Адаптация к изменяющимся условиям работы

В процессе эксплуатации станка происходят постоянные изменения как внешних факторов, действующих на станок (нагрузок, температурного поля и др.), так и состояния механизмов. Эти изменения могут быть вызваны износом деталей, снижением их жесткости и другими причинами. Способность механизмов станка выполнять рабочие функции, особенно при случайных изменениях условий работы, существенно зависит от возможности их приспособления к изменяющимся воздействиям. Механизмы могут адаптироваться к положению механизма и форме поверхностей, нагрузке, температурным явлениям, условиям смазывания, погрешностям изготовления, динамическим явлениям, износу и т.п.

Самоустановка элементов. В гидродинамическом подшипнике с вкладышами 1 (рис. 2.20, а), опирающимися па шаровые опоры 2, самоустановка вкладышей происходит как вдоль оси (компенсируя деформацию вала 3), так и в перпендикулярном к оси направлении (сечение А-А). Наклон вкладышей и рабочий зазор h зависят от частоты вращения вала. При ее повышении возрастает давление в слое смазочного материала и увеличивается зазор h (вследствие деформации шаровых опор и резьбы), что обусловливает снижение потерь на трение.

Гидростатические подшипники со сферической рабочей поверхностью радиусом R могут работать при больших деформациях вала 1 (рис. 2.20, б), поскольку поворот последнего, обусловленный его деформациями, не приводит к изменению зазора в сферической опоре и к ухудшению работоспособности подшипника. В гидростатических направляющих поступательного перемещения с плавающими опорами 4 (рис. 2.20, в) между опорами и направляющей 2 в процессе работы поддерживается постоянный зазор h независимо от нагрузки, действующей на стол 1, и деформаций (отжатий) деталей. Это обеспечивается благодаря выбору определенного соотношения площадей верхнего и нижнего торцов плавающей опоры и сопротивления дросселя 5, выполненного в виде винтовой канавки. Плавающая опора «следит» также за наклоном направляющей, обеспечивая примерно постоянный зазор h по ширине опоры. При перекосе опоры распределение давлений в щелях 3 и 6 становится различным и опора устанавливается параллельно поверхности направляющей.

В круговых гидростатических направляющих стола 2 диаметром 4...8 м (рис. 2.20, г) с самоустанавливающимися башмаками 1 (схема 1) на каждом из них выполнены по два кармана 3 и 4 (схемы II, III). При отсутствии деформации планшайбы 2 в радиальном направлении башмак занимает горизонтальное положение, так как давления в карманах равны (схема II). При перекосе планшайбы на угол а, например в результате упругой или тепловой деформации (схема III), давление р3 в кармане 3 превышает давление р4 в кармане 4, вследствие чего башмак деформируется по опорной поверхности 5 и его рабочая плоскость устанавливается параллельно направляющей планшайбы. При такой конструкции допускаемые деформации в радиальном сечении могут существенно превышать толщину масляной пленки h.

Адаптация к изменяющимся условиям работы

В аэростатических направляющих поступательного перемещения опоры 3 взаимодействуют со столом 1 через шарики 2 и устанавливаются параллельно рабочей поверхности станины 4 благодаря перераспределению давления в воздушном зазоре h в зависимости от величины перекоса (рис. 2.20, д). Воздух в опору подводится через четыре равномерно расположенных дросселя 5 ( отверстия поддува), и при ее перекосе возникают различные давления как в отверстиях 5, так и в микроканавках 6, передающих давление воздуха на всю площадь опоры.

Самоустанавливающаяся направляющая качения, показанная на рис. 2.20, е, 1, применяется для легко нагруженных опор, так как усилие с салазок 2 передается на направляющие 1 через шарик 3 небольшого диаметра. В тяжелонагруженных направляющих (схема II) самоустановка обеспечивается только по ширине В опоры 1 благодаря применению клина 2 с конической опорной поверхностью 3. На рис. 2.20, е, III показана опора 1 качения, обеспечивающая свою самоуста- новку в двух плоскостях за счет ослабления сечения опоры 3 пазами 2.

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Механизм зажима планшайбы 4 (рис. 2.21, а), установленный в основании 8 токарно-карусельного станка, выполнен в виде пластин 3 и б, имеющих большую жесткость в плоскости, перпендикулярной к чертежу, и малую - в плоскости чертежа. Зажим планшайбы осуществляется за кольцеобразный паз 5 при смещении вправо поршня 1 гидроцилиндра Для освобождения планшайбы служит пружина 2, которая после снятия давления масла перемещает поршень влево. При этом пластины 3 и б сближаются с помощью пружины 7, что исключает трение при работающей планшайбе. Изменение относительного положения планшайбы и основания (например, при разной массе заготовок) не сказывается на работе механизма зажима, поскольку малая жесткость пластин 3 и б обеспечивает их самоустановку и надежную фиксацию даже при достаточно большом смещении стенок паза 5 по вертикали.

