В настоящее время как в СССР, так и за границей уделяется большое внимание разработке подшипников скольжения с газовой подушкой. В таких подшипниках в результате вращения вала появляется воздушная несущая подушка. Так как вращающийся вал находится в воздухе, такую конструкцию опор называют также воздушными опорами.
Газы имеют вязкость в тысячи раз меньшую, чем масло; вязкость мало меняется с изменением температуры. Например, при 20 °C вязкость воздуха в 4 000 раз меньше вязкости масел и в 100 раз меньше вязкости керосина. При 80 °C вязкость воздуха в 250 раз меньше вязкости самых жидких масел.
Потери в подшипниках с воздушной смазкой в 1 000 раз меньше, чем в подшипниках с жидкостной смазкой; выделяющееся тепло уносится проходящим газом (воздухом) и температура опор невелика. Из сказанного следует, что подшипники с газовой смазкой (газовой подушкой) могут найти широкое применение при весьма больших частотах вращения — свыше (100—200) · 103 об/мин, когда от подшипника не требуется обеспечения большой несущей способности. При меньших частотах вращения несущая способность таких опор заметно падает и применение их нерационально.
Имеется ряд трудностей в технологии изготовления подшипников с воздушной подушкой. Для получения требуемой несущей способности подшипника необходимо изготовлять двигатель с весьма малым зазором между поверхностью подшипников и валом, равным 10— 20 мкм на сторону; в новейших сверхвысокоскоростных двигателях зазор на сторону равен 5 мкм. В крупном электромашиностроении такая величина является технологическим допуском. Изготовление электрической машины с таким малым зазором в подшипнике скольжения возможно только при весьма высоком уровне технологии электромашиностроения.
В случае работы двигателя на воздушных опорах при больших частотах вращения могут возникать самовозбуждающиеся колебания вала, так называемый полускоростной вихрь. Причинами возникновения полускоростного вихря являются малая несущая способность газовой подушки и ее малая жесткость.
В электрошпинделе при шлифовании возрастают радиальные нагрузки на вал, вследствие чего уменьшается воздушный зазор между валом и подшипником. Минимальное значение зазора в подшипнике не должно быть менее 5—3 мкм, так как шероховатость поверхности подшипника составляет 2—3 мкм. При больших радиальных нагрузках на вал в процессе шлифования иногда возникает сухое трение поверхностей вала и подшипника, что приводят к выходу из строя электрошпинделя. Конструкция электрошпинделя на воздушных опорах рассматривалась в гл. 3.
в) Шарикоподшипники
В настоящее время в СССР и за границей во всех внутришлифовальных станках применяются сверхвысокоскоростные электрошпиндели с частотой вращения до 150-10 об/мин включительно, выполненные на презиционных шарикоподшипниках. Такне подшипники изготовляются по весьма высокому классу точности. Их сепараторы имеют малый удельный вес и большую прочность. Подшипники должны иметь высокую жесткость, поскольку в процессе работы недопустимы вибрации, так как электрошпиндели должны обеспечивать 8—12 классы чистоты шлифуемой поверхности детали. С жесткостью шарикоподшипника связан и срок службы электрошпиндели. Во всех конструкциях электрошпинделей для восприятия радиальных и осевых нагрузок применяются радиально-упорные шариковые подшипники с текстолитовым сепаратором. Жесткость подшипникового узла обеспечивается усилием в аксиальном направлении и выбором правильного расстояния между опорами.
Усилием в аксиальном направлении или предварительным натягом подшипников называется начальная осевая нагрузка, которая создается в подшипниках собранного электрошпинделя с помощью пружины с целью устранения радиального зазора в радиально-упорных подшипниках с углом контакта шариков β0=(8-12)°. Усилие Ап в радиально-упорных подшипниках зависит от мощности, частоты вращения (л) электрошпинделя, а также от размеров, конструкции подшипников и может быть подсчитано по формуле [Л. 90]. Значение в зависимости от величин внутреннего диаметра подшипника d и числа подшипников на одной опоре i приведены в табл. 6-1.
Таблица 6-1
Следует отметить некоторые особенности опор качения сверхвысокоскоростных электрошпинделей. Предел быстроходности этих машин в значительной мере обусловлен стойкостью подшипников. В опорах качения с повышением частоты вращения возрастают динамические напряжения. Поэтому чрезвычайно высоки требования к качеству материалов подшипников и к качеству их выполнения.
