Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел IV. МОЛОТЫ

строении индикаторных диаграмм давление р^ всякий раз задают средним зна­ чением на все время выпуска.

КПД молота даже для идеальной паросиловой установки невысок. Это сви­ детельствует о его несовершенстве как тепловой машины из-за оговоренных выше параметров энергоносителя. Если их улучшать, то идеальный термический КПД будет возрастать, однако реальный КПД будет уменьшаться, так как для небольшого увеличения теплоперепада в систему приходится вносить количест­ во теплоты, непропорционально возрастающее в связи с утечками.

Повлиять на КПД всей паросиловой установки все же можно, если полезно утилизировать теплоту отработавшего пара. Одним из эффективных способов повышения экономичности паросиловых установок является теплофикация.

Схема энергосиловой установки привода молота со сжатым воздухом (рис. 17.4, а) построена на базе двух круговых термодинамических процессов: пер­ вичного, например цикла Ренкина конденсационной электростанции с турбогенера­ торами, и вторичного цикла установки, состоящей из компрессора и воздушного двигателя (молота). Состав схемы первичного цикла аналогичен составу схемы, по­ казанной на рис. 17.3, а, но вместо молота здесь установлена паровая турбина 7. Преобразователем, связывающим оба термодинамических цикла, служит система, содержащая электрогенератор 2 и электродвигатель 3. Схема вторичного цикла включает в себя компрессор 4, холодильник 5, нагреватель 6 и молот 7.

Кроме кузнечных цехов сжатый воздух на заводах потребляют и другие производства (для привода пневматического инструмента, приспособлений, в це­ пях управления и т. д.). Чтобы обеспечить надежную и безопасную работу всех этих потребителей, необходимо подавать сжатый воздух с нормальной темпера­ турой (15...20 °С). Теплота у воздуха отбирается непосредственно через стенки компрессорного цилиндра либо в холодильнике 5.

Идеальным случаем является полный отбор теплоты при сжатии по изотер­ ме. Если компрессорный цилиндр теплоизолирован, то процесс сжатия носит адиабатический характер. В реальных условиях компрессор работает по поли­ тропе с показателем ^ = 1,15... 1,25.

Р\ b с

Воздух

Рис. 17.4. Схема энергосиловой установки на воздухе (а) и ее диаграмма (б)

400

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

Проанализируем энергетический баланс тепловой установки, состоящей из компрессора и воздушного двигателя, с идеальным циклом, считая, что у них отсутствует мертвое пространство и нет термокинетических потерь (рис. 17.4, б). Круговой процесс начинается в точке а, где впущенный в компрессор атмосфер­ ный воздух с начальными параметрами р^ и t^ начинает изотермически сжимать­ ся согласно кривой pV= const до точки b с давлением /?^ = гр^ (где 8 - коэффи­ циент сжатия) и температурой t^j = t^.

В нагревателе 6 (см. рис. 17.4, а) воздух подогревается по изобаре be, и в систему поступает теплота. Затем следует адиабатическое расширение в ци­ линдре воздушного двигателя согласно кривой cd. Как известно, располагае­ мый теплоперепад в пределах заданного адиабатического расширения ра­ бочего тела определяет полезную работу, отданную системой. При движении по изобаре от d к а объем газа увеличивается и, следовательно, теплота пере­ дается отработавшему воздуху в естественном теплообменнике или, попросту, в атмосфере.

При подаче воздуха без промежуточного подогрева точка с сливается с точ­ кой b и параметры воздуха перед расширением соответствуют его параметрам после изотермического сжатия. Начальное давление сжатого воздуха на входе в молот выбирают из тех же соображений, что и для пара.

Перевод молота на подогретый до 200 °С сжатый воздух значительно по­ вышает термический КПД: от 40,6 % до 52,4 %. Это происходит потому, что с повышением температуры подогрева располагаемый теплоперепад возрастает при неизменной работе сжатия.

Сжатый воздух может конкурировать с паром. Однако конечная оценка их должна основываться на конкретно-временных критериях применительно к данным условиям производства и существующим ценам на энергию, сило­ вое оборудование и т. п. Расчеты показывают, что, например, при 250-мет­

Лв.м = 0,069. При подогреве значение КПД меняется в пользу сжатого возду­ ха: при t = 200 °С Г|з^ = 0,0840, а TJ^.M = 0,0754. При более коротких трубо­ проводах показатели работы молота на паре улучшаются, а при длинных - ухудшаются: сказываются возрастающие потери на конденсацию и утечки, а также термокинетические потери.