В планетарном редукторе, приводящем во вращение шпиндель 1 фрезерной головки 2 (рис. 2.21, б), установленной в ползуне 3, шпиндель выполняет функции водила. В нем установлены три сателлита 7 под углом 120°. Обкатываясь по венцу б с внутренним зубом, сателлиты приводят шпиндель во вращение. Входной вал 5 имеет возможность самоустановки, так как он базируется только в одном подшипнике 4, а другой опорой служат сателлиты. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение нагрузки между сателлитами при неизбежных шаговых погрешностях зубчатых колес. При отсутствии самоустановки зубья сателлитов и венца 6 нагружались бы по-разному, в зависимости от сочетания погрешностей зубчатых колес, сателлитов и зубчатого колеса вала 5.

Характерным примером обеспечения адаптации к погрешностям является плавающая ось 4 зубчатой шевронной передачи (см. рис. 2.61, в). Нарушение равновесия и сил в зацеплении приводит к перемещению колес и к выравниванию нагрузки между полушевронами.

Самоприспособляемость к форме сопряженных объектов. Ходовая тележка 1 (рис. 2.22, а) приспосабливается к рельефу дороги в продольном направлении (поворачивается относительно рамы 2). Рама, кроме того, может оставаться горизонтальной благодаря автономному управлению гидроцилиндрами. Самоприспособляемость к форме захватываемого изделия характерна для роботов (имитация кисти руки).

Самоприспособляемость к месту расположения сопрягаемого объекта. Если нельзя сдвинуть захватываемый предмет до его зажатия, то нужно использовать специальные захватные устройства (часто из упругих элементов). Губки 1 и 4 (рис. 2.22, б) установлены на ленточной пружине 3 и за счет ее упругости зажимают перемещаемый предмет 5 (разводятся гидроцилиндром 2).

Адаптация по нагрузке характерна для обрабатывающих систем (станков - по силе резания, прессов - по силе прессования), а также в зажимных и фрикционных механизмах, например, в зажимных механизмах происходит автоматическое увеличение силы при возрастании момента на заготовке или частоты вращения (центробежной силы). Одинаковая сила прижатия заготовок 1 при одновременном прессовании, например древесно-стружечных изделий с помощью гидроцилиндра 2, обеспечивается в приведенной на рис. 2.22, в схеме.

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Припцип «самопомощи» характерен для случаев, когда действующие нагрузки или конструктивные особенности способствуют выполнению основной функции. Сила трения в резьбе основной части 7 гайки пропорциональна силе затяжки  Fs и силе действующей нагрузки FA (рис. 2.23, а).

Компенсация теплового расширения заключается в обеспечении относительно свободного перемещения деталей в направлении деформации. В ответственных конструкциях вводят корректировку формы (рис. 2.23, б). Так, шток 7, нагреваемый снизу, выполнен коническим. При разогреве обеспечивается постоянный зазор по длине втулки. В схеме закрепления шпиндельной бабки температурная деформация шпинделя Δшп частично компенсируется смещением корпуса Δкор(рис. 2.23, в).

Повышение уровня стабильности работы конструкции. Перекос поршня (рис. 2.24, а, I) приводит к увеличению силы прижатия Fп его к цилиндру. Введение канавок (77), выполнение поршня конусообразным (111), с карманами (IV) и шарнирным соединением (V) повышает уровень стабильности. Установка вала на конических роликовых подшипниках стабильна, если корпус разогревается больше вала (Δlк > Δlв), в противном случае произойдет заклинивание подшипников (рис. 2.24, б).

Адаптация к изменяющимся условиям работы

 

Адаптация к изменяющимся условиям работы

 

В столе с направляющей 7 поступательного перемещения треугольного сечения под действием собственного веса салазок 4 автоматически выбираются зазоры, образовавшиеся в процессе изнашивания (рис. 2.25, а). По мере увеличения износа круговых направляющих 3 и радиального подшипника 5 планшайба 2 под действием собственного веса смещается вдоль оси, что несколько компенсирует износ радиального подшипника. Степень компенсации зависит от угла конуса радиальной опоры и соотношения интенсивностей износа осевой и радиальной опор.

