Металлорежущие станки типовые механизмы и системы металлорежущих. 1. механизмы прямолинейного движения
 Скачать 5.97 Mb.
|
|
13. СИСТЕМЫ СМАЗЫВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ 13.1. Смазочные материалы В современных станках существуют две специальные гидравлические системы смазывания и охлаждения. Система смазывания должна обеспечить надежное смазывание всех основных трущихся сопряжений станка. При этом резко снижается износ механизмов, уменьшается шум при работе станка и возрастает его КПД. Охлаждение режущего инструмента и обрабатываемой заготовки значительно повышает стойкость инструмента и влияет на точность обработки, уменьшая тепловые деформации заготовки и узлов станка. Большое влияние на работу машин оказывает правильный выбор смазочного материала. Основные функции смазочного материала заключаются в следующем в обеспечении низкого коэффициента трения отвода теплоты от трущихся поверхностей удалении продуктов изнашивания из зоны трения и предотвращении попадания инородных частиц в зазор защите деталей от коррозии. Основным показателем, характеризующим смазочные материалы, является их способность снижать износ трущихся поверхностей. Достаточно порой ввести в зону контакта смазочный материал толщиной около 0,1 мкм, как силы трения снижаются враз и износ – враз. По физическому состоянию смазочные материалы делятся на жидкие (основные, пластичные и твердые. В качестве жидкого смазочного материала в большинстве случаев применяют масло на основе нефтяных углеводородов (основной смазочный материал современных машин. Пластичные смазочные материалы имеют в своем составе 75–95 % минеральных масел, 5–20 % – загустителя, образующего каркас, в котором удерживается минеральное масло и 0–5 % присадок. В тех случаях, когда обычные смазочные материалы применять нежелательно (в вакууме, при больших нагрузках и низких скоростях, применяют твердые смазочные материалы, характеризующиеся высокой теплостойкостью. Недостатком твердых смазочных материалов является отсутствие способности самовосстановления при разрушении смазочной пленки. Многие положительные свойства современных масел достигаются введением в них химических веществ (присадок, без которых масла не могли бы удовлетворять современным требованиям (противозадирные свойства, вязкостно-температурные характеристики и т. п. 88 В зависимости от условий работы рекомендуется применять следующие смазочные материалы при высоких нагрузках и низких скоростях – вязкие масла (пластичные, твердые при высоких скоростях – высококачественные масла с низкой вязкостью при высоких температурах – жидкие масла с присадками, твердые смазочные масла. Минеральные масла Смазочные масла на минеральной основе применяют для смазывания и охлаждения, переноса теплоты (теплоносители, в качестве рабочих жидкостей для гидравлических систем. Основные показатели качества масла при их выборе для обеспечения работоспособности деталей машин следующие скорость изнашивания контактирующих поверхностей, нагрузка, заедание, коэффициент трения и приработочные свойства. Вспомогательные характеристики вязкостно-температурная зависимость, антикоррозийность, вспенивае- мость, высоко- и низкотемпературные свойства, окислительная способность, диаэрация, совместимость с материалами уплотнений. Одна из наиболее важных характеристик смазочных масел – вязкость. Она отражает свойства масла сопротивляться деформации сдвига или скольжению слоев, те. определяет внутреннее трение. По закону Ньютона сила внутреннего трения т пропорциональна скорости сдвига dh dv/ и площади S поверхностей трения т (13.1) или т, (13.2) где – динамический коэффициент вязкости dv – приращение скорости, соответствующее приращению dh координаты толщина смазочного слоя. Вязкость большинства применяемых масел составляет 5 100 сПз. Отношение динамический вязкости к плотности называют кинематической вязкостью 89 Сжимаемость масел характеризуется коэффициентом сжимаемости, под которым понимают относительное изменение объема, приходящееся на единицу изменения давления с 0 d dV V , (13.3) где V 0 – начальный объем d dV / – изменение объема при изменении давления. Величина Е, обратная коэффициенту сжимаемости , называется модулем объемной упругости Е = (1,5 – 1,75) 10 3 МПа. Модуль объемной упругости и смазочная способность масла зависят от наличия воздуха в масле. Наличие нерастворенного воздуха вызывает образование пены даже при малом (менее 0,1 %) количестве воды, что отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах масел. Температурное расширение минерального масла характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения , под которым понимают относительное изменение объема при изменении температуры на 1 С, Д. (13.4) Ориентировочно считают, что при нагревании на 1 объем изменяется на 0,07 %. Теплоемкость минеральных масел характеризуется удельной теплоемкостью С, которая определяет количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 С. При температуре до 100 теплоемкость С = (2,05 – 2,1) кДж/(кг С). Теплопроводность минеральных масел характеризует теплопро- водящие свойства 135 , 0 Вт/(м С). (13.5) Кроме того, масла характеризуются температурой вспышки температурой застывания противокоррозионными характеристиками, оцениваемыми по кислотному числу, которое определяется количеством (мг) едкого калия (КОН, необходимым для нейтрализации 1 г масла противо- износными характеристиками. Типы масел, используемые в станках, и их основные свойства приведены [7]. 90 Пластичные смазочные материалы. Пластичные смазочные материалы представляют собой твердые или полутвердые продукты – дисперсии загустителя в жидком смазочном материале. Самую большую группу составляют мыльные смазочные материалы (кальциевые, натриевые, литиевые, бариевые, алюминиевые и т. пот состава загустителя которых зависят их свойства. Смазывание пластичными материалами обеспечивает снижение трения и износа в подшипниках в широком диапазоне температур при длительной эксплуатации, достаточную механическую стабильность способность сохранить первоначальные свойства после деформирования) и предотвращение попаданий в механизм воды и абразивных частиц в подшипниках смазочный материал распределяется тонким слоем и образует снаружи уплотнение, препятствующее его вытеканию и попаданию загрязнений. При низких нагрузках консистенция смазочного материала остается практически неизменной, обеспечивая защиту от коррозии поглощение небольшого количества загрязняющих примесей без ухудшения фрикционных свойств диапазон рабочих температур от –70 до +350 С. Главным ограничителем применения является отсутствие отвода теплоты. В станках пластичный смазочный материал используют в основном для смазывания подшипников, тихоходных зубчатых колес, где имеется плохая герметизация. К антифрикционным смазочным материалам относятся солидол синтетический – мазь от светло-коричневого до темно- коричневого цвета. Рабочая температура +70…–20 С. Используется в подшипниках качения nd 1,5 10 5 мм/мин, где n – частота вращения, мин d – диаметр отверстия внутреннего кольца подшипника, мм литол-24 – мазь коричневого цвета. Рабочая температура +30…–40 С. Используется в узлах трения всех типов циатим-202. Рабочая температура +90…–40 С. Используется для смазывания скоростных подшипников, небольших зубчатых передач. Для скоростных шпинделей применяют смазочные материалы циатим-221, циатим-202, ВНИИНП-223. Твердые смазочные материалы (графиты, дисульфит молибдена и др) характеризуются широким диапазоном рабочей температуры, высокой нагрузочной способностью, большой долговечностью, они не нуждаются в системах подачи смазочного материала и уплотнениях. Недостаток смазывания этими материалами – отсутствие отвода теплоты смазочным материалом и более высокое трение поверхностей, чем при применении жидких масел. 91 Твердые смазочные материалы применяют в основном в виде порошков или паст с концентрацией твердых компонентов 20 70 % общей массы (в качестве жидких компонентов используют минеральные масла. Наибольшее применение нашли графит и дисульфит молибдена. Графит обладает высокими смазочными свойствами, которые в наибольшей степени проявляются в присутствии влаги, он химически стабилен. Дисульфит молибдена имеет очень высокую химическую стабильность, стоек к большинству кислот, обладает диамагнетизмом. 