Для кузнечного цеха очень важно влияние вида энергоносителя на произво­ дительность. Оказывается, что при переводе молота на сжатый воздух произво­ дительность обслуживающей бригады повышается вследствие улучшения усло­ вий труда: молот обычно в лучшем состоянии и меньше изношен, утечки не мешают работе и т. п. Эффективная мощность молота при работе на сжатом воз­ духе в идентичных условиях незначительно повышается.

401

Раздел IV. МОЛОТЫ

17.4. Методы термомеханического расчета паровоздушных молотов

Проектирование тепловой машины предусматривает расчет экономичного энергоносителя ее термомеханической системы. В связи с этим прежде всего обосновывается выбор энергоносителя, поскольку его свойства непосредственно влияют на весь ход расчетов.

Сложность конечных формул зависит от характера закономерностей, кото­ рым подчиняется состояние энергоносителя в термодинамических процессах. При расчете, например, паровой турбины необходимо максимальное приближе­ ние к реальным условиям системы в силу высоких требований к конечной точ­ ности формул, вытекающей из назначения турбины. Для молотов же с их произвольным режимом работы оказываются вполне приемлемыми упрощения, лишь бы они в определенной степени отвечали условиям работы рассчитывае­ мой системы.

Влажный пар как энергоноситель особенно удобен для аналитического ис­ следования, поскольку его адиабатическое расширение и сжатие (основные про­ цессы в цилиндре молота) описываются с достаточной степенью приближения уравнением наиболее простого вида:/?К= const.

При тепловом расчете рассматривают не полный термодинамический цикл паросиловой установки, а частное изменение параметров влажного пара раз­ дельно в верхней и нижней полостях рабочего цилиндра, а также вызванное этим циклическое движение поршня и бабы.

Действительные индикаторные диаграммы записывают непосредственно на молотах при помощи соответствующих приборов. Расчетные индикаторные диаграммы получают аналитическим путем по методикам, предложенным уче­ ными. Расчетные индикаторные диаграммы позволяют определить эксплуата­ ционные качества молота и установить энергию удара, скорости и числа ходов падающих частей в единицу времени. На основании этих диаграмм определя­ ют расход пара и рассчитывают линейные размеры органов парораспределения и управления.

Разработка теории паровоздушных молотов начата трудами известных рус­ ских ученых: И.А. Тиме, П.К. Мухачева, Я.Н. Марковича и др. На первых порах они ограничивались изучением последовательных ударов ковочного молота при работе на влажном паре.

Расчетная схема рабочего цилиндра в принципе не отличалась от современ­ ной и учитывала объемы нижнего и верхнего вредных пространств как цилиндра (F^i и К^1 соответственно), так и проходных каналов (F^2 и V^j) или их суммы:

Периоды состояния пара при прямом ходе поршня включали впуск, расши­ рение-сжатие и выпуск. Примем современные их обозначения в долях от полно-

402

г л ава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

го хода поршня Н^: уН^ и уН^ - участок впуска нижнего и верхнего пара соот­ ветственно; рД„ и Р'Д„ - участок расширения и сжатия пара соответственно; (1-у-Р)Я^ и (1-У-р')Я^ - участок выпуска нижнего и верхнего пара соот­ ветственно. Здесь у, у\ р, р^, (1-у-р), ( l - y - p ' ) - коэффициенты на соот­ ветствующих участках хода поршня. (Все параметры, относящиеся к верхнему

пару, здесь и далее в этой главе приведены со штрихом.) Приведенные длины нижнего и верхнего вредных пространств

Ф„Я„ = % ; Ф,Я, = - ^ , aF F

где ф^, фо - коэффициенты соответственно нижнего и верхнего вредных про­ странств; a F - площадь кольцевой части нижней полости цилиндра; F - полная площадь поперечного сечения верхней полости цилиндра.

Для паровоздушных молотов двойного действия важно правильно выбрать значение коэффициента а. При заниженном значении а сокращается площадь по­ перечного сечения нижней полости, что при неизменном характере рабочего про­ цесса нижнего пара немедленно приведет к уменьшению его работы при подъеме падающих частей. В результате скорость при ходе вверх снизится, а время возрас­ тет и, следовательно, производительность молота уменьшится.