В направляющей качения, показанной на рис. 2.25, б, обеспечивается постоянный предварительный натяг посредством тарельчатых пружин 7, что исключает влияние погрешностей направляющих (отклонений от прямолинейности и параллельности) на величину натяга. Это особенно важно при большой длине перемещений. При автоматическом поддержании заданного натяга в роликовой опоре шпиндельного узла независимо от условий эксплуатации (натяг может изменяться, например, из-за тепловых деформаций) кольцо 2 поджимает торцом 3 конические ролики 4 подшипника с силой, зависящей от давления масла в полости 1 (рис. 2.25, в).

Гидростатические опоры в разной степени адаптируются к условиям переменной температуры, например при большом диапазоне частот вращения шпинделя (рис. 2.25, г). В схеме 1 при нагревании бронзовой втулки l (длиной L) и стального шпинделя 2 вследствие различных коэффициентов температурного линейного расширения металлов осевой зазор h уменьшается, из-за чего возможно заклинивание опоры. В схеме 11 упорный подшипник образован буртом шпинделя малой длины (l < L); кроме того, в ре зультате нагрева осевой зазор h в опоре не уменьшается, а увеличивается, так как охватывающая деталь опоры l выполнена из бронзы и имеет больший коэффициент температурного линейного расширения, чем охватываемая стальная деталь 2

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Улучшепие условий смазывания. Работоспособность и износ деталей машин существенно зависят от того, в какой мере конструкция механизма обеспечивает благоприятные условия смазывания. В пористом самосмазывающемся подшипнике скольжения втулка 1 (рис. 2.26, а) пропитана смазочным материалом и в процессе работы, если его оказывается недостаточно, он дополнительно выдавливается из втулки, так как коэффициент температурного линейного расширения материала втулки больше, чем у смазочного материала.

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Известны конструкции самосмазывающихся подшипников качения, в которых сепаратор выполнен на основе материалов из фторопласта (Ф4К15М5, Ф4С15 и др.). Самосмазывание реализуется за счет продуктов износа сепаратора. Условия смазывания многих механизмов зависят от возможности образования гидродинамической подъемной силы в зоне контакта. Наиболее благоприятные условия для этого возникают в тех случаях, когда скорость скольжения перпендикулярна к линии контакта. Так, в обычной червячной передаче (рис. 2.26, б, 1) контактные линии 1 поверхности профиля на большей части длины зуба составляют небольшой угол φ с направлением скорости vск скольжения, в результате чего при большой скорости скольжения вследствие неблагоприятных условий трения могут происходить разогрев передачи и повышенный износ колеса. В передаче с улучшенными благодаря специальной форме профиля условиями смазывания (схема II) скорость vCK составляет с линией 1 контакта угол (φ ≈ 90°. Поэтому условия возникновения гидродинамической подъемной силы существенно улучшаются (она возрастает с повышением скорости vCK), благодаря чему снижается износ.

Работа манжетного уплотнения подшипникового узла зависит от условий эксплуатации (рис. 2.26, в). При малой частоте вращения шпинделя 2 происходит надежное контактное уплотнение; при высоких частотах вращения под действием центробежных сил уплотняющий ус 1 манжеты отгибается и не контактирует с поверхностью фланца, исключая увеличенное тепловыделение. В то же время при большой частоте вращения повышается эффективность лабиринтных уплотнений.

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Повышение кинематической точности. Двухчервячный привод (рис. 2.27, а, 1) с плавающим звеном 3 (выполненным в виде самоустанавливающегося вдоль оси шевронного колеса) позволяет в отдельных случаях автоматически компенсировать накопленную погрешность Fp шага червячного колеса. Силы, возникающие в зацеплении шевронного колеса, смещают его в процессе работы вдоль оси, обеспечивая работу обоих червяков независимо от погрешности Fp. В этом случае, если указанная погрешность проявляется в виде правильной синусоиды (схема II), она компенсируется даже при ее росте в результате износа червячной пары. При любом угловом положении червяков I и 2 червячное колесо зацепляется с каждым из них участками, на которых текущие значения погрешностей Fp1 и Fp2 одинаковы по абсолютному значению, но имеют разный знак; при этом полусумма углов поворота червяков, соответствующих каждому значению текущего угла φ поворота колеса, остается постоянной. Текущему углу φ поворота колеса при контакте с ним червяков в точках а и б соответствуют углы α 1и α2 поворота обоих червяков:

 

при Fp1 = -Fp2

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Двухчервячный привод с жесткой кинематической связью между червяками (без самоустановки колеса 3 вдоль оси) теоретически снижает в 2 раза накопленную погрешность передачи. В течение каждого полуоборота червячного колеса оно находится в зацеплении с тем червяком, который расположен в данный момент в зоне наибольшей погрешности Fp. Другой червяк в это время вращается вхолостую и, следовательно, не изнашивает зубья колеса. В течение следующего полуоборота происходит смена работающего червяка. Благодаря такой схеме точность колеса в процессе работы даже повышается. Так, за 24 года эксплуатации вертикального зубофрезерного станка, в котором подобный привод использован в качестве привода делительной пары, накопленная погрешность червячного делительного колеса снизилась от 15 до 5 с.

