Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел

П.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Отношение полезной работы пресса, израсходованной за один рабочий ход

^деф,

к индикаторной энергии ^„„д? затраченной в течение цикла, называют ме-

ханическим КПД пресса:

Лмех- ^ = — , (9.49)

^инд \^7инд ^ ^2инд>'

где ^инд =

^7инд

~'"^2инд? ^7инд ~ индикаторная энергия, израсходованная в рабо-

чем цилиндре за время прямого рабочего хода; ^2инд ~ то же, израсходованная в

возвратных цилиндрах за время обратного холостого хода.

Отношение индикаторной энергии ^^^^ к цилиндровой А^^^ называют объ-

емным КПД пресса:

Лоб^Лнд/Лил- (9-50)

Цилиндровая энергия

^цил ^Уцил "*"^

2 цил *

где v4yy^jj - цилиндровая энергия рабочего цилиндра за время прямого рабочего

хода; ^2цил ~ то же возвратных цилиндров за время обратного холостого хода.

Эту энергию нельзя определить точно ввиду неопределенности утечек рабо-

чей жидкости, поэтому в расчетах объемный КПД принимают исходя из опыт-

ных данных: Лоб = 0,98...0,96.

Энергия рабочей жидкости перед входом в рабочий или возвратные цилинд-

ры всегда больше энергии внутри них на величину местных потерь при входе.

Энергию рабочей жидкости перед входом в цилиндр

яа.зывают

располагаемой.

Отношение цилиндровой энергии А

^^^^

к располагаемой

А ^^^^

называют гид-

равлическим КПД

npQcca.:

'|гидр~~

^цил/^расп? ^расп~^/расп """^ipacn? УУ*"^^)

где ^урасп ~ располагаемая энергия перед входом в рабочий цилиндр; ^^^р^сп - то

же перед входом в возвратные цилиндры.

Эффективным КПД цикла гидравлического пресса называют отношение

полезной работы, совершенной им за один рабочий ход, к энергии, израсходо-

ванной за полный двойной ход его подвижной поперечины:

'П 7э "^ ^деф / ^расп ^ Л мех Л об Л гидр ' (9.52)

Аккумулятор. В конструкциях гидропрессовых установок наиболее ши-

роко распространены пневматические (воздушные) аккумуляторы, в которые

рабочая жидкость нагнетается насосами. В пневматических аккумуляторах от-

сутствуют механические, но имеют место объемные, гидравлические, термоди-

намические и пневматические потери.

290

Глава 9. Расчет насосного привода гидравлического пресса

Объемный и гидравлический КПД аккумулятора определяют аналогично со-

ответствующим показателям гидравлического пресса. Так, объемный КПД цик-

ла аккумулятора

ЛобЗ ^^Зинд/^Зцил

(9.53)

гидравлический

Л гидр i ^Bbixi /^Bxi, (9.54)

где ^Bbixi? ^Bxi ~ энергия рабочей жидкости, расходуемая соответственно на вы-

ходе из аккумулятора и входе в него без учета утечек.

Термодинамический

КПД

аккумулятора

характеризует потери энергии при из-

менении в нем давления воздуха (наполнение и опорожнение аккумулятора). Тер-

модинамические процессы при этом протекают в разных температурных условиях,

что обусловливает различные значения коэффициентов политропы. Опорожнение

аккумулятора происходит сравнительно быстро, а следовательно, теплообмен через

его стенки будет незначительным и показатель политропы можно принимать рав-

ным адиабатическому:

А:

1,4. В противоположность этому наполнение аккумуля-

тора происходит медленно. В начале наполнения температура внутри аккумулятора

ниже, чем снаружи, т. е. теплота поступает извне (показатель политропы больше,

чем адиабаты), в конце - наоборот. Разность между политропами сжатия и расши-

рения характеризует рассеяние энергии - термодинамические потери.

Отношение энергий расширения и сжатия за цикл называют термодинами-

ческим КПД аккумулятора:

ЛтермЗ "^ ^расшЗ /^сжЗ ' (9.55)

где

^расшз

~ работа адиабатического расширения; А^^^ - работа политропическо-

го сжатия.