Поскольку существующие конструкции молотов обладают приемлемой быстроходностью, для практических расчетов можно использовать следующие значения коэффициента а и диаметра D рабочего цилиндра:

Первые исследователи пренебрегали влиянием термокинетики потока пара и рассматривали процессы впуска-выпуска, совершающимися при постоянном давлении. Поэтому индикаторные линии пара, например при ходе поршня вниз, в цикле последовательных ходов выглядели так, как показано на рис. 17.5 штри­ ховыми линиями. В КВП поршня золотник также наверху и верхний ряд окон втулки открыт, соединяя верхнюю полость цилиндра с трубой свежего пара. По­ скольку мятием пара пренебрегали, впуск характеризовала прямая аЬ\, парал­ лельная оси абсцисс (линия ОО отсчета давления). В точке Ь\ золотник, опускаясь, отсекает верхнюю полость, и в ней начинается процесс адиабатического расшире­ ния впущенного пара с изменением его параметров по кривой/>F= const до точки с\, где в результате дальнейшего опускания золотника верхняя полость сообща­ ется с выхлопной трубой отработавшего пара. Поскольку влияние термокинетики не учитывалось, допускали мгновенное падение давления верхнего пара р^^ до

р^', далее не изменяющегося при ходе поршня от точки d' до точки е . Участок

403

Рис. 17.5. Индикаторная диаграмма пара в цикле после­ довательных ходов

а е это еще не выпуск (поршень все еще идет вниз), а лишь его предварение, поэтому этот период и назвали предварением выпуска (то же и для впуска).

Анализ действительных индикаторных диаграмм обнаружил, что параметры пара, замеренные в ходе испытаний, не совпадают с таковыми по теоретическим ин­ дикаторным диаграммам. На основании результатов экспериментов проф. А.И. Зи­ мин уточнил допущения, принятые при построении расчетных индикаторных диаграмм на участках хода поршня при впуске свежего пара и выпуске отработав­ шего. Позднее он еще раз скорректировал основы теории с тем, чтобы насколько возможно приблизиться к ожидаемому изменению параметров пара. Связывая ре­ зультаты расчетов с этим последним условием, А.И. Зимин назвал полученные ин­ дикаторные диаграммы оэюидаемымщ или предположттелъными. Методика термо­ механического расчета паровоздушных молотов по этим диаграммам получила всеобщее признание и была принята конструкторами молотов как типовая.

17.5.Предполагаемое изменение параметров пара

Вреальных условиях с самого начала впуска, как только поршень начинает перемещаться, возрастает скорость пара, а это вследствие термокинетических потерь, увеличивает перепад давлений на входе в цилиндр. Примем оговоренное ранее допущение: до тех пор, пока скорость потока не достигнет фиксированной скорости мятия WMflT = 80 м/с, изменением давления пренебрегать и считать его равным начальному давлению р.

404

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотое

В общем случае причинами ускорения потока на впуске могут быть увели­ чение объема полости при возрастающей скорости поршня либо уменьшение площади проходных сечений на входе в полость, либо то и другое. Оба фактора отображаются условием неразрывности потока:

где у^я^, - скорость поршня в начале мятия; F^j^ - минимальная площадь проход­ ного сечения цилиндра на входе пара.

При построении предположительных индикаторных диаграмм принято КВП поршня относить к правой стороне диаграммы и движением справа налево ото­ бражать ход падающих частей вниз. С левой стороны диаграммы обычно распо­ лагают КНП поршня. На определенном расстоянии от оси абсцисс проводят линии начального давления/? и конечного/?!.

Характеристическую точку а^ (см. рис. 17.5), соответствующую началу мятия верхнего пара при ходе вниз {а^ - для нижнего пара при ходе вверх), координиру­

сматриваемом цикле автоматических (последовательных) ходов.

