2.4. Влияние параметров кривошипного пресса

на склонность к перегрузке

Каждая из разработанных методик расчета сил кривошипных прессов при перегрузках представляет собой совокупность аналитических зависимостей величин этих сил от параметров кривошипного пресса: жесткости; момента, передаваемого муфтой включения; моментов инерции всех движущихся деталей и деталей, разгоняемых при включении муфты; скорости вращения кривошипного вала; коэффициента трения в подшипниках кривошипно-шатунного механизма; радиуса кривошипа и коэффициента шатуна.

Однако непосредственный практический интерес представляет не только аналитическая взаимосвязь величины силы перегрузки с перечисленными параметрами, но и то, в какой степени изменение каждого из этих параметров, в ту или иную сторону, влияет на величину этой силы.

Отдельные шаги на пути получения ответа на данный вопрос сделаны в работах [6, 8, 25]. В частности, обращалось внимание на влияние числа ходов пресса (скорости вращения кривошипного вала) на величину силы перегрузки [6]; податливости (или жесткости) системы [8, 25] и момента инерции маховика [25]. Однако эти исследования носили частный характер, а, например, вывод об уменьшении силы перегрузки при уменьшении момента инерции маховика [25], как будет показано далее в настоящей работе, является некорректным.

Поэтому представляется целесообразным на примере какого-либо конкретного кривошипного пресса провести комплексное исследование для получения необходимых ответов. Это позволит принимать обоснованные решения, например, при желании увеличить число ходов пресса (для повышения производительности), повысить давление воздуха, подводимого к муфте, с целью увеличить передаваемый ею крутящий момент (для получения возможности штамповать бóльшие, чем это предусмотрено технической документацией, поковки) и так далее.

В данном разделе изложены результаты исследования влияния параметров кривошипного пресса на склонность к перегрузке (на величину конечной силы, развиваемой прессом при перегрузке), выполненное на примере кривошипного горячештамповочного пресса силой 10 МН (1000 тс).

В качестве базового принят пресс модели К8540, имеющий при густой смазке: М_Р= 4,71·10² кН·м; С_пр.шт.= 4,2·10⁶ кН·м^-l; R=0,125м; λ=0,158; =3,38·10^-2м (соответствует коэффициенту трения в опорах µ=0,06); J=2,07·10⁴ кг·м²; J_вкл=318 кг·м² и ω₀=8,38 рад.с^-1 (обозначения приняты, как и в пре-дыдущем разделе).

Приведенные величины параметров, как было отмечено ранее, взяты из расчетной записки пресса. Для жидкой смазки те параметры, величина которых определяется при расчетах с учетом , были пересчитаны для , что соответствует верхнему пределу величины коэффициента трения для условий гидродинамической смазки [37], и составили:

М_Р = 2·10² кН·м; = 0,563·10^-2м; J = 1,38·10⁴ кг·м²; Jвкл = 225 кг·м².

Силы, развиваемые прессом при перегрузке, вычислялись для случая жесткого удара по формулам «энергетического метода», приведенным в работах [8, 22].

Методически работа выполнена следующим образом. Вначале силы, развиваемые прессом, рассчитывались для исходных величин параметров для густой и жидкой смазки (приведены выше), а затем при увеличении и уменьшении в два раза одного из параметров, в то время как остальные сохранялись равными исходным.

При этом очевидно, что увеличение или уменьшение в два раза отражает соответствующее изменение коэффициента трения . Кроме того, при изменении пересчитывалась и величина , также зависящая от .

Так, при увеличении и уменьшении в два раза, т.е. до величин 0,316 и 0,079 (что при неизменной величине R соответствует уменьшению и увеличению в два раза длины шатуна), величины для густой смазки были равны 3,85·10^-2 и 3,15·10^-2 м, при жидкой - 0,64·10^-2 и 0,524·10^-2 м.

Также учитывалось изменение при изменении величины R, что сказывалось на величине (при неизмененной длине шатуна).

По результатам выполненных расчетов были построены графики сил перегрузки (конечных сил на ползуне в момент его остановки) в функции угла поворота эксцентрикового вала (рис. 2.10). Обозначения на каждом графике показывают, какой параметр и в какую сторону изменен при расчете силы перегрузки ( ).

График, выделенный жирной линией (отмечен цифрой 1), построен по результатам расчетов для исходных величин всех параметров.

Первое, что можно отметить, сопоставляя эти графики, так это то, что склонность к перегрузке прессов с густой и жидкой смазкой практически одинакова.

При α < 6° сила у прессов с жидкой смазкой несколько больше (до 15%), а при α > 6° - меньше, чем с густой.

При густой смазке кривые более пологие, при жидкой смазке – пиково возрастают вблизи α = 0.

Это связанно с тем, что у прессов с густой смазкой доля энергии, расходуемой при нагрузке на преодоление трения в подшипниках кривошипно-шатунного механизма, в общем балансе энергии существенно выше, чем у прессов с жидкой смазкой.

Причем, это больше проявляется вблизи крайнего нижнего положения кривошипа, поскольку в этой зоне для одного и того же прироста силы в силовой системе, эксцентриковый вал должен провернуться на больший угол, чем в положениях далеких от нее. Следовательно, в этой зоне уменьшается и доля энергии , переходящей в потенциальную энергию упругой деформации

силовой системы пресса, т.е. происходит перераспределение долей расходуемой энергии. А поскольку трение в подшипниках у прессов с жидкой смазкой существенно меньше, чем с густой, то и перераспределение энергии этих прессов идет в сторону увеличения энергии на упругую деформацию. Поэтому конечная сила на ползуне вблизи крайнего нижнего положения возрастает резче.

