2858.Оборудование литейных цехов учебное пособие

ского метра израсходованного воздуха и превращения его в полезную работу уплотнения смеси.

Изучение встряхивающих механизмов, выбор и анализ вариантов конструктивных решений удобнее всего проводить путем построения индикаторных диаграмм, являющихся изображением процессов, которые должны протекать в цилиндре машины.

Построить индикаторную диаграмму встряхивающего цилиндра пневматической формовочной машины в принципе возможно аналитическим путем. Для этого необходимо для каждой фазы рабочего цикла (наполнение цилиндра, расширение воздуха, выхлоп, сжатие) составить и решить систему уравнений движения поршня, в результате чего получится аналитическая зависимость давления в цилиндре от пути поршня.

Однако такое аналитическое решение представляется сложным вследствие особенностей рабочего процесса встряхивающего цилиндра пневматической формовочной машины. Данный процесс характеризуется развитыми участками впуска

ивыхлопа и очень небольшими по длине участками расширения

исжатия воздуха. Сложность аналитического исследования этого процесса состоит в том, что при свободном поршне, не имеющем принудительной кинематической связи, например шатун- но-кривошипного механизма, решение уравнений движения поршня именно на основных участках впуска и выхлопа при переменном количестве воздуха в цилиндре, в переменном объеме (при наполнении и опорожнении), при переменной температуре представляет большие математические трудности, в особенности для подкритической области истечения.

Всвязи с этим применяют методы: а) приближенного аналитического решения уравнений движения поршня и построения индикаторных диаграмм; б) приближенного построения индикаторных диаграмм по практическим данным.

81

Рассмотрим метод приближенного построения по опытным данным, разработанный проф. Н.П. Аксеновым. Этот метод основан на учете общего принципиального характера протекания процессов на том или ином участке цикла и тех практических пределов положения узловых точек диаграмм, которые получаются в действительности и могут быть установлены при снятии диаграмм нормально работающих машин. Индикаторные диаграммы, построенные этим методом, несомненно, менее приближаются к действительным, чем диаграммы, построенные на основа-

нии описанного выше метода приближенного аналитического решения. Однако в обычных случаях проектирования рядовых машин метод построения по практическим данным приводит к достаточно надежным решениям.

Построим индикаторную диаграмму встряхивающего цилиндра без отсечки воздуха, схема которого была приведена на рис. 4.3.

На индикаторной диаграмме (рис. 4.11) ход поршня S будем откладывать по вертикали, а абсолютное давление р воздуха в цилиндре – по горизонтали.

При пуске встряхивающего механизма, т.е. при первом ходе встряхивания в точке 1 начала движения поршня вверх, давление воздуха должно уравновесить сопротивление движению поршня. Пренебрегая силами инерции поднимаемых частей, напишем условие равновесия

82

( p1 −1)F = Q + R,

где p1 – абсолютное давление воздуха в цилиндре в точке 1, ат; F – площадь поршня, см2; Q – вес поднимаемых частей (поршня, стола, модельно-опочной оснастки и формовочной смеси), кгс; R – сила трения поршня, кгс.

Отсюда получаем минимально необходимое избыточное давление p1, ат,

p1 −1= QF+ R .

При последующих ходах встряхивания избыточное давле-

Q + R

F

вследствие подбрасывания вверх поршня не только давлением сжатого воздуха, но еще и силой упругого восстановления соударяющихся поверхностей машины. Равным образом давление

в начале хода может быть и несколько больше, чем QF+ R ,

вследствие инерции поднимаемых частей, которую мы не учитывали.

Вторая координата точки 1 индикаторной диаграммы равняется, очевидно, приведенной высоте вредного пространства S0 = V0/F, см, где F0 – объем вредного пространства встряхивающего цилиндра, см3.

На пути наполнения se от точки 1 до точки 2 давление в цилиндре повышается вследствие поступления сжатого воздуха из сети. При этом в самом начале движения при малых скоростях поршня давление повышается в большей мере, чем при дальнейшем подъеме, так как скорость поршня непрерывно возрастает. Такимобразом, линия впуска1–2 будетиметьвид параболы.

При приближенном проведении на диаграмме линии 1–2 следует иметь в виду, что повышение давления р2–р1 в большинстве встряхивающих формовочных машин при нормальных

83

условиях колеблется обычно в пределах 0,5–1,0 ат. Если на участке 1–2 впуска индикаторной диаграммы наблюдается сначала некоторое повышение давления, а затем его падение, то это указывает на недостаточное сечение впускного отверстия.

В точке 2 начинает открываться выхлопное отверстие. Воздух из полости цилиндра выходит в атмосферу. Несмотря на продолжающееся поступление свежего сжатого воздуха, давление в цилиндре падает, так как общее сечение выхлопных отверстий делается значительно (в 3–5 раз) больше сечения впускного отверстия.

