Инжиниринг оборудования для обработки материалов давлением кузнечно-прессовые машины. Учебное пособие

смесь с водой эмульсолов марки А или Б (ГОСТ 1975–53) для насосно-аккумуляторных станций. Большее содержание эмульсола рекомендуется для заполнения новых гидросистем, меньшее – для эксплуатирующихся. Состав эмульсола следующий: 83–87% минерального масла, 12–14% олеиновой кислоты, 2,5% едкого натра 40%-ной концентрации. Применяют также эмульсол ВНИИНП-117. Эмульсия, приготовленная дисперсной смесью 1% этого эмульсола с водой, обладает повышенной стойкостью, лучшей смазывающей способностью и антикоррозионными свойствами.

Основные элементы гидроприводов ГП следующие.

Сети низкого давления (накопительные сети) включают в себя наполнительный бак, накопительный клапан, трубопроводы, соединительную и регистрационную аппаратуру. Различают два вида сетей с естественным напором жидкости и искусственным напором жидкости.

Сети высокого давления включают в себя рабочие и возвратные цилиндры пресса, основные элементы и агрегаты гидропривода (аккумуляторы, мультипликаторы, насосы и др.), регулирующую и распределяющую аппаратуру (золотники, клапаны, вентили), а также трубопроводы.

Насосы. В приводе ГП применяют насосы разных типов:

–кривошипно-плунжерные насосы с мощностью привода до 1500 кВт, создаваемое давление 20–32 МПа;

–ротационно-плунжерные насосы подразделяют на насосы с радиальным и аксиальным расположением плунжеров. Они работают в основном на масле. Радиальные насосы используют для подачи жидкости при давлении 25 МПа

иобъеме подачи до 1000 л/мин. Аксиальные насосы имеют цилиндры и плунжеры, расположенные параллельно оси вала. Их используют при давлении до 42 МПа и объеме подачи до 800 л/мин;

–эксцентриково-плунжерные насосы все шире применяют в ГП с минеральным маслом и давлением 30–40 МПа и производительностью до 1000 л/мин;

71

–лопастные насосы (простого и двойного действия) применяют для подачи жидкости давлением до 7,5 МПа;

–шестеренные насосы применяют в основном для вспомогательных целей при давлении до 6,5 МПа и объеме воды до 150 л/мин.

Мультипликаторы. Используют как самостоятельный источник жидкости высокого давления в приводах ГП. Различают две разновидности паровоздухогидравлических мульипликаторов: с верхним и нижним расположением гидравлического цилиндра. Управление парогидравлическим мультипликатором производят при помощи паровых клапанов, установленных на его цилиндре и приводимых в действие системой рычагов от сервопривода.

Аккумуляторы жидкости используют в гидроприводе прессов для накопления жидкости в период технологических пауз, холостого хода и расходования ее во время рабочего хода. Аккумуляторы подразделяются на грузовые и гидропневматические (поршневые и мембранные).

Грузовые аккумуляторы делят на два типа:

–с неподвижным цилиндром и подвижным плунжером;

–с подвижным цилиндром и неподвижным плунжером.

Поршневой воздушно-гидравлический аккумулятор имеет гидравлический цилиндр с плунжером. Беспоршневой воздушно-гидравлический аккумулятор отличается от поршневого тем, что у него давление воздуха передается непосредственно на поверхность рабочей жидкости. Мембранные аккумуляторы применяют в случае использования в качестве рабочей жидкости минеральных масел, которые при окислении воздухом теряют свои свойства.

Распределительные и регулирующие элементы гидропривода. Крановые и вентильные устройства служат для управления вспомогательными гидросистемами пресса. Их устанавливают так, чтобы можно было отключить как пресс, так и отдельные элементы привода.

72

Клапанные устройства наиболее широко применяют в насосных и аккумуляторных приводах, работающих на водной эмульсии. Их подразделяют на предохранительные, сливные, наполнительные, перепускные, запорные и др.

Золотниковые распределительные устройства получили распространение в приводах, работающих на минеральном масле. Их основной недостаток – меньшая герметичность перекрытия, чем в предыдущих системах, это ограничивает область их применения давлением до 20–30 МПа.

4.3. Расчет основных узлов ГП на прочность

Гидравлический пресс представляет собой машину, которая производит механическую работу (совершает рабочий ход) за счет передачи энергии от привода рабочему органу с помощью жидкости высокого давления.

На рис. 4.6 представлена принципиальная схема наиболее распространенного четырехколонного гидравлического пресса с насосно-аккумуляторным приводом. Основными узлами пресса являются станина, подвижная поперечина 5, рабочий 6 и возвратные 10 цилиндры. Станина пресса состоит из неподвижных верхней 9 и нижней 1 траверс, соединенных в жесткую раму колоннами 3, и предназначена для установки всех узлов пресса. Подвижная часть рабочего инструмента – пуансон 4 – крепится к подвижной поперечине, которая направляется по колоннам. Неподвижная часть инструмента – контейнер 2 – опирается на нижнюю траверсу, в которой также монтируют возвратные цилиндры и выталкиватель 11, предназначенный для удаления отпрессованных заготовок из контейнера.

