Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Легаев Владимир Павлович. Газостатические опоры с повышенной несущей способностью : дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.02 Владимир, 2006 251 с. РГБ ОД, 71:06-5/570


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

Введение 4

Глава I. Обзор и анализ существующих методов регулирования опор с внешним

нагнетанием смазки 11

Выводы 24

Глава II. Теоретическое исследование статических и динамических характери
стик аэростатических опор с системой автоматического регулирования по по
ложению подвижного элемента 25

2.1. Разработка принципиальных схем управляемых аэростатических
опор 25

2.2. Разработка методики расчета и исследование статических характеристик
аэростатических опор с системой автоматического регулирования по положе
нию подвижного элемента 32

2.3. Исследование динамических характеристик аэростатических опор с
САР 53

  1. Вывод системы дифференциальных уравнений, описывающих переходный процесс в исследуемой аэростатической опоре с САР 54

  2. Определение характеристического уравнения исследуемой системы и анализ влияния конструктивных параметров опоры и регулятора на устойчивость 62

Выводы

2
Глава III. Теоретическое исследование управляемых аэростатических опор для
эталонных установок, воспроизводящих гармонические линейные ускоре
ния 97

  1. Анализ эталонных установок для воспроизведения гармонических линейных ускорений 97

  2. Аэростатическая опора секционного типа с пневматическим управляющим устройством 105

  1. Пневматический мембранный преобразователь как элемент САР аэростатической опоры и его статическая характеристика 105

  2. Динамическая модель пневматического мембранного преобразователя 112

  3. Пневматическое управляющее устройство. Конструкция и выбор его параметр ов 116

  4. Математическая модель аэростатической опоры с пневматическим управляющим устройством 120

Выводы 133

Глава IV. Экспериментальное исследование газостатического шпиндельного
узла с системой автоматического регулирования по положению подвижного
элемента 134

4.1. Методика исследования 134

  1. Свойства аэростатического шпиндельного узла как объекта регулирования 144

  2. Статические характеристики аэростатического шпиндельного узла 150

  1. Статические характеристики пневматического мембранного преобразователя и пневматического управляющего устройства 150

  2. Нагрузочные характеристики аэростатического шпинделя с системой автоматического регулирования 153

4.4. Динамические характеристики аэростатического шпиндельного узла с
САР 158

  1. Амплитудно-частотные характеристики пневматического мембранного преобразователя 158

  2. Амплитудно-фазочастотные и переходные характеристики аэростатического шпиндельного узла с САР 162

4.4.3. Точность газостатических опор 168

Выводы 168

Глава V. Модификации газостатических опор с повышенной несущей способ
ностью и жесткостью и их практическое использование 170

  1. Газостатические опоры с системой автоматического регулирования по положению подвижного элемента 170

  2. Газостатические опоры измерительных устройств и приборов 187

Выводы 197

Заключение 198

Литература 201

Приложения 215



Введение диссертации:

С каждым годом требования к надежности конструкций возрастают. Срок службы машины и агрегатов в ряде областей (автомобилестроение, станкостроение, космическая и ядерная техника, энергетика, приборостроение и т.п.) весьма значителен и достигает 1000СН-20000 час.

До сих пор подшипники являются ответственными, но относительно малонадежным элементом машин, от работоспособности которых часто зависит не только надежность эксплуатации машин, агрегатов, ядерных реакторов и др., но и жизнь человека.

Качество работы подшипников является решающим, когда условия эксплуатации затрудняют ремонт или замену агрегата. Так, поломка или повышенный износ, к примеру, подшипников гироскопа ракеты может привести к аварии системы значительной стоимости. Показатели надежности изделий ракетно-космической техники достигают 99,99%, т.е. авария возможна в одном случае из 10 тысяч.

