Раздел IV. МОЛОТЫ
Рис. 19.4. Схемы фиксатора {а) и амортизатора (б)
Фундаментная плита станины сделана прочной с ребрами жесткости и служит для крепления цилиндров подъема 5 и выталкивателя 6, а также амортизаторов 7.
Для удержания подвижных частей вверху при аварийном срабатывании сис темы предназначены два фиксатора (рис. 19.4, а), установленные по боковым сторонам траверсы. Ползушка 5 фиксатора направляется втулкой 7 в раме 6 молота. Приводной пневмоцилиндр 1 фиксатора крепится в прорези боковой стойки 2 станины. Кулисное соединение ползушки со штоком цилиндра сделано так, чтобы она могла перемещаться вместе с рамой молота по вертикали: прямая рамка 4 кулисы закреплена на ползушке, а сухарь 3 - на штоке. Зазор между фиксирующей лыской ползушки и нижней плоскостью траверсы 9 не должен превышать 1 мм, регулируется он при помощи сменной планки 8 на лыске.
Цилиндры подъема и выталкивателя представляют собой обычные гидрав лические механизмы двойного действия.
Как и в предыдущей конструкции высокоскоростного газового молота, рама в процессе разгона подвижных частей несколько поднимается, а затем в результате отскока и под действием земного притяжения движется вниз. Для погашения ки нетической энергии и плавной посадки на место предусмотрены два пружинных амортизатора, симметрично расположенные относительно оси молота. Каждый из амортизаторов состоит из пружины 1 в свободном состоянии, воспринимающей нагрузку первой, и пружины 2 с предварительной затяжкой, воспринимающей нагрузку второй (рис. 19.4, б). Различие в характеристиках пружин и, следова тельно, в частотах колебаний придает амортизаторам некоторые демпфирующие свойства. Амортизаторы одновременно являются и фиксаторами КПП рамы.
В исходном положении (см. рис. 19.3) полости аккумуляционной камеры в цилиндре и штоке заполнены газом высокого давления. Полость сверху штока
г л ава 19. Высокоскоростные молоты
под крышкой цилиндра соединена с атмосферой, и поскольку на кольцевую часть штока снизу давит сжатый газ, возникающая при этом сила удерживает подвижные части в КВП. Ползушки фиксаторов выдвинуты под траверсу, штоки подъемных цилиндров и выталкивателя находятся внизу, доступ к штампам от крыт. Рабочий укладывает заготовку в ручей и нажимает кнопку «Удар». Тотчас срабатывает электромагнит воздухораспределителя цилиндров ограждения, впуская сжатый воздух из ресивера пневмосистемы. Двигаясь вверх, ограждение закрывает проем рамы и одновременно нажимает на конечный выключатель, управляющий воздухораспределителем фиксаторов. Ползушка уходит из-под траверсы, освобождая ей путь вниз, и тоже нажимает на конечный выключатель общей системы управления молотом со специальным клапаном управления (рис. 19.5).
В корпусе 5 клапана управления установлена втулка 3, к седлам которой притерты клапаны 2 и 4. Тарелки клапанов упираются в диафрагмы 7 и (5. Диа фрагмы защемлены крышками на фланцах корпуса. Со стороны, противополож ной тарелкам, диафрагмы поджимаются пружинами и благодаря этому при отсутствии избыточного давления в полостях АиД клапаны оказываются поса женными на свои седла.
Полости ^ и Д в головках клапана управления соединены с пневмосистемой молота, полость Г системой трубопроводов через входное отверстие Е соедине на с аккумуляторной станцией, а через выходное отверстие 5 - с молотом; по лость Б всегда соединена с атмосферой.
При срабатывании конечного выключателя от возвратного движения пол зушки сжатый воздух из соответствующего воздухораспределителя поступает в полость Д, смещая клапан 4 вправо. Тогда сжатый газ из баллонов аккумуля торной станции устремляется через открытую полость Г в отсеченную под крыш-
Рис. 19.5. Клапан управления молотом
Раздел IV. МОЛОТЫ
кой цилиндра полость П (см. рис. 19.3). Давление на шток возрастает настолько, что усилие оказывается достаточным для отрыва его от крышки цилиндра. Тот час же начинается расширение сжатого газа, и подвижные части, все больше увеличивая скорость, движутся вниз вплоть до удара.
При отходе траверсы от КВП освобождается конечный выключатель, управляюш,ий реверсивным золотником, и масло высокого давления от насоса направ ляется под поршни цилиндров подъема подвижных частей. Циклограмма молота построена так, что штоки подъемных цилиндров упрутся в траверсу и начнут ее поднимать только после того, как произойдет удар. Такое запаздывание обеспечи вается малой скоростью на протяжении небольшого холостого хода штоков вверх. От действия того же конечного выключателя обесточивается электромагнит воз духораспределителя пневмосистемы ограждения и штампы открываются.
