DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158

В настоящее время человечество пытается использовать наноразмерные объекты. Эти процессы познания касаются всех областей деятельности, начиная с интеллектуальной и заканчивая метрологией, приборостроением, аэрокосмической промышленностью, робототехникой, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науки, в том числе экологии. Важным результатом таких процессов является, в частности, и создание российского голографического нанодлиномера с подшипником скольжения, обладающим рекордным разрешением в 10 нм и выше.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под ред. Л.И. Трахтенберга, М.Я. Мельникова
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #2/2022
Б.Г.Турухано, Н.Турухано, С.Н.Ханов, О.Г.Ермоленко
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР С ПОДШИПНИКОМ СКОЛЬЖЕНИЯ
Просмотры: 1471
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158

В настоящее время человечество пытается использовать наноразмерные объекты. Эти процессы познания касаются всех областей деятельности, начиная с интеллектуальной и заканчивая метрологией, приборостроением, аэрокосмической промышленностью, робототехникой, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науки, в том числе экологии. Важным результатом таких процессов является, в частности, и создание российского голографического нанодлиномера с подшипником скольжения, обладающим рекордным разрешением в 10 нм и выше.
Получено: 29.03.2022 г. | Принято: 1.04.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158

Научная статья
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР С ПОДШИПНИКОМ СКОЛЬЖЕНИЯ
Б.Г.Турухано1, зав. ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259
Н.Турухано1, вед. науч. сотр., Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0001-6983-5725
С.Н.Ханов1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
О.Г.Ермоленко1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru

Аннотация. В настоящее время человечество пытается использовать наноразмерные объекты. Эти процессы познания касаются всех областей деятельности, начиная с интеллектуальной и заканчивая метрологией, приборостроением, аэрокосмической промышленностью, робототехникой, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науки, в том числе экологии. Важным результатом таких процессов является, в частности, и создание российского голографического нанодлиномера с подшипником скольжения, обладающим рекордным разрешением в 10 нм и выше.

Ключевые слова: длиномер голографический, подшипник скольжения
Для цитирования: Б.Г.Турухано, Н.Турухано, С.Н.Ханов, О.Г.Ермоленко. Голографический нано­длиномер с подшипником скольжения. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 150–158. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158
Received: 29.03.2022 | Accepted: 1.04.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158

Original paper
HOLOGRAPHIC NANOLENGTH METER WITH SLIDE BEARING
B.G.Turukhano1, Head of LGIIS, Honored Inventor of RF, ORCID: 0000-0002-6441-4259
N.Turukhano1, Leading Researcher, Honored Inventor of RF, ORCID: 0000-0001-6983-5725
S.N.Khanov1, Leading electronics engineer, ORCID: 0000-0001-5237-1725
O.G.Ermolenko1, Leading Engineer Process Engineer, ORCID: 0000-0002-0460-0746 /
turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru

Annotation. Humanity is currently attempting to exploit nanoscale objects. These cognitive processes concern all fields of activity, from intellectual to metrology, instrumentation, aerospace, robotics, and in all high-tech fields of engineering, science, including ecology. An important result of such processes, in particular, is the creation of the Russian holographic nano length meter with a sliding bearing with a record resolution of 10 nm and higher.
Keywords: holographic length gauge, sliding bearing

For citation: B.G.Turukhano, N.Turukhano, S.N.Khanov, O.G.Ermolenko. Holographic nanolength meter with slide bearing. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 150–158. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2022.15.2.150.158

ВВЕДЕНИЕ
Подшипник скольжения (ПС) – это узел, осуществляющий связь между двумя движущимися деталями, одна из которых неподвижна. Подшипник устанавливается своим скользящим элементом на поверхности одного из узлов и будет перемещаться по нему, повторяя его характеристики с наименьшими искажениями, передавая это движение другому узлу.

Подшипник скольжения
К ПС предъявляются определенные требования, среди которых малое трение, минимальные биения, надежность, жесткость, неизменность параметров во времени и независимость от внешних условий, долговечность, температурная стабильность, минимальный износ и др.
Известно устройство "плоский подшипник скольжения со смазкой для линейной рельсовой направляющей" [1]. Это однокоординатный линейный подшипник, содержащий элемент скольжения (ЭС) в виде каретки с канавками для подачи смазки и роликами, расположенными по его противоположным бокам соответствующим двум сторонам линейной рельсовой направляющей. Направляющая содержит с двух сторон впадины, по которым катятся подшипники ЭС. Каждая впадина линейной направляющей играет роль опорной поверхности. Между кареткой и рельсом имеется смазка. Грязная смазка постепенно просачивается наружу посредством резинового узла, расположенного с каждой противоположной стороны ЭС, осуществляющего контакт с соответствующими впадинами линейной рельсовой направляющей.

