При проектировании сверхвысокоскоростных двигателей особое внимание необходимо уделять выбору критической скорости вращения, при которой возникает резонанс радиальных колебаний и вибраций двигателя. Для обеспечения высокого класса чистоты шлифуемой поверхности следует строить сверхвысокоскоростной электрошпиндель малой мощности, с минимальным расстоянием между опорами, с первой критической частотой вращения, превышающей номинальную. При регулировании частоты вращения необходимо, чтобы в рабочем диапазоне частоты вращения ротора не совпадали пи с одной из критических. Первая критическая частота вращения сверхвысокоскоростного асинхронного электрошпинделя на шарикоподшипниках может быть найдена по методике, изложенной в (Л. 10). Пуск двигателя производят при отсутствии момента нагрузки на валу (рис. 6-5).
Рис. 6-5. К расчету критической скорости электрошпинделя.
1 — шлифовальный круг; 2 — обрабатываемое кольцо.
Поэтому прогиб вала определяется массой ротора и силой электромагнитного притяжения к статору при наличии некоторого эксцентрицитета с учетом прогиба вала от действия центробежных сил составляет по расчету пкрт=178,5-10 об/мин. При номинальной нагрузке при шлифовании с учетом всех сил, действующих на ротор, критическая частота вращения ηΚρ™=78· 10s об/мин.
Пуск электрошпинделя осуществляется, когда пкрт>лв, и поэтому происходит без затруднений. При переходе от холостого хода к наибольшей нагрузке частота вращения ротора снижается незначительно, не более чем на 5—10%. При номинальной или даже при небольшой нагрузке (в процессе шлифования) двигатель не достигает критической частоты вращения пкрт и работает нормально. Критическая частота вращения ротора, смонтированного на воздушных опорах, определяется по формуле пкр=60fр/р; здесь fр — собственная частота поперечных колебаний ротора, которая может быть определена, если рассматривать ротор как незакрепленную свободную балку:
где Е — модуль упругости материала ротора; J — момент инерции ротора; g — ускорение свободного падения; G —сила тяжести; αρ=2,5-3,0; Т0 — сила магнитного притяжения ротора.
6-3. ДИНАМИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА СВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАШИН
В собранном двигателе ротор, включая подшипники, имеет некоторый небаланс вращающихся деталей, который может вызвать вибрации, биения. Появляющиеся при этом переменные нагрузки вредно действуют на подшипники, увеличивая их износ, а также износ цапф.
Силу неуравновешенной массы можно определить по известной формуле. Так, например, при величине статического небаланса в 5-10-3 Н и частоте вращения 100·103 об/мин возникает дополнительная нагрузка, равная 680 И.
При указанной частоте вращения вал ротора изготовляется с диаметром цапф 7:9 мм, поэтому такая дополнительная нагрузка приведет к выходу из строя подшипников или к поломке самого вала ротора. Это свидетельствует о необходимости тщательной динамической балансировки ротора со всеми вращающимися деталями, включая подшипники.
Вначале балансировка ротора производится на прецизионной балансировочной машине с повышенной чувствительностью. Наибольшую точность динамической балансировки обеспечивают станки с электромагнитными датчиками. Точность динамической балансировки роторов на балансировочном станке РТМ-18 при частоте вращения 1 500—3 000 об/мин достигает 5·10-3 Н·м. На этом станке можно балансировать роторы со следующими данными:
- Длина ротора между опорами, мм от 40 до 600
- Внешний диаметр пакета ротора, мм от 20 до 350
- Масса ротора, кг от 0,03 до 50
Обычно ограничиваются точностью балансировки ротора до 1·10-6—2·10-7 Н · м.
Рассмотрим кратко порядок сборки сверхвысокоскоростного электрошпинделя. Сборку электрошпинделя начинают с посадки шарикоподшипников на вал ротора. Посадка шарикоподшипников производится весьма точно: внутреннее кольцо подшипника — с натягом до 2 мкм, наружное кольцо — с зазором 4—6 мкм. Прецизионные шарикоподшипники имеют сепаратор с малым удельным весом и высокой прочностью. При частоте вращения до 60-103 об/мин применяют подшипники с текстолитовым сепаратором на шифонной основе. При больших частотах вращения более надежен в работе найлоновый сепаратор, обладающий низким коэффициентом трения и высокой износоустойчивостью. Такой сепаратор выдерживает значительные напряжения, возникающие под действием центробежных сил. обусловленных собственной массой, и мало подвержен износу в результате трения скольжения шариков о сепаратор. В собранном двигателе должен быть обеспечен такой предварительный осевой натяг шарикоподшипников, при котором отсутствует аксиальный зазор в шарикоподшипниках, т. е. обеспечивается высокая жесткость опоры. От величины осевого натяга шарикоподшипников зависит срок службы и точность обработки детали, шлифуемой сверхвысокоростным электрошпинделем внутришлифовального станка. Осевой зазор в рассматриваемых двигателях недопустим. Поэтому во всех электрошпинделях предусматриваются системы, осуществляющие осевой натяг.
При сборке электрошпинделя сначала устанавливают на вал нерабочей стороны подшипник и стакан. Затем вал вместе со стаканом вставляют в корпус и начинают собирать всю переднюю часть электрошпинделя. После установки необходимого натяга подшипника стакан фиксируется в корпусе. По концам вала устанавливают крышки, а затем балансировочные шайбы.
Согласно нормативам на вибрацию размах вибрации для асинхронных двигателей единой серии 2—3-го габаритов составляет 5— 8 мкм. Так как по ГОСТ 2789-59 электрошпиндели относятся к машинам 1-го класса, то допускаемое радиальное биение выходного вала электрошпинделя не должно быть более 2—4 мкм.
По окончании сборки двигателя производят его динамическую балансировку. Балансировку двигателя в собранном виде начинают при сравнительно низких частотах вращения. Например, прежде чем включить электродвигатель на 120-103 об/мин, следует произвести обкатку шарикоподшипников в течение нескольких часов при частотах вращения (48, 60, 96)·103 об/мин. На всех этих скоростях производится динамическая балансировка путем размещения грузиков в гнездах балансировочных шайб. Грузики в гнездах тщательно заделываются и завинчиваются так, чтобы они не могли вылететь при вращении ротора. Затем двигатель ускоряют до номинальной частоты вращения, снова балансируют и обкатывают.
До сих пор еще не имеется приборов для динамической балансировки двигателя в собранном виде; последняя ведется на производстве опытными мастерами и зависит от их навыков.
