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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел IV.

МОЛОТЫ

где

К--

Ф»+1 . ,/ _Фо

' еж *

Ф.+YxH ФО

Поскольку коэффициент

у^^^

оговорен в связи с особенностями парораспреде-

ления, уравнение (17.10) позволяет рассчитать сумму коэффициентов у+р' и, сле-

довательно, период выпуска верхнего пара (1-у-Р')Я^ при первом холостом ходе

вверх. Кроме того, при известной сумме коэффициентов из адиабатического соот-

ветствия параметров верхнего пара при сжатии легко установить давление в КВП:

Р.Л

+—(Y+Ю

Фо

Расчетное значение р'^^ принимают с небольшим превышением над давле-

нием свежего пара, на впуск которого приоткрыты верхние окна золотниковой

втулки (см. рис.

16.11,

в).

Индикаторные линии верхнего и нижнего пара при первом холостом

ходе вниз. В связи с большим противодавлением верхнего пара, достигнутым

в период предварения впуска, давление в верхней полости принимают равным

начальному/7. Однако верхний пар должен совершить работу по перемещению

поршня вниз только на части полного хода

Н^-Н^,

где Н^ - недоход до КНП.

Это означает, что период впуска должен быть предельно мал (рис. 17.7).

1 1

ф«/

1т

уя,

хНщ

Г^.

Ян

со

Сг-

' (1-у'-р')Я;„

^ря„^

а'а

Р'я„

—*"

у-Р)Я

о'

УНт

•^

^т

КНП КВП

Рис. 17.7. Индикаторные линии верхнего и нижнего пара

при холостом ходе вниз

410

г л

ава 17.

Термомеханический расчет паровоздушных молотов

В результате последующего мятия

расширения пара давление

конце хода

вниз минимально

и не

превышает давления

выхлопной трубе:/>j^g

-Рт-

По технологическим причинам величина недохода должна составлять

(0,25...0,35)Я,.

Участок выпуска нижнего пара

при

первом холостом ходе вниз очень

мал:

-у-Р)//^

0,1^^.

Невелико

открытие нижних окон. Поэтому давление пара

в нижней полости начинает повышаться

самого начала хода вниз.

При реверсе движения поршня возникает перепад давлений

конечное дав-

ление нижнего пара

в КВП при

первом холостом ходе вверх снижается пример-

но

на 0,05

МПа. Тогда начальное давление

нижней полости

при

первом

хо-

лостом ходе вниз может быть принято равным/?,^„

0,05

МПа.

17.8.

Рабочие ходы штамповочного молота

Управляемые рабочие ходы паровоздушного штамповочного молота пред-

ставляют собой единичные ходы

полной

или

неполной энергией удара, непре-

рываемые

прерываемые холостыми качаниями.

Первый

тип

рабочих ходов предполагает нанесение ударов

полной энерги-

ей,

следующих один

за

другим

без

задержки вверху

внизу. Один двойной

ход

в этом цикле распадается

на два

этапа: холостой

ход

вверх

при

отпущенной педа-

ли,

совершающийся автоматически,

и ход

вниз

при

полностью нажатой педали.

После первого холостого хода вверх,

затем вниз падающие части молота

переходят

установившийся режим качаний. Если возникает потребность

на-

нести удар, штамповщик

при

подходе

их к КВП

резко нажимает педаль, осу-

ществляя единичный

ход

вниз. Важно

то, что ни в

первом,

ни во

втором

случаях

момент нажатия

на

педаль

нет

отрицательного перепада давлений

в верхней полости цилиндра

подводящей трубе. Поэтому движение поршня

вниз совершается вплоть

до

начала мятия

под

действием номинального давле-

ния свежего пара,

падающие части развивают,

как это и

требуется, макси-

мальную скорость.

Для расчета числа ударов

единицу времени, расхода энергоносителя,

КПД

пресса

других характеристик особый интерес представляют единичные хода

полной энергией удара, непрерываемые циклами качаний.

Чтобы составить предположительные индикаторные диаграммы рабочих

процессов

верхней

нижней полостях цилиндра, необходимо соответствую-

щим образом соединить индикаторные линии верхнего

нижнего пара

при

пер-

вом холостом ходе вверх

единичном ходе вниз.

Индикаторная линия нижнего пара

при

ходе вверх полностью соответствует

таковой

для

первого холостого подъема. Индикаторную линию выпуска нижнего

пара

при

ходе вниз уточним, исходя

из

следующих соображений.

КВП давление

нижнего пара

равно/Р^^^, И

ДЛЯ ХОЛОСТЫХ ХОДОВ

МЫ

принимали возможность пере-

411

Раздел IV.