В процессе подъема траверса нажимает на конечный выключатель, от кото рого запитывается электромагнит второго реверсивного золотника гидросисте мы. Смещение золотника открывает доступ маслу высокого давления под пор шень выталкивателя.
Поскольку ход штоков всех трех гидроцилиндров ограничен (выталкиватель и траверса доходят до упора в КВП), давление в гидросистеме повышается сверх необходимого для извлечения поковки из ручья или подъема подвижных частей. Установленное в гидросистеме реле давления срабатывает и включает электро магнит воздухораспределителя пневмосистемы. Сжатый воздух от ресивера на чинает поступать в левую полость А клапана управления (см. рис. 19.5). Клапан 2 сдвигается влево, открывая проход из полости В на выхлоп. В результате давле ние в полости П между крышкой цилиндра и штоком (см. рис. 19.3) сбрасывает ся и траверса зависает наверху.
От реле давления срабатывают также упомянутые ранее воздухораспредели тели фиксаторов, и ползушки выходят под траверсу. Ходом ползушек фиксаторов и толкателя клапана включаются сразу три конечных выключателя, подающие команду на движение в исходное КНП штокам цилиндров подъема и выталкива теля. А они, в свою очередь, блокируют систему управления таким образом, что на пульте загорается сигнальная лампа «Готово к удару». Цикл завершен, и после нового нажатия на пусковую кнопку произойдет следующий удар.
Газовая аккумуляторная станция состоит из шести соединенных последова тельно баллонов вместимостью 0,04 м каждый, причем давление сжатого азота в баллонах равно 15 МПа. При помощи регулятора давление азота снижается до расчетного /? == 11 МПа в аккумуляционной камере молота. Рабочее давление воздуха в пневмосистеме 0,4 МПа.
Большой уровень аккумулированной в приводе энергии, разрядка которой при высоких скоростях движения подвижных частей происходит очень быстро, ставит особые требования к соблюдению правил безопасной эксплуатации вы сокоскоростных газовых молотов. Совершенно недопустимо проводить какие бы то ни было работы по подналадке штампов или затяжке креплений молота
г л ава 19. Высокоскоростные молоты
при расположении исполнительных частей в промежуточном положении и на личии при этом сжатого газа в цилиндре. Все это можно делать, когда траверса лежит либо в КВП на фиксаторах, либо в КНП на штампе.
Следовательно, полная работа, совершаемая газом при расширении в цилиндре.
где F] и ^2 - объемы, которые занимает газ соответственно в начале и в конце расширения.
На подвижные части с массой т^ действуют сила Р от давления расширяюще гося газа, сила тяжести G^ и сила трения Р^^ в уплотнении штока, а на раму с мас сой ^2 - соответствующие силы Р, G2, ^тр2 = ^тр1 и, кроме того, сила трения от амортизаторов Р^^^,
Уравнения движения масс т^ и ^2 с перемещениями Xj и Х2 имеют вид
mx\=P + G,-P^,', |
|
mx\-P-G,^P^^,-P,^2. |
(19.2) |
Функцию Р определяем по адиабатическому соотношению |
Г |
"•* |
1^1+^шт(^1+^2), |
(19.3) |
|
где F^^ - площадь поперечного сечения штока.
Подстановка выражения (19.3) в систему (19.2) приводит к системе двух не линейных уравнений.
Для расчета конечных скоростей постараемся найти более простые уравне ния. Количества движения, которыми будут обладать массы т^ и ^2 в конце хо да, являются результатом действия импульса всех сил за время движения t^. Причем конечный эффект будет тот же, если переменную силу от расширяюще гося газа заменить ее средним значением
где Н^ - полный встречный ход исполнительных частей и рамы.