Пневматический КПД аккумулятора Tj^Hi характеризует утечки воздуха

из пневматических баллонов.

Полный КПД аккумулятора

Г|

определяется произведением его объемного,

гидравлического, термодинамического и пневматического КПД:

Л i ^ Л обзЛ гидр^Л термзЛ пнЗ- (9.56)

Соединительные трубопроводы. В соединительных трубопроводах есть

гидравлические и объемные потери энергии при нагнетании рабочей жидкости

в отдельные элементы системы: аккумулятор, рабочий цилиндр и др. Их опреде-

ляют аналогично рассмотренным выше.

Полный КПД трубопровода

Лтб-^ЛгидрЛоб- (9.57)

Мультипликатор. Работа мультипликатора аналогична работе гидравли-

ческого пресса. Следовательно, полный КПД мультипликатора

Л 7 = Л мех/Л об7Л гидр7- (9.58)

291

Раздел

II.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Насос. Гидравлические насосы имеют гидравлические, объемные и меха-

нические потери (способы их вычисления см. в гл. 7). Полный КПД насоса

Лб^

ЛмехбЛгидрбЛобб-

(^-5")

Таким образом, эффективный КПД гидропрессовой установки определяется

произведением его отдельных составляющих:

Л ^ЛуЛтбЛзЛбЛэл. (9.60)

где Г|зл - КПД электродвигателя.

Гидропрессовые установки с несколькими ступенями нагружений. Гид-

ропрессовые установки с насосно-аккумуляторным приводом, используемые для

выполнения технологических операций с пиковыми нагрузками в конце рабоче-

го хода, неэкономичны даже при оптимальных соотношениях между деформи-

рующей силой и номинальным усилием, которые определяют по выражениям

(9.39) и (9.48).

На рис. 9.3, а показан график изменения деформирующей силы по ходу под-

вижной поперечины. Совершаемая прессом полезная работа равна {pdS

и пропорциональна площади под кривой Ode. Оптимальная сила даже без учета

потерь должна быть больше Р^ах? ^ следовательно, избыток давления/?^ -pj меж-

ду аккумулятором и рабочим цилиндром в каждой точке хода должен поглощать-

ся в гидравлической системе, вызывая нагревание рабочей жидкости. Расходуемая

для совершения рабочего хода потенциальная энергия аккумулятора пропорцио-

нальна площади

ОаЬс.

Для повышения экономичности гидропрессовых установок

с насосно-аккумуляторным приводом увеличение деформирующей силы в про-

цессе рабочего хода осуществляют ступенями, что возможно при наличии не-

скольких рабочих цилиндров или гидравлического мультипликатора.

^тахКРтах)

dS S2 Sjfi S

Рис. 9.3. Определение оптимальной деформирующей силы в трехцилиндровом

гидравлическом прессе

292

Глава 9. Расчет насосного привода гидравлического пресса

В трехцилиндровом гидравлическом прессе при выполнении любой техно-

логической операции необходимое ступенчатое изменение деформирующей си-

лы можно осуществить в следующей последовательности (см. гл. 6):

1) в средний рабочий цилиндр подают жидкость высокого давления, а в бо-

ковые - низкого;

2) в боковые рабочие цилиндры подают жидкость высокого давления, а в

средний - низкого;

3) во все рабочие цилиндры (средний и боковые) подают жидкость высокого

давления.

В одноцилиндровом прессе с насосно-аккумуляторным приводом и мульти-

пликатором возможны две ступени изменения деформирующей силы:

1) в рабочий цилиндр подают жидкость высокого давления непосредственно

из аккумулятора;

2) жидкость из аккумулятора подают в цилиндр сверхвысокого давления

мультипликатора, а затем в рабочий цилиндр.

