Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Рабочий ход в этом случае должен быть уменьшен и соответствовать углу пово­ рота кривошипа на угол ар = 20...30°.

VI. Гибка в штампах. В качестве типового графика в этом случае можно при­ нять приведенную на рис. 4.2, з зависимость Р^, =f(S) для гибки скобы. График имеет два участка: в начале гибки деформирующая сила плавно возрастает до Р^^ и столь же плавно снижается, а затем резко возрастает, достигая макси­ мального значения Р^^^. При расчете следует принять Р^^^ ^^ном? причем первый максимум должен быть ниже графика допускаемых сил (см. рис. 3.6, кривая 7).

Рабочий ход S^^^ устанавливают соответствующим ходу ползуна при пово­ роте кривошипа на ар = 60°. Заметим, что площадь под графиком деформирую­ щей силы представляет собой работу деформирования, расходуемую только на пластическое формоизменение без учета каких-либо потерь.

Аналогично можно строить графики деформирующей силы для процессов холодной листовой штамповки.

4.3.Нагрузочные графики кривошипных прессов

Вреальных прессах с жесткостью (упругой податливостью), заданной зави­ симостью Р^ =f{^l) (рис. 4.4, а), ход ползуна S определяется как сумма рабоче­ го хода iSp X и упругой деформации Д/ пресса, соответствующей деформирующей силе в рассматриваемый момент:

Рис. 4.4. График жесткости пресса (^f) и изменение деформирующей силы по ходу пол­ зуна (б - г) без учета (7) и с учетом (2) жесткости пресса

130

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

1. Штамповка заканчивается до выхода главного ползуна в крайнее нижнее (переднее) положение или даже в крайнем положении, но максимум необходи­ мой для деформирования силы достигнут значительно ранее выхода в это поло­ жение, а затем плавно уменьшается до Ро = 0 к концу операции (все виды вытяжки). В этом случае график деформирующей силы преобразуется в нагру­ зочный без изменения рабочего хода, т. е. рабочий ход ползуна равен осадке за­ готовки: S = iS^ax (рис. 4.4, б, точка В).

2.Штамповка заканчивается до выхода главного ползуна в его крайнее нижнее (переднее) положение (точка А, кривая 7), но сила упругой деформации резко падает до нуля в момент окончания операции (вырубка-пробивка, резка). Положение ползуна после упругого деформирования пресса определяется точ­ кой В. График деформирующей силы преобразуется в нагрузочный со значи­ тельным изменением рабочего хода (S> S^J (рис. 4.4, в),

3.Штамповка заканчивается до крайнего нижнего положения ползуна с рез­ ким падением силы упругого деформирования станины от максимального значе­ ния до нуля (чеканка, выдавливание и прессование, горячая штамповка в открытых штампах, гибка) (рис. 4.4, г). Однако в некоторых случаях возможно заклинивание кривошипно-ползунного механизма. Упругой разгрузки пресса при этом не происходит вследствие еще действующего тормозного момента на участ­ ке поворота ведущего кривошипа в пределах угла а^^ «мертвого трения». Поэтому для движения ползуна вниз необходима дополнительная энергия.

Выход из зоны «мертвого трения» сопровождается резким падением мощ­ ности, затрачиваемой приводом:

При заданной угловой скорости со и силе Р^ это может быть только при условии

т^ -7?(sina^+0,5sin2a^) + ^[(l + >.)r4+>.r5+ro] = 0.

При малом угле «мертвого трения» получаем

(1 + Х)г^-ьХг^+г^

а^ =-arcsm|i- R(l + l)

Упругая деформация при разгрузке пресса должна соответствовать ходу ползуна при повороте ведущего кривошипа на угол а = а^^:

А / р - ^ К ) .

Следовательно, рабочий ход ползуна для процессов штамповки третьего ти­ па (рис. 4.4, в)

131

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Для дальнейших расчетов необходимо преобразовать график Р^ =f(S) в график Р^ =/(сх).

При построении графика Pj^ = f(OL) следует иметь в виду, что при вы­ полнении ряда операций листовой штамповки, резки прутков, обрезки облоя у поковок необходимо обеспечить захождение S^^ - S^ (см. рис. 4.4, в) пуан­ сона за рабочую кромку матрицы для проталкивания изделия. Положение ползуна, соответствующее началу рабочего хода, в этом случае координиру­ ется длиной пути

ИЛИ углом поворота, считая от крайнего нижнего положения:

При работе чеканящим нажимом ар j, = О и S^^ = 0.