До точки d диаграммы давление воздуха на поршень превышает силу сопротивления движению. Начиная с точки d, поршень движется вверх уже по инерции, расходуя свою живую силу на преодоление сопротивления движению. В точке 3 живая сила поршня (со столом и нагрузкой) израсходована. Поршень останавливается и начинает падать.

При ходе поршня вниз движущей силой является сила Q − R, а силой сопротивления – давление воздуха под поршнем

( p1 −1)F. Поэтому для точки 3 можно написать

( p3 −1)F ≤ Q − R,

откуда избыточное давление в точке 3, ат, p3 −1≤ QF− R .

Таким образом, точка 3 диаграммы не может находиться правее точки h.

В действительности точка 3 лежит обычно значительно левее точки h. При достаточно большом сечении выхлопного отверстия избыточное давление в точке 3 чаще всего получается 0,4–0,6 ат в машинах без отсечки воздуха. Это первое практическое условие, которое должно быть учтено при проведении линии 2–3 на подлежащей построению индикаторной диаграмме.

84

Второе практическое условие – величина участка Si пути поршня, которая чаще всего составляет 0,6–0,7 пути наполнения Se. Наконец, третье условие относительно характера линии 2–3 первой фазы выхлопа вытекает из рассмотрения баланса работ при подъеме поршня. Удельная работа, или энергия, сообщаемая поршню на пути 1–3 и отнесенная к 1 см2 площади поршня, складывается из работы сжатого воздуха а и энергии отражения стола е', кгс·см/см2, после предшествующего удара. Вся эта сообщенная поршню работа расходуется на преодоление сил со-

противления QF+ R на пути подъема, s см. Следовательно, имеем

aсж.в + e' = Q + R S. F

Заменим величину асж.в эквивалентной площадью на диаграмме, а величину QF+ R S – площадью прямоугольника 1abc.

Получим

Пл.123bc + e′ = Пл.1abc,

откуда следует, что

где

fлев = Пл. da3 и fправ = Пл.12d.

Соотношение (4.1) является тем третьим дополнительным условием, которым можно пользоваться при построении линии 2–3 индикаторной диаграммы, если заданы или намечены основные параметры проектируемой машины, в том числе основной параметр – энергия удара (и следовательно, связанная с ней энергия отражения). То же соотношение (4.1) позволяет определить фактическую величину энергии отражения по индикаторной диаграмме, снятой с машины при испытании.

85

Величина энергии отражения встряхивающего стола после удара зависит от коэффициента k восстановления скорости при отражении. Скорость стола в момент отражения v' = kv, где v – скорость в момент удара. Энергия же отражения составляет e' – ke, кгс·см/см2, е – удельная энергия удара в кгс·см на 1 см2 площади поршня. Обычно для встряхивающих формовочных машин k находится в пределах 0,3–0,5. Следовательно, энергия отражения составляет чаще всего 0,1–0,25 от величины энергии удара.

При ходе поршня вниз на участке 3–4 продолжается выхлоп и дальнейшее падение давления в цилиндре. В точке 4 выхлопные отверстия закрываются. Избыточное давление в цилиндре в точке 4 в машинах без отсечки воздуха большей частью лежит в пределах 0,2–0,5 ат.

Иногда при недостаточном сечении выхлопных отверстий на пути 3–4 сначала наблюдается падение давления до минимума, а затем вследствие притока воздуха из сети – некоторое повышение давления к точке 4.

В точке 4 диаграммы выхлопные отверстия полностью закрываются, и на участке 4–1 происходит впуск воздуха и сжатие его в цилиндре. В конечной точке диаграммы осуществляется удар встряхивающего стола о фланец цилиндра и уплотнение формовочной смеси в опоке. При установившейся работе машины диаграмма замкнется в исходной точке 1, и следующий цикл будет являться повторением рассмотренного.

Работа действующих сил при падении стола составляет

Q − R S, кгс·см/см2, и выражается площадью прямоугольника

F

ehbc. Если из этой работы вычесть сопротивление сжатого воздуха под поршнем машины, представленное площадью 341cb, то получимудельнуюэнергиюудара e в кгс·см на1 см2 площадипоршня:

e = Пл. ehbc − Пл.341cb,

или

86

где

Fлев = Пл. h34k и Fправ = Пл.1ke.

Рассмотрим теперь баланс работы за весь цикл движения поршня вверх и вниз.

Удельная (на 1 см2 площади поршня) работа действующих сил за цикл складывается из работы сжатого воздуха, выражающейся площадью 12341 индикаторной диаграммы fi, см2, и удельной энергии отражения стола е', кгс·см/см2. Если вычесть отсюда работу сил трения за цикл (на пути 2S, см), равную 2RS/F кгс·см/см2, то получим удельную энергию удара е, кгс·см/см2:

Силу трения R при испытании машины удобнее всего определять по индикаторной диаграмме безударного хода следующим образом.