Каретка ЭС скользит вдоль осевой линии, линейной рельсовой направляющей, будучи с ней в контакте посредством смазывающего вещества. Ролики, расположенные по бокам ЭС, входят в соответствующие впадины рельсовой направляющей. Конструкция позволяет уменьшить трение и шум, однако точность перемещения, которая обеспечивает данный подшипник скольжения, ограничена суммой следующих факторов:
использование смазки, в которой накапливаются пылевые частицы, меняющая свои характеристики во времени и в зависимости от температуры окружающей среды;
влияние температуры на стальные детали подшипника скольжения.

Существует также линейный ПС [2], содержащий ЭС в виде направляющего рельса. Направляющий рельс содержит рельсовые впадины (бороздки), которым соответствуют продольные гребни (выпуклости) по противоположным бокам ЭС. Каждая впадина направляющего рельса, играющего роль опорной поверхности, имеет форму готической арки, а соответствующая ей противоположная выпуклость ЭС имеет форму круглой арки в сечении. Между кареткой и рельсом имеется смазка. Каретка скользит вдоль осевой линии рельсовой направляющей, будучи с ней в контакте. Продольные гребни, расположенные на боках ЭС, входят в соответствующие арочные впадины рельсовой направляющей.

Конструкция позволяет уменьшить трение и шум. Однако устройство ПС имеет следующие недостатки:
сложная конфигурация сопрягаемых поверхностей продольных впадин направляющей рельса и гребней на скользящей каретке приводит к сложностям при изготовлении и подгонке двух соответствующих поверхностей, особенно при больших размерах, а это, в свою очередь, к снижению точности перемещения, обеспечиваемой подшипником;
наличие смазочных веществ снижает точность устройства из-за изменения зазора вследствие проникновения в смазку загрязняющих частиц из окружающей среды, появляющихся в результате трения контактных поверхностей;
возможность перемещения каретки только по одной координате;
температурная зависимость металлических узлов подшипника скольжения.

Длиномер голографический с подшипником скольжения (ДГПС)
ДГПС позволяет увеличить точность перемещения и дает возможности его перемещения по плоскости и по любой траектории. Он служит промежуточным звеном, связывающим два узла одного или разных механизмов, передает движение одного узла относительно другого с наименьшими потерями и искажениями.

Это обеспечивается выявленными в устройстве факторами:
  • уменьшением динамических погрешностей;
  • уменьшением влияния пылевых частиц;
  • уменьшением влияния температуры на узлах подшипника из-за возможности использования материалов с малым коэффициентом температурного расширения;
  • повышением устойчивости к коррозии, так как узлы подшипника выполнены из материалов с высокой твердостью;
  • возможности работы без смазки в силу конструктивных особенностей ЭС, содержащего канавки, а также из-за использования ЭС-материалов, обладающих микроканавками;
  • отсутствием электропроводности при подборе соответствующих материалов;
  • возможности перемещения по плоскости по любой траектории.

На рис.1a, b, c показана конструкция ПС с узлом ЭС, где а – вид снизу подшипника скольжения, b и c – сечения подшипника скольжения.

ЭС 1 выполнен из твердой керамики на основе Si3N4 и представляет собой цилиндр c большим 2 и меньшим диаметром 3, в котором выполнено углубление 10, и через шарик 5 связан с платформой 4, при этом ось отверстия шарика 5 совпадает с осями отверстий в ЭС и в платформе 4. ЭС 1 и платформа 4 установлены в корпусе 6. Сквозь отверстие в платформе 4, шарике и ЭС пропущена прочная кевларовая нить 12. Один конец нити 12 закреплен в фиксаторе 8 стопорным винтом 9, а другой конец закреплен на ЭС со стороны поверхности А фиксатором 13.

Цилиндр большего диаметра ЭС имеет паз 18. В кольце корпуса 6 в месте расположения паза 18 ЭС выполнен штырь 17, жестко с ним связанный. Паз 18 и штырь 17 расположены под углом 45° по отношению к ортогональной сетке канавок 11 и предназначены для ограничения углового вращения цилиндра ЭС. В своей нижней части, цилиндрический корпус 6 имеет буртик 19, который охватывает цилиндр большего диаметра 3 ЭС и фиксатор 13. Между фиксатором 13 и платформой 4 установлена пружина 7, обеспечивающая натяг нити на шарик 5 и сохранение постоянного значения зазора между платформой 4 и ЭС 1. Величину натяга легко регулировать до начала работы, меняя длину нити 12 и фиксируя ее стопорным винтом 9. Легко полированная плоскость поверхности ЭС входит в контакт с поверхностью, по которой будет перемещаться подшипник скольжения.