4.4. Расход энергии в приводе кривошипного пресса

Энергия, расходуемая в приводе кривошипного пресса за один технологичес­ кий цикл, складывается из работы А^^ на преодоление сил трения между диска­ ми при включении муфты, а также на разгон подвижных частей исполнительных механизмов и привода, работы А^^ на холостое перемещение механизмов пресса и работы А^^ на совершение рабочего хода:

Расход энергии на включение муфты. Работа А^^ затрачивается, вопервых, на преодоление сил трения при проскальзывании дисков муфты в мо­ мент включения, т. е. от их соприкосновения до тех пор, пока угловые скорости ведущих и ведомых дисков не сравняются между собой, - А^^^, и, во-вторых, на разгон неподвижных частей привода пресса, следующих за муфтой, и главно­ го исполнительного механизма - А^^^^:

Пуск кривошипных прессов осуществляют на холостом ходу, когда дефор­ мирующая сила отсутствует, а энергией, затрачиваемой на преодоление трения в опорах валов, можно пренебречь. Следовательно, работа, расходуемая на про­ скальзывание дисков.

А=

где J^ - момент инерции ведомых частей пресса, приведенный к валу муфты; со - угловая скорость маховика в конце сцепления.

132

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

Работа, затрачиваемая на разгон при включении муфты, определяется запа­ сом кинетической энергии, сообщенной ведомым частям пресса:

где «о ~ начальная угловая скорость ведущих частей муфты, соответствует син­ хронной угловой скорости электродвигателя (при скольжении s ^0,5 %), приве­ денной к валу муфты, O)Q ^ сОсинх-

Различие между угловыми скоростями ш и ш^ объясняется двухстадийным характером работы привода при включении муфты. На первой стадии начальная угловая скорость COQ маховых масс от ведущих частей муфты до ротора электро­ двигателя понижается, а угловая скорость частей пресса, бывших ранее непод­ вижными, возрастает. Поскольку процесс выравнивания угловых скоростей отличается быстротечностью, работа электродвигателя в этот период очень мала и расход энергии в приводе компенсируется торможением маховых масс. По­ этому к концу первой стадии со< WQ. На второй стадии электродвигатель разго­ няет привод до начальной скорости COQ.

На первой стадии включения при уменьшении угловой скорости от COQ ДО Ш работа торможения маховика

На основании равенства А^^^ = А^ д устанавливаем, что

СО-(ОпJ'-' ''^^

*^ махK/IKV I" *^ т

Скорость со несколько меньше, чем ш^^^ при номинальном скольжении элек­ тродвигателя, а щ несколько больше, чем со^^^^, поэтому для упрощения расчета в пределах требуемой точности считаем

С0о-С0-О)„ом.

Тогда расход энергии на одно включение фрикционной муфты составит

Полное время включения t^^ фрикционной пневматической муфты исчис­ ляется от 0,03 с для небольших быстроходных листоштамповочных прессов до 0,6 с для аналогичных крупных машин и от 0,045 с для легких КГШП и ГКМ до 0,10...0,12 с для соответствующих тяжелых машин.

При работе на автоматическом режиме без выключения муфты А^^^ = 0.

133

Раздел L КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Расход энергии при холостом ходе механизмов пресса. Расход энергии в приводе кривошипного пресса во время холостых ходов обусловлен следующи­ ми потерями:

1) на преодоление трения в опорах и направляющих главного исполнитель­ ного механизма и маховика, а также сил тяжести;

2)на преодоление сил трения в зацеплении и опорах зубчатых передач;

3)на разгон маховика до номинальной частоты вращения и проскальзыва­ ние ремней в клиноременной передаче;

4)на перемещение деталей вспомогательных механизмов пресса.

Работу холостого хода того или иного механизма при повороте ведущего кривошипа на угол от а, до а2 определяем интегрированием:

^х.х^ \M.ida,

где М^^ - текущий приведенный крутящий момент на ведущем звене механизма. Исследование потерь при холостом ходе механизмов листоштамповочного пресса простого действия свидетельствует об их зависимости от качества обра­ ботки сопряженных поверхностей подвижных деталей, опор или направляющих;

натяжения ремней; регулировки тормоза и других случайных причин. Приближенно работу холостого хода Л^^ определяют в долях от работы пла­

стического деформирования ^деф, расходуемой в процессе формоизменения:

где /: = 0,3...0,4 для универсальных листоштамповочных и обрезных закрытых прессов, 0,4...0,5 для КГШП, 0,6 для чеканочных и 1,5...2,5 для холодновысадочных прессов-автоматов.

Расход энергии при рабочем ходе. Диаграмма крутящих моментов М^ =/(ос) - полная количественная характеристика расхода энергии в период рабочего хода на прессе с реальными свойствами. Эту диаграмму можно построить с помощью уравнения вида

М,(а) = Р^(аК(а),

где P^i^) - сила на ползуне при заданном положении механизма, определяемая из нагрузочного графика пресса.

