Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ГАЗОМАГНИТНОЙ ОПОРЫ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

Щетинин В.С. 1 Космынин А.В. 1 Хвостиков А.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре ГТУ», Комсомольск-на-Амуре, Россия
Приводится анализ воздействия вихревых токов и токов Фуко на тепловые деформации быстровращающегося шпинделя в газомагнитной опоре. Применяется магнитный подвес в газостатической опоре для повышения несущей способности шпиндельного узла. При нагревании шпинделя происходит тепловое расширение диаметра и как следствие уменьшение радиального зазора. Это приводит к ухудшению работы газостатической части опоры. При конструировании шпинделя с газо-магнитной опорой необходимо учитывать тепловое расширение диаметра. Приведены расчетные и экспериментальные данные нагрева шпинделя.
шпиндельный узел
газомагнитная опора
шпиндельные подшипники
газостатические подшипники
несущая способность шпиндельного узла
1. Пуш А.В. Шпиндельные узлы: качество и надежность. - М. : Машиностроение, 1992. - 228 с.
2. Космынин А.В., Кабалдин Ю.Г., Виноградов В.С. [и др.]. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов. - М. : Академия естествознания, 2006. - 219 с.
3. Журавлев Ю.П. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. - СПб. : Политехника, 2003. - 206 с.
4. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел : пат. № 2347960 РФ, МПК F 16 C 32/04 , F 16 C 33/08 / Космынин А.В., Щетинин В.С. ; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Комсомольский на Амуре государственный технический университет» № 2007120545 ; заявл. 01.06 07 ; опубл. 27.02.09, Бюл. № 6.
5. Космынин А.В. Стенд для исследования выходных характеристик шпиндельного узла на газомагнитных опорах / Космынин А.В. [и др.]. // СТИН. - 2010. - № 5. - С. 8-11
Развитие высокоскоростной обработки (ВСО) материалов резанием представляет повышенные требования к узлам оборудования. Шпиндельный узел (ШУ) станка должен обладать высокой быстроходностью (не менее 5×106 м/мин), точностью вращения (до 10-7 м) и надёжностью [1].

Эффективность работы ШУ во многом зависит от применяемых в нем видов опор. Высокие скорости вращения достигаются на опорах с газовой смазкой [1; 2], магнитных опорах, конкретно на активных магнитных подвесах (АПМ) [1; 3] и немного меньшие на опорах качения [1]. Следует иметь в виду, что опоры качения имеют ограниченный ресурс работы, определяемый количеством циклов нагружений. В условиях высоких частот вращения до 4×105 мин-1 гарантированный ресурс может оказаться значительно меньше цикла межремонтного обслуживания оборудования.

Для АПМ и опор с газовой смазкой ресурс работы можно считать неограниченным из-за отсутствия механического контакта между шипом и вкладышем опоры. Однако эти типы подшипников имеют невысокую несущую способность, а АПМ еще и сложную систему контроля и управления положением шпинделя в пространстве [2; 3].

Для решения в какой-то мере проблемы низкой грузоподъемности (несущей способности) указанных бесконтактных подшипников предлагается использовать комбинированную опору, совмещающую в себе элементы газостатического и магнитного подшипников [4]. При этом нагнетание газа в зазор опоры осуществляется через пористые вставки.

При вращении шпинделя в магнитном поле возникают токи Фуко и вихревые токи. Токи, циркулируя в теле шпинделя, порождают выделение теплоты, что приводит тепловому расширению шпинделя и, как следствие, уменьшению среднего радиального зазора в опоре. Такое уменьшение негативно отражается на обеспечении требуемых условий течения газа, выполнение которых обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики газостатической опоры. В связи с этим при конструировании ШУ на газомагнитных опорах необходимо учитывать тепловые деформации шпинделя.

Для определения температурного состояния шпинделя и вкладыша ГМО В КнАГТУ был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд [5].