Силу трения от амортизаторов определим как среднее арифметическое Р^^^ от ее начального и конечного значений:
тр.а v^ тр.а ' ^ тр.а// *
Раздел IV. МОЛОТЫ
Тогда
m2V2={Pc,-G2+PZ.-R2)t.=Et^
Отсюда |
|
V2 = ^ V i . |
(19.4) |
^ 2 ^ |
|
Работа всех внешних сил, действующих на подвижные массы, преобразует ся в кинетическую энергию движения, и поэтому эффективная энергия удара
L,=L + |
G,H,-G,H,+P^^,H,-P^,,H,-P^,,H„ |
(19.5) |
где Н^ и Н2- полные перемещения масс т^ и т2 соответственно навстречу друг другу. Иначе
2 |
2 |
2 А |
2 Л |
_ ^ 1 ^ 2 |
^^2^2 _ |
^1^1 |
(19.6) |
|
|
|
W2 А^
Для определения перемещения масс из первого уравнения системы (19.2) вычтем второе и полученное уравнение дважды проинтегрируем, заменив силу ее средним значением. Тогда можно записать
^2
|
(19.7) |
Выражение (19.7) в конце хода будет иметь вид |
|
Dtl=2{m,H,-m2H2), |
(19.8) |
где D = G,+G2-/>;•:,. |
|
Преобразуем уравнение (19.8) к виду |
|
2 \ |
|
А^{т^Н^ -m2H2)=Dm^L^ |
(19.9) |
^ 2 А" |
|
Дополнительным к нему уравнением служит выражение
(19.10)
Решая совместно уравнения (19.5), (19.9) и (19.10), находим путь подвиж ных частей Я| и рамы Яз к началу удара и по формуле (19.5) рассчитываем Z,,. С помощью уравнений (19.6) и (19.4) определяем скорости v, и Vj.
Время движения масс от начала хода до удара рассчитываем по формуле
г л ава 19. Высокоскоростные молоты
Как отмечалось ранее, для удерживания подвижных частей наверху из по лости между поршнем и крышкой цилиндра сжатый газ сбрасывается в атмо сферу, а последующий отрыв и начало движения вниз обеспечиваются крат ковременным впуском небольшой порции газа высокого давления. Хотя объем впускаемого газа V^^ невелик (менее 0,1 % от Fj), при непрерывной работе мо лота запас сжатого газа в баллонах аккумуляторной станции исчерпывается. Число ходов п, на которое его хватит.
п |
V |
^ - |
^ |
F„ |
/^бал |
- 1 |
|
Р\ |
) |
|
|
где ^бал - ЧИСЛО баллонов, объем каждого из которых Fg^; р^^ - давление сжато го газа в баллонах.
19.3. Высокоскоростные взрывные молоты
Вещества или смеси, в которых при внезапном нарушении равновесия бурно протекают химические реакции с выделением больших количеств тепловой энергии и газообразных продуктов, называются взрывчатыми а процесс изме нения их состояния в ходе реакции - взрывом. Огромный внутренний потенциал взрывчатых веществ или смесей можно использовать для обработки металлов давлением, если выделяющуюся при взрыве энергию направить на совершение полезной работы в соответствующей термомеханической системе.
От конструктивного оформления системы и способа взрыва зависит, будет ли это только устройство или кузнечная машина. В первом случае энергия взры ва передается обрабатываемому металлу в виде энергии упругих ударных волн через рабочее тело (жидкость или воздух) или при непосредственном контакте продуктов взрыва с металлом. Это так называемые импульсные устройства для штамповки взрывом. Во втором случае взрыв производится в обычной термоме ханической системе. Энергия взрыва воспринимается в форме работы расшире ния газообразных продуктов. Поскольку стенки цилиндра и его крышка не изменяют своих размеров, работа расширения преобразуется в кинетическую энергию подвижных частей системы - бойка, поршня, плунжера, траверсы и т. п. Концентрация энергии очень высока, поэтому подвижные части разгоняются до больших скоростей и при ударе совершают заданное формоизменение металла.
Чтобы ударный импульс не воздействовал на фундамент и грунт, рама ма шины с закрепленным на ней цилиндром в процессе разгона подвижных частей также должна приобрести некоторую скорость. В результате, как и у высокоско ростных газовых молотов, удар будет погашен в системе двух столкнувшихся масс с почти равным количеством движения.
Машины, для привода которых используются взрывчатые вещества или смеси, были созданы сравнительно недавно. У них до сих пор много различных
Раздел IV. МОЛОТЫ
названий: импульсные машины, взрывные копры, пресс-пушки и др. Наиболее правильно их назвать высокоскоростными взрывными молотами, подчеркивая тем самым принадлежность к определенному классу кузнечных машин с опре деленным принципом действия.
Во взрывных молотах применяют энергоносители двух видов: метательные взрывчатые вещества и горючие смеси.
Метательные взрывчатые вещества создают на базе нитроцеллюлозы и обычно называют порохами. Порох хорошо горит с относительно невысокой скоростью перемещения фронта реакции от поверхности в глубь заряда - от не скольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду. Контро лируемость скорости горения - очень важное качество пороха, благодаря которому обеспечивается высокая точность метания снарядов, ракет или под вижных частей взрывных молотов.