МОЛОТЫ

пада в 0,05 МПа при реверсе движения (см. рис. 17.7). При единичном ходе вслед-

ствие подъема золотника от педали проходное сечение верхних окон увели-

чивается - перепад возрастает до 0,075 МПа и выпуск нижнего пара происходит

при меньшем торможении с давлением, определяемым согласно формуле (17.8).

Индикаторная линия верхнего пара при подъеме падающих частей также

полностью соответствует таковой для первого холостого хода вверх, а для хода

вниз ее можно построить на основании следующих соображений. Парораспре-

деление в паровоздушных штамповочных молотах устроено так, что при нане-

сении полных единичных ударов верхние окна остаются максимально от-

крытыми до начала мятия и только затем их перекрывает полка золотника,

опускающегося автоматически под действием кинематических связей между

ним и бабой. Поскольку проходные сечения окон дросселя оказываются наполо-

вину меньше проходных сечений верхних окон золотника, то мятие пара начи-

нается именно в дросселе. Поэтому

При неизменной движущей силе легко определить путь, пройденный порш-

нем при равноускоренном движении от КВП (рис. 17.8, точка а) до начала

мятия (точка а^):

1м^

^ Ун^

мят

mv^,

2Р„

где Рн1 - движущая сила на этом участке хода вниз; j\ - ускорение поршня

при входе вниз.

^иНт

Ь'

а'а

У'Нт

_ Ухв ^т _

Нщ

^ ^

а'

о^т

КНП КВП

Рис. 17.8. Индикаторные линии верхнего пара при рабочем ходе

412

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

Поскольку при полном единичном ударе впуск продолжается на протяже-

нии всего хода вниз, то у' =

Индикаторные диаграммы единичного хода с полным ударом показаны

на

рис.

17.9, где замкнутая кривая 1 обозначает изменение параметров верхнего,

а кривая 2 - нижнего пара.

Согласно балансу работ всех сил, эффективная энергия полного единично-

го удара

где Рд - активная сила верхнего пара, постоянная на участке аЪ'^,

равная

и изменяющаяся от точки

а'^

до конца хода вниз по закону адиабатического рас-

ширения:

Рп=/

После интегрирования и преобразований получаем

L,=

[pFj^,+pF(<p,+y^Jlnk;-p,aF-^0,9G-p,(l-a)F]H^,

где А:;=(фо+1)/(фо+У;,в)-

Если штамповщик уменьшит нажатие на педаль, то золотник поднимется

меньше и при ходе падающих частей вниз, опускаясь от сабли, перекроет верх-

кнп квп

Рис. 17.9. Индикаторная диаграмма рабочего хода с полным ударом

413

Раздел IV. МОЛОТЫ

ние и нижние окна. Появятся периоды расширения верхнего пара и сжатия ниж-

него.

В результате работа верхнего пара уменьшится, а противодавление ниж-

него - возрастет. При этом движение падающих частей молота вниз замедлится

и удар будет неполным.

17.9.

Скорости движения и число ударов молота

Если на каком-либо участке падающие части перемещаются под действием

постоянной движущей силы, то рассчитать время хода бабы нетрудно, посколь-

ку ускорение неизменно. Например, рассмотрим первый холостой ход вверх при

подъеме падающих частей штамповочного молота. Поскольку отрезок индика-

торной линии для верхнего пара в начале хода вверх (рис. 17.10) обычно меньше

отрезка

у^н^т

Д-^^

нижнего пара, когда давление его начинает падать, то на участ-

ке (1-у'-|3')Я^ движение равноускоренное от КПП и совершается под действи-

ем силы

Рв1

= const. Следовательно,

^- .2

а время движения

2т

^ _ \2m{\-i-^')H„

в1 \ р

падающие части в конце участка достигнут скорости

V т

При переменном давлении энергоносителя движение падающих частей опи-

сывается нелинейными дифференциальными уравнениями, по которым можно

рассчитать скорости и время движения.

Для приближенных расчетов v и / по адиабатам предположительных ин-

дикаторных диаграмм применяют графоаналитические методы. Для этого

вычерчивают в достаточно крупном масштабе индикаторные линии верхнего

и нижнего пара (например, для хода вверх), а оставшийся путь (у'+Р')Я^

падающих частей до КВП делят на 10 равных участков. Согласно закону

сохранения энергии, положительное или отрицательное приращение работы

А^^ внешних сил на любом участке к вызывает равное увеличение или

уменьшение уровня кинетической энергии падающих частей AL^. Работу

внешних сил на участке к с допустимой точностью, обусловленной заменой

4М

Глава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

КНП КВП

Рис. 17.10. Индикаторные линии верхнего пара

при

ходе вверх

кривой индикаторного давления р =f{H) линейной зависимостью, можно

определить по формуле

АЛ

ОД(у'+р')Я„[/'з.ср-^в'.ср-1ЛС + /7о(1-сх)Л,

где Рв

ср

~ осредненная сила, зависящая от среднего давления нижнего пара

г\ Р k ' Р

Jc-4-\

i-f

на рассматриваемом участке,

Р^^^р^—^

^-^aF\

р,^,

pi^+^

- индикаторное

давление нижнего пара соответственно в начале и в конце участка;