За счет совершенствования материалов можно увеличить температуру рабочего тела двигателя до 500-1000С, что повысит КПД машины. Температуры в местах расположения агрегатов современных самолетов, ракет и подводных лодок достигают 150-350С. При этом, несмотря на меры по охлаждению подшипниковых узлов, значительно увеличивается скорость окисления масел, что затрудняет создание надежных противозадирных пленок на рабочих поверхностях подшипников качения. Дополнительное увеличение температуры рабочих поверхностей этих подшипников вследствие трения усложняет условия их работы. Так, для сравнительно легконагруженных подшипников качения вентиляторов охлаждения электронного оборудования, повышение рабочей температуры с +50 до +150С снижает срок службы на 10-50%. Аналогичное повышение рабочих температур, например, в газовых подшипниках не вызывает снижения сроков службы.

Наряду с распространением машин, работающих при высоких температурах, расширяются области применения низкотемпературных подшипников, в особенности в криогенных установках. В этом случае применение масел приводит к недопустимому загрязнению рабочего тела и усложнению установки. Рабочие температуры криогенных установок достигают минус 269С, а подшипниковых узлов таких установок - около минус 100С.

5 Число оборотов современных малых турбин составляют 100-150 тыс. в минуту,

а в некоторых случаях и 500 тысяч в минуту.

Успешное внедрение опор с газовой смазкой в различных отраслях промышленности объясняется свойствами газового смазочного материала. Минимальные потери на трение, а следовательно, и незначительное тепловыделение, являющиеся следствием малой вязкости газов, позволяют достигать очень больших частот вращения, а также ввиду отсутствия скачков сил трения при относительном перемещении узлов, разделенных смазочным газовым слоем, становится возможным осуществлять также перемещения с минимальной скоростью скольжения. Подшипники с газовой смазкой, не теряя своих эксплутационных качеств, могут работать в широком диапазоне температур и давлений (вязкость газов практически не зависит от температуры и давления), а также в зоне повышенной радиации (газы не подвержены фазовым изменениям). Кроме того, у правильно рассчитанных и изготовленных узлов на опорах с газовой смазкой изнашивание рабочих поверхностей практически отсутствует. Газ, выходящий под повышенным давлением из зазоров опор, не загрязняет окружающую среду и предохраняет рабочие поверхности от попадания на них через смазочный зазор пыли, масла и т.п. По этой же причине опоры с газовой смазкой не требуют применение уплотнений и сборников, что упрощает их конструкцию. Для смазывания опор турбокомпрессоров и других машин может быть использована любая газовая среда: воздух, водяной пар, гелий и др., т.е. та же среда, в которой работают эти машины.

Газовые опоры разделяют на газостатические (газ в зазор подается через устройства наддува), газодинамические (газ поступает из окружающей среды за счет высокочастотного относительного движения поверхностей) и гибридные (с наддувом и относительным движением).

В прецизионных станках, испытательных стендах и приборах газовые опоры применяются для формирования выходных осей и подвеса чувствительных элементов. Поэтому к ним предъявляются дополнительные требования, вытекающие из условий эксплуатации. Так, в процессе обработки детали на шпиндельный узел станка действуют силы резания, которые вызывают относительное перемещение шпинделя. Значения сил резания непрерывно меняются, что влияет на точность обработки. Для компенсации этих погрешностей применяются специально разрабатываемые адаптивные системы [1], анализ которых показывает, что газовая опора при разме-

щении в ней шпинделя должна быть управляемой газостатической опорой, в которой возможно перемещение шпинделя в пределах части рабочего зазора по заданному закону за счет создания перепада давления в радиальном направлении, и выполнять функции привода микроперемещений с применением регуляторов, управляемых по положению подвижного элемента (шпинделя) и включенных в замкнутую цепь автоматического регулирования. Привод микроперемещений на базе управляемой газостатической опоры устраняет необходимость в дополнительных механизмах микропередач, сокращает кинематическую цепь станка, повышает плавность и точность микроперемещений.