При сгорании пороха образуются газовые смеси, состоящие из СО, CD2, Н2О и N2, с общим объемом от 940 до 1060 см на 1 г твердого вещества. Поскольку камера термомеханической системы, где производится сжигание пороха, замк нута, резкое увеличение удельного объема энергоносителя при распаде твердого пороха на газы, разогревающиеся вследствие экзотермического характера реак ции, приводит к образованию высокого давления.
В качестве энергоносителя во взрывных молотах применяют также смеси высококалорийного топлива, например бензина, или горючих газов с атмосфер ным воздухом. Сгорание подобных смесей происходит с достаточно высокой скоростью, чтобы вызвать мгновенное повышение давления во взрывной каме ре, где они были подожжены. Последующее интенсивное расширение продуктов горения в цилиндре термомеханической системы вызывает метательный харак тер движения подвижных частей машины.
Нормальное давление газа составляет 0,3...0,5 МПа, но сжатый воздух пода ется в камеру под давлением до 5 МПа, поэтому максимальное давление при взрыве достигает 20...35 МПа.
Максимальное давление, развиваемое газовоздушными смесями взрывных молотов, рассчитывают по формуле
/^тах
Хур
см?
где Ху- степень повышения давления при сгорании смеси в постоянном объеме, Ху= 6,5...7,5 для природного газа и 8...9 для смеси пропана с бутаном;/7^,^ - началь ное давление газовоздушной смеси при коэффициенте избытка воздуха ос^ = 1.
Работу расширения, произведенную продуктами горения в термомеханичес кой системе, можно определить по формуле (19.1), учитывая, что показатель к должен соответствовать условиям процесса: к= 1,22... 1,32. Для того чтобы от единицы полного объема системы получить максимально возможную работу, по тем же данным вводят ограничение на степень расширения: F2/F1 = 1,3...2,5.
436
Глава 19. Высокоскоростные молоты
Эффективная работа системы, преобразуемая в кинетическую энергию под вижных частей, меньше располагаемой в связи с механическими и газовыми по терями. КПД, учитывающий эти потери, составляет 0,8...0,9.
На рис. 19.6, а показана схема импульсной машины для обработки взрывом. Машина выполнена в горизонтальном варианте без несущей станины. Вместо последней имеется балочное основание 7, на котором на катках 2 установлена подвижная рама. Рама составлена из массивной левой поперечины 3 и правой головки, стянутых колоннами 4. На поперечине 6 головки укреплен цилиндр 7 с глушителем 8 и взрывной камерой 10, Шток 9 цилиндра крепится к траверсе 5, образуя вместе с ней подвижные части машины.
Природный газ и сжатый воздух подаются во взрывную камеру 1 (рис. 19.6, б). В начале цикла наполнения электроклапан 5 открыт и газ впускается в камеру до тех пор, пока давление в ней не достигнет заданного. Тогда срабатывает реле давления 4 и клапан закрывается. Тотчас открывается аналогичный клапан б на впуск сжатого воздуха. Когда давление смеси повысится до требуемого уров ня, клапан 6 закрывается от реле давления 7. Машина готова к пуску. Горючая смесь в камере поджигается при помощи запальной авиационной или автотрак торной свечи 2. Как и во всякой газовой системе, впускные магистрали блоки руются обратными клапанами 3,
После взрыва смеси подвижные части разгоняются до скоростей 20...80 м/с в зависимости от условий деформирования обрабатываемого металла и требова ний к машине. (Скорость движения и, следовательно, эффективная энергия удара регулируется изменением давления газа и сжатого воздуха, т. е. соответствующей перенастройкой реле давлений.) Взрывной импульс, действуя на крышку камеры цилиндра, вызывает откат рамы навстречу подвижным частям. Следует двусто ронний удар по обрабатываемому металлу, и энергия движения гасится в системе машины. Поскольку сцепление рамы с балками основания благодаря каткам ми нимально, вибрационное воздействие удара на фундамент почти не ощущается.
5 6 7 8 9 10
Рис. 19.6. Схемы импульсных машин
Раздел IV. МОЛОТЫ
Давление в камере сбрасывается автоматически, так как шток перед подхо дом к крайнему левому положению открывает выхлопные окна в цилиндре (см. рис. 19.6, а), В результате отработавшие газы уходят в глушитель и затем отсасываются вентиляцией.
В исходное положение подвижные части возвращаются плунжерами боко вых гидроцилиндров, установленных на левой поперечине. Для извлечения изде лия в машине должен быть гидровыталкиватель. В связи с высоким начальным давлением энергоносителя в конструкции машины предусмотрены фиксаторы, удерживающие подвижные части в крайнем правом положении.
