Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел IV. МОЛОТЫ

В процессе движения фундаментный блок подвержен действию силы инерции

Р^^ = т^х,

сопротивления виброгасителей, пропорционального скорости х перемещения блока:

P.r = hx,

а также упругого сопротивления пружин и виброгасителей, пропорционального их деформации х\

где h - коэффициент гашения.

Таким образом, дифференциальное уравнение движения можно записать в виде

бодных колебаний блока.

При начальных условиях: t = О, х = О и х = v^, общее решение уравнения (16.2) имеет вид

X = —е~^^ sin kt,

к

где к =л/со^~6^.

Максимальное перемещение фундаментного блока от удара падающих частей

х_=(0,92...0,86)Уф/сй. (16.3)

Тогда на основании (16.1) и (16.3) масса фундаментного блока

(0,92...0,86)Vom^^ ,

Амплитудная характеристика виброизолированного фундамента не должна быть слишком большой, иначе раскачка всего молота затруднит его эксплуата­ цию. Однако она не должна быть и малой, чтобы блок не получился слишком громоздким или не возникло большого давления на грунт. Считают, что для ко­ вочных молотов с m = 1000...5000 кг х^^^ ^ l98...2,4 мм, а для штамповочных ст= 1000...25000 кг х^^ = 2,5...5 мм.

390

г л ава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

В точных расчетах виброизолированных фундаментов дополнительно про­ веряют виброустойчивость против резонансных явлений, возникающих в связи с возможным совпадением частот ударов падающих частей и собственно фун­ дамента. Необходимо также установить, не превышает ли полное давление ко­ роба допускаемой прочности грунта.

Глава 17. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИИ РАСЧЕТ ПАРОВОЗДУШНЫХ МОЛОТОВ

17.1. Термомеханическая система тепловой машины

Для тепловых машин типично взаимное преобразование термической и ме­ ханической энергии, поэтому эти машины можно считать термомеханическими или системами с двумя степенями свободы.

У большинства тепловых машин, в том числе у паровоздушных и газовых молотов, термомеханическая система в качестве поверхностей раздела содержит цилиндр и поршень, а в качестве рабочего тела - находящийся в цилиндре газ или водяной пар (далее пар). Подвижность поршня определяет механическую внешнюю степень свободы, а ввод (отвод) газом или паром теплоты (термиче­ ская работа) в систему (из системы) - термическую внешнюю степень свободы. В этом смысле газ или пар исполняет функции переносчика энергии, поэтому его часто называют энергоносителем.

Если энергоносителю (газу) придают идеальные свойства: 1) силы взаимо­ действия между молекулами газа отсутствуют, а сами молекулы - это матери­ альные точки, не имеющие геометрического объема и 2) свойства идеального газа в любой точке термомеханической системы идентичны, то равновесную систему считают идеальной. Равновесное состояние такой системы описывается уравнением Клапейрона

391

Раздел IV. МОЛОТЫ

согласно которому поступившая в систему теплота dQ расходуется на изменение внутренней энергии dU и совершение механической работы в связи с изменением объема системы: ApdVirjxQ А - тепловой эквивалент механической работы).

В удельных величинах уравнение (17.1) примет вид

В общем случае в координатах/? - F произвольный термодинамический про­ цесс можно представить в виде политропы с показателем степени п:

pV"" = const.

При определенных значениях п это уравнение описывает следующие основ­ ные процессы: изобарный (п = 0), изохорный (п = оо), изотермический (п = 1). Процесс без теплообмена с внешней средой (dQ = 0) совершается по модифици­ рованной политропе, называемой адиабатой, уравнение которой имеет вид

Показатель адиабаты к равен отношению удельных теплоемкостей при изо­ барном и изохорном процессах:

к=Ср1су.

Для двухатомных газов и их смесей (воздух) к= 1,4.

Разность указанных теплоемкостей определяет другую термодинамическую константу:

Cp-Cy = AR.

Сообщение термомеханической системе двух связанных между собой степеней свободы само по себе не делает процесс преобразования одной энергии в другую определенным. Например, нельзя без конца подогревать газ в цилиндре, повышая его давление - рано или поздно поршень выйдет из цилиндра или произойдет по­ ломка. Для того чтобы преобразование энергии продолжалось неопределенно дол­ го, систему необходимо периодически возвращать в исходное состояние.