Р^

- осред-

ненная сила противодавления верхнего пара,

Р^^^--

^' Рк^ Рк

к+\

индикаторное давление верхнего пара соответственно в начале и в конце рас-

сматриваемого участка. Однако

откуда скорость в конце участка

Ч+]

2АА

Точно так же по индикаторным линиям верхнего и нижнего пара при пол-

ном единичном ударе можно рассчитать скорости при ходе вниз.

415

Раздел IV. МОЛОТЫ

Пренебрегая изменением ускорения на участке 0,1('/+рОЯ^, что вполне до-

пустимо, поскольку участков достаточно много и ошибка будет совсем неболь-

шая, считаем движение от /4 ^ ^к+\ равноускоренным. Тогда по известному

из механики соотношению

ОД(у'

р')Я„=^К+у,,,)^,

определяем

_ (у'+Юя„

Время хода вверх

Время хода вниз до удара падающих частей в КНП

Время одного цикла движения вниз-вверх t^^^, если опустить чрезвычайно

малое время самого удара,

^дв.х ~ ^в '^н*

Число ударов молота в минуту находим по рассчитанному времени одного

двойного хода (без учета длительности пауз):

^дв.х

Полученное число ударов в минуту является номинальным показателем.

17.10.

Коэффициент полезного действия

паровоздушного молота

Потери при трансформации тепловой энергии пара, внесенной в цилиндр

молота, в кинетическую энергию его падающих частей обусловлены особен-

ностями протекающих термодинамических процессов. Для тепловых машин, ра-

ботающих при минимальном противодавлении выпуску отработавшего пара,

термический КПД (см. формулу (17.4)) невысокий -

Г|^

= 0,10...0,14.

Молоты работают в исключительно нестабильных режимах: циклы холос-

тых качаний, удары с различной энергией (от самой низкой до максимальной),

416

г л ава 17. Термомеханический расчет паровоздушных молотов

теплообмен с внешней средой. Потери энергии такого рода учитывает относи-

тельный КПД

Лотн-0,325...0,375.

Движению падающих частей препятствует трение скольжения, вызывая

расход энергии. Эти потери учитывает механический КПД

Лмех-0,8...0,9.

Суммарные потери энергии в термомеханической системе характеризует

полный экономический КПД

Л-г|,ЛотнГ|мех-0,026...0,047. (17.11)

Как известно из § 15.3, не вся кинетическая энергия падающих частей рас-

ходуется на пластическое деформирование заготовки. Часть ее безвозвратно те-

ряется вследствие несовершества самого удара. Это обстоятельство учитывает

КПД удара Г|у.

Комплексное представление об использовании первичной энергии дает так

называемый эффективный КПД

Лз = Г|Г|у. (17.12)

Минимальное значение Г|з характерно для жестких ударов при обработке

в окончательном ручье штамповочного молота: Г|з = 0,014, максимальное - для

заготовительных переходов объемной штамповки: Г|з = 0,024.

17.1 !• Расчет молота при работе на сжатом воздухе

или перегретом паре

Для сжатого воздуха и перегретого пара адиабата расширения-сжатия явля-

ется степенной функцией гиперболического типа: pV

const. Известно, что при

> 1

кривая такого рода ниспадает к оси абсцисс тем интенсивнее, чем больше

показатель степени.. Поскольку для сжатого воздуха А:= 1,4, а для перегретого

пара к= 1,3, при одном и том же падении давления от начального уровня сте-

пень расширения оказывается наименьшей у сжатого воздуха, несколько больше -

у перегретого пара, но самая большая она у влажного пара. Сжатие же на одну

и ту же степень вызывает у воздуха самое высокое повышение давления; для

перегретого пара оно несколько меньше.

Механическая работа в адиабатическом процессе происходит за счет внут-

ренней энергии газа (см. уравнение 17.1):

417

Раздел IV. МОЛОТЫ

Поскольку уровень внутренней энергии является функцией степени нагретости

газа, т. е. его температуры, то приращение

щ,

-cy^т^-cy{т,-т,).

Тогда удельная механическая работа

"^ к-\

к-\

п^

\y\j

(17.13)

Уравнение (17.13) показывает, что при возрастании показателя степени функ-

ции pV^^ механическая работа, совершаемая энергоносителем при расширении,

уменьшается, а работа, затрачиваемая на его сжатие, увеличивается.