13.2. Режимы смазывания Конструкция систем и устройств для смазывания зависит от требуемого режима смазывания. При гидростатическом режиме риса и б) трущиеся поверхности разделены масляным слоем толщиной h = 20 100 мкм при любых сочетаниях скоростей (0 80 мс) и нагрузок, и благодаря этому достигается минимальный износ. Отличительными особенностями являются высокое давление р н масла на входе в подшипник (до 20 МПа, а в большинстве случаев 3 5 МПа) и значительный расход (до 600 л/мин) масла через опоры. а б p н г в 1 Рис. 13.1. Гидростатическое смазывание опоры а – схема опоры б – распределение давления в кармане подпятника в, г – системы питания карманов 92 В качестве систем питания преимущественно используют много- поточные насосы (см. рис. 13.1, в, когда в каждый карман масло подается от своего потока, либо через дроссели, когда применяется один насоса подвод масла к каждому карману осуществляется через дроссель (см. рис. 13.1, г. Гидродинамический режим смазывания (рис. 13.2) образуется в клинообразной щели при определенных скоростях V скольжения (не менее 1 1,5 мс. Давление р м в зазоре (рис. 13.2, б) возникает вследствие затягивания в него вязкой жидкости, перемещаемой микронеровно- стями поверхности вала. Гидродинамический режим наблюдается при работе подшипников скольжения, направляющих, зубчатых и червячных передач при определенных сочетаниях скорости скольжения, давления р в зоне контакта и вязкости смазочного материала. Устойчивый режим сохраняется в диапазоне скоростей 1,5 60 мс. Система смазывания при образовании гидродинамического режима имеет простую конструкцию и не требует высокого давления р н (обычно р н = 0,1 0,3 МПа. Масло может подаваться самотеком от мно- гопоточного насоса с помощью регулируемых и нерегулируемых дросселей. Контактно-гидродинамический режим (рис. 13.3) характерен для зубчатых, цепных передач, подшипников качения, кулачков и при высоких контактных давлениях (до 200 МПа и более. нм а б Рис. 13.2. Схемы гидродинамического подшипника (аи распределения давления в клинообразном зазоре (б) 93 В условиях контактно-гидродинамического смазывания поверхности скольжения испытывают большие нагрузки и происходит их упругое деформирование, приводящее к увеличению зоны контакта В дои более мм, несущей нагрузку. При зазоре h = 0,5 1,0 мкм вязкость сжимаемого в нем масла увеличивается настолько, что у пленки смазочного материала появляются свойства, характерные для твердого тела (модуль упругости, коэффициент Пуассона и т. п. При этом между изменением давления на трущихся поверхностях и толщиной формирующегося смазочного слоя устанавливается определенное соотношение, обеспечивающее минимально необходимую толщину пленки для реализации режима гидродинамической смазки. Связь между минимальной толщиной пленки и максимальными контактными давлениями р показана на рис. 13.3, в, по которому ориентировочно можно определить зоны режимов смазывания. Для реализации контактно-гидродинамического смазывания подходит любая из систем для смазывания, применяемая для гидродинамической смазки, а также возможно смазывание с помощью масляного тумана или маслом, подаваемым импульсами. Рис. 13.3. Контактно-гидродинамическое смазывание подшипника a – схема тела качения б – распределение давления в зоне контакта в – зависимость толщины пленки от контактного давления I, II, III – гидродинамический, контактно-гидродинамический и граничный режимы смазывания в 1 h, мкм 210 1,4 2 0 р м , МПа I II III а б р м В 94 Большинство пар ния машин (направляющие – риса, зубчатые передачи, подшипники) работают приграничном смазывании, когда толщина слоя смазочного материала составляет около 0,1 мкм и менее. В этих условиях поведение смазочного материала определяется не его вязкостью, а зависит от основных свойств, которые он приобретает в узких зазорах под влиянием воздействия