Такое повторяющееся состояние термомеханической системы можно осу­ ществить, если подвод и отвод теплоты, вызывающие соответствующие измене­ ния объема газа, производить при различных положениях системы. Графики, отображающие эти процессы в координатах/7 - Кили T-S, образуют замкнутые

пользовать в качестве теплового двигателя либо холодильной машины.

Понятие энтропии S ясно из определения теплоты Q как термической рабо­ ты, совершенной системой:

dQ = TdS,

392

Рис. 17.1. Схемы циклических термомеханичес­ ких процессов:р - V{a)\ T-S{6)

где Q - в Дж; 5 - в Дж/К. Температура Т здесь - качественный фактор интен­ сивности протекания процесса теплового взаимодействия между системой и сре­ дой (сравните с понятием силы, перемещающей тело в пространстве), а эле­ ментарное изменение энтропии dS является количественной мерой (фактором экстенсивности) состояния взаимодействующей системы (сравните с длиной пути, пройденного телом под действием силы).

Втепловом двигателе термомеханическая система совершает прямой цикл обратимых процессов/? =/(F). Для выполнения этого условия формально необхо­ димо, чтобы на координатной плоскости линия расширения цикла лежала выше линии сжатия. В этом случае работа расширения, соответствующая площади abcfga, превышает работу сжатия edfge (см. рис. 17.1, а), и в целом система со­ вершает положительную работу против сил внешней среды.

Впрямом цикле системе сообщается положительная теплота Q (термическая работа). Она определяется разностью теплоты gj, полученной в процессе воз­

растания энтропии, и Q2, отданной при последующем уменьшении энтропии: Q = QiQi- Значит, должен существовать не только источник (нагреватель), передающий теплоту рассматриваемой термомеханической системе, но и оп­ ределенная система, воспринимающая неиспользованную в процессе преобра­ зования энергии теплоту (холодильник).

Поскольку в круговом процессе не должно быть приращения внутренней энергии (все параметры и функции состояния системы в конце цикла равны пер­ воначальным), по закону сохранения энергии теплота Q эквивалентна механи­ ческой работе. Тогда термический КПД цикла

17.2. Энергоносители паровоздушных и газовых молотов

Газ. Отличие реального газа от идеального обусловлено его микрофизичес­ ким строением. Во-первых, между молекулами реального газа существуют силы

393

Раздел IV. МОЛОТЫ

межмолекулярного притяжения, приводящие к возникновению внутреннего дав­ ления и соответствующему повышению полного давления газа при заданном объеме и температуре. Во-вторых, суммарный объем молекул в газовой системе вполне реален. Поэтому при сжатии, когда его доля все возрастает, начинают сказываться силы межмолекулярного отталкивания. Следовательно, для реаль­ ного газа уравнение Клапейрона не выполняется.

Известно много уравнений, достаточно точно описывающих свойства реаль­ ных газов. Наибольшее распространение получило уравнение Ван-дер-Ваальса:

ент, учитывающий изменение объема молекул.

Для исследования термически изолированной системы, в которой протекает адиабатический процесс, очень удобно использовать уравнение (17.3). При этом следует помнить, что для реального газа показатель адиабаты не является посто­ янной величиной вследствие изменения теплоемкостей газа в зависимости от дав­ ления и температуры. Любой реальный процесс в газовой системе сопровождается потерями энергии. Так, при конечной разности температур между системой и внеш­ ней средой существует теплообмен, являющийся следствием реальных теплоизо­ лирующих свойств разделяющей поверхности. Помимо этого имеются энергети­ ческие потери на трение и диффузию. В результате термомеханическая система оказывается неравновесной и без изменений во внешней среде процесс провести нельзя. В таком случае без затраты внешней работы система не может быть воз­ вращена в начальное состояние и, следовательно, реальные газовые процессы не­ обратимы. Второй закон термодинамики постулирует это правило для идеального и реального газов. Поэтому неопределенно долгое действие тепловой машины становится возможным только при работе термомеханической системы по круго­ вому циклу с несовпадающими процессами прямого и возвратного ходов.

