делают 6 радиальных карманов, учитывая скорость скольжения (10–12 м/с: b = 0,1d, b₂ = 0,2d, h = 0,2–0,3 мм, расстояние между карманами 2,5d).

Для подачи масла используют насосы давления 2–4 МПа. Дроссельные системы допускают настройку толщины пленки 0,002–0,01 мм

Рис. ZSK.41.12. Принцип регулировки толщины масляного слоя в ГШО

Гидростатичсекие подшипники

В гидростатических подшипниках, предназначенных для высокоскоростных узлов, оптимальной считается подача масла в центр кармана. Это обеспечивает равномерное формирование несущего масляного слоя. При сравнительно низких скоростях скольжения точка подвода масла оказывает меньшее влияние на распределение давления. Глубина кармана обычно варьируется в пределах 1–4 мм.

Опоры могут оснащаться дренажными канавками или обходиться без них. Канавки усложняют изготовление, но способствуют более эффективному теплоотводу и увеличивают жесткость масляного слоя примерно на 50 %, особенно при скоростях скольжения около 15 м/с.

В радиальных подшипниках стандартно устанавливают не менее четырёх карманов; для шпинделей с диаметром более 250 мм количество карманов может доходить до шести. В крупногабаритных осевых подшипниках, где диаметр вала превышает 500 мм и возникают значительные опрокидывающие моменты, обычно применяют три–четыре кармана, однако иногда используют один сплошной кольцевой карман.

Диаметральный зазор подбирается в диапазоне 50–120 мкм и увеличивается с ростом размеров подшипника и скорости скольжения. Масло выбирается с учётом условий смазывания всего узла: при скоростях v < 3 м/с применяют масла вязкостью μ = 5–12 МПа·с, при более высоких скоростях — μ = 30–40 МПа·с. Давление нагнетания Рн обычно составляет 3–5 МПа, а давление в карманах — 0,4–0,6 Рн. Расход масла через опоры колеблется от нескольких до сотен литров в минуту в зависимости от типа подшипника и нагрузки.

Гидродинамическое смазывание основано на образовании несущего масляного клина благодаря вращению вала. В одноклиновых подшипниках масло захватывается и втягивается в клиновой зазор между валом и вкладышем (см. рис. ZSK.41.13, а). В начале сужения зазора возникает избыточное давление, достигающее максимума перед минимальным зазором hmin, после чего давление постепенно снижается по мере расширения зазора. Распределение давления вдоль вала близко к параболическому. Одноклиновые подшипники имеют низкую жесткость и нестабильное положение вала при малых нагрузках и высоких скоростях, поэтому их редко используют в шпиндельных узлах.

Рис. ZSK.41.13. Схемы гидродинамических подшипников: а-одноклинового, б-многоклинового; F-нагрузка на вал; v-скорость вращения; D-диаметр подшипника; e-смещение вала; h0, h1, L – параметры клинообразного зазора

Многоклиновые подшипники

Многоклиновые подшипники (рис. ZSK.41.13, б) лишены этих ограничений. В них клиновой зазор создаётся либо фасонной расточкой вкладышей (рис. ZSK.41.14, а), либо упругой деформацией втулок, либо самоустановкой вкладышей при вращении шпинделя. Такой подход формирует несколько несущих масляных слоев, повышает жесткость подшипника и стабилизирует положение шпинделя как при нагрузке, так и без неё. Для гидродинамических подшипников используют минеральные масла вязкостью 5–50 МПа·с.

Рис. ZSK.41.14. Многоклиновые подшипники: а – с фасонной расточкой; б – сегментный с возможностью самоустановки в направлении вращения; в – сегментный с самоустановкой в направлении вращения и по оси шпинделя

Работа подшипника ухудшается при отклонении осей вала и вкладыша от параллельности из-за допусков на изготовление или прогиба шпинделя. В таких случаях давление распределяется неравномерно, появляются повышенные кромочные нагрузки, а несущая масляная пленка истончается. При эксплуатации тонкая пленка быстро перегревается, теряет смазывающие свойства, что приводит к контакту трущихся поверхностей, ускоренному износу и заклиниванию.

Устранить кромочные давления позволяют самоустанавливающиеся вкладыши, способные перемещаться вдоль оси вращения шпинделя (рис. ZSK.41.14, б, в). Это обеспечивает равномерное распределение давления и надёжную работу подшипника на протяжении всего срока службы.