Шарик фиксируется посредством сварки или клея 14 в сферическом отверстии 15, выполненном в нижней плоскости платформы. Это обеспечивает зазор между платформой и элементом скольжения. Другой зазор 16, между платформой 4 и ЭС 1, обеспечен также разницей в их внешних диаметрах. Шарик 5 необходимо регулировать до начала работы, меняя длину нити 12 и фиксируя ее стопорным винтом 9. Такая конструкция обеспечивает соединение платформы, шарика и элемента скольжения без зазоров по оси системы. Паз 18 служит для прохода штыря, установленного с целью ограничения вращения ЭС 1 вокруг оси системы. В платформе имеется отверстие 19 для крепления во внешнем устройстве, где будет функционировать подшипник скольжения.

Такая совокупность признаков в ДГПС позволяет:
  • повысить точность перемещения механического узла по опорной поверхности;
  • уменьшить влияние температуры;
  • работать без смазки;
  • обладать устойчивостью к коррозии;
  • исключить электропроводность,
  • перемещать его по плоскости по любой траектории.

Работа устройства ДГПС
До начала работы собирается подшипник скольжения (ГПС) из узлов, показанных на pис.1a, в том числе из платформы 4, шарика 5 (жестко фиксированного верхней полусферой 8 к платформе 4 путем склеивания), ЭС 1, нити 12 и корпуса 10. Нить 12 проходит через платформы 4, шарика 5 и ЭС 1, натягивается и закрепляется в нижней части 13 ЭС и в верхней части платформы 8 с определенным натягом таким образом, чтобы отсутствовал зазор между ЭС и шариком после чего затягивается в узле 8 посредством винта 9. Затем подшипник устанавливается во внешнем устройстве (в данном случае в длиномере ДГ-30), где он будет в дальнейшем функционировать между двумя узлами этого устройства, один из которых неподвижен (см. рис.4) – шток ДГ-30 (узел 3) в качестве "опорной поверхности") и жестко связан с подшипником скольжения посредством крепежного отверстия в платформе подшипника скольжения 19, второй неподвижен (см. Рис.4, узел 2).

ЭС 1 подшипника скольжения устанавливается плоскостью А, содержащей канавки 11 (рис.1b), на опорной поверхности 2 (рис.4), по которой он будет перемещаться (скользить), входя с ней в соприкосновение. На рис.2 показан вид ЭС со стороны исследуемой металлической плиты. Подшипник располагается между двумя деталями (узлами): неподвижного длиномера и подвижного внешнего устройства 2 (рис.4), передавая, от одного из них к другому, движение без каких-либо искажений. Другими словами, он должен оказывать как можно меньше влияния на процесс движения, отвечая основным следующим требованиям: малое трение, минимальные биения, долговечность, стабильность к температуре, минимальный износ, жесткость, надежность, отсутствие накопления статического электричества и т.д. При перемещении по опорной поверхности ЭС устанавливается таким образом, чтобы в дальнейшем можно было осуществить движение под углом 45° по направлению паза 18. Для этого ось паза 18 должна совпадать с направлением перемещения. Такое направление наилучшим образом позволит ЭС собирать инородные тела, например пыль, с направляющей, для обеспечения максимально возможной точности перемещения.

Размер винта 17 меньше ширины паза 18, а длина меньше глубины паза, что позволяет элементу скольжения вращаться вокруг своей оси в небольшом угле (около 1–2°) и качаться относительно опорной поверхности. Эти перемещения позволяют ЭС самоустанавливаться на опорной поверхности и, тем самым, отслеживать истинное отклонение этой поверхности от плоскостности. Канавки 11 выполняют две функции: "снимают" пылевые частицы в канавках и уменьшают площадь соприкосновения скользящего элемента с опорной поверхностью. Движение без смазки происходит за счет того, что хотя бы одна из двух поверхностей ЭС или опорная поверхность, по которой скользит подшипник, имеет микроканавки. В данном конкретном случае, при использовании габродиабазовой платформы на поверхности, где расположена исследуемая плита 2, имеющая мелкокристаллическую структуру, благодаря чему ее полированная в плоскость поверхность оказывается покрыта канавками глубиной 0,5–1 мкм и шириной до нескольких мкм, в которых находится воздух. Таким образом, под каждой площадкой на стороне А – ЭС образуется воздушная подушка, что исключает присасывание элемента скольжения к опорной поверхности, и элемент скольжения получает дополнительную возможность перемещения по этой данной опорной поверхности.