В пределах же отдельных участков термомеханической системы всегда мож­ но наблюдать равновесие определенных факторов. Например, при тех размерах цилиндров тепловых машин, которые используются в натуре, давление в их по­ лостях в каждый данный момент всюду практически одинаково и обусловливает мгновенное механическое равновесие системы. В пределах требуемой точности можно принять, что перепад температур по цилиндру также незначителен, исклю­ чая, быть может, малый объем, непосредственно прилегающий к стенкам.

Водяной пар. Чтобы подчеркнуть специфические условия существования реального газа в состоянии, близком к насыщению, т. е. к превращению в жид­ кость, его называют паром, чаще всего адресуя это понятие к газообразному со­ стоянию воды.

Насыщенный водяной пар может существовать в виде однофазной системы при полном испарении воды (сухой пар) или двухфазной, но физически однородной

394

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

системы, являющейся смесью сухого пара и взвешенных в нем мельчайших капелек воды (влажный пар).

Влажный пар характеризуется степенью сухости х^, равной доле массы сухого пара в смеси, и давлением или температурой. Величину, дополняющую значение степени сухости до единицы, называют степенью влаж­ ности Xgl

Дополнительный подвод теплоты к змеевику паро­ перегревателя котельной установки сначала подсушива­ ет влажный пар, а затем повышает температуру сухого пара, превращая его в перегретый. Разность температур сухого насыщенного и перегретого паров одного и того же давления называют степенью перегрева. Очевидно, что при достаточно высоком перегреве пар становится газом в обычном понимании.

Если на термомеханическую систему с водяным паром наложить наперед за­ данные связи, то его можно заставить работать так, что определенный параметр или характеристическая функция состояния будет выдерживаться постоянной, т. е. со­ вершаться один из основных газовых изопроцессов. Для влажного пара характер протекания изопроцессов усложнен существованием двухфазной структуры.

Для идеального газа изотерма имеет вид монотонной гиперболы. Для пара (рис. 17.2) это - сложная кривая, имеющая характеристические точки в связи с изменением фазового состояния воды. На участке АВ существует только вода.

Вточке В начинается процесс парообразования, и ее координаты характеризуют состояние кипящей воды. При заданном давлении процесс парообразования со­ вершается при неизменной температуре (экспериментальный факт). Поэтому изобара ВС для двухфазной структуры влажного пара одновременно является и изотермой. В точке С вся жидкость выкипела и обратилась в сухой насыщенный пар. Поскольку физическое строение системы изменилось, кривая Т^ const пос­ ле точки С (в области перегретого пара) меняет свой ход, снижаясь с расшире­ нием объема пара при уменьшении его давления.

Существует критическая точка К с параметрами р^, v^ и Г^, при которых пре­ дельно возможно проявление жидкости в виде отдельной фазовой структуры.

Вэтой точке горизонтальный участок изотермы обращается в точку перегиба. Поэтому область влажного пара четко очерчена кривой аВКСЬ с участками: аВК - кривой жидкости и КСЬ - кривой пара. При высоких степенях перегрева пара изотерма модифицируется, приближаясь к гиперболе.

Втехнике поршневых тепловых машин применяют влажный насыщенный пар либо пар с небольшой степенью перегрева (участок CD). Следовательно, для них неприменимы уравнения состояния газовой системы. Однако в приближенных

395

Раздел IV. МОЛОТЫ

расчетах паровых машин можно пользоваться эмпирической формулой, анало­ гичной уравнению (17.3). Для влажного пара показатель к определяют по фор­ муле Цейнера:

^-1,035 +ОД х,о,

где х^^о - начальная сухость пара. Для сухого насыщенного пара А: =1,135, для перегретого ^ = 1,3.

Показатель к не связан с основными свойствами пара и, будучи сугубо экс­ периментальным коэффициентом, относится к среднему состоянию пара в тече­ ние исследуемого процесса. Часто идут по пути еще большего упрощения, полагая для всей области влажного пара к=\. Тогда получают уравнение вида

pV= const.

Это приближенное уравнение адиабатического процесса влажного пара, ко­ торое не имеет никакого отношения к изотермическому расширению-сжатию последнего.