Переходя к оценке количественного влияния изменения величин рассматриваемых параметров на величину конечной силы, развиваемой прессом, сразу можно отметить, что только момент инерции маховика (ведущих масс привода) практически не влияет на величину . Об этом говорит совпадение графиков сил, рассчитанных для случаев и 0,5J, с исходными (линии 1, рис. 2.10).

Во всех остальных случаях изменение величин рассматриваемых параметров влияет на величину конечной силы. И, как видно, степень этого влияния для различных параметров различна. Наибольшее влияние на склонность к перегрузке оказывает величина крутящего момента, передаваемого муфтой включения.

Так, двукратное увеличение или уменьшение этого параметра приводит к соответствующему увеличению или уменьшению конечной силы на ползуне для случая крайнего нижнего положения кривошипа (α=0) у прессов с густой смазкой в 1,7…1,75 раза, а с жидкой – в 1,5…1,6 раза по сравнению с силой при исходных параметрах.

Весьма существенно влияет на рост силы при перегрузке и увеличение числа оборотов кривошипного вала. Причем, при углах поворота кривошипа 6…8° это влияние даже больше, чем влияние момента, передаваемого муфтой включения, что выражается в увеличении силы перегрузки при α=20° на 15…20% по сравнению с предыдущим.

Общее увеличение силы перегрузки при увеличении ω₀ в два раза по сравнению с расчетом для исходных параметров составляет 1,6…1,65 раза.

При углах поворота меньше указанных, увеличение числа оборотов кривошипного вала сказывается меньше, чем увеличение момента муфты. Тем не менее, как видно из графиков, при α=0 сила перегрузки при увеличении ω₀ в два раза увеличилась дополнительно на 25…35% по сравнению с силой при исходных параметрах пресса.

Жесткость системы пресс-штамп и момент инерции ведомых масс также влияют на склонность пресса к перегрузке, однако, степень их влияния меньше степени влияния двух предыдущих параметров. При двукратном изменении их величин величина конечной силы изменяется в соответствующую сторону лишь на 10…20%.

Изменение коэффициента трения в ту или иную сторону приводит к обратному (по сравнению с ранее установленным) эффекту, т.е. при увели-чении его конечная сила уменьшается, а при уменьшении  увеличивается.

При этом в соответствии с ранее отмеченной разницей доли энергии, идущей на преодоление трения в подшипниках исполнительного механизма, в общем балансе энергии, расходуемой на нагружение пресса, у пресса с густой смазкой влияние коэффициента трения на склонность к перегрузке более существенно, чем у пресса с жидкой смазкой.

Так, при густой смазке при α=0 уменьшение µ в два раза привело к увеличению силы перегрузки на 50% по сравнению с исходным случаем, а у пресса с жидкой смазкой это увеличение составило лишь порядка 12%.

Что касается изменения геометрических параметров КШМ, в частности, R и , то можно отметить следующее. Уменьшение и увеличение в два раза практически не оказало влияния на склонность пресса к перегрузке. У пресса с густой смазкой наибольшее изменение силы перегрузки составило всего 5…7% от исходного варианта, у пресса с жидкой смазкой это изменение еще меньше. Причем, уменьшение приводит к увеличению силы перегрузки и наоборот.

Аналогично на склонность к перегрузке влияет изменение величины R, однако, это влияние более существенно, чем в предыдущем случае, особенно у прессов с жидкой смазкой, у которых уменьшение R в два раза привело к росту Р_к (при α = 0) на 30%. У прессов с густой смазкой это увеличение составило лишь 10%.

Таким образом, проведенное исследование позволило оценить степень влияния различных параметров на величину возможной перегрузки (по силе) кривошипных прессов.

Установлено, что влияние различных параметров на склонность к перегрузке различно.

Наиболее всего сказываются на силе перегрузки изменения величин крутящего момента, передаваемого муфтой включения, числа оборотов кривошипного вала и коэффициента трения в подшипниках кривошипно-шатунного механизма (последнее особенно проявляется у прессов с густой смазкой).

Очевидно, что полученные результаты пополняют сумму знаний, необходимых конструктору, который при проектировании новых кривошипных прессов, прорабатывая возможные их конструктивные варианты на стадии поиска требуемого решения, может двигаться в нужном направлении, не прибегая к детальным расчетам.

Другой вывод касается уже созданных прессов, в частности, их модернизации и эксплуатации при различных радиусах кривошипа вала (у прессов с регулируемым радиусом кривошипа).

В первом случае всегда следует помнить, что всякие изменения параметров пресса, особенно тех, которые существенно влияют на величину силы перегрузки, без корректировки других параметров может привести к неоправданным перегрузкам пресса.

Во втором случае, хотя и очевидна предпочтительность работы с большим радиусом кривошипа (с позиций величины возможной перегрузки), однако, окончательное решение должно быть принято с учетом влияния величины R на другие факторы, например, на расход энергии на штамповку, величину крутящего момента (точнее, при каких α возникает наибольший крутящий момент) и так далее.

В заключение следует отметить, что достоверность сделанных обобщений подтверждается результатами многочисленных расчетов применительно к различным видам и типоразмерам кривошипных прессов.