Планиметрируя диаграмму на участке рабочего хода, устанавливаем расход энергии на ведущем валу согласно уравнению

«р.н

^р.х= \M^{a)da.

«р.к

Энергия упругой деформации пресса. В прессах, где рабочий ход закан­ чивается, не доходя до крайнего положения ползуна, а график деформирующей

134

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

силы после достижения максимума имеет более пологий вид, чем график жест­ кости (например, при вытяжке из листовой заготовки, резке на гильотинных нож­ ницах с косыми ножами), происходит полный возврат потенциальной энергии упругой деформации при разгрузке пресса:

А = о ^р д/

^у п р '^'-^^ max ^ * шах*

Т.е. фактический расход энергии на рабочий ход уменьшается на эту величину. Если же на графике Р^ =f(S) максимальной силе Р^пах соответствует крайнее

положение механизма (например, при чеканке, прессовании, объемной штам­ повке), то, как известно, в начале обратного хода необходима дополнительная энергия. В этом случае почти вся потенциальная энергия упругой деформации пресса теряется в зоне «мертвого трения», определяемой углом а^.

4.5, Выбор электродвигателя и маховика

Решающим фактором при выборе системы привода кривошипных прессов является экономическая целесообразность в сочетании с техническими требова­ ниями. Большинство кривошипных прессов оборудовано маховиковым приводом с асинхронным трехфазным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. Предпочтение, оказываемое этому типу электродвигателей, объясняется просто­ той их устройства, невысокой стоимостью, надежностью и безопасностью работы. Освоен промышленный выпуск различных модификаций асинхронных электро­ двигателей: с фазным ротором, с повышенным скольжением, многоскоростные с переключением полюсов и др., что позволило расширить область их применения.

Определенными преимуществами обладает привод от электродвигателя по­ стоянного тока:

1) возможностью бесступенчатого электрического регулирования числа ходов ползуна и угловой скорости кривошипа на холостом ходу и в период рабочего хода;

2) отсутствием необходимости в установке муфты включения и маховика. Внедрение в качестве преобразователей тока германиевых и кремниевых

диодов позволило значительно снизить стоимость привода.

Применение электродвигателей постоянного тока технически целесообразно в прессах с растянутым во времени рабочим ходом - прессы для горячего прес­ сования профилей, ножницы с тянущим резом и т. п., а также в листоштамповочных прессах-автоматах универсального назначения. В первом случае это объясняется необходимостью соблюдения заданных режимов скорости движе­ ния исполнительного органа, во втором - необходимостью плавной регулировки

вшироких пределах числа ходов пресса.

Вкривошипных прессах целесообразность привода с маховиком вытекает из анализа пяти периодов его работы (рис. 4.5): 1) при включении муфты; 2) при прямом холостом ходе; 3) при рабочем ходе; 4) при обратном холостом ходе и 5) после выключения муфты.

135

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

M^l

Рис. 4.5. График крутящего момента двигателя

Характерной особенностью работы привода является малая длительность второго периода, составляющая не более 0,03 t^. Незначительное различие зна­ чений М^ на втором, четвертом и пятом периодах позволяет привести график Мс =f(f) к двум участкам: 1) торможения маховых масс на общем пике нагрузки с преобразованием части их кинетической энергии в работу пластического де­ формирования и 2) разгона этих масс до конца технологического цикла.

В более строгих расчетах особое внимание уделяют выбору оптимального со­ отношения между мощностью электродвигателя и моментом инерции маховых масс. Однако выдержать его на практике не удается по конструктивным сообра­ жениям: а) размеры маховика должны соответствовать размерам пресса; б) обыч­ но маховик выполняют совмещенным с муфтой; в) предельная скорость маховика ограничена. Поэтому на практике широко применяют упрощенные расчеты. Ал­ горитм их следующий.

1. По затрачиваемой за один технологический цикл активной работе вклю­ чения муфты, рабочего и холостых ходов рассчитывают среднюю мощность, от­ несенную ко времени цикла. Номинальную мощность электродвигателя прини­ мают как сумму мощностей активного и холостого ходов.

2. Момент инерции маховых масс и собственно маховика определяют по за­ данной работе, а допустимую неравномерность вращения - на основе производст­ венного опыта или расчетным путем с учетом экспериментальных коэффициентов.

Номинальная мощность электродвигателя определяется суммарной мощ­ ностью активного TVp X и холостого TV^.x ходов полного цикла:

где к - коэффициент запаса.