При выборе силы на каждой ступени нагружения для трехцилиндрового

пресса необходимо учесть, что при постоянном давлении она пропорциональна

соответствующей площади поперечного сечения плунжера:

P^^

- площади

F^^^

плунжера среднего цилиндра, Рз ~ сумме площадей

F^^^^

плунжеров боковых ци-

линдров, Рз - сумме площадей всех плунжеров:

F^^^

+ ^шок-

На рис. 9.3 видно, что выбор деформирующей силы на каждой ступени бу-

дет оптимальным, если сумма площадей прямоугольников, основания которых

образуют участки хода

5^1,

(5^2

- S^)VL{S^- S2), а высоты - силы Pj, ^2 и

Р^,

будет

минимальной. Это позволяет графически подобрать оптимальные значения сил

для каждой ступени и соответственно размеры плунжеров. Такое условие можно

записать в виде

^к(^1ср

+ ^1бок) - ^2^1ср - ^l(^160K - ^Icp) = min (9.61)

или

52^icp +

(^1бок - ^icp) - ^2^icp +

^1(^1

- 2F,,p)

max. (9.62)

Для случая линейного изменения деформирующей силы (см. рис. 9.3, б) рас-

сматриваемую задачу можно решить аналитически. Примем, что изменение де-

формирующей силы определяют по формуле

гдeД=tgp.

Поскольку приращение давления жидкости в рабочем цилиндре в конце каж-

дой ступени одинаково, для точек bud, соответствующих силам

Р^

а Pj, можно

записать:

F„p = a + fc,; (9.63)

^1бок = ^1-^1ср = ^ + *^2, (9-64)

где a=Pjp^; Ь=Д/рз

293

Раздел IL

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Решая совместно уравнения (9.62) и (9.64), получаем

{F, - F,,р - а) F,,р + {F,,р - a){F, - 2F,,^)

max. (9.65)

Дифференцируя уравнение (9.65) по

F^^^

и приравнивая к нулю производ-

ную,

находим

F„p = F,/3 + a/6. (9.66)

Подставив полученное выражение для

F^^^

в выражение (9.64), получаем

F,g„,= 2F,/3-a/6. (9.67)

Площадь каждого плунжера бокового рабочего цилиндра равна

F,6„j2=F,/3-a/l2. (9.68)

Следовательно, при оптимальном выборе ступеней изменения деформирую-

щей силы диаметры плунжеров боковых и среднего рабочих цилиндров должны

быть различными.

Аналогично можно определить оптимальный режим изменения деформи-

рующей силы для аккумуляторного гидропривода с мультипликатором.

9.3.

Предварительный расчет основных параметров

насосно-аккумуляторного привода

На первой стадии проектирования гидравлического пресса размеры трубо-

провода известны приблизительно и рассчитать его параметры невозможно, по-

этому проводят предварительный расчет.

Исходными данными для расчета являются номинальное усилие пресса

Р^^^

и давление жидкости р^ в аккумуляторе. На основании этих данных определяют

размеры плунжеров рабочих цилиндров согласно формуле (6.1):

Z^/

=^иом/Рз'

Диаметры плунжеров возвратных и уравновешивающих цилиндров опреде-

ляют из решения уравнений статического равновесия при прямом и обратном

холостых ходах. Изменение давления в наполнительном баке и аккумуляторе

учитывают следующим образом. При составлении уравнений равновесия под-

вижной поперечины для прямого холостого хода давление в наполнительном

баке принимают минимальным, а в аккумуляторе - максимальным; для обрат-

ного холостого хода, наоборот, давление в наполнительном баке считают мак-

симальным, а в аккумуляторе - минимальным.

Давление жидкости в возвратных и уравновешивающих цилиндрах при хо-

лостом ходе поперечины изменяется незначительно. Перепад давлений между

аккумулятором и цилиндром принимают из условия максимального КПД со-

294

Глава 9. Расчет насосного привода гидравлического пресса

гласно (9.40) без учета вредных сопротивлений. Следовательно, потери давления

трубопроводе высокого давления

Для наполнительного трубопровода потери давления составляют

А;7=р,-(0,1...0,2).

Потери давления в трубопроводе, ведущем к наполнительному баку, про-

порциональны квадрату скорости течения жидкости. Следовательно, если ско-

рости подвижной поперечины равны при прямом и обратном холостых ходах, то

перепад давлений в сливном трубопроводе (учитывая, что скорость течения

жидкости в последнем в 1,5-2 раза меньше, чем в напорном трубопроводе)

можно определить по формуле

^Р

^ 1

Т-"^—Рз'

(l,5l..2,0') 10 '

При принятых допущениях уравнения статического равновесия подвижной по-

перечины при прямом и обратном холостых ходах имеют вид

M^ + Z^r(0,1...0,2) = :l;.,„i„X^2+^/'^minZ^y.«; (9-69)

Mg + X^;-[2p..ax-(0,1...0,2)] = |;7,,,„(S^2+Z^y.u)' (9-70)

где 2]^у.ц ~ сумма площадей поперечных течений плунжеров уравновешиваю-

щих цилиндров.

