Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Частично пористые газостатические опоры шпиндельных узлов. Теория и эксперимент: монография
Космынин А. В., Виноградова С. В., Виноградов В. С., Щетинин В. С., Смирнов А. В.,
4.4. Рекомендации по проектированию шпиндельных однорядных газостатических опор с пористыми вставками
Как показали эксперименты и практика эксплуатации внутришлифовального шпинделя, радиальные газостатические подшипники с пористыми вставками могут успешно применяться в качестве опор высокоскоростных шпиндельных узлов.При проектировании опор этого типа важным является правильный выбор конструктивных размеров с целью получения максимальной грузоподъемности и жесткости смазочного слоя при заданных параметрах подводимой рабочей среды. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили сформулировать ряд рекомендаций по проектированию однорядных подшипников с пористыми вставками.
Давление наддува сжатого воздуха в зазор опоры - это давление в заводской пневмосети, абсолютное значение которого равно 0,6 МПа. Поэтому расчетное относительное давление составляет 
.
Диаметр вала D задаётся конструктором с учетом взаимосвязи с другими деталями механизма. Исходя из практического опыта изготовления однорядных частично пористых подшипников, во избежание технологических затруднений не рекомендуется проектировать такие опоры на валы менее 15 мм.
Удлинение подшипника, по которому определяется абсолютная длина опоры 
, должно составлять от 1,0 до 1,4. Следует учитывать, что рост 
ведет к увеличению несущей способности и жесткости смазочного слоя при одновременном повышении угла ориентации нагрузки, что может отразиться на устойчивой работе подшипника. В связи с этим конкретное значение должно задаваться в зависимости от требуемой жесткости и нагрузки на шлифовальном круге.
Удлинение пористой вставки 
оказывает заметное влияние на эксплуатационные характеристики опоры. Малое удлинение ведет к снижению несущей способности и росту угла положения нагрузки, а большое - к снижению жесткости смазочного слоя. Поэтому, исходя из результатов комплекса выполненных расчетов, рекомендуется задавать удлинение пористых вставок = 0,67, при котором не происходит серьезного снижения несущей способности и жесткости смазочного слоя.
При назначении относительной ширины пористых вставок необходимо учитывать требование достижения достаточной несущей способности и жесткости смазочного слоя, а также обеспечение устойчивого режима работы подшипника. С этой точки зрения, как показали теоретические исследования, наиболее благоприятным является использование вставок с относительной шириной 
= 0,15.
Высота пористой вставки δ тесно связана с толщиной вкладыша подшипника, в теле которого размещается вставка. Поэтому значение можно задавать равной толщине вкладыша. При этом следует заметить, что с увеличением высоты вставки растет сопротивление движению газа в пористом слое, и, следовательно, вызывает частичную потерю давления в зазоре подшипника.
Гибридные и статические характеристики шпиндельных опор существенно зависят от количества вставок в ряду наддува. результаты выполненных расчетов показывают, что высокие значения жесткости смазочного слоя газостатических опор высокоскоростных шу достигаются при Nвст= 4. Однако, эксплуатация подшипников с малым числом пористых вставок ведет к снижению несущей способности и росту угла положения нагрузки, что может привести к потере устойчивости работы. поэтому рациональным следует считать использование шпиндельных опор с шестью пористыми вставками.
Как показали выполненные эксперименты, для обеспечения устойчивой работы подшипников с номинальным диаметром (20...60) мм необходимо ориентироваться на относительные зазоры с/D, лежащие в пределах (1...8)·10-4, причем наименьшие значения относятся к большим диаметрам подшипников. С уменьшением среднего радиального зазора абсолютная жесткость газостатических подшипников увеличивается, но при этом возрастают требования к точности изготовления шпинделя и вкладышей подшипников. поэтому не желательно принимать средний радиальный зазор меньше 25 мкм.
Результаты многовариантных расчетов, показали, что оптимальное значение конструктивного параметра однорядных опор со шпоночными вставками при = 1...1,4 можно определить по формуле:
.
При этом значении конструктивного параметра коэффициенты жесткости и несущей способности подшипников не достигают своих максимумов не более чем на 5 %.
При известном значении конструктивного параметра опор коэффициент проницаемости пористой матрицы находится по формуле:
.
Таким образом, проектирование шпиндельных газостатических опор с пористыми шпоночными вставками следует проводить по следующей методике:
1. Задается диаметр шпинделя D.
2. Задается удлинение опоры: 
.
3. Определяется абсолютная длина подшипника: 
.
4. В пределах (1...8)·10-4 задается относительный радиальный зазор C/D.
5. Определяется абсолютный средний радиальный зазор: 
.
6. Определяется конструктивный параметр опоры:
.
7. Задается количество вставок в одном ряду наддува: 
.
8. Задается удлинение пористой вставки: = 0,67.
9. Определяется абсолютная длина вставки: 
.
10. Задается относительная ширина вставки = 0,15.
11. Определяется ширина пористой вставки: 
.
12. Задается высота пористой вставки δ, равная толщине вкладыша опоры.
13. Определяется коэффициент проницаемости пористой матрицы:
.