поверхностей трения. Поверхность твердого тела всегда покрыта тончайшей пленкой, которая образуется в результате адсорбции. Молекулы 1 (рис. 13.4, б) смазочного материала в адсорбированном слое ориентированы перпендикулярно к твердой поверхности 2 (в виде ворса, благодаря чему смазочный материал в тангенциальном направлении легко изгибается, а в перпендикулярном обладает сопротивлением сжатию. Слой имеет способность «самозалечиваться», что предотвращает схватывание в зоне контакта 3. Области существования различных режимов смазывания показаны на рис. 13.5. Рис. 13.4. Граничное смазывание деталей a – схема направляющих б – схема образования смазочного слоя б 1 3 2 а Рис. 13.5. Зависимость коэффициента трения f от скорости скольжения и области существования различных режимов смазывания I – гидростатического II – гидродинамического III – контактно-гидродинамического; IV – граничного f 0.3 I,II II–IV IV 0.2 0.1 0 V, мс 0.01 0.1 1 95 Переход от одного режима смазывания к другому не имеет четких границ, и существуют также переходные зоны, например режим полу- жидкостной смазки. Здесь появляются зоны контакта, а силы трения имеют две составляющие, обусловленные режимами граничной и жидкостной смазки. 13.3. Расход смазочного материала При гидростатическом режиме расход смазочного материала определяется основными эксплуатационными характеристиками (несущей способностью, жесткостью, потерями на трение и т. п. При других режимах смазывания часто расход выбирают, исходя из экспериментальных данных. Подшипники качения смазывают проточным жидким маслом или пластичным смазочным материалом. Высокоскоростные шпиндельные подшипники смазывают масляным туманом или путем впрыскивания масла в зону контакта. При выборе расхода смазочного материала следует учитывать, что подшипники с несимметричной конструкцией (радиально-упорные) требуют примерно враз большего расхода, чем радиальные. Это относится в первую очередь к импульсным, строго дозированным системам для смазывания. Роликоподшипники лучше удерживают смазочный материал, чем шарикоподшипники в упорных подшипниках смазочный материал сбрасывается стел качения силами инерции. При унифицированном смазывании между расходом масла и температурой подшипника существует прямая зависимость. При слишком малом расходе растут потери мощности и температура подшипника. С увеличением расхода потери и температуры падают до тех пор, пока не достигается минимум потерь при достаточном смазывании. При дальнейшем увеличении расхода возрастают потери мощности (на перемешивании масла, увеличивается температура. Необходимый расход масла при циркуляционной системе смазки м тр 35 t N Q , дм 3 /мин, (13.6) где N тр – суммарная мощность трения, расходуемая на все узлы станка, N тр = ном, кВт – КПД станкам С – разность температуры масла до входа и после выхода из зоны трущихся поверхностей. 96 По вычисленному количеству масла Q определяют производительность насоса нас, дм 3 /мин, (13.7) где К = 1,4 – 1,6 – коэффициент, учитывающий запас масла для нормальной работы смазочной системы. По производительности насоса выбирают или проектируют соответствующий насос. Диаметр трубопровода V Q d 6 , 4 , мм, (13.8) где Q – количество масла, протекающего через трубу, дм 3 /мин; V – скорость протекания масла, 2 – 4 мс. Объем резервуара для масла определяют исходя из запаса масла, равного четырех, пятиминутной производительности насоса смазки. Расчет фильтра (площадь фильтрующего материалам) где Q – количество материала, протекающего через фильтр, дм 3 /мин; р и р – давление масла, соответственно, перед фильтром и после него р – р 5 10 4 Па – динамический коэффициент вязкости, см – удельная пропускная способность фильтрующего материала, дм 3 /м 2 , равная 600 для бязи, 90 – для редкой сетчатой хлопчатобумажной ткани, 150 – для мягкого густого войлока на 1 см толщины, 500 – для густой металлической сетки, 800 – для пластинчатых фильтров с толщиной стенок = 0,05 0,08 мм. Для высокоскоростных шпиндельных опор при nd (4–5) 10 5 мм/мин лучшие результаты достигаются при подаче масла каплями (0,3 0,5 см 3 /ч), при объеме каждой капли 3 5 мм. (Потери мощности враз ниже, чем при циркуляционном смазывании) Смазывание с помощью масляного тумана (при расходе масла 60 100 капель/мин) дает несколько худшие результаты. При смазывании шпиндельных подшипников пластичным смазочным материалом при хорошей герметизации обеспечивается работоспособность налет. Однако быстроходность шпиндельного узла по сравнению с узлами, смазываемыми жидкими маслами, снижается на 30–35 %. 