Гидростатические опоры шпинделей обеспечивают высокую точность вращения и обладают высокой демпфирующей способностью, что значительно повышает виброустойчивость всего шпиндельного узла. Они имеют практически неограниченную долговечность и высокую нагрузочную способность при любой частоте вращения шпинделя. Гидростатические опоры шпинделей могут быть использованы в качестве датчиков силы в системах адаптивного управления и приводов микроперемещений.
Принцип действия гидростатического подшипника основан на том, что при прокачивании масла под давлением от внешнего источника через зазоры (щели) между сопряженными поверхностями в зазоре образуется несущий масляный слой, исключающий непосредственный контакт поверхностей даже при невращающемся шпинделе (рис. 1). В радиальных подшипниках равномерно по окружности делают полости-карманы, куда через дроссели под давлением подается масло от источника питания (насоса). При приложении внешней нагрузки вал занимает эксцентричное положение, зазоры h в подшипнике перераспределяются, что приводит к увеличению давления p масла в одних карманах и уменьшению в противоположных. Уравнивания давления в карманах не происходит вследствие наличия дросселей на входе в каждый карман. Разность давлений создает результирующую силу Fс, воспринимающую внешнюю нагрузку.
Рис. 1. Гидростатические осевые (а) и радиальные (б) опоры шпинделя
Отвод смазочного материала осуществляется через торцы подшипника, а иногда и через дренажные канавки, выполненные на перемычках между карманами.
Конструктивные параметры радиальных гидростатических подшипников выбираются в зависимости от диаметра шейки шпинделя D, рассчитанного по формуле для обеспечения требуемой жесткости шпиндельного узла или выбранного конструктивно с учетом диаметров стандартного переднего конца шпинделя. При этом обычно длина подшипника L=D, размеры перемычек, ограничивающих карманы lо=lк=0,1D, диаметральный зазор ∆=(0,0008÷0,001)D, мм.
Число карманов, как правило, принимают равным четырем. В качестве рабочих жидкостей применяют минеральные масла; для высокоскоростных шпинделей, для уменьшения потерь на трение, применяют масла с минимальной вязкостью, а для повышения демпфирующей способности - более вязкие масла. Параметры капиллярных или щелевых дросселей, обеспечивающих ламинарное течение смазочного материала при малых эксцентриситетах e, рассчитывают таким образом, чтобы выполнялось условие pк=0,5pн, где pк - давление в кармане, pн - давление, создаваемое насосом. Параметры гидростатических подшипников могут быть оптимизированы для получения максимальной жесткости или минимальных потерь на трение. Применение гидростатических опор требует сложной системы подачи и сбора масла, что является их недостатком.
Принципиальная схема питания гидростатических опор приведена на рис. 2. Когда требуется высокая точность станка, к системе питания подключают холодильную установку для стабилизации температуры. Для обеспечения нормальной работы гидростатических опор требуется тщательная фильтрация масла. Максимальный размер частиц, попадающих в зазор, не должен превышать половины минимальной величины зазора (5–10 мкм). Расчет гидростатических подшипников сводится к определению нагрузочной способности, жесткости масляного слоя, расхода смазочного материала и потерь на трение и прокачивание масла.
Рис. 2. Схема питания гидростатических опор шпинделя: 1 - насос питания; 2 - фильтр грубой очистки; 3 - фильтр тонкой очистки; 4 - обратный клапан; 5 - фильтр особо тонкой очистки; 6 - дроссели; 7 - манометр; 8 - гидроаккумулятор; 9 - реле давления; 10 - насос откачки; 11 - теплообменник; 12 - перепускной клапан
Жесткость слоя смазки гидростатического подшипника приведена на рис. 7, см. Шпиндельные узлы металлорежущих станков. Потери на трение в гидростатических подшипниках складываются из потерь на трение в карманах и в зазорах (на перемычках), а также из потерь на обеспечение прокачивания смазочного материала через подшипник.
Шпиндельный узел станка на гидростатических опорах изображен на рис. 3. При конструировании и расчете гидростатических подшипников следует учитывать, что все их характеристики сильно зависят от величины и формы зазора, существенно отличающихся от теоретических вследствие деформаций сопряженных деталей. Учет реальных формы и величины зазора приводит к сложным зависимостям, что требует при расчетах их характеристик прибегать к вычислительной технике.
Рис. 3. Шпиндельный узел станка на гидростатических опорах