В расточных станках для управления точностью диаметрального размера и формы в продольном и поперечном сечениях отверстий сообщают дополнительные радиальные движения резцу, вращающемуся при резании с высокой частотой, с амплитудой перемещения 1...2 мкм [2]. Используемые для этой цели сложные механические устройства не нашли широкого применения.

В точных центрифугах до последнего времени применяли прецизионные опоры качения. Однако в настоящее время эти опоры не обеспечивают в полной мере соблюдения комплекса требований, особенно в отношении точности и плавности вращения. В образцовых центрифугах все более широко применяют аэростатические опоры. Известно применение этих опор в приборах для контроля круглости, вследствие чего обеспечивается вращение поверяемой детали с погрешностью менее ОДмкм.

В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматических линиях возникает необходимость в дополнительном движении, накладываемом на основное относительное движение инструмента и детали, предназначенным для точного позиционирования, компенсация износа инструмента или упругих деформаций станка, приспособления, инструмента или детали (СПИД), компенсации температурных деформаций и т.п. Обычно такие движения осуществляются с помощью специальных, сравнительно сложных дополнительных устройств. Так, например, магнитострикционные, термодинамические, упруго-силовые приводы в корректирующих устройствах адаптивных систем станков - специальные дополнительные устройства, которые входят в кинематическую цепь и систему СПИД, и при их применении требуются существенные изменения в конструкции основных элементов станка [2].

7 Применение аэростатических шпиндельных узлов, управляемых по положению

подвижного элемента (шпинделя), для решения вышеперечисленных задач позволяет

повысить удельную жесткость опор, использовать их в машинах, а на станках еще и в

качестве дополнительного привода микроперемещений, органически вписываться при

этом в систему станка как дополнительная функция опоры. Кроме того, привод

микроперемещений на основе аэростатической опоры ввиду очень малого трения

между движущимися частями (практически трение отсутствует) обладает высокой

чувствительностью и равномерностью установочных перемещений.

Известные публикации относятся к изучению аэростатических опор, у которых в качестве ограничителей расхода сжатого воздуха (газа), вводимого между источниками питания и газовой пленкой в опоре, используются дроссели (жиклеры) постоянного сопротивления. Кроме того, большое внимание особенно в последнее время уделяется аэростатическим опорам с регуляторами расхода, работающими в режиме стабилизации подвижного элемента опоры при действии внешних нагрузок. Использование регуляторов расхода в аэростатических опорах позволяет значительно повысить жесткость, стабилизировать положение подвижного элемента опоры, однако применение таких опор пока ограничено из-за недостаточности исследований, отсутствия методик расчетов и практических рекомендаций по применению. Исследованию управляемых перемещений подвижной части гидростатических подшипников посвящены работы МАШимановича [2 ... 4], М.Ф.Агашина [5]. В [2 ... 5] теоретически и экспериментально исследовались свойства упорного гидростатического подшипника шпинделя, используемого как привод микроперемещений. В качестве регулируемых дросселей на входе в противоположные карманы опоры в [3] были применены гидравлические сопротивления в виде цилиндрических щелей между плунжером и корпусом, длина которых изменялась с помощью кулачкового механизма; а в [5] на входе в противоположные карманы опоры устанавливались регулируемые мембранные делители расхода.

В других работах, посвященных вопросу применения опор с внешним нагнетанием смазки в качестве привода микроперемещений, содержатся весьма мало практических сведений, причем по аэростатическим опорам подобные сведения отсутствуют вообще.

Динамическому расчету гидростатических опор посвящено достаточно большое количество как теоретических [6... 11], так и экспериментальных работ [3,9,12].

8 Исследования аэростатических опор проводились в основном с целью

выяснения влияния величины дисбаланса шпинделя на величину пороговой скорости

вращения [13...20], а исследования аэростатических опор как объекта регулирования,

необходимые при их использовании в качестве привода микроперемещений, не

проводились. В связи с этим, а также по причине необходимости учета специфики

газовой смазки по сравнению с жидкостной, разработка управляемых

аэростатических опор требует проведения дополнительных теоретических и

экспериментальных исследований.