Дросселируя поступающий в машину воздух пусковым краном или же вентилем на трубопроводе, заставим работать встряхивающий механизм с рабочей нагрузкой так, чтобы поршень и стол перемещались вверх и вниз, а удара стола не происходило. Снимем при таком режиме встряхивания индикаторную диаграмму и определим с помощью планиметра ее площадь fi0, см2. Легко видеть, что вся работа сжатого воздуха за цикл, выражающаяся площадью fi0, расходуется в этом случае на ра-

87

боту трения 2RS/F, так как при таком режиме е = 0 и е' = 0. От-

сюда находим среднюю за цикл удельную силу трения R = fi0

F 2S

кгс/см2.

Найдя при помощи формулы (4.2) или (4.3) энергию удара и при помощи формулы (4.1) энергию отражения е', отнесенную к 1 см2 площади поршня, легко пересчитать их на 1 кг падающих частей. Формулы пересчета соответственно приобретут вид, кгс·см/кг,

e0 = eFQ

и

e′ = eF .

0 Q

Наконец, определив е0, можно найти коэффициент, учитывающий долю использования потенциальной энергии встряхивающего стола при падении η = e0/S.

В заключение разбора индикаторной диаграммы встряхивающего цилиндра без отсечки воздуха рассмотрим влияние на нее главнейших факторов: элементов воздухораспределения, давления воздуха, нагрузки и др.

Величина хода наполнения Se влияет на диаграмму следующим образом. При увеличении Se увеличивается площадь fправ. Следовательно, увеличивается (хотя не обязательно

в той же мере) и связанная с ней площадь fлев, а также и путь Si. В результате увеличения Si, а также непосредственно и самого Se

увеличивается высота подъема S встряхивающего стола. При увеличенном Si выхлоп будет более глубоким, и энергия удара также, как правило, увеличится. При уменьшении Se получается обратная картина.

О влиянии сечений впускного и выхлопных отверстий говорилось выше. Влияние объема вредного пространства сводит-

88

ся к следующему. Вредное пространство увеличивает расход сжатого воздуха, так как при впуске воздуха в цилиндр оно также каждый раз наполняется. Однако, если в прессовых цилиндрах вредное пространство надо стремиться делать возможно малым, то во встряхивающих цилиндрах формовочных машин слишком малое вредное пространство оказывается нецелесообразным. При слишком малом S0 по сравнению с ходом поршня s давление в цилиндре на участке хода вниз 4–1 стало бы повышаться слишком резко. Площадь Fлев на диаграмме от этого уменьшилась бы, а площадь Fправ увеличилась. Величина энергии удара в результате стала бы меньше. Практически во встряхивающих механизмах с поршневым воздухораспределением величина приведенной высоты вредного пространства чаще всего находится в пределах S0 = 0,7–1,0 от длины хода поршня s.

О влиянии давления воздуха в сети следует сказать, что при понижении этого давления уменьшается давление в точке 2 диаграммы. Площадь fправ становится меньше, высота подъема встряхивающего стола и энергия удара уменьшаются. Наконец, при некотором достаточно малом давлении воздуха машина перестает работать. Повышение же давления в сети увеличивает высоту подъема стола и энергию удара.

Нагрузка, сила трения и площадь встряхивающего поршня тоже влияют на диаграмму. Если величину QF+ R увеличить, то площадь fправ уменьшится и вызовет уменьшение высоты встря-

хивания и энергии удара. Уменьшение величины QF+ R будет

оказывать обратное влияние.

При большой перегрузке машины либо при слишком сильном падении давления воздуха в сети иногда наблюдаются случаи работы встряхивающего механизма в течение некоторого времени в режиме перемежающегося хода. При этом имеет место правильное чередование ходов встряхивающего стола по два

89

(а иногда и по три) повторяющихся удара с различной длиной хода и силой удара либо чередование хода с ударом и хода без удара.

При наличии отсечки и расширении воздуха (см. схему механизма на рис. 4.6) индикаторная диаграмма встряхивающего цилиндра строится, как показано на рис. 4.12.

Эта индикаторная диаграмма отличается от диаграммы без отсечки воздуха (см. рис. 4.11)

строят в координатах р–S, где S – высотные параметры механизма.

Точка 1 диаграммы соответствует началу подъема поршня. Давление воздуха на поршень должно преодолеть суммарную силу тяжести поднимаемых частей машины с полезной нагрузкой Q и силу трения поршня о стенки цилиндра R:

где F – площадь встряхивающего поршня, м2.

90