Материалы антифрикционных вкладышей подбираются так, чтобы обеспечить низкий коэффициент трения, высокую износостойкость и сопротивление заклиниванию. Наиболее подходящими являются оловянистые и свинцовистые бронзы, а также баббиты. Для шпиндельных подшипников рекомендуются марки Бр.С-30, Бр.ОФ-0,5, Бр.ОС8-14, Бр.ОС10-10 и их аналоги.

Многоклиновые подшипники устойчивы к внешним нагрузкам и высокоскоростному вращению, поддерживают жесткость масляного клина и позволяют регулировать диаметральный зазор без искажения формы рабочих поверхностей. Благодаря эффективному теплоотводу они работают при более низких температурах, увеличивая долговечность узла.

Подшипники могут быть цельными втулками или сегментированными. Число несущих масляных клиньев обычно составляет от 3 до 8. В втулочных конструкциях клин формируется внутренней поверхностью втулки с радиусом Rк, превышающим радиус шейки вала. Главный недостаток цельных конструкций — высокая требовательность к соосности и чувствительность к кромочным давлениям.

Сегментные многоклиновые подшипники формируют клинья через самоустановку сегментов. Если сегменты самоустанавливаются только в направлении вращения (рис. ZSK.41.14, б), требуется высокая соосность. Когда сегменты способны самоустанавливаться и вдоль оси шпинделя (рис. ZSK.41.14, в), кромочные давления полностью устраняются, нивелируя влияние несоосности и деформаций. Такие подшипники наиболее распространены.

В конструкции используют 3, 5 или 8 сегментов. Угол охвата шейки вкладышем составляет 60° для трёх- и пяти-сегментных подшипников. Соотношение длины вкладыша b к его диаметру D принимается 0,7–0,9 (рис. ZSK.41.15). Критически важна точка опоры вкладыша: она располагается на 0,42–0,45 длины дуги от задней кромки, где минимален масляный зазор.

Рис. ZSK.41.15. Шпиндельная опора с многоклиновым подшипником

Вкладыши должны полностью погружаться в масляную ванну; подача масла через трубки недопустима, так как вызывает подсос воздуха, снижает несущую способность и ухудшает охлаждение.

Аналогично устроены упорные многоклиновые подшипники (рис. ZSK.41.16). Несущие клинья масла формируются на малозазорных скосах опорных поверхностей. Масло поступает через канавки, создавая поддерживающий слой жидкости, обеспечивающий высокую жесткость и демпфирующий эффект при осевых нагрузках.

Рис. ZSK.41.16. Упорный многоклиновой подшипник

Гидродинамические направляющие эффективны при скоростях скольжения около 1,5 м/с, характерных для главного хода на продольно-строгальных и карусельных станках. При снижении скорости их способность выдерживать нагрузку падает, а жесткость масляного слоя становится недостаточной для точного позиционирования.

Для высокоточных и скоростных станков применяются газовые системы смазывания — аэростатические подшипники. В них детали разделены тонким слоем сжатого воздуха, что практически исключает скачкообразные изменения сил трения и позволяет перемещать элементы с малыми скоростями скольжения. Они минимизируют потери на трение и подходят для высоких частот вращения (до 300–350 м/с). Основное ограничение — возможность динамической неустойчивости при экстремальных скоростях.

Несущая способность аэростатических подшипников ниже, чем у подшипников качения, поэтому их используют для чистовой и высокоскоростной обработки. При соблюдении точности изготовления они практически не изнашиваются, что обеспечивает стабильную точность станка на длительный срок.

Принцип работы аэростатических опор аналогичен гидростатическим: сжатый воздух через дроссель подводится в зазор, затем выводится в атмосферу. Жесткость и несущая способность определяются распределением давления в воздушном слое. Дроссель подбирается так, чтобы давление на входе составляло 50–70 % от подачи, а ограничители расхода автоматически корректируют давление в зависимости от нагрузки.

Рис. ZSK.41.17. Схема работы аэростатической опоры:

Виды дросселей

Наиболее распространены три типа дросселей: сопловые, щелевые и пористые. Сопловые имеют отверстия диаметром 0,1–1 мм (для крупных опор до 2–3 мм) и могут быть кольцевыми или простыми. Щелевые дроссели регулируют давление с помощью длины Lд и ширины Hд (обычно 3–15 мм и 5–30 мкм), обеспечивая стабильность при любых нагрузках. Пористые дроссели гасит вибрации и равномерно распределяют давление, но чувствительны к загрязнениям.