Изменение параметров газа и пара в потоке. Действующей термомехани­ ческой системе присуща третья внешняя степень свободы - кинетическая, обу­ словленная необходимостью перемещения рабочего тела с конкретной скоростью w из резервуара с запасом газа или пара (воздушный ресивер, газовый баллон, паро­ сборник) в цилиндр системы. Для обеспечения неразрывности потока при разных поперечных сечениях резервуара F^^^, труб F^yg и цилиндра F^ скорости движения элементарных объемов газа должны сильно различаться. В правильно подобран­ ном резервуаре это будет очень малая скорость, в цилиндре она должна обеспечи­ вать движение поршня со скоростью v, заданной кинематическими требованиями к машине, а в трубе, т. е. на входе в цилиндр, быть пропорциональной отношению площадей:

Как и любая движущаяся масса, рабочее тело обладает кинетической энер­ гией. Увеличение скорости потока означает повышение уровня кинетической энергии:

dL=AKd(oy2,

что может быть достигнуто за счет расходования энергии другого вида, в дан­ ном случае термической.

Адиабатическое истечение. Этот случай перетекания газа или пара из одно­ го резервуара в другой особенно важен для исследования поршневых тепловых машин.

Дифференциальное уравнение процесса адиабатического истечения без теп­ лообмена с внешней средой имеет вид

396

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

Из уравнения (17.7) следует, что изменение скорости потока газа (пара) должно сопровождаться изменением давления, т. е. истечение газа (пара) в ци­ линдр тепловой машины может начаться только тогда, когда давление на входе превышает давление в цилиндре.

Обычно считают развившимся истечением такой процесс, когда перепад давлений составляет около 10%. Этой величиной нельзя пренебречь даже при грубых технических расчетах. Тогда критическая скорость для газа (воздуха) W-60 м/с при к= 1,4, а для влажного пара w ~ 80 м/с при А: ~ 1.

Дросселирование. Если на пути газа или пара встречаются сопротивления в виде местных сужений, то на их преодоление необходимо затрачивать энер­ гию. Проявляется это в форме работы адиабатического расширения, сопровож­ дающегося падением давления. Понижение давления при перетекании через местные сужения без использования освобождающейся при этом кинетической энергии называют дросселированием (мятием).

В самом сужении возникают струйные завихрения, но уже в непосредствен­ ной близости за ним вихревое движение затухает и скорость потока газа или па­ ра становится такой же, как и до сужения.

Анализ термодинамических диаграмм показывает, что это условие при Р\>Р2 выполняется, если возрастает энтропия. В результате работоспособность энергоносителя на входе в цилиндр машины падает. На этом основан метод ка­ чественного регулирования тепловых машин.

17.3. Циклы молотовых установок

Каждая из полостей рабочего цилиндра паровоздушного молота представляет собой термомеханическую систему, в которой в качестве рабочего тела (энергоно­ сителя) используется пар либо сжатый атмосферный воздух. Энергоноситель с тре­ буемыми параметрами необходимо генерировать и транспортировать в пределы термомеханической системы, обеспечив бесперебойное ее действие, а отработав­ ший энергоноситель - удалять. Для выполнения всех этих операций нужна сово­ купность агрегатов, составляющих энергосиловую установку привода паровоздуш­ ного молота. В ее пределах энергоноситель совершает замкнутый цикл.

На рис. 17.3, а приведена простейшая схема паросиловой установки. В котле 1 за счет энергии сгорающего топлива из воды генерируется влажный пар. При необходимости пар подсушивают и перегревают в пароперегревателе 2. Для

397

Раздел IV. МОЛОТЫ

Pk

b\c d\ e

О

Рис. 17.3. Схема простейшей паросиловой установки молота (а) и ее диаграмма (б)

компенсации неравномерности в расходовании пара при одновременной работе нескольких молотов в схеме обычно устанавливают паросборник 3 достаточно большого объема. От паросборника по трубопроводам пар с начальными пара­ метрами/? и 7 (свежий, или острый, пар) поступает в молот 4, Отработавший пар с конечными параметрами р^ и Т^ отводится из молота в конденсатор 5, где он, проходя по охлаждаемым водой трубкам, конденсируется. Насос 6 перекачивает образовавшийся конденсат в котел 1. Цикл энергоносителя завершен.

