для стартапов
и инвесторов
Изобретение относится к области станкостроения и может быть использовано для управления охлаждением высокоскоростных мотор-шпинделей металлорежущих станков. Способ включает регулируемую подачу хладагента к статору мотор-шпинделя и к его передней и задней подшипниковым опорам с одновременным измерением их температуры. При этом подачу хладагента осуществляют с обеспечением выполнения условия равенства температур статора мотор-шпинделя и его подшипниковых опор заданному расчетному значению. Использование изобретения позволяет уменьшить вибрации мотор-шпинделя и повысить ресурс его работы.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к управлению высокоскоростными мотор-шпинделями металлорежущих станков. Одним из основных направлений развития металлорежущих станков является широкое использование мехатронных модулей, сочетающих энергетические, информационные и управляющие функции в едином конструктивном блоке, в котором обеспечивается согласованный выбор параметров отдельных подсистем, подчиненных единой задаче - достижению требуемых эксплуатационных характеристик. Мотор-шпиндели наиболее полно иллюстрируют основные проблемы мехатронных систем станков и являются наиболее важными узлами, определяющими качество оборудования. Из уровня техники известны способы управления высокоскоростными мотор-шпинделями металлорежущих станков, включающие регулируемую подачу хладагента (В.В. Бушуев и др. Высокоскоростные мотор-шпиндели приводов главного движения металлорежущих станков, Вестник МГТУ «Станкин» №3, 2011, http://stanoks.com/index.php?catid=49:articles&id=1502:2014-01-28-09-36-49&Itemid=192&option=com_content&view=article). К недостаткам аналогов следует отнести несбалансированность управления и неравномерность охлаждения статора и подшипниковых опор, ограничивающие быстроходность и являющиеся причиной склонности к возникновению в мотор-шпинделе вибраций, что обусловливает низкий ресурс и эффективности работы узла в целом. Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту - прототипом - является способ управления охлаждением высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка, включающий регулируемую подачу хладагента к статору, передней и задней подшипниковым опорам и одновременное измерение их температуры и уровня вибраций (Патент РФ №2509627, МПК В23В 19/02, опубл. 20.03.2014). К недостаткам прототипа следует отнести несбалансированность управления и неравномерность охлаждения статора и подшипниковых опор, ограничивающие быстроходность и являющиеся причиной склонности к возникновению в мотор-шпинделе вибраций, что обусловливает низкий ресурс и эффективности работы шпиндельного узла (ШУ) в целом. Задачей изобретения является сбалансированное охлаждение статора и подшипниковых опор мотор-шпинделя, обеспечивающее минимизацию вибраций последнего. Технический результат - повышение эффективности высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка за счет повышения его быстроходности и ресурса работы, обусловленных тепловой и вибрационной стабильностью. Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе управления охлаждением высокоскоростного мотор-шпинделя металлорежущего станка, включающем регулируемую подачу хладагента к статору, передней и задней подшипниковым опорам и одновременное измерение их температуры и уровня вибраций, подачу хладагента осуществляют так, что: , где Тс, Т1,2 - текущие измеренные температуры статора, передней и задней подшипниковых опор шпинделя; - приведенная начальная жесткость ШУ при температуре 20°С; kT=k- а - расстояние между опорами шпинделя; b - длина консольной части шпинделя от его торца до передней опоры; Е - модуль упругости материала шпинделя; Ja,b - геометрический момент инерции (сечения) межопорной и консольной частей шпинделя; j1, j2 - жесткость передней и задней подшипниковых опор шпинделя; m - приведенная масса шпинделя; fт=рт/2π - частота собственных колебаний шпинделя (при измеренных температурах Т1,2); - приведенное смещение шпинделя (при измеренных температурах Т1,2); ζT1,2=[(βкп-βвн)dвн-0,6βкпdвн-βкdк] - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяг) в опоре ШУ (передней, задней) при изменении ее температуры на 1°С; βкп, βвн, βк - коэффициенты линейного расширения корпуса, внутреннего кольца подшипника и тел качения подшипника; dвн,dнк, dк - внутренний диаметр наружного кольца подшипника, наружный диаметр корпуса подшипника, диаметр тел качения подшипника. В основу заявленного способа положен принцип обеспечения максимальной жесткости шпиндельного узла, что гарантирует минимальный уровень колебаний и, следовательно, повышение быстроходности, стабильности, эффективности и ресурса работы высокоскоростного мотор-шпинделя для металлорежущих станков. Известно, что