Рабочие поверхности аэростатических опор могут быть плоскими, цилиндрическими, коническими или сферическими (рис. ZSK.41.22), что позволяет воспринимать силы и моменты. Наиболее часто применяются двусторонние подпятники, обеспечивающие устойчивость и точность вращения.

Рис. ZSK.41.18. Дроссели соплового типа; а — кольцевая диафрагма; б — простая диафрагма

Опоры с простыми диафрагмами обладают большей несущей способностью по сравнению с опорами на кольцевых диафрагмах, однако они более подвержены неустойчивости. Это связано с большим объемом воздуха, находящимся в несущих карманах диаметром Dd.

Сопловые дроссели

Сопловые дроссели имеют несколько ограничений: они склонны к неустойчивой работе при высоких давлениях и скоростях, диаметр диафрагмы зависит от величины рабочего зазора, а некачественная очистка воздуха приводит к засорению отверстий. Для повышения жесткости опор уменьшают рабочий зазор, что требует уменьшения диаметра диафрагмы; обработка отверстий диаметром менее 0,3 мм затруднена, поэтому применение сопловых дросселей при малых зазорах ограничено.

Щелевые дроссели

Щелевые дроссели (рис. ZSK.41.19) могут эффективно работать при любом давлении и нагрузках. Основные параметры щели — длина Ld и ширина Hd. Длина щели обычно составляет 3–15 мм, а ширина — 5–30 мкм. Изменяя эти размеры, можно оптимально настроить опору так, чтобы давление в рабочем зазоре pd составляло 0,5–0,7 от подводимого давления p3, даже при малых значениях зазора ℎ.

Рис. ZSK.41.19. Дроссели щелевого типа: а – для радиальной опоры; б – для подпятника

Опоры с щелевым наддувом могут выполняться с дискретным или сплошным подводом воздуха в рабочий зазор. Дискретный подвод обеспечивает более высокую жесткость опоры, так как исключает перетекание воздуха из зон высокого давления в зоны низкого.

Конструктивно опора состоит из двух или более втулок 1, установленных в одном корпусе (рис. ZSK.41.20). Щелевые дроссели формируются либо занижениями 2 на торцах втулок для радиальных опор, либо проточками 2 для осевых опор. Такое устройство позволяет равномерно распределять давление воздуха по зазору и повышает стабильность несущей способности.

Рис. ZSK.41.20. Конструктивное оформление щелевых дросселей: а – для радиальной опоры (дискретный вход воздуха); б – для подпятника (сплошной вход воздуха)

Щелевые дроссели обладают рядом преимуществ: их изготовление достаточно простое — например, с помощью шлифовки можно создавать углубления до 5 мкм; они обеспечивают стабильную работу при различных скоростях и нагрузках; к тому же вероятность отказа из-за засорения значительно ниже по сравнению с диафрагмами. Главным минусом является более сложная сборка опоры.

По конструкции дроссели могут быть выполнены как сплошное кольцо (рис. ZSK.41.21, а) либо в виде отдельных сегментов — «таблеток» (рис. ZSK.41.21, б), что позволяет регулировать распределение давления воздуха в зазоре и повышать жесткость аэростатической опоры.

Рис. ZSK.41.21. Дроссели пористого типа; а – в виде сплошного кольца; б – в виде таблеток

Пористые дроссели

Пористые дроссели обладают рядом значимых преимуществ: подшипники с ними практически не вибрируют при любых нагрузках, поскольку пористая стенка эффективно гасит энергию возникающих колебаний; кроме того, они обеспечивают большую предельную подъемную силу за счёт равномерного распределения давления в зазоре. Основные недостатки связаны с материалом дросселя: пористые стенки могут засоряться при обработке частицами материала, что приводит к нестабильности расхода воздуха и снижению предсказуемости характеристик опоры.

Рабочие поверхности аэростатических опор могут иметь разные геометрические формы (рис. ZSK.41.22): плоские — прямолинейные, круговые или кольцевые, цилиндрические, конические и сферические. Такие опоры способны воспринимать как силу F, так и момент M. В большинстве случаев шпиндельные узлы на воздушных опорах выполняются с двусторонним подпятником, реже — с односторонним, что обеспечивает устойчивость и точность вращения вала при высоких скоростях и минимальных потерях на трение.