Принцип действия гидравлического пресса состоит в том, что под давлением жидкости, являющейся носителем энергии, плунжер 8 выталкивается из рабочего цилиндра 6. Вместе с плунжером перемещается подвижная поперечина 5, закрепленный на ней пуансон 4 и плунжеры возвратных

73

цилиндров. Давление жидкости в рабочем цилиндре создает усилие на плунжере, которое передается пуансону, а от него деформируемой заготовке, расположенной в контейнере. После окончания деформирования заготовки осуществляется подъем подвижной поперечины с пуансоном при помощи цилиндров обратного хода.

Рис. 4.6. Принципиальная схема гидравлического пресса

снасосно-аккумуляторным приводом:

1 – нижняя траверса; 2 – контейнер; 3 – колонна

сгайками; 4 пуансон; 5 – подвижная поперечина;

6 – главный (рабочий цилиндр); 7 – клапан наполнения;

8 – плунжер главного цилиндра; 9 – верхняя траверса;

10 – цилиндр обратного хода; 11 – выталкиватель; 12 – подвод сжатого воздуха (p = 0,4–1,2 МПа);

13 – наполнительный бак; 14 – переливной клапан;

15 – главный клапанный распределитель; 16 – насос;

17 – бак сливной; 18 – гидравлический баллон;

19– воздушный баллон; 20 – подвод сжатого воздуха высокого давления (20–32 МПа); 21 – клапан минимального уровня

74

Рабочий цикл гидропресса состоит из следующих основных периодов:

–приближение подвижной поперечины к заготовке перед началом рабочего хода – холостой ход;

–движение подвижной поперечины во время деформации заготовки – рабочий ход;

–возвращение подвижной поперечины в исходное положение – обратный ход.

В рабочий цикл процесса могут входить вспомогательные операции, такие как подача заготовки, удаление прессовки и т.п.

Рабочий и обратные ходы пресса осуществляют с помощью жидкости высокого давления (20–32 МПа), а холостой ход как правило – с помощью жидкости низкого давления (до 1,2 МПа). Источники высокого и низкого давления составляют гидропривод пресса.

Главной характеристикой пресса является номинальное усилие Fном, которое равно произведению наибольшего давления рабочей жидкости в гидроприводе pmax на сумму площадей плунжеров рабочих цилиндров Ai, т.е.:

i 1

Номинальное усилие является условной характеристикой гидравлического пресса, так как не учитывает силы тяжести подвижных частей пресса, потери на преодоление сил трения в уплотнениях и направляющих, гидравлические потери, а также сопротивление движению со стороны возвратных и уравновешивающих цилиндров. Номинальное усилие пресс развивает только в тот момент, когда скорость прессующей траверсы равно нулю и главный цилиндр соединен с источником рабочей жидкости, давление которой имеет наибольшую величину. Действительное рабочее усилие гидравлического пресса при рабочем ходе составляет 80–95% от Fном в зависимости от скорости перемещения подвижной поперечины.

75

Усилие, развиваемое гидравлическим прессом, теоретически может быть сколь угодно большим. Увеличивая площадь рабочего плунжера, повышая давление рабочей жидкости или применяя в прессе несколько рабочих цилиндров, можно получить усилие любой величины. Однако создание прессов очень больших усилий связано со значительными техническими трудностями. В настоящее время наиболее мощные прессы, применяемые для ковки заготовок, развивают усилие до 180 МН.

Другими параметрами гидравлического пресса, определяющими его технологические возможности, являются рабочий ход, скорость движения подвижной поперечины. Ход пресса может быть любой величины и зависит только от размеров заготовки и пути перемещения при ее деформации. Скорость движения подвижной поперечины определяется количеством жидкости, поступающей в рабочий цилиндр

вединицу времени, и может регулироваться в широких пределах вплоть до остановки в любой момент времени.

Гидравлические прессы позволяют наиболее просто реализовать схему двухстороннего прессования, которая по сравнению с односторонним преобразованием обеспечивает более равномерное распределение плотности заготовки по высоте.

Принципиальная схема гидравлического пресса, предназначенного для изготовления деталей и заготовок методом двухстороннего прессования, показана на рис. 4.7. Его отличительной особенностью является наличие верхнего 10 и нижнего 1 рабочих цилиндров, приводящих в движение верхнюю 7 и нижнюю 4 поперечины соответственно. Стол пресса 6, закрепленный на фундаменте болтами, является основной базовой деталью пресса, на которой крепится четырехколонная станина и инструмент (матрица). Верхний и нижний пуансоны крепятся к соответствующим поперечинам, которые имеют автономное перемещение. Колонны 5 также служат направляющими для подвижных поперечин,

врасточках которых установлены бронзовые втулки. Рабочие цилиндры плунжерного типа имеют литую конструкцию

76

и выполнены за одно целое с соответствующими траверсами 3 и 8. Цилиндры обратного хода 2 и 9 выполнены поршневыми и монтируются в расточках траверс. Их поршневые плоскости используются для ускоренного хода поперечин в период холостого хода.