Положим, что паровоздушный молот рассчитан на работу на влажном паре.

Что произойдет при переводе этого молота на работу на сжатом воздухе?

Как известно, рабочий процесс в цилиндре молота определяется соотноше-

ниями между периодами работы энергоносителя, т. е. между впуском-выпуском

и расширением-сжатием. При расчете параметры парораспределения у, у', р, р',

(1-у-Р),

(1-У-Р') оказываются фиксированными; они реализуются в конструк-

ции золотника и механизма управления. Поэтому при установленных периодах

отсечек и заданных давлениях впуска-выпуска работа расширения нижнего воз-

духа, например при ходе вверх, окажется заниженной, а работа сжатия верхнего

воздуха - завышенной по сравнению с процессом влажного пара. В результате

поршень и, следовательно, падающие части не дойдут до КВП. Для того чтобы

обеспечить подъем падающих частей на полный ход, необходимо затратить то

же количество энергии, что при работе на влажном паре. Использовать внутрен-

нюю энергию воздуха при заданных степени расширения и давлении выпуска

невозможно. Недостающую энергию можно получить только в результате до-

полнительного введения свежего энергоносителя в цилиндр молота. Это дости-

гается увеличением периода впуска нижнего воздуха посредством регулировки

установочного положения парораспределительного механизма (необходимо

опустить золотник).

Очевидно, что при тех же параметрах р и р^ для достижения требуемого

уровня кинетической энергии диаметр рабочего цилиндра D должен быть не-

сколько больше, чем для молота, работающего на влажном паре.

Переключение молота, работающего на воздухе, на работу на влажном паре

может привести к сильному удару поршня в крышку цилиндра, если не преду-

смотреть изменений в регулировке давления пара. Проще всего уменьшить про-

ходные сечения дросселя и, следовательно, увеличить предварительное мятие

пара, тем самым снизив давление свежего пара, поступающего в цилиндр. Эффек-

тивная энергия удара при этом не уменьшится, так как работа верхнего пара почти

не изменится, а противодавление нижнего пара даже несколько упадет.

418

Глава 18. Бесшаботные и паровоздушные молоты

Глава 18. БЕСШАБОТНЫЕ ПАРОВОЗДУШНЫЕ

МОЛОТЫ

18.1.

Типовые конструктивные схемы

Высокая плотность застройки заводских площадок и близость жилых

кварталов заставили инженеров искать эффективную защиту от виброколеба-

ний грунта, возникающих при работе шаботных молотов. Основной задачей

сочли не локализацию виброколебаний в системе молот - фундамент, а устра-

нение их причины для того, чтобы кинетическая энергия максимально гаси-

лась непосредственно при соударении частей молота и не передавалась на

несущие части его конструкции и фундамент. Напрашивалось естественное

решение: осуществлять не односторонний удар двигающихся с большой ско-

ростью падающих частей по поковке на неподвижном шаботе, а соударение

двух подвижных масс по поковке, расположенной в плоскости их возможного

столкновения. Поскольку нагрузочный импульс при таком ударе не передается

на грунт, отпадает необходимость в шаботе. Поэтому эти модели паровоздуш-

ных молотов получили название бесшабашных.

Однако они не вытеснили обычные шаботные молоты, так как нижний

штамп их подвижен и по этой причине возникают определенные затруднения

с удержанием поковки при выполнении многоручьевой штамповки. Очень хо-

рошо на бесшаботных молотах осуществлялась штамповка в торец осесиммет-

ричных деталей вроде шестерен, фланцев и т. п. Чтобы избежать эксцентричных

ударов при штамповке несимметричных в плане деталей, предусматривали

предварительную обработку заготовок на других машинах или на том же моло-

те,

но с последовательной установкой штампов по операциям.

Основным признаком для классификации бесшаботных молотов является

тип привода подвижных частей: паровоздушный, механический и гидравли-

ческий. Второй и третий типы в чистом виде применяют крайне редко, тогда

как первый сам по себе или в сочетании со вторым и третьим является ти-

повым.

Была предложена конструктивная схема молота, в котором от паровоз-

душного цилиндра приводилась в движение только верхняя баба 1 (рис. 18.1, а),

а нижняя 5 перемещалась от нее при помощи механической связи - двух метал-

лических лент 3, перекинутых через блоки 2.

Выполнить конструкцию молота по такой схеме несложно, достаточно только

обеспечить хорошее направление баб. Для этого на нижней плите устанавливают

станину из четырех стоек, а сверху закрепляют рабочий цилиндр. Верхнюю бабу

обычно изготовляют из качественного литья заодно со штоком и поршнем.

Связывающие ленты работают в наиболее тяжелых условиях вследствие уп-

ругих колебаний, возникающих в них при ударе. Для повышения прочности лен-

419