колебание шпиндельного узла описывается уравнением: которое, преобразовав к виду позволяет получить общее решение колебания шпинделя: Здесь обозначено: 2g=v/m, p2=k/m, где m - приведенная масса, v - приведенная характеристика демпфирующих свойств, k - приведенная жескость, а0 - начальная амплитуда собственных колебаний, F - периодически изменяющееся внешнее воздействие, ω - круговая частота, t - время; - динамический коэффициент, характеризует изменение динамических смещений относительно статических; f=р/2π - частота собственных колебаний шпинделя (без нагрева). Приведенная жескость k определяется выражением: а - расстояние между опорами шпинделя; b - расстояние консольной части: от передней опоры до торца шпинделя; Е - модуль упругости материала шпинделя; Ja,b - геометрический момент инерции (сечения) межопорной и консольной частей шпинделя; j1,2 - жесткости опор шпинделя. При известных законах тепловых и силовых нагрузок на ШУ - (Q и Р) и при помощи термоупругих моделей определяются: значение тепловой деформации δT, абсолютное превышение температуры в детали ШУ , внутриобъемный перепад температур, перепад температуры опоры и корпуса детали ΔT, которые позволяют получить значение максимальной жесткости kT при увеличении температуры ШУ. Регулирование или стабилизация температуры в корпусе определяется равномерным распределением температуры в объеме ШУ и минимальной избыточной абсолютной температурой. Установлено, что существует критерии, которые определяют степень равномерности температуры в деталях ШУ как в пространстве, так и во времени. Число Bi (Био) является критерием равномерного распределения температуры детали при соблюдении условия Bi≤0,1. Для ШУ число Bi (Био), как правило, всегда Bi≤0,1. Критерий Bi=αL(d)/λ зависит и определяется коэффициентом теплоотдачи (Вт/м град), коэффициентом теплопроводности λ (Вт/м град) и размера L(d) (м). Применительно к металлорежущим станкам значения α при свободной конвекции изменяются в пределах от 2 до 15, а значения λ для сталей от 40 до 50, для чугунов от 50 до 65. Тогда значения диапазонов критерия Био можно определить: для деталей из сталей Bi=(0,04-0,375)L, для деталей из чугуна Bi=(0,031-0.3)L. Следовательно, размер L(d) деталей, для которых температурное поле можно считать относительно равномерным, будет находиться в пределах: для сталей - менее 2.25÷0,267 м, для чугунов - менее 3,32÷0,33 м. Тогда изменение начальной деформации в опоре ШУ определится выражением [с. 225, Детали и механизмы металлорежущих станков./Под редакцией Д.Н. Решетова - М.: Машиностроение. 1972. - 520 с.]: Преобразуем (5) к виду: Здесь ζT=[(βкп-βвн)dвн-0,6βкпdвн-βкdк] - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяг) в опоре ШУ при изменении ее температуры на 1°С, где βкп, βвн, βк - коэффициенты линейного расширения корпуса, внутреннего кольца подшипника и тел качения; dвн, dнк, dк - внутренний диаметр наружного кольца подшипника, наружный диаметр корпуса подшипника, диаметр тел качения; Тм, ΔTп - избыточные температуры масла и подшипника. Тогда подставляя (6) в (4) и, проведя преобразование, получим значение приведенной жесткости в (1): Здесь j1,2=1/(δ01,02-δT1,T2)=j01,02/(1-δT1,T2j01,02) где - начальная деформация передней и задней опор ШУ; или, учитывая начальную жесткость k (4) и преобразуя (7), получим: kT=k-a1δT1-a2δT2, и подставляя (6) имеем: здесь , где ζТ1, ζT2 - относительное изменение начальной линейной деформации (зазор - натяга) и избыточные температуры ΔT1, ΔТ2 в опорах 1,2 ШУ. Следовательно, собственная частота ШУ (с нагревом) будет равна: Из (9) получим зависимость избыточной температуры и собственной частоты шпинделя (с нагревом): Поскольку ΔТc=Тс-20°С и ΔT1,2-=Т1,2-20°С, где Тс, Т1,2 - текущие измеренные температуры статора, передней и задней подшипниковых опор шпинделя соответственно, получим С учетом (11), зная измеренную характеристику собственной частоты, определяем требуемую температуру охлаждения, обеспечивающую максимальную жесткость мотор-шпинделя, а следовательно, и быстроходность, стабильность, эффективность и ресурс работы ШУ. Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет сбалансировать охлаждение статора и подшипниковых опор мотор-шпинделя с обеспечением минимизации вибраций последнего. Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой, неизвестной на дату приоритета из уровня техники совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата. Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий: - объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к машиностроению, в частности к высокоскоростным мотор-шпинделям для металлорежущих станков; - для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов; - объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.