Самокомпенсация погрешностей присуща механизмам с избыточными кинематическими связями и со многими контактами (например, волновым передачам, ходовым винтам с длинной гайкой, муфтам с торцовыми кулачками мелкого треугольного профиля и т.п.). Так, в дифференциальном механизме (рис. 2.27, б) предусмотрено два сателлита 1 и 2 (избыточная связь). Образование суммарной погрешности на выходном звене 3 зависит от фазы проявления погрешностей сателлитов, но в общем случае суммарная погрешность, по крайней мере, на 25 % меньше, чем при одном сателлите.

Улучшение динамического качества механизмов. Динамические явления могут проявляться в станках по-разному: в одних случаях наблюдается большая потеря точности, в других возникают недопустимые колебания, исключающие нормальную эксплуатацию станка. Для автоматической балансировки вращающегося шпинделя 1 шлифовального станка (рис. 2.28, а, I) зажимная гильза 2 с помощью гидравлики перемещается вправо и освобождает три шарика 3, свободно расположенных в кольцевом пазу. При этом необходимо, чтобы шпиндель мог свободно вращаться относительно своего центра тяжести, для чего используются опоры 4 повышенной податливости: они вводятся в действие на время

Адаптация к изменяющимся условиям работы

балансировки вместо основных опор. При этом возникают силы (схемы II), перемещающие шарики таким образом, что центр тяжести шпинделя стремится совпасть с его геометрической осью. В этом положении гильза 2 перемещается влево, и шарики фиксируются между торцом шпинделя и сферической поверхностью гильзы.

Серьезной проблемой при повышении частоты вращения шпинделей, например токарных станков, является снижение сил крепления заготовки в результате действия центробежных сил на зажимные кулачки патрона. В конструкции токарного патрона, показанной на рис. 2.28, б, сила зажима заготовки не изменяется. При вращении патрона рычаг 1 под действием центробежных сил поворачивается относительно точки А и воздействует на рейку 2 кулачка 3, благодаря чему нейтрализуется влияние центробежных сил. Инерционный динамический гаситель колебаний (рис. 2.28, в) может подстраивать частоту своих колебаний к частоте возбуждения. Это осуществляется благодаря элементу, обкатывающему замкнутую поверхность (таким элементом может быть цилиндр в цилиндрической полости, шар в сферической и др.). В результате присоединения подобных гасителей к вибрирующему звену движение обкатки синхронизируется с внешним возбуждением и периодическая реакция, создаваемая вращающимся элементом, противодействует вибрации.

Адаптивные управления. Широкие возможности открываются перед конструкторами при использовании адаптивных систем для целенаправленного улучшения некоторых показателей (например, геометрической точности), компенсации деформаций деталей и т.д. Схема компенсации прогиба ползуна 2 и шпинделя 1 при их выдвижении (рис. 2.29, а) применяется на тяжелом расточном станке (диаметр шпинделя 220 мм, сечение ползуна 640x740 мм). Величина перемещения контролируется потенциометрами II1 и IIг, сигнал от которых поступает в счетное устройство 3. Оно вырабатывает сигнал, управляющий приводами дросселей 4 и 5, питающих карманы гидростатических направляющих. Сопротивление дросселей изменяется двигателями М1 и М2 и контролируется потенциометрами /73 и П4. При выдвижении ползуна и (или) шпинделя прогиб Д компенсируется изменением толщины h1 и h2 масляной пленки в направляющих станины.

В адаптивной системе, предназначенной для компенсации деформаций деталей одностоечного токарно-карусельного станка (рис. 2.29, б), используется лазерное измерительное устройство. Компенсация деформаций консоли, стойки и фундамента осуществляется с помощью тросов 2 и 3, требуемое натяжение которых обеспечивается гидроцилиндрами 1 и 6. Измерительное устройство состоит из лазера 7 и датчиков 4 и 10. Луч от лазера используется, с одной стороны, как отвес (определяет вертикаль и фиксирует датчиком 4 прогиб стойки 8), а с другой, - как уровень (определяет горизонталь, получаемую с помощью призмы 5, луч от которой попадает на датчик 10, измеряющий деформацию консоли 9). Силы в гидроцилиндрах изменяются по команде от датчиков 4 и 10 с помощью напорных золотников (не показаны).

Адаптация к изменяющимся условиям работы

Смотрите также