Площадь плунжеров уравновешивающих цилиндров

-LF,.--^.

(9.71)

max

Подставив ^^^у.ц из формулы (9.71) в выражение (9.69), находим площадь

плунжеров возвратных цилиндров:

2^.^

Л.2;^.,(о,,...0,2)3

J^.

Рзтт

^ Рзтт

Давление жидкости в наполнительном баке определяем по формуле (9.70) после

подстановки в нее выражений для ^^уц и ^F^ :

^ 13(0,1...0,2)

max

29-6

Рз

max

295

Раздел IL

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

При отсутствии уравновешивающих цилиндров размеры плунжеров возврат-

ных цилиндров и давление в наполнительном баке определяются соотношениями:

^^_\OMg 10Х^у(0,1...0,2)

2_^t2 + ;

Зтт.

Р Згтп

17 Mg 23,^, ^^,

6 l^Fj 6

Допустимую скорость течения жидкости в напорном трубопроводе при ус-

ловии удвоенного номинального давления при гидравлическом ударе вычисляем

по формуле

[Vi-s]=P3l9a. (9.72)

где а - скорость распространения ударной волны в трубопроводе, a=yj к/р ; к -

модуль объемной упругости жидкости.

Пользуясь уравнениями неразрывности и Бернулли для установившегося

движения и учитывая гидравлические потери, определяем скорость течения

жидкости в трубопроводе и его диаметр:

^i-sdf-s=vY.^';

(9.73)

где

df_^

- диаметр рассматриваемого трубопровода; D - диаметр цилиндра (ра-

бочего, возвратного, уравновешивающего) пресса.

При приближенном расчете гидравлической системы прессовых установок

значение ^^^.с можно принимать согласно данным экспериментальных иссле-

дований, проведенных в ЦНИИТмаше:

^^^с"^

140...280 - для напорного тру-

бопровода рабочих и возвратных цилиндров, 6... 120 - для сливного

трубопровода рабочих и возвратных цилиндров, 15...30 - для наполнительного

трубопровода и 50... 100 - для трубопровода уравновешивающих цилиндров.

Предположим, что диаметр трубопровода одинаковый по всей его длине.

Решая совместно уравнения (9.72) и (9.73), находим

где А = А^м с' ^ ^ ^^' ^ ~ потери давления в трубо-

2Apg ^ • 2Apg

проводах.

296

Глава 9. Расчет насосного привода гидравлического пресса

После определения диаметра напорного трубопровода по формуле (9.73)

вычисляем скорость течения в них. Найденное значение скорости течения долж-

но быть меньше допустимого:

Диаметр проходного сечения клапана d^ выбирают на основании устано-

вившихся в практике соотношений:

^^ = (0,8...0,9М_,.

При расчете диаметра напорного трубопровода рабочих цилиндров dj_^ сле-

дует задать перепад давлений /S.p=p^, тогда при произвольном давлении pi

рабочих цилиндрах скорость движения подвижной поперечины

Ч-З

Рзг

1«?

РЗг

Аналогично можно рассчитать параметры сливного и наполнительного тру-

бопроводов. После определения размеров всех трубопроводов и устанавливае-

мой на них аппаратуры необходимо провести проверочный расчет.

Воздушная полость

9.4. Расчет энергии, поглощаемой компенсаторами

гидравлического удара

При резком изменении скорости течения жидкости в трубопроводах может

произойти гидравлический удар (см. гл. 7), в результате которого давление жидко-

сти на отдельных участках увеличивается в 1,5-2 раза. В гидропрессовых уста-

новках гидравлический удар может возникнуть при быстром открытии клапанов

(золотников), а также при выполнении операций

сквозной прошивки, вырубки.

