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

Обратный ход поперечин осуществляется переключением распределителей 15, в результате чего жидкость высокого давления поступает в штоковые полости цилиндров 2, 9 и под поршень сервопривода соответствующего клапана наполнения 11. Клапан наполнения открывается, и жидкость из главного цилиндра вытесняется в питательный бак 13.

Согласование работы насосов и распределителей достигается с помощью электрогидравлической системы управления, которая обеспечивает дистанционное или автоматическое управление прессом в соответствии с заданным технологическим циклом.

Вкачестве рабочей жидкости при насосном приводе ре-

комендуется применять минеральные масла вязкостью 20– 30 мм2/с (сСт) при температуре 50 С. Рабочая температура масла в гидросистемах прессов не должна превышать 60 С.

Для надежной и долговечной работы гидросистемы пресса масло должно быть отфильтровано от частиц размером более 10–15 мкм, т.е. соответствовать 10–12-му классу чистоты по ГОСТ 17216–71.

Вкачестве источников жидкости высокого давления наибольшее распространение получили аксиально-поршневые насосы с переменной или постоянной производительностью, обеспечивающие давление нагнетания масла до 32 МПа. Это обусловливается их компактностью, способностью работать

сбольшой частотой вращения, равномерностью подачи масла и, главное, возможностью изменять производительность в процессе работы.

Требуемую суммарную производительность насосов Q л/ мин при индивидуальном насосном приводе пресса можно определить по формуле

где k = 1,05–1,10 – коэффициент, учитывающий сжатие жидкости в гидросистеме и упругую деформацию элементов прессовой установки;

81

i 1

где qmax – наибольший расход жидкости высокого давления в цикле прессования, дм/с; Umax – наибольшая скорость прессования, дм/с; Ai – площадь плунжера гидроцилиндра, дм2; n – количество цилиндров, одновременно участвующих в цикле прессования.

Мощность электродвигателя привода насоса

где pmax – наибольшее давление рабочей жидкости, МПа; Q – производительность насоса, л/мин; – 0,8–0,9 – коэффициент полезного действия насоса.

Проходное сечение трубопроводов высокого давления определяется исходя из допустимой скорости движения минерального масла, которая составляет 5–6 м/с. В трубопроводах низкого давления с целью уменьшения потерь давления допустимую скорость движения минерального масла принимают не более 2,5–3 м/с.

Связь между скоростями в различных сечениях трубопровода определяют из условия постоянства расхода жидкости (уравнение неразрывности струи жидкости):

Q vi Ai const,

где Q – количество жидкости, проходящей через сечение потока; vi – средняя скорость течения жидкости в i-м сечении потока; Ai – площадь i-го сечения потока.

Золотниковые распределители подбирают из каталогов по величине проходного сечения (условному переходу), которое должно быть равно сечению присоединяемой магистрали.

Регулирование скорости рабочих и холостых ходов пресса при насосном приводе сводится к изменению производительности насосной установки.

82

Насосно-аккумуляторный привод по сравнению с индивидуальным позволяет существенно снизить количество и установочную мощность насосов в гидроприводе пресса, особенно в тех случаях, когда продолжительность его рабочего хода составляет небольшую часть общего времени цикла. Применение такого типа привода целесообразно также тогда, когда в одном производственном помещении устанавливают большую группу прессов, питание которых жидкостью высокого давления от одного источника позволяет снизить эксплуатационные расходы.

На рис. 4.6 показана принципиальная гидросхема пресса с насосно-аккумуляторным приводом. Аккумулятор состоит из гидравлического 18 и воздушного 19 баллонов, соединенных между собой воздухопроводом, к которому подводится трубопровод 20 от компрессора. Аккумулятор может состоять из одного баллона, необходимый воздушный объем которого размещается непосредственно гидравлическом баллоне.

При полностью заряженном аккумуляторе его гидравлический баллон заполнен рабочей жидкостью до верхнего рабочего уровня, давление в нем равно максимальному рабочему. Насосы 16, питающие аккумулятор, отключены от гидросистемы высокого давления и работают вхолостую, перекачивая жидкость из бака 17 через открытые сливные клапаны обратно в бак.

Когда пресс начинает работать, жидкость из гидравлического баллона через клапанный распределитель 15 по трубопроводу поступает в соответствующие цилиндры. Уровень жидкости в баллоне опускается, давление в баллоне снижается, что регистрируется датчиками контроля уровня или давления. После снижения уровня жидкости до заданного положения насосы переводятся на работу под нагрузкой и начинают нагнетать рабочую жидкость в трубопровод, работая параллельно с аккумулятором.

Как только в работе пресса наступает пауза, насосы продолжают нагнетать жидкость в систему до полной зарядки

83

аккумулятора. Только после этого по сигналу датчиков насосы переключаются на работу вхолостую.