Дальнейшее изменение параметров пара приобретает очень сложный харак­ тер. Поскольку пар - газообразное тело с очень малым модулем объемного сжа­ тия, то кроме случая заполнения полости цилиндра при впуске он всегда расширяется. Увеличение скорости потока на входе способствует превалирую­ щему проявлению процесса расширения. Это обстоятельство - основание для фундаментального допущения в теории проф. A.M. Зимина: пренебрегая некото­ рым переходным этапом, процесс изменения параметров пара при интенсивном мятии на впуске можно отображать на предположительных индикаторных диа­

зонтали начального давления определена для верхнего пара отрезком у^^Н^

После перекрытия впускных окон при ходе поршня от точки Ь' до точки с' происходит расширение пара в отсеченной полости цилиндра. Затем окна от­ крываются и полость соединяется с выхлопной трубой. На теоретических инди­ каторных диаграммах этому моменту соответствует мгновенное падение давления в цилиндре дор^.В действительности же давление в полости не может измениться скачкообразно в связи с термокинетическими процессами на входе.

405

Раздел IV. МОЛОТЫ

Согласно теории проф. А.И. Зимина, закон адиабатического расширения можно распространить на весь период предварения выпуска - участок с'е. Однако может оказаться, что в конце расширения давление пара будет несколько выше выхлоп­ ного, и тогда при последующем реверсе движения произойдет ускоренный спад давления до/?].

Изменение параметров пара на выпуске тоже следовало бы определять с учетом термокинетики процесса, но это слишком усложняет расчет без особо­ го выигрыша в точности. Поэтому давление при выпуске предполагают посто­ янным (отрезок e'd').

После выпуска при ходе вверх золотник отсекает верхнюю полость (при хо­ де вниз - нижнюю) и начинается адиабатическое сжатие пара - участок dy\ - которое, согласно исследованиям А.И. Зимина, можно распространить на весь последующий период предварения впуска - участок/'^2', - когда полость соеди­ нена с трубой свежего пара, но давление в ней растет постепенно.

Давление пара р^ в период выпуска при построении предположительных индикаторных диаграмм, как правило, назначают в соответствии с результатами испытаний хорошо отлаженных (требуемые число ходов и энергия удара обес­ печены при экономном расходовании энергоносителя) молотов в зависимости от характера ударов, начального давления, степени расширения и возможного перепада давлений при реверсе движения поршня.

У штамповочных молотов давление нижнего пара на всем участке хода вниз

а давление верхнего пара на участке выпуска для первого холостого хода вверх

где/?1 - в МПа; PQ^ - давление в выхлопной трубе.

17.6. Основные размеры цилиндра молота

Эффективная энергия полного удара падающих частей молота стандартизо­ вана в качестве основного параметра, и достижение ее при единичном ходе обя­ зательно. Стандарт ограничивает ее минимальное значение и этим исключает возможность неполной отдачи, например при уменьшенном ходе поршня.

При обработке заготовок на ковочных молотах недоход поршня до КПП может достигать 10 % от полного хода у однотонных и до 25 % - у восьмитон­ ных прессов. Поэтому при расчете ковочных молотов эффективную энергию удара необходимо задавать с соответствующим запасом:

4= (1,1...1,25)1згост-

Уштамповочных молотов удар с максимальной отдачей энергии наносят при завершении обработки в окончательном ручье, когда высота поковки не-

406

г л ава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотое

велика. Здесь необходимо ввести некоторый запас, так как высота штамповоч­ ных кубиков обычно увеличена для того, чтобы можно было провести ремонт. Поэтому

4 = (1,08...1,15)1згост.

Значения полного рабочего хода Н^ падающих частей приведены ниже:

Размеры вредных пространств цилиндра задают приведенными значениями дольных коэффициентов. В современных молотах для нижнего вредного про­ странства коэффициент ф^ = 0,09, а для верхнего - ф^ = 0,12.

Условия на входе в цилиндр характеризуются прежде всего площадью поперечных сечений отверстий, пропускающих пар, т. е. окон втулки золот­ никового механизма или дросселя. Суммарную площадь прямоугольных окон втулки обычно задают так, как это принято в современных штамповочных молотах: для нижнего ряда F„ ~ О, IF, для среднего - F^^ = 1,25F„ и для верх­ него - F3 - F„.

Суммарную длину Ь^, Ь^р или Ь^ любого из рядов окон принимают равной не более диаметра рабочего цилиндра: &„ = б^р = b^-D, высоты нижнего и верхнего рядов окон а^ = а^~ 0,08Д а среднего ряда а^^ ~ 0,Ш.

Для штамповочного молота площадь проходного сечения окон дросселя при нажатой педали F^^ = 0,5F„, а при свободной - Fдp = 0,25F^.