Если в качестве энергоносителя использовать порох, то при сохранении об щей компоновки машины необходимо внести изменения в устройство цилиндра термомеханической системы. В этом случае цилиндром обычно служит срезан ный ствол подходящего по калибру артиллерийского орудия после удаления лейнера и расточки внутреннего отверстия. На казенную часть ствола навинчи вается камера сгорания (взрывная камера). В направляющую часть камеры за кладывается патрон. Поджигают порох двумя способами: при помощи ударного механизма, боек которого ударяет по пистону, и при помощи запальной свечи с нагревом проволоки, проходящей через массу пороха в патроне.
Компактность пороха как энергоносителя и атмосферное давление в камере сгорания перед пуском машины - очень важные преимущества. Однако порох чувст вителен к влаге, требует специальных условий для хранения и учета расходования. Поскольку природный газ имеется почти повсюду в промышленности, в настоящее время перспективы внедрения взрывных молотов связаны именно с этим видом энергоносителя, а также с бензино- и керосиновоздушными горючими смесями.
Пороховые машины остаются очень удобным видом оборудования для ла бораторных исследований высокоскоростных методов штамповки.
Глава 20. ПРИВОДНЫЕ МОЛОТЫ
20.1. Общие сведения
Машины, у которых двигательный и передаточный механизмы представля ют единый привод, называют приводными. Индивидуальный электропривод достаточно широко распространен в конструкциях молотов, предназначенных для ковки и штамповки, если МПЧ сравнительно невелика. Он существенно упрощает подвод энергии, управление, позволяет повысить КПД и улучшить условия труда по сравнению с паровоздушным приводом, у которого энерго носителем является пар или сжатый воздух, подаваемый из котельной или от компрессорной станции. Молотам с индивидуальным электроприводом уделяют все большее внимание, совершенствуют существующие и разрабатывают новые конструкции и системы их управления.
Глава 20. Приводные молоты
В зависимости от типа передаточного механизма приводные молоты под разделяют на пневматические, механические (фрикционные с доской и гибкими связями) и гидравлические.
20.2. Пневматические молоты
Назначение и принцип действия. Пневматические молоты, выпускаемые отечественной промышленностью, предназначены для выполнения операций ковки на плоских или вырезных бойках. Некоторые иностранные фирмы освои ли их выпуск для горячей штамповки.
Пневматические молоты быстроходны, позволяют регулировать эффектив ную энергию удара в процессе работы, обеспечивают сравнительно высокий КПД, просты по устройству и не требуют тш,ательного ухода. Их строят с мас сой падающих частей 30... 1000 кг. Скорость движения в момент удара должна
достигать для малых молотов 5 м/с, а для крупных - 7,5 м/с. Это позволяет на капливать весьма значительную эффективную энергию удара L^ = 800 Дж для мо лота с МПЧ 50 кг и 28 кДж для молота с МПЧ 1000 кг. При этом для малых молотов число ударов в минуту п = 230, а для крупных - ^ == 100. Наибольшее распространение получили пневматические молоты с МПЧ до 400 кг. Масса ша бота у них равна 12-кратной МПЧ.
Основные узлы пневматического молота (рис. 20.1) следующие: станина 3, отлитая заодно с рабочим 77 и компрессорным 2 цилиндрами; пустотелая баба 70, которая одновременно служит поршнем и штоком рабочего цилиндра; шабот 9; воздухораспределительные устройства 72 и привод. Последний состоит из элек тродвигателя 7, ременной б и зубчатой 5 передач, кривошипного вала 5, шатуна 4 и поршня 7 компрессорного цилиндра.
Энергоноситель в пневматическом молоте, как и в паровоздушном, - сжатый воздух, однако принципы действия этих молотов различны. В пневматическом молоте падающие части движутся под действием сжатого воздуха, который, по добно упругому элементу, сжимается и расширяется в замкнутых объемах ниж них и верхних полостей компрессорного и рабочего цилиндров. Таким образом, воздух - энергоноситель. Он обеспечивает гибкую связь между падающими час тями молота и поршнем компрессорного цилиндра. В процессе работы со ответствующие полости компрессорного и рабочего цилиндров с помощью распределительных устройств соединены или разъединены в зависимости от выполняемого молотом хода (цикла).
Принцип действия, взаимное расположение поршней, а также давление воздуха в компрессорном и рабочем цилиндрах могут быть установлены из сов местного рассмотрения круговой циклограммы (рис. 20.2, а), графиков хода S и скорости V (рис. 20.2, б, д), а также индикаторных диаграмм (рис. 20.2, в, г). Их строят на основе расчета или в результате испытания пневматических молотов.