В качестве рабочей жидкости при насосно-аккумулятор- ном приводе с воздушно-гидравлическим беспоршневым аккумулятором применяют эмульсию, которую приготовляют на промышленной воде с добавлением 2% эмульсола марки А или Б по ГОСТ 1975–75. Масляная составляющая эмульсии адсорбируется металлическими поверхностями и создает на них пленку, защищающую от коррозии.

Применение аккумуляторов с непосредственным контактом гидравлической и газовой сред исключает использование масла в качестве рабочей жидкости. Это объясняется ухудшением смазывающих свойств минеральных масел, контактирующих с воздухом, и более интенсивным растворением воздуха в масле, чем в воде (примерно в 5 раз). Применение масла в насосно-аккумуляторном приводе возможно только при использовании аккумуляторов поршневого типа или с эластичной разделительной диафрагмой («чулком»).

При использовании эмульсии для получения высокого давления в насосно-аккумуляторном приводе наибольшее распространение имеют плунжерные насосы постоянной производительности, обеспечивающие давление до 32 МПа.

Расчет требуемой производительности насосов производят из условия обеспечения среднего за цикл расхода рабочей жидкости всеми механизмами пресса, подключенными к данному насосно-аккумуляторному приводу:

где Q – производительность насосов, л/мин; qi – полный расход жидкости высокого давления i-гидромеханизмом за цикл, л; Tц – продолжительность цикла работы пресса, с; k = 1,1–1,2 – коэффициент, учитывающий сжатие жидкости в гидромеханизме и упругую деформацию его элементов; о = 0,9 – объемный КПД гидросистемы.

84

Общий объем воздушно-гидравлического аккумулятора складывается из объема рабочей жидкости и объема воздушной (упругой) среды, создающей давление в аккумуляторе. Объем рабочей жидкости высокого давления состоит из маневрового объема, расходуемого при работе пресса (объем жидкости, соответствующий разнице уровней HM) и резервных объемов, необходимых для безаварийной работы аккумулятора. Маневровый объем жидкости VМ может быть определен по ее расходу в период рабочего хода:

где Aр – площадь плунжеров рабочих цилиндров; Sр – наибольший рабочий ход пресса, совершаемый под действием жидкости высокого давления; K – 1,2–1,3 коэффициент запаса.

Полный объем Vж жидкостной части аккумулятора с учетом нижнего аварийного объема, необходимого для предотвращения попадания воздуха в гидросистему пресса, определяется соотношением

при этом большие значения принимаются для прессов, имеющих высокие рабочие скорости.

Объем воздуха Vв в аккумуляторе определяется исходя из заданного перепада давления рабочей жидкости, который обычно принимают равным 5–10%. Расширение воздуха в баллонах происходит по политропическому закону с показателем политропы n = 1,35–1,40. Тогда

где pmax и pmin – давление в начале и в конце расхода рабочей жидкости из аккумулятора.

85

Если принять pmin / pmax = 0,9 и n = 1,35, то Vв = 12,35 · Vм, а общий объем аккумулятора Vнас будет равен

Управление подачей рабочей жидкости в насосно-ак- кумуляторном приводе осуществляется клапанными распределителями посредством открытия и закрытия соответствующих напорных и сливных клапанов, имеющих привод от общего кулачкового вала. Проходные сечения соединительных трубопроводов и клапанов определяют исходя из допустимых потерь давления в трубопроводе и рекомендуемых скоростей течения рабочей жидкости, которые для эмульсии составляют 8–12 м/с для напорных линий и 3–5 м/с для сливных линий.

Для регулирования скорости прессования при насосноаккумуляторном приводе пресса наибольшее распространение имеет метод изменения гидравлического сопротивления линии «аккумулятор – пресс», т.е. дросселированием потока рабочей жидкости, для чего в гидросистеме предусматриваются специальные дроссельные клапаны.

4.3.2. Расчет основных элементов гидравлических прессов на прочность

Станина является основным силовым элементом пресса. Она воспринимает полную нагрузку, возникающую при его работе. По своему конструктивному оформлению станины гидравлических прессов весьма разнообразны. Однако наиболее широкое распространение получили колонные конструкции, состоящие из верхней и нижней траверс, стянутых двумя или четырьмя колоннами в жесткую раму.

Траверсы изготовляют из стали литыми или сварными. Обычно они имеют коробчатую конструкцию, состоящую из двух плит, соединенных между собой системой ребер. Между ребрами располагаются гнезда для размещения рабочих цилиндров выталкивателей и прохода колонн. Верхняя

86

поверхность нижней траверсы, также как и нижняя поверхность подвижной поперечины, имеет пазы для крепления инструмента.