17.7. Холостые качания падающих частей штамповочного молота

При горячей штамповке необходимо быстрое чередование ударов: от са­ мых сильных (полных) до очень легких. Причем должна существовать воз­ можность нанесения сильного удара в любое время независимо от характера предшествующих ходов падающих частей молота. Для этого предназначен цикл холостых качаний, благодаря которому возможно циклическое движение падающих частей от КВП до некоторого промежуточного положения и обрат­ но без остановки в крайних положениях. Кроме того, необходимо иметь воз­ можность нанести полный удар в любое время независимо от характера предшествовавших ходов. Это обеспечивается возрастанием давления в верх­ ней полости при подходе поршня к КВП до начального, т. е. до давления све­ жего пара, или несколько большего значения. Подобное непроизводительное движение падающих частей, разумеется, должно сопровождаться минималь­ ным расходом пара.

407

Раздел IV, МОЛОТЫ

Индикаторные линии нижнего и верхнего пара при первом холо­ стом ходе вверх. Для движения падающих частей вниз с нанесением удара необходимо нажать педаль управления. Если предполагают нанести полный удар, то ее нажимают до конца и удерживают так в течение всего хода вниз вплоть до удара. Тотчас же после этого штамповщик освобождает пе­ даль, в результате чего очень быстро изменяется положение механизма управления и золотник занимает крайнее нижнее положение, впуская све­ жий пар в нижнюю полость цилиндра. Начинается подъем бабы молота - так называемый первый холостой ход вверх. Без задержки в КНП золотник автоматически перемещается вверх пропорционально ходу поршня. Кроме того (и это очень важное обстоятельство!), при отпускании педали повора­ чивается втулка дросселя, до предела уменьшая его проходное сечение. Поэтому давление нижнего пара в период впуска при первом холостом хо­ де вверх никогда не достигает начального давления р, а меньше его при­ мерно на 0,1 МПа (рис. 17.6).

Снекоторого момента (точка а^ мятие нижнего пара становится заметным

ипри том же исходном давлении свежего пара в трубе давление в цилиндре па­ дает. Как принято, переходный процесс в конце периода впуска уН^ заменяем адиабатой расширения, продолжающейся и после отсечки нижней полости при ходе поршня на участке ^Н^. Для удаления конденсата при последующем ходе вниз необходим хотя бы незначительный выпуск (1-у-Р) Н^ ~ 0,1Я^. При ходе вверх этому периоду соответствует предварение выпуска.

Рис. 17.6. Индикаторные линии нижнего и верхнего пара при первом холостом ходе вверх

408

г л ава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

В конце хода вверх давление нижнего пара достигает р^^, которое можно рассчитать по уравнению адиабатического процесса, причем объем полости должен быть взят полным, с учетом вредного пространства:

Из уравнения (17.9) следует, что впредь параметрические соотношения можно записывать, исключив площадь поперечного сечения полости и ее отно­ сительный размер, т. е.

^^к.н(ф.+ 1) = (Р-0Л)(Ф.+Ухн)-

Отсюда

;^K.H-(p-o,i).-Ф«+Ухн

ф«+1

А.И. Зимин предлагает рассчитывать давление нижнего пара так, чтобы ко­ нечное давление в нижней полости при подходе поршня к КВП было достаточно высоким, как и наблюдается в действительности. Для этого необходимо обеспе­ чить впуск нижнего пара на большей части хода вверх.

Положим, что у^н = 0,6, и так как для современных молотов ф^ = 0,09, то

;.,., = 0,63(^-0,1).

При немедленном после удара подъеме вследствие термокинетического торможения потока в верхних окнах втулки золотника выпуск верхнего пара происходит при j!?i = 1?5ро1После отсечки верхней полости пар в ней адиабати­ чески сжимается не только на участке Р'Я^, но и на участке впуска у'Н^.

Во избежание удара в крышку скорость поршня должна быть погашена к моменту подхода к КВП, т. е. баланс работ всех сил, действующих на падаю­ щие части при подъеме, должен быть нулевым:

оо

где Pg - изменяющаяся активная сила от действия нижнего пара; Р^ - изменяю­ щаяся сила противодавления от действия верхнего пара; Р^^ - сила, учитываю­ щая влияние атмосферного давления.

Принимая во внимание характер индикаторных линий на рис. 17.6, после интегрирования и преобразований получаем

409