Быстроходность шарикоподшипников обычно характеризуется произведением dn, где d — внутренний диаметр подшипника, мм; n — частота вращения вала, об/мин. С увеличением скорости вращения увеличивается произведение и уменьшается срок службы подшипников. Например, в электрошпинделях, работающих с частотой вращения 100 · 103 об/мин, диаметр шейки вала d=(7-9) мм, быстроходность 700-800·103 мм-об/мин. Если брать диаметр по центру шариков, что более правильно, то приведенная величина быстроходности будет примерно вдвое больше. Увеличение частоты вращения электрошпинделя связано с шлифованием весьма малых отверстий, когда мощность шлифования мала, а следовательно, малы мощность и размеры электрошпинделя.
Рис. 6-4. Конструкции подшипников.
а — шарикоподшипник с замком на наружном кольце с базированием сепаратора на внутреннем кольце; б — то же с замком на внутреннем кольце с базированием сепаратора на наружном кольце; в —плоская пружина.
Поэтому шейка вала диаметром d=7-9 мм при частоте вращения (100—150) -103 об/мин оказывается достаточной по условиям жесткости ротора.
Срок службы шарикоподшипников существенно зависит от того, насколько эффективна смазка, каковы потери трения в подшипнике и какова система охлаждения подшипников. В сверхвысокоскоростных электрошпинделях, как правило, применяется смазка масляным туманом. В процессе эксплуатации выяснилось, что на смазке подшипника масляным туманом существенно сказывается расположение замка и базирование сепаратора.
На рис. 6-4,а изображен подшипник с замком на наружном кольце и с базой сепаратора на внутреннем кольце. Масляный туман попадает в подшипник в направлении стрелки А. Здесь смазка малоэффективна, так как она не обтекает со всех сторон шарикоподшипник и выдувается из желоба внешнего кольца подшипника. В результате этого недостаточно смазываются шарики и внутренняя часть сепаратора, базирующаяся на внутреннем кольце. Возникающее в подшипнике тепло неэффективно отводится масляным туманом, и подшипник чрезмерно нагревается. Кроме того, при вращении сепаратора центробежные силы, действующие на него, имеют различную реакцию с обеих сторон подшипника. В результате указанных причин в эксплуатации наблюдается разрыв сепаратора со стороны замка и выход из строя подшипника.
На рис. 6-4,б показан шарикоподшипник с замком на внутреннем кольце и с базированием сепаратора на наружном кольце. В этой конструкции обеспечивается лучший режим смазки, так как масляный туман поступает в основном со стороны замка на внутреннем кольце, проходит через отверстия между шариками и сепаратором, смазывает их, затем попадает в желоб наружного кольца. Капли масла, отбрасываемые центробежными силами к наружному кольцу, накапливаются в желобе наружного кольца; их избыток выходит между поверхностью сепаратора и кольца. Таким образом улучшается отвод тепла от детален подшипника и их смазка, значительно снижается температура подшипника несмотря на увеличение диаметра базы сепаратора. Смазка непрерывно поступает в желоб наружного кольца и не выдувается столь интенсивно, как в первой конструкции. Избыток скапливающегося в желобе масла непрерывно выбрасывается, смазывает и охлаждает поверхности сепаратора и наружного кольца. В такой конструкции работа сепаратора находится в более благоприятных условиях в отношении смазки, охлаждения и действующих на него сил, которые оказываются почти одинаковыми с левой и правой стороны, и разрывов сепаратора при вращении электродвигателей не происходит. При большой скорости и малом давлении получается чисто жидкостное трение, а это означает отсутствие износа подшипника. Сроки работы высокоскоростных шарикоподшипников не лимитируются усталостным износом. Разрушение их обычно происходит из-за наволакивания частиц сепаратора на шарики вследствие перегревания смазки и возникающих иногда больших биений шарикоподшипника при отсутствии осевых усилий.
В сверхвысокоскоростных электрошпинделях применяются радиально-упорные шарикоподшипники легкой серии с текстолитовым сепаратором. Основные данные таких подшипников приведены в табл. 6-2. Допуски для радиально-упорных подшипников указаны в ГОСТ 520-71.
Таблица 6-2