4.3.1. Гидросистемы прессов и их расчет

Гидросистемы гидравлических прессов включают привод пресса, систему уравнения и трубопроводы. Особенности гидросистем определяются типом привода высокого давления, среди которых наибольшее применение находят насосный и насосно-аккумуляторный.

Низкое давление жидкости в гидроприводе пресса обеспечивается так называемой системой наполнения, которая включает обычно закрытый бак, являющийся аккумулятором низкого давления. Давление в нем обычно создается сжатым воздухом или инертных газом и составляет 0,4–1,2 МПа. Иногда в наполнительной системе применяется открытый бак, расположенный выше уровня рабочего цилиндра, благодаря чему и создается необходимое давление.

Насосный безаккумуляторный привод называют иногда индивидуальным, поскольку обычно он обслуживает только один пресс, в то время как насосно-аккумуляторный привод обслуживает, как правило, одновременно несколько прессов.

При насосном безаккумуляторном приводе рабочую жидкость высокого давления подают в цилиндры пресса непосредственно от насосов. Скорость плунжеров гидроцилиндров имеет вполне определенное значение, соответствующее подаче насосов. Давление, развиваемое насосами, соответствует удельному усилию, действующему на плунжер. Установочная мощность насосов определяется максимальной мощностью, развиваемой прессом, т.е. мощностью рабочего хода, совершаемого с наибольшим усилием и скоростью

77

прессования. В реальных условиях насосный привод расходует энергию соответственно полезной работе, совершаемой прессом.

При насосно-аккумуляторном приводе рабочая жидкость высокого давления поступает в цилиндры пресса от насосов и аккумулятора, который накапливает ее во время технологических пауз и холостых ходов, когда потребляемый цилиндрами пресса расход жидкости меньше производительности насосов. Аккумулятор питает цилиндры пресса в периоды цикла, когда расход жидкости высокого давления превышает производительность насосов. Применение аккумулятора обеспечивает более равномерную загрузку насосов в течение рабочего цикла и снижает их установочную мощность.

Скорость плунжеров гидроцилиндров при насосно-акку- муляторном приводе обусловливается величиной преодолеваемого ими сопротивления деформируемого металла, а также сопротивлением движению жидкости в гидросистеме. Давление, развиваемое насосами, соответствует максимальному давлению рабочей жидкости, которое устанавливается в аккумуляторе, и не зависит от усилий, действующих на плунжер. Количество энергии, потребляемое насосноаккумуляторным приводом пресса, не зависит от характера изменения сопротивления на плунжере, так как из аккумулятора потребляется жидкость практически постоянного давления.

Вопрос о рациональном выборе и проектировании гидропривода пресса или группы прессов следует решать с учетом скоростей и перемещений их основных и вспомогательных механизмов, а также последовательности и продолжительности операций рабочего цикла пресса.

На рис. 4.7 приведена принципиальная гидравлическая схема управления прессом двухстороннего прессования с индивидуальным насосным приводом. Гидропривод пресса состоит из насосов, аппаратуры управления, питательного бака и трубопроводов.

78

новочной мощности насосного привода пресса схемой предусматривается использование одних и тех же насосов как для привода главных цилиндров в период рабочего хода, так и для привода цилиндров обратного и ускоренного ходов, работающих на жидкости высокого давления. Применение насоса 18 малой производительности для питания главных цилиндров пресса в период выдержки прессуемой заготовки под давлением позволяет в это время отключать основные насосы и таким образом снижать расход электроэнергии.

Необходимые переключения в схеме управления прессом производятся золотниковыми распределителями 14 и 15, которые позволяют осуществлять необходимую подачу рабочей жидкости в любой из гидроцилиндров.

При холостых ходах поперечин 4 и 7 с пуансонами жидкость высокого давления направляется в поршневые полости цилиндров 2 и 9 золотниковыми распределителями 15, через которые производится слив жидкости из штоковых полостей этих цилиндров. В этот период главные цилиндры заполняются рабочей жидкостью из питательного бака 13, установленного над прессом, через соответствующие клапаны наполнения 11, которые под действием разрежения в цилиндре и давления в баке отрываются.

Во время рабочего хода жидкость высокого давления от насосов поступает в соответствующий главный цилиндр через распределитель 14. При этом клапан наполнения закрыт под действием усилия пружины и давления жидкости в цилиндре.

Во избежание чрезмерного повышения давления в цилиндрах обратного хода вследствие мультипликации при рабочем или холостом ходах пресса на их магистрали установлен предохранительный клапан 19. При остановке поперечин доступ жидкости высокого давления в цилиндры пресса прекращается, а гидравлические замки 12 надежно предохраняют поперечины от опускания под действием собственного веса при возможных утечках в распределителях.

80