В комплексе экспериментов по исследованию уровня нагрева вкладыша газомагнитной опоры с пористыми вставками использовался установленный между линиями наддува нагруженной части подшипника кремниевый датчик LM 135 группы «А» фирмы National Semiconductor с аналоговым выходом. Принципиальная схема датчика температуры показана на рис. 1, а его установка во вкладыше подшипника - на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная схема датчика температуры.

Датчик LM 135 выполнен в виде цилиндрического корпуса диаметром 5 мм и высотой 6 мм. Он имеет рабочий диапазон температур от -50 до +150 °С. Температурная характеристика датчика линейная с коэффициентом температурной чувствительности 10 мВ/К. Нулевое выходное напряжение LM135 соответствует температуре абсолютного нуля.

Рис. 2. Схема установки температурного датчика во вкладыше газостатической опоры: 1 - вкладыш; 2 - датчик; 3 - корпус.

Калибровка датчика, осуществляемая многооборотным подстроечным резистором, производилась при температуре окружающей среды 22 °С. В качестве эталонного термометра использовался стеклянный термометр ТР-1 № 7 с диапазоном температур 24-28 °С и ценой деления 0,01 °С. Абсолютная погрешность показаний этого термометра составляет ±0,01 °С. Датчик LM 135 располагался на расстоянии 1 мм от внутренней поверхности вкладыша. Три его провода через соединительную колодку соединялись с платой датчика, которая в свою очередь парой проводов подключалась к плате сопряжения.

Плата сопряжения, предназначенная для ввода показаний датчика в компьютер, устанавливалась в разъеме ISA материнской платы. Задачу преобразования аналогового сигнала с выхода датчика в цифровой код выполнял двенадцатиразрядный АЦП. Нагрев вкладыша подшипника оценивался с точностью до 0,1 °С.

Температура шпинделя вблизи вкладыша передней опоры замерялась с помощью термопары после его остановки. Период установления температурного режима вала составлял 30-50 мин. Время от начала остановки вала до начала измерения составляло 10-20 сек.

Измерения проводились цифровым мультиметром серии М890G в комплекте с термопарой ТР-0,1.

Погрешность измерения по паспортным данным в диапазоне -50-400 °С составляет + 0,75% или от предела диапазона +3 °С, разрешение 1 °С.

Нагрев шпинделя оценивался с точностью до 1 °С, при этом максимальная относительная погрешность выполненного комплекса экспериментов по определению изменения температуры шпинделя не превышала 7%.

Регистрация температуры объектов исследования проводилась при достижении теплового равновесия, которое в среднем устанавливалось в течение 50 мин.

На рис. 3 представлены зависимости изменения температуры шпинделя и вкладыша газомагнитной опоры от частоты вращения.

Рис. 3. Зависимость изменения температуры Δt шпинделя (а) и вкладыша (б) газомагнитной опоры от частоты вращения шпинделя n.

Из представленных графиков видно, что тело шпинделя нагревается незначительно. Так, при параметре быстроходности d×n= 1,2 106 мм/мин повышение температуры шпинделя не превышала 5 °С, при этом вкладыш ГМО практически не нагревается. Невысокое повышение температуры объясняется наличием интенсивного вынужденного конвективного теплообмена, возникающего вследствие наддува сжатого воздуха в зазор опоры.

Повышение температуры шпинделя на 5 °С ведет к увеличению его первоначального диаметра, равного 50 мм, примерно на 3 мкм, а диаметр вкладыша ГМО при той же частоте вращения возрастает на 1 мкм. При таком тепловом расширении шпинделя средний радиальный зазор изменяется на 3,9%, что следует считать незначительным.

Рецензенты:

  • Козин В.М., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН, г. Комсомольск-на-Амуре.
  • Амосов О.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Информатики», ФГОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет», г. Комсомольск-на-Амуре.

Работа получена 20.10.2011


Библиографическая ссылка

Щетинин В.С., Космынин А.В., Хвостиков А.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ГАЗОМАГНИТНОЙ ОПОРЫ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4829 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074