С целью определения погрешности, вводимой подшипником скольжения при его практическом применении в системе ДГПС, был использован высокоточный цифровой длиномер голографический ДГ-30 с разрешением 0,01 мкм, который, через свой шток, жестко соединялся с платформой 4 подшипника скольжения через отверстие 19. При исследовании определялась плоскостность поверхности плиты 2 (рис.4), которая перемещалась во время испытания по опорной поверхности габродиабазовой платформы.

Причем отклонение от плоскостности поверхности габродиабазовой платформы, на которой устанавливалась исследуемая плита 2 (±0,02 мкм/300 мм), и погрешность самого голографического длиномера ДГ-30 (0,01 мкм/30 мм) в сумме должны быть меньше, чем ожидаемая величина погрешности ПС, включая его важный параметр – биение. Система работает следующим образом: во время эксперимента голографический длиномер вместе с ПС неподвижны относительно исследуемой подвижной плиты, расположенной на габродиабазовой платформе.

При этом длиномер голографический ДГ-30 позволяет отслеживать отклонения от плоскостности поверхности исследуемой плиты. На рис.5 видно, что погрешность всех используемых в эксперименте элементов: длиномера ДГ-30 с ПС, исследуемой плиты и габродиабазовой платформы оказалась меньше ±0,045 мкм (90 нм) на длине 180 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, конструктивное выполнение подшипником скольжения позволяет:
  • повысить точность перемещения двух механических узлов друг относительно друга посредством подшипника скольжения за счет;
  • усреднять неровности поверхности по площади плоскости А – ЭС;
  • устанавливать элемент скольжения на опорной поверхности, за счет шарика и прилегания скользящего элемента всей плоскостью к одной из поверхностей;
  • получить минимальные биения;
  • перемещать элементы скольжения без смазки.

Так как ГПС должен скользить обязательно по какой-то опорной поверхности, то эти поверхности (ЭС ГПС и опорная поверхность) подбираются такими, чтобы исключалось прилипание между ними, например, керамика (элемента скольжения) и диабаз (опорная поверхность). Диабаз имеет зернистую структуру даже после тщательной полировки, а между зернами существуют воздушные канавки или, наоборот, выбирать зернистую поверхность у элемента скольжения. Для таких целей имеются довольно большие наборы твердых полированных материалов.

осуществлять сбор пылинок, встречающихся на пути перемещения, в канавках элемента скольжения, вследствие чего пылинки не попадают между плоскостями и не вносят дополнительную погрешность;

добиваться большей устойчивости к коррозии из-за возможности использования малокоррозионных материалов типа:
твердой керамики на основе Si3N4;
бронзо-фторопластового антифрикционного материала, модифицированного фуллероидными наномодификаторами, что приводит к увеличению ресурса в 2÷2,5 раза.

Значительно меньшей температурной зависимости элемента скольжения, нежели при его исполнении из металлических конструкций, как у аналога и прототипа.

Вышеуказанные материалы обладают низким коэффициентом расширения, что позволяет использовать элемент скольжения при высоких температурах вплоть до +250°С и выше и делает его применимым в гидротурбинах, в энергомашиностроении, в транспортно- и авиамашиностроении. Они обладают:
  • малым трением;
  • жесткостью;
  • надежностью;
  • неизменностью параметров;
  • минимальным износом;
  • долговечностью.

Они также позволяют исключить электропроводность, что увеличивает его сферу применения в переменных эл/магнитных полях, перемещать его по плоскости по любой траектории, использовать его в паре с более сложной опорной поверхностью, по которой он перемещается, передавая неплоскую форму его нижнего торца, на котором выполнены канавки, и форму опорной поверхности, одновременно прилегая к ней и сохраняя при этом высокую точность перемещения. Это позволит увеличить функциональные возможности подшипника скольжения.

ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.

ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Direct driven slide guide bearing with lubricant supplying member, and lubricant supplying device (Плоский подшипник скольжения со смазкой для линейной рельсовой направляющей). Патент JP 9296824, МПК: F16C 29/02; 11.18.1997.
Linear guide plain bearing (Линейный плоский подшипник). Патент US 2003099414, МПК: F16C 29/02; 29.05.2003.
Подшипник скольжения. Патент РФ №2 465 493, МПК: F16C 29/02; пр. 28.02.2011. Турухано  Б.Г., Добырн  В.В., Турухано  Н., Кормин  В.Е.

Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art