eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2022
Б.Г.Турухано, Н.Турухано, С.Н.Ханов, О.Г.Ермоленко
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР С ПОДШИПНИКОМ СКОЛЬЖЕНИЯ
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР С ПОДШИПНИКОМ СКОЛЬЖЕНИЯ
Просмотры: 1476
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.
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:
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:
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:
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:
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.
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