97 Расход смазочного материала при подачек подшипникам скольжения, см 3 /мин, (13.10) где K – коэффициент износостойкости смазочной пленки, м D – диаметр отверстия, см ℓ – длина опоры, см p – контактное давление, Па n – частота вращения, мин -1 В паре трения сталь-бронза БрАЖМц 10-3 – 1,5 при смазывании маслом МС Км. В системах смазки металлорежущих станков широко используются различные нормализованные элементы насосы, лубрикаторы, масло- распределители, фильтры, маслоуказатели, клапаны, масленки и др. 13.4. Системы и устройства для смазывания Системы для смазывания – совокупность устройств, обеспечивающих подачу смазочного материала к поверхностям трения, а также возврат его в смазочный бак. Система должна обеспечивать также хранение и очистку смазочного материала, контроль его поступления, предотвращение аварии оборудования при прекращении подачи смазочного материала, управление режимами смазывания. Для подачи смазочного материала используют силу тяжести (самотеком из баков, капельное смазывание и т. д капиллярные силы (с помощью фитилей, войлочных подушек, пористых втулок и т. п силу вязкого трения между смазочным материалом и перемещающейся поверхностью (с помощью фрикционных насосов, погружения вращающихся деталей в масляную ванну и т. п давление на свободную поверхность смазочного материала, заключенного в емкость (с помощью масленок и т. п центробежную силу и скоростной напор жидкости (с помощью винтовых устройств, устройств с конусными насадками и т. п перепад давления, создаваемый смазываемым механизмом (са- мозасасывание); перепад давления, создаваемый насосами силу инерции частиц смазочного материала (разбрызгивание, распыление. 98 Основным классификационным признаком для систем являются конструкция и принцип действия распределительных устройств. По указанному признаку системы для смазывания разделяют на системы с насосным распределением, дроссельного дозирования, двухмаги- стральные, последовательные, импульсные, аэрозольные и комбинированные. В качестве примера рассмотрим систему с насосными дроссельным распределением, которую применяют преимущественно при непрерывной подаче смазочного материала к трущимся поверхностям. В системе с насосным распределением многоотводной насос соединяют трубопроводами непосредственно со смазываемыми точками см. риса и б. Применяют поршневые см. рис. 13.6, в) и шестеренные см. рис. 13.6, г) многопоточные насосы. Поршневые шести- или двенадцатипоточные насосы выпускают с ручным или механическим приводом 4 (показано штрихпунктиром, они предназначены для подачи смазочного материала с кинематической вязкостью 10 400 мс при номинальном давлении 1,6 МПа. Наибольшая подача за один ход одного потока 0,04 cм 3 /ход. При вращении распределительного вала 3 начинает вращаться кулачок, который заставляет плунжеры 2 перемещаться возвратно- поступательно, в процессе чего они производят всасывание и нагнетание масла. Все более широкое применение для циркуляционной и особенно гидростатической системы для смазывания находят многопоточ- ные шестеренные насосы с числом потоков 5 10 (см. риса. Масло подается под давлением р н (см. рис. 13.6, б) и отводится по радиальным каналам (на рис. 13.6, г не показаны) из зон зацепления центрального колеса 3 и колеса 1, равномерно расположенных по окружности см. рис. 13.6, г. Вращение от электродвигателя передается навал, центральные колеса 3 и далее на колеса 1. Подробные сведения о других системах смазывания, применяемых в станках, а также основные технические характеристики многопо- точных насосов приведены [10]. |