Средняя мощность активного хода

п л -\- Л

'*вкл^вкл ^ ^ р . х

Л^р.х =

136

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

где «в^ - число включений муфты за цикл (в автоматическом режиме п^^ = 0). Средняя мощность холостого хода

^' х.х ~ ^х.х/^ц •

Тогда номинальная мощность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Коэффициент запаса к функционально зависит от номинального скольжения установленного электродвигателя: чем меньше скольжение, тем ниже способ­ ность электродвигателя к перегрузке и, следовательно, тем больше должен быть коэффициент запаса. В свою очередь скольжение должно соответствовать числу ^Факт фактически используемых ходов пресса: чем больше число используемых ходов, тем меньше времени требуется для восстановления оборотов двигателя и, следовательно, меньше должно быть номинальное скольжение s^^^ (табл. 4.1).

Таблица4.1. Значения коэффициентов /сие для расчета мощности привода

Для прессов с ограниченной мощностью электродвигателя число фактически используемых ходов п^^^^ =Рн^^'

Для асинхронных электродвигателей с фазным ротором номинальная мощ­ ность снижается вследствие потерь, связанных с ухудшением условий вентиляции:

N ном.ф ном.ф 1 ном.ф •л^.

где /?но^ ф - номинальная частота вращения электродвигателя с фазным ротором по данным каталога; ^ном = ^^синхС^-^ном)' ^синх ~ синхронная частота вращения электродвигателя с фазным ротором.

В период рабочего хода работа электродвигателя, приведенная к валу веду­ щего кривошипа:

^ э.к ~ ^^ном. ф ^рЧ п?

где Г|п - к п д передачи. Тогда работу маховика А^^^^ определяем из разности:

137

Раздел L КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

А= Л —А

^^мах ^^р.х ^^э.к*

Как известно, маховик совершает работу ^4,^^^^ за счет кинетической энергии А[4зх? причем должно выполняться равенство

Отданная кинетическая энергия

2

где J^g^ - момент инерции маховых масс; Од^^^ - максимальная угловая скорость маховика перед началом рабочего хода (в пределах требуемой точности ее мож­ но рассчитывать по номинальной частоте вращения маховика п^^^ ~ ^шы1'^)'^ ^min ~ минимальная угловая скорость в конце рабочего хода.

Торможение маховика характеризуется коэффициентом неравномерности хода 5:

s:_ ^max ~ ^min

«ср «ср

при средней угловой скорости (О^р = {&^^ + co^in )/2 или средней частоте враще­ ния «ep = («max-«min)/2. ТоГДа

Согласно уравнению (4.1),

(^«ср/ЗО) 5

При заданном коэффициенте неравномерности хода частоту п^^ можно вы­ разить через номинальную частоту вращения маховика:'

2

"- = бТ1'

поэтому

Коэффициент 5 всегда значительно меньше единицы. Причем, чем выше ко­ эффициент использования /?ц ходов машины, тем меньше значение 6. В пределах

138

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

данной группы прессов меньшие значения коэффициента неравномерности хода 5 должны отвечать машинам с большим номинальным числом ходов.

В.П. Механик и И.В. Харизоменов установили соотношение для вычисления коэффициента неравномерности хода, исходя из допускаемого нагрева электро­ двигателя в условиях однопикового графика нагрузки:

где 8 - коэффициент, зависящий от соотношения между номинальным и крити­ ческим скольжением электродвигателя (усредненные значения г приведены в табл. 4.1); ^-р^^^ - упругое скольжение ременной передачи, ^р^^^ = 0,01.

Однако расчет момента инерции маховика требует дальнейшего уточнения в связи с принятым при выводе формулы (4.2) допущением о мгновенном дейст­ вии деформирующей силы в начале цикла. В действительности реальная нагруз­ ка не является мгновенной, а растянута во времени и торможение маховика происходит при повороте кривошипа на угол ар. Поэтому для технологического цикла с однопиковым графиком нагрузок в режиме непрерывных ходов момент

Для цикла с двухпиковым графиком нагрузок в режиме одиночных ходов момент инерции будет больше в связи с расходом энергии на включение муфты. В этом случае расчетная формула для момента инерции будет следующей:

•^'мах- (4.3)

Энергию отдает не только маховик, но и другие вращающиеся детали прес­ са. Это особенно заметно в мощных машинах. Поэтому вычисленный по фор­ муле (4.3) момент инерции J^^^ маховых масс должен быть равен сумме приведенных к валу маховика моментов инерции наиболее крупных деталей пресса:

TjiQ J^ - момент инерции /-й детали; и^ ~ передаточное число от вала, на котором закреплена /-я деталь к валу маховика, причем для расположенных перед махо­ виком деталей и^< 1, а за маховиком Ui> 1.

Ориентировочно можно считать, что для КГШП момент инерции собствен­ но маховика составляет 70...75 % момента инерции вращающихся масс привода, а для тяжелых листоштамповочных прессов и ГКМ - 85...90 %. У легких лис-

139