Рис. ZSK.41.22. Геометрия рабочих поверхностей аэростатической опоры; а — плоская; б — цилиндрическая; в — коническая; г — сферическая

Двусторонний кольцевой подпятник состоит из дисковой пяты 2, выполненной как единое целое с валом 1, двух кольцевых аэростатических подпятников 6, смонтированных во фланцах 5 и 7, а также проставочного кольца 4. Подача воздуха осуществляется от внешнего источника (пневмосети) через распределительные каналы во фланцах к кольцевым каналам подпятников, после чего газ проходит через дроссели — в данном случае кольцевые диафрагмы — и через смазочный зазор выходит в атмосферу под давлением p. При отсутствии осевой нагрузки на вал (Г = 0) зазоры в левом и правом подпятниках остаются одинаковыми (ℎ1 = ℎ2), что приводит к равенству нулевых реакций смазочных слоев: F1 = F2 = 0.

Рис. ZSK.41.23. Двусторонний кольцевой аэростатический подпятник

Когда пята подвергается воздействию внешней силы F, исходный зазор ℎ0 изменяется: в левом подпятнике он уменьшается до ℎ1, а в правом, наоборот, увеличивается до ℎ2 на ту же величину. С уменьшением зазора возрастает гидравлическое сопротивление истечению воздуха, что приводит к росту противодавления на дросселях. В результате среднее давление в зазоре повышается до момента, пока реакция смазочного слоя F1, создаваемая левым подпятником, не уравновесит внешнюю нагрузку вместе с реакцией правого подпятника F2. Следовательно, итоговая сила, компенсирующая нагрузку, равна сумме реакций двух подпятников: F = F1 + F2.

На рисунке ZSK.41.24 приведена схема радиального аэростатического подшипника. Подача газа осуществляется от внешнего источника в кольцевой канал корпуса 3, откуда он под давлением p проходит через два ряда дросселей 4 (выполненных в виде кольцевой диафрагмы) и поступает в зазор между валом (цапфой) 1 и втулкой подшипника 2. Далее газ выходит к торцевой поверхности подшипника и рассеивается в окружающую среду. Как и в подпятниках, поток после каждого дросселя преодолевает два последовательных сопротивления: первое — само отверстие дросселя, второе — участок зазора от зоны наддува до выхода на торец. При центральном положении цапфы (e = 0) зазор остается одинаковым по всему кольцевому сечению, что обеспечивает равномерное распределение давления в газовом слое.

Рис. ZSK.41.24. Радиальный двухрядный аэростатический подшипник

Если под действием внешней нагрузки цапфа вала смещается относительно втулки подшипника на величину e = eℎ0, то кольцевой зазор становится неравномерным. В этих условиях гидродинамическое сопротивление потоку газа в различных зонах зазора изменяется: в области минимального зазора ℎmin давление на входе в зазор pd оказывается максимальным, а в зоне наибольшего зазора ℎmax — минимальным. Возникающая разница давлений создаёт в смазочном слое компенсирующую силу, которая уравновешивает внешнее воздействие F.

На практике применяют несколько типовых схем построения шпиндельных узлов:

• с двумя радиальными и двумя осевыми опорами (рис. ZSK.41.25, а, б) — наиболее часто используются в станках, предназначенных для обработки цилиндрических поверхностей (например, при шлифовании или точении);
• для работы по торцевым поверхностям (рис. ZSK.41.25, в, г) — предусматриваются специальные варианты компоновки опор, позволяющие обеспечить требуемую жёсткость, устойчивость и точность при плоской контактной обработке.

Рис. ZSK.41.25. Схемы компоновки шпинделей на аэростатических опорах

На рисунке ZSK.41.26 показан шпиндельный узел шлифовального станка, выполненный по той же принципиальной схеме, что и на рис. ZSK.41.25, а. Шпиндель 2, на котором закреплён шлифовальный круг, опирается на два радиальных аэростатических подшипника диаметром 95 мм и длиной по 140 мм. Такое решение обеспечивает повышенную жёсткость конструкции и высокую точность вращения во время работы станка.

Рис. ZSK.41.26. Шпиндельный узел шлифовального станка

Торцевые поверхности шпинделя вместе с установленными фланцами образуют два осевых плоских аэростатических подпятника. Подача воздуха в радиальные и осевые опоры осуществляется по внутренним каналам 4, которые связаны с круговыми проточками 6 в бронзовых вкладышах 1. Далее через дроссели 7 поток поступает в рабочий зазор и затем выходит в атмосферу. Для осевых опор воздух распределяется по системе каналов, выполненных в корпусе шпиндельного узла и фланцах 5 и 8, а отверстия надд