Для предотвращения или смягчения гидравли-

ческого удара в системе прессовых установок пре-

дусматривают специальные компенсаторы, которые

поглощают энергию ударной волны или волны га-

шения, возникающей при любом резком изменении

скорости течения жидкости в трубопроводе. Прин-

цип действия компенсаторов состоит в том, что при

любом внезапном местном повышении давления

упругий элемент (поршень пневматического ци-

линдра, пружина и др.) перемещается, в результате

чего происходит поглощение избытка энергии при

волновых процессах и последние затухают без зна-

чительного увеличения давления.

На рис. 9.4 показаны схемы наиболее часто Рис. 9.4. Расчет компенсато-

применяемых компенсаторов гидравлических уда- ров гидравлического удара

297

Раздел II.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

ров.

Первоначальное давление воздуха или затяжка пружины определяют дав-

ление жидкости в компенсаторе. Размеры его воздушного колпака или силу сжа-

тия пружины выбирают расчетным путем. На практике пользуются упрощенным

расчетом, который проводят для наиболее неблагоприятного случая - мгновен-

ного перекрытия трубопровода без учета упругости самой жидкости и всей гид-

равлической системы.

В момент перекрытия трубопровода кинетическая энергия жидкости

^mv^ яр

-=^Zdfl^f'

(9-74)

где d/, Ij - соответственно диаметр и длина рассматриваемого участка трубопро-

вода;

- скорость течения жидкости на этом участке.

В воздушном компенсаторе кинетическая энергия расходуется на сжатие

воздуха, давление которого изменяется по адиабате с показателем к= 1,4. Сле-

довательно,

Ро^о

к-1

/ \(*-1)Д

Ро)

(9.75)

где

PQ,

- соответственно начальное давление и воздушный объем компенса-

тора; р^ - конечное давление.

Приравнивая правые части уравнений (9.74) и (9.75) и задавая первоначаль-

ный объем воздуха в компенсаторе, находят конечное давление р^ или, наобо-

рот, задавая давление/?j^, определяют размеры.

В пружинном компенсаторе кинетическая энергия движущейся жидкости

расходуется на сжатие пружины:

где Dnp - диаметр пружины; / - расчетное число витков пружины; G - модуль

упругости материала пружины; d - диаметр витка пружины;

PQ,

Р^ - соответст-

венно начальная и конечная силы, действующие на пружину.

Приравнивая правые части выражений (9.74) и (9.75), находят конечную си-

лу для выбранной пружины. После этого необходимо рассчитать ее осадку по

формуле

Gd'

и сравнить с допустимой.

298

г л ава 10.

Типовые конструкции узлов гидравлического пресса

Глава 10. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ УЗЛОВ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА

10.1.

Станины

Гидравлические прессы применяют в различных отраслях производства.

Они разнообразны по своему конструктивному оформлению. Однако конструк-

ции основных узлов - станин и подвижных поперечин; рабочих, возвратных и

уравновешивающих цилиндров; столов - имеют много общего.

Вертикальные станины. Эти станины подразделяют на колонные и рам-

ные,

одностоечные и двухстоечные, открытого и закрытого типа.

Одностоечные станины открытого типа изготовляют литьем или сваркой;

в виде одной детали (рис. 10.1, ^7) и составными, которые собирают из двух или

более деталей и стягивают болтами (колоннами). Их предварительная затяжка

должна обеспечить нераскрытие стыков в процессе эксплуатации при приложе-

нии сил, равных номинальному усилию. Материал станин, как правило, - угле-

родистая сталь.

Открытая цельная и составная станины ковочного пресса приведены на

рис.

10.1. Составная станина состоит из верхней 2 и нижней 4 поперечин и стой-

ки 3. Стойки стянуты четырьмя стяжными болтами 1,

При выполнении технологических операций ковки и листовой штамповки

деформирующая сила не всегда действует в плоскости симметрии станины, по-

этому последняя воспринимает дополнительный изгибающий момент относи-

^{EJ)i

1 2 3

!*^^!Ц.Т.

сечения (£'У)б

^1-

_1ргн!^

^^zzzzzza

(£J)2

ш—ш

Рис. 10.1. Конструкции открытых цельной (а) и составной (б) станин гидравлических

одностоечных прессов

299