Методика проєктування безконтактного приводу на аеростатичних опорах як єдиної механічної системи

Abstract

У роботі представлено методику та алгоритм проєктування безконтактних приводів на регульованих конічних аеростатичних опорах. Основну увагу приділено структурному синтезу, вибору компоновки та розрахункових схем, а також статичній і динамічній стійкості приводу. Розглянуто конструктивні особливості одноопорних і багатоопорних систем, визначено їх переваги та обмеження. Запропоновано етапи проєктування: від попередніх розрахунків до уточнюючих аналізів із використанням методу кінцевих елементів і комп’ютерного моделювання. Детально описано алгоритм розрахунку опорної системи на задане навантаження з урахуванням жорсткості, вантажопідйомності та витрати повітряного змащення. Методика відпрацьовувалась при модернізації аеростатичного одноопорного пневмошпинделя для верстатів різання монокристалів, при розробці та подальшій модернізації високошвидкісного пневмошпинделя на конічних, регульованих за зазором і різних за своєю геометрією (а також конструкцією) опорах. Проведено модернізацію конструкцій задля підвищення ефективності приводу: зменшення маси, зниження витрат повітря та підвищення надійності. У ході дослідження властивостей та характеристик приводів на регульованих аеростатичних системах, розроблено або уточнено математичні моделі та алгоритми комп'ютерного моделювання. The paper presents a methodology and a step-by-step algorithm for designing contactless drives based on adjustable conical aerostatic bearings. It systematically explores the main stages of the design process, including structural synthesis, development of layout and calculation schemes, as well as evaluation of the drive's static and dynamic stability. The study examines both single-support and multi-support configurations, highlighting their respective advantages, limitations, and areas of application. The proposed approach covers the key design stages, including the definition of technical requirements, structural synthesis of the drive, development of design schemes and selection of optimal bearing configurations. Special attention is paid to tapered bearings because of their advantages in reducing overall weight, volume, and air consumption while maintaining sufficient load capacity and rigidity. The design procedures incorporate both analytical methods and finite element modeling for refining structural and performance parameters. The static performance evaluation of the conical support system under specified loads is of special importance. An iterative method is proposed to determine optimal geometrical and technological parameters that meet technical specifications while ensuring sufficient load capacity, rigidity, and air consumption efficiency. The research also addresses dynamic behavior by analyzing critical frequencies and motion stability using computational simulations. The modernization of support structures is emphasized as a crucial step to improve drive performance.