Обращаясь к курсу теплотехники, устанавливаем, что полный цикл рас­ смотренной установки - это цикл Ренкина (рис. 17.3, б). Его линия аЬ отобража­ ет сжатие воды в насосе при подаче ее в котел. Поскольку вода практически несжимаема, этот процесс принят изохорным. Подвод теплоты по линии bcde происходит в котле и включает следующие этапы: be - нагрев воды до темпера­ туры кипения; ed - генерирование влажного пара; de - перегрев в пароперегре­ вателе. Линия е/отражает адиабатическое расширение пара в рабочем цилиндре молота, а яияия fa - полную конденсацию пара.

На экономичность паросиловых установок значительное влияние оказывает правильный выбор начальных и конечных параметров пара.

Для паровых машин непрерывного действия (турбины) и периодического действия с установившимся режимом работы (поршневые двигатели) термичес­ кий КПД является достаточным показателем экономической эффективности паро­ силовой установки. Высокое качество изготовления и эксплуатации этих машин позволяет свести до минимума утечки пара во время работы. При остановке же трубопровод свежего пара у них обязательно перекрывают. По этим причинам целесообразно повышать давление пара до 9 МПа и выше, благодаря чему можно снизить общий расход энергоносителя при той же полезной работе.

Эксплуатация и состояние молотов и условия их работы оставляют желать лучшего: утечки энергоносителя чрезвычайно велики. Можно еще как-то при-

398

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

мириться с неизбежностью потерь при совершении технологических ходов (уда­ ров) и в цикле качаний падающих частей. Поскольку суммарное время пауз (простоев) у молотов оказывается больше суммарного машинного времени, а трубопроводы при этих паузах не перекрывают, непроизводительные потери энергоносителя оказываются очень большими. В результате полезный расход пара в молотовых установках обычно составляет 15...20% от общего и лишь изредка повышается до 30...40 %.

Работать на паре слишком высокого давления нецелесообразно, потому что получить достаточно низкое давление в конце расширения можно только при очень малом впуске свежего пара, а это усложняет управление молотом. Нельзя забывать и об ограничении по условиям техники безопасности: высокое давле­ ние может привести к перетеканию пара из верхней полости в нижнюю и вслед­ ствие этого - к самопроизвольному подъему падающих частей в цикле прижима. Однако неприемлемо и заниженное давление свежего пара. Конечно, при давле­ нии в 0,3...0,4 МПа потери на утечки значительно уменьшаются, но для сохра­ нения энергии удара и быстроходности молота приходится увеличивать размеры рабочего цилиндра. Это нежелательно, так как усложняет изготовление и ремонт молота, увеличивает потери вследствие возрастающей конденсации пара при его возросшем объеме, а также потери на трение при движении поршня.

Суммируя все эти противоречивые факторы, приходим к выводу, что опти­ мальным можно считать давление свежего пара/^ = 0,7...0,9 МПа.

Несмотря на явную экономию теплоты при работе молотов на перегретом паре, его почти не применяют в кузнечных цехах. Производственники объясня­ ют это эксплуатационными факторами: короблением рабочих элементов органов парораспределения, быстрым рассыханием сальникового уплотнения, утечками пара и увеличением износа цилиндра. Однако передовой опыт показывает, что перегрев пара до 260...280°С не приводит к короблению цилиндрических зо­ лотников и дросселей. Два других фактора прямо зависят от ухода за молотом и функционирования системы смазывания. Если смазывание недостаточно, то влажный пар с его обильным конденсатом хоть как-то его восполняет. Поэтому стандарты осторожны в отношении рекомендаций по перегреву, ограничивая его температурой 200 °С.

Нельзя дать однозначной рекомендации о давлении отработавшего пара, даже если выпуск проводят в такой неограниченный по объему резервуар, как атмосфера z р^^0,\ МПа. Объясняется это тем, что давление выпуска помимо прочего функционально определяется кинетикой потока энергоносителя при вы­ талкивании его из цилиндра. Чем больше скорость движения поршня, тем выше скорость истечения и больше перепад давления в цилиндре и трубе отработав­ шего пара. В результате давление выпуска в паровоздушных молотах колеблется

впределах 0,11...0,31 МПа в зависимости от характера хода падающих частей

иособенностей рабочих элементов парораспределительных органов. При по-

399