Снижение податливости несущей системы измерительных приборов за счет применения адаптивных газостатических подшипников

Представлена математическая модель газостатической опоры с активным управлением, разработанная для повышения точности позиционирования и расширения функциональных возможностей измерительных и диагностических приборов. Модель включает плавающий кольцевой регулятор, что позволяет реализовать адаптивное управление характеристиками опоры. Разработанная аналитическая модель валидирована путем сравнения с результатами, полученными методом конечных элементов, что подтверждает ее адекватность. С использованием модели в среде Delphi выполнен расчет распределения давлений, статических характеристик и других параметров. Исследованы статические характеристики опоры, в том числе нагрузочная способность и податливость в пассивном и адаптивном режимах работы. Установлено, что применение активного управления позволяет существенно увеличить нагрузочную способность и снизить податливость. Выявлены режимы „нулевой“ и отрицательной податливости, демонстрирующие высокую стабильность и точность позиционирования, а также обеспечивающие достижение максимальной несущей способности при определенных условиях. Рассмотрены факторы, влияющие на устойчивость работы опоры, и проанализированы условия возникновения статической неустойчивости при превышении предельных значений управляющего давления. Полученные результаты демонстрируют возможность эффективного управления характеристиками газостатических опор путем изменения управляющего давления, что открывает перспективы для применения этих опор в прецизионных измерительных и диагностических системах, а также в областях, требующих высокой точности позиционирования и стабильности работы.

1. Hirn A. Study of principal phenomena shown by friction // Bull soc. induster. Millhouse, 1854. Vol. XXVI. P. 188–277.

2. Kingsbury A. Experiments with air lubricated bearing // Am. Soc. Nav. Eng. 1897. Vol. 9. P. 267–292.

3. Петров Н. П. Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости. СПб: Тип. А. С. Суворина, 1883. 210 с.

4. Reynolds O. On the theory of lubrication and its application to Mr. Beauchamp tower’s experiments, including an experimental determination of the viscosity of olive oil // Philosophical transactions of the Royal Society of London. 1886. Is. 177. P. 157–234.

5. Reynolds O. XXVIII. On the flow of gases // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1886. Vol. 21, is. 130. P. 185–199. https://doi.org/10.1080/14786448608627834.

6. Harrison W. J. The Hydrodynamical Theory of Lubrication with Special Reference to Air as a Lubricant // Trans. Cambridge Philos. Soc. 1913. Vol. 22. P. 39–54.

7. Patent US2086896A, МПК G01C19/38, Y10T74/1239, Y10T74/1282. Air supported gyroscope / L. F. Carter. Patent application no. US734619A.. Priority 1934.07.11. Published. 1937.07.13.

8. Patent US2683635A, МПК F16C32/0618, F16C32/0622, F16C32/067, F16C32/0696. Air bearing / M. W. Roy. Patent application no. US126757A. Priority 1949.11.12. Published 1954.07.13.

9. Patent US2683636A, МПК F16C32/0651, Y10S384/902, Y10T29/49639, Y10T74/12. Air bearing / M. W. Roy. Patent application no. US126758A. Priority 1949.11.12. Published 1971.07.13.

10. Пат. SU236138A1, МПК F16C 17/02, F16C 32/06. Газостатический радиальный подшипник с внешним наддувом / В. С. Васильев. Заяв. № 1120841/25-27 от 1966.12.22. Опубл. 1969.01.24..

11. Пат. № SU184565A1 СССР, МПК F16C 33/04, F16C 32/06. Газостатический радиально-упорный подшипник скольжения / А. М. Харитонов. Заяв. № 909193/25-27 от 1964.07.04. Опубл. 1966.07.21.

12. Шейнберг С. А. Экспериментальное исследование аэродинамических опор скольжения // Трение и износ в машинах. 1950. № 6.

13. Шейнберг С. А. Газовая смазка подшипников скольжения // Трение и износ в машинах. 1953. № 8.

14. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. М.: Машиностроение, 1979. 336 с.

15. Пинегин С. В., Поспелов Г. А., Пешти Ю. В. Опоры с газовой смазкой в турбомашинах ограниченной мощности. М.: Наука, 1977. 149 с.

16. Пинегин С. В., Табачников Ю. Б., Сипенков И. Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. М.: Наука, 1982. 265 с.

17. Пинегин С. В., Орлов А. В., Табачников Ю. Б. Прецизионные опоры качения и опоры с газовой смазкой. М.: Машиностроение, 1984. 215 с.

18. Пешти Ю. В. Газовая смазка. М.: Изд-во МГТУ, 1993. 381 с.

19. Сипенков И. Е., Филиппов А. Ю. Прецизионные газовые подшипники. СПб: Электроприбор, 2007. 503 с.

20. Афонин В. В., Сидора Н. Н., Семенов В. А. и др. Руководящий технический материал 108.129.101-76. Расчет радиальных газостатических подшипников турбомашин атомной энергетики. Л.: НПО ЦКТИ, 1976. 86 с.

21. Breńkacz Ł., Witanowski Ł., Drosińska-Komor M. et al. Research and applications of active bearings: A state-of-the-art review // Mechanical Systems and Signal Processing. 2021. Vol. 151. P. 107423. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107423.

22. Raparelli T., Viktorov V., Colombo F. et al. Aerostatic thrust bearings active compensation: Critical review // Precision Engineering. 2016. Vol. 44. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2015.11.002.

23. Грэссем Н. С., Пауэлл Д. У. Подшипники с газовой смазкой. М.: Мир, 1966. 423 с.

24. Al-Bender F. Air bearings: theory, design and applications. Hoboken: John Wiley & Sons, 2021. 592 p.

25. Thomas A. S. Design and status of the Spectroscopic Survey Telescope // Proc. of 1994 Symposium on Astronomical Telescopes and Instrumentation for the 21st Century. Kailua, Kona, HI, United States, 1 June 1994. P. 565–572. https://doi.org/10.1117/12.176224.

26. Курзаков А. С. Исследование работоспособности технологичной газостатической шпиндельной опоры // Станки и инструмент. 2013. № 8. С. 38–40.

27. Курзаков А. С. Расчет параметров адаптивной газостатической шпиндельной опоры // Вестник машиностроения. 2013. № 4. С. 27–30.

28. Курзаков А. С. Исследование управляемой газостатической шпиндельной опоры // Технология машиностроения. 2013. № 12. С. 25–27.

29. Курзаков А. С., Шатохин С. Н. Бесконтактные адаптивные шпиндельные опоры для прецизионных и высокоскоростных металлорежущих станков // Технологическое обеспечение машиностроительных производств: сб. науч. тр. I междунар. заоч. науч.-техн. конф. 2014. № 1. С. 310–314.

30. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.

31. Андерсон Д., Таннехилл Д., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2 тт. Т. 1. М.: Мир, 1990. 385 с.

32. Камерон А. Теория смазки в инженерном деле / Пер. с англ. В. А. Бородина. М.: Машгиз, 1962. 296 с.

33. Курзаков А. С. Разработка радиальных аэростатических опор с плавающими регуляторами: дис. … канд. техн. наук. Красноярск: Красноярский государственный технический университет, 2002. 211 с.

34. Курзаков А. С. Анализ методов теоретического исследования и расчета адаптивных аэростатических шпиндельных опор // Станки и инструмент. 2003. № 5. С. 7–11.