При расчете на прочность станину четырехколонного пресса, представляющую собой пространственную раму, заменяют двумя плоскими: продольной, плоскость которой параллельна фронту пресса, и поперечной, плоскость которой параллельна фронту пресса, и поперечной, плоскость которой перпендикулярна фронту пресса.

Траверсы рассчитывают на изгиб как балки на двух опорах. Расстояние между опорами l принимают равными расстоянию между осями колонн (рис. 4.8). Усилие цилиндра или опорные реакции инструментальной оснастки (контейнера, пуансона и т.п.) раскладывают на две равных составляющих с точками приложения в центрах тяжести опорных полуфланцев.

l/2 l/2

F/2 F/2

a a

Рис. 4.8. Схема нагружения траверсы гидравлического пресса с одним рабочим цилиндром

Выражение для максимального изгибающего момента

87

где R и r – наружный и внутренний радиусы опорных фланцев.

Допустимые напряжения при расчете траверс и поперечин принимают равными [ ] = 45–60 МПа для стали 35. Расчет траверс производится также на жесткость, при этом относительный прогиб (отнесенный к расстоянию между осями колонн) не должен превышать 0,15 мм/м.

Высота траверсы в месте заделки колонн обычно устанавливается по диаметру колонн и принимается равной (2,5–3,5)d, где d – диаметр колонны. В сечениях по месту установки рабочих цилиндров высота траверсы принимается не менее (1,2–1,5)D, где D – наружный диаметр цилиндра.

Колонны связывают нижнюю и верхнюю траверсы, а также служат направляющими для подвижной поперечины. Поверхность колонн, по которой скользит поперечина, тщательно шлифуют. Колонны в траверсах крепят гайками, для чего на концах колонн нарезают резьбу. В прессах усилием до 4 МН применяют метрическую резьбу, а в более мощных – упорную. Шаг резьбы может быть определен по соотношению

где t – шаг резьбы, мм; d – наружный диаметр колонны, мм.

Конструкция соединения колонн с траверсами должна обеспечивать удобство их изготовления и монтажа. Этому требованию удовлетворяет распространенная на практике конструкция, показанная на рис. 4.9.

Прессы, применяемые в металлургии для штамповки и прессования, как правило, подвергаются симметричной нагрузке относительно вертикальной оси. В связи с этим расчет колонн при центральном нагружении пресса производится из предположения, что усилие прессования равномерно

88

воспринимается всеми колоннами, и они работают только на растяжение. Наибольшее напряжение в сечении колонны можно определить из выражения

где Fном – номинальное усилие пресса; dmin – наименьший диаметр сечения колонны, обычно соответствует внутреннему диметру резьбы; n – количество колонн; [ ] – 60–80 МПа – допустимое напряжение для кованых колонн из стали 35.

1

2

3

4

Рис. 4.9. Конструкция соединения траверс с колоннами при помощи гаек: 1 – гайка разрезная; 2 – верхняя траверса; 3 – колонна; 4 – нижняя траверса

Гайки, крепящие колонны к траверсам, изготовляют из кованой или литой стали 45 монолитными или составными (из двух половин). Применение последних облегчает монтаж пресса. Половины гаек соединяют болтами. Размеры гаек определяются соотношениями: высота h – (1,0–1,5)d, наружный диаметр D 1,5d.

89

Главные цилиндры относятся к наиболее нагруженным элементам пресса и, как правило, имеют плунжерную конструкцию. Поршневые гидроцилиндры применяют в прессах малых усилий, использующих в качестве рабочей жидкости минеральное масло.

Плунжерные цилиндры представляют собой цилиндрическую оболочку с днищем плоской или сферической формы (рис. 4.10). На внутренней поверхности цилиндра выполнена расточка для установки направляющей втулки 4, манжетного уплотнения 5, а также нажимной втулки 6 с фланцем.

На наружной поверхности цилиндра имеются посадочные пояски для установки его в верхней траверсе 3. Крепление цилиндра к верхней траверсе осуществляется болтами при помощи фланца.

Материалом цилиндров чаще всего служит кованая сталь 35 или 45, отличающаяся высокой вязкостью. При определении прочности цилиндров гидропрессов расчету подлежат толщина стенки и днища, а также размеры опорного бурта (рис. 4.10).

В стенках цилиндров под давлением жидкости возникают радиальные, тангенциальные и осевые напряжения, которые достигают максимальных значений на внутренней поверхности цилиндра. Расчет стенки ведется по эквивалентному напряжению в соответствии с энергетической теорией прочности:

где p – давление жидкости, = d / D, d – внутренний диаметр цилиндра, D – наружный диаметр цилиндра; [ ] = = 100–120 МПа – допустимое напряжение.

При конструировании формы днища необходимо, чтобы переход от цилиндрической стенки к днищу выполнялся с большим радиусом во избежание концентраций напряжений. Рекомендуется пользоваться соотношениями

90