Таким образом, актуальность темы настоящего исследования обусловлена: а) необходимостью все более широкого применения в машиностроении аэростатических опор, обладающих высокой достижимой точностью; б) отсутствием целостных исследований специфических особенностей реализации в таких опорах различного рода микроперемещений для технологических и иных целей, определяющих в конечном итоге точность обработки; в) практической потребностью в повышении удельной несущей способности и жесткости аэростатических опор.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании методов повышения несущей способности и жесткости газостатических опор машин и приборов, разработке математических моделей, алгоритмов и программных средств для расчёта газостатических опор с повышенной несущей способностью, исследовании устойчивости их в стационарных и переходных режимах и разработке рекомендаций по проектированию газостатических опор с повышенной несущей способностью. Для достижения указанных целей в работе сформулированы и решены следующие задачи:

проведён анализ методов регулирования опор с внешним нагнетанием смазки;

предложены технические решения газостатических опор с повышенной несущей способностью;

построены математические модели предлагаемых газостатических опор;

теоретически исследованы статические и динамические характеристики разработанных устройств;

предложен рациональный выбор конструктивных параметров газостатических опор с повышенной несущей способностью;

проведён анализ влияния конструктивных параметров опоры и регулятора на

устойчивость;

рассмотрена математическая модель газостатической опоры с пневматическим управляющим устройством применительно для эталонных центрифуг;

исследованы свойства газостатического шпинделя как объекта регулирования;

экспериментально исследованы характеристики разработанных устройств;

проведен анализ результатов теоретического и экспериментального исследований;

разработана методика проектирования газостатических опор с повышенной несущей способностью;

предложены методы построения модификаций газостатических опор.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработаны технические решения, позволяющие существенно повысить несущую способность и жесткость газостатических опор и расширить их функциональные возможности;

разработаны математические модели предложенных технических решений, позволяющие выявить аналитические зависимости, связывающие конструктивные параметры и характеристики газостатических опор;

предложены методики статического расчёта, позволяющие оптимизировать выбор конструктивных параметров с целью получения максимальной жесткости, и динамический расчёт с целью получения монотонного переходного процесса при наибольшем быстродействии, как в режиме стабилизации вала, так и в режиме микроперемещений;

получены закономерности изменений функций, определяющих несущую способность и жесткость опоры, при различных возможных сочетаниях режимов истечения на дросселях и в междроссельных камерах при различных давлениях питания и отношений эффективных площадей;

определены формулы линеаризации по различным параметрам с учётом возможных режимов истечения для расчёта коэффициентов дифференциальных уравнений проточных камер опоры;

10 установлены предельные значения конструктивных параметров опоры и

регулятора, влияющие на устойчивость системы в переходных и стационарных

режимах.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обуславливаются использованием основных положений механики жидкости и газа, теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического регулирования, математического аппарата теории обыкновенных дифференциальных уравнений, численных методов, методов многокритериальной оптимизации. Полученные результаты подтверждаются результатами натурных испытаний и практикой эксплуатации шпиндельных узлов с газостатическими опорами, применением поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования.

Практическая ценность работы заключается в установлении технических решений повышения несущей способности и жесткости газостатических опор машин и приборов, в разработке новых конструкций газостатических опор с повышенной несущей способностью, в создании эффективных методик расчёта при проектировании газостатических опор с заданными характеристиками и качеством переходного процесса, в разработке методики проектирования газостатических опор с повышенной несущей способностью, в реализации и внедрении в промышленность модификаций газостатических опор с повышенной несущей способностью.

Работа проводилась на кафедре «Приборостроения и информационно-измерительных технологий» Владимирского государственного университета.

Разработанные по результатам исследования газостатические опоры использованы на Владимирском производственно-конструкторском объединении «Техника», на Ярославском заводе «Машприбор», во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Методика расчёта таких опор использована в конструкторском отделе НИПТИ «Микрон» и проверена в опытно-конструкторских разработках.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций