Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

пень нагружения - рукоятку нужно передвинуть в положение IV. В этом случае рабочий цилиндр 2 будет соединен с аккумулятором 7. Для создания макси­ мальной силы - вторая ступень нагружения - рукоятка должна находиться в крайнем положении V. В этом случае жидкость из аккумулятора 7 поступает в цилиндр низкого давления мультипликатора 5. В результате плунжер мультип­ ликатора перемещается, и жидкость сверхвысокого давления нагнетается в ра­ бочий цилиндр 2 пресса. Обратный клапан 8 отключает аккумулятор 7.

Для совершения обратного холостого хода необходимо рукоятку главного распределителя 6 передвинуть в крайнее положение /. При этом жидкость из ак­ кумулятора поступает в возвратные цилиндры, а из мультипликатора - на слив.

Насосный безаккумуляторный привод. Такие приводы получили широкое распространение для гидравлических прессов с небольшим номинальным уси­ лием. Безаккумуляторный привод может быть с насосом постоянной или регу­ лируемой производительности.

На рис. 6.16 показан типовой насосный безаккумуляторный привод с насо­ сами постоянной производительности. Основными элементами привода являются рабочий 2 и возвратные 1 цилиндры (гидродвигатель) и насос постоянной пода­ чи 8\ распределитель - трехпозиционный главный золотник 6\ регулирующие устройства - дроссель с обратным клапаном 3, обратный клапан 4, предохрани­ тельный клапан Р; вспомогательные устройства - наполнительный бак; управ­ ляющие устройства - двухпозиционные золотники 5 и 7.

Рассмотрим принцип действия привода при работе пресса и во время техно­ логических пауз (держание подвижной поперечины на весу). При прямом ходе

Рис. 6.16. Типовая схема безаккумуляторного привода гидравлического пресса

220

Глава 6. Типовые конструкции гидравлических прессов

(холостом и рабочем) необходимо возвратные цилиндры 1 соединить с наполни­ тельным баком 70, а рабочий 2 - е насосом 8. Главный золотник 6 должен пере­ меститься в крайнее правое положение. Для этого необходимо подать жидкость высокого давления в левую полость золотника, а правую - соединить с жидко­ стью низкого давления. Тогда золотник управления 5 опускается в крайнее ниж­ нее положение под действием электромагнита, а золотник 7 остается в верхнем положении. Скорость опускания подвижной поперечины при прямом холостом ходе регулируется дросселем 3.

Для поддержания заданной скорости подвижной поперечины необходимо кроме подачи жидкости от насоса 8 дополнительно подавать жидкость через об­ ратный клапан 4 из наполнительного бака 10. При соприкосновении рабочего ин­ струмента, установленного на подвижной поперечине, с заготовкой сопротивление увеличивается. В результате давление жидкости в магистрали возрастает и обрат­ ный клапан 4 опускается. Скорость движения поперечины определяется подачей насоса 8. Чем больше деформируюгцая сила, тем выше давление жидкости при постоянной подаче и больше потребляемая двигателем мопдность. Максимальное ее значение соответствует наибольшей деформирующей силе, действующей в процессе выполнения технологической операции.

Отсюда следует, что применение безаккумуляторного привода в гидравличес­ ких прессах при пиковых нагрузках приводит к увеличению установочной мощ­ ности, хотя позволяет повысить КПД. Это основной недостаток безаккумуля­ торного привода с насосом постоянной подачи, который ограничивает область использования таких приводов. Для повышения эффективности привода исполь­ зуют несколько насосов с различной производительностью.

Для обратного холостого хода рабочий цилиндр пресса соединяют с жидкостью низкого давления. При этом главный золотник 6 перемещается в крайнее левое по­ ложение. Насос 8 подает жидкость в возвратные цилиндры 1 через обратный клапан дроссельного устройства, что снижает потери при течении жидкости через него.

Для осуществления технологической паузы (держание подвижной поперечины на весу) возвратные цилиндры изолируют от источников подачи жидкости. Для этого главный золотник устанавливают в среднем положении, как показано на рис. 6.16. В этом случае рабочий цилиндр 2 также изолирован от насоса 5, а жид­ кость поступает в наполнительный бак 10 через предохранительный клапан 9.

Безаккумуляторным приводом с насосами постоянной подачи оснащают прессы для ковки, штамповки деталей из листовых материалов вытяжкой, хо­ лодного выдавливания и др.

На рис. 6.17 показана схема типового безаккумуляторного привода с насо­ сами низкого и высокого давления постоянной производительности.

Типовой безаккумуляторный привод с насосами регулируемой подачи (и реверсивным потоком) показан на рис. 6.18. Основные элементы гидропривода - цилиндр поршневого типа (гидродвигатель) и насос 5 с регулируемой производи­ тельностью и реверсивным потоком, вспомогательное устройство - наполнитель­ ный бак 4, регулирующие - обратный клапан 6 и наполнительный клапан 3.

221

Раздел II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Рис. 6.17. Типовая схема безаккумуляторного привода гидравлического пресса с двумя насосами постоянной подачи низкого и высокого давления: 1,2- нижняя и верхняя полости рабочего цилиндра соответственно; 3 - золотни­ ковый распределитель; 4,7 - предохранительные клапаны; 5,6 - насосы низкого и высокого давления соответственно

Для совершения прямого (холостого и рабочего) хода насос 5 подает жид­ кость из нижней полости 1 рабочего цилиндра в верхнюю полость 2. При этом в магистрали, соединяющей насос 5 и верхнюю полость 2 рабочего цилиндра, давление падает и дополнительное количество жидкости через клапан S посту­ пает из наполнительного бака 4, После соприкосновения рабочего инструмента с заготовкой давление в верхней полости 2 рабочего цилиндра возрастает, клапан i опускается и насос всасывает необходимое для обеспечения заданной скорости ко­ личество жидкости через обратный клапан 6 из сливного бака.

Чтобы обеспечить обратный холостой ход, функции нагнетательной и всасы­ вающей полостей насоса 5 меняют местами, в результате создается реверсивный

222

Глава 7. Рабочая эюидкость и основные уравнения гидродинамики

coca со вспомогательным приводом для регулирования подачи жидкости в про­ цессе рабочего хода выше, чем насоса с постоянной подачей и золотниковым рас­ пределением для прессов с номинальным усилием свыше 50 МН.

Насосный безаккумуляторный привод с насосами переменной подачи целе­ сообразно применять в прессах, предназначенных для гибки, объемной штам­ повки, брикетирования, пакетирования и других технологических операций с пиковым характером графика деформирующей силы.

Глава 7. РАБОЧАЯ ЖИДКОСТЬ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ

7.1.Характеристика рабочих жидкостей

вкачестве рабочей жидкости в приводах современных гидропрессовых ус­ тановок используют минеральные масла, а чаще водные эмульсии, безопасные

впожарном отношении. Наиболее распространенной водной эмульсией является 1,0... 1,5 %-ный раствор эмульсола марки Э-2 (Б) в воде. Согласно ГОСТ 1975, его изготовляют на основе минерального масла, состоящего из смеси индустри­ альных масел общего назначения марок И-12А, И-20А, И-ЗОА, И-40А, И-50А и др. с кинематической вязкостью при 50 "^С в пределах (17...23) • 10~ м^/с. Тем­ пература вспышки эмульсола не ниже 170 °С.

Из минеральных масел в качестве рабочей жидкости в насосных безаккуму­ ляторных гидроприводах наибольшее распространение получили индустриаль­ ные масла марок И-20А, И-ЗОА и И-40А. Они обладают высокой вязкостью, что позволяет упростить .конструкцию уплотнительных и распределительных уст­ ройств, однако опасны в пожарном отношении, так как имеют сравнительно низкую температуру вспышки.

Рабочие жидкости должны удовлетворять следующим требованиям: а) не вызывать коррозии и не разрушать уплотнений;

б) не растворять значительного количества воздуха и других примесей, ко­ торые при изменении давления или температуры могут выделяться в виде паров;

в) обладать смазывающей способностью, быть химически стойкими; г) не быть чрезмерно вязкими, чтобы не вызывать больших гидравлических

потерь на трение; д) удовлетворять условиям безопасности в пожарном отношении.

Наиболее важные физические свойства жидкостей - плотность, упругость, вязкость и химическая стойкость.

Плотностью р называют отношение массы Л/жидкости к ее объему V\

р= M/V,

223

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Упругость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия р^,^, равным относительному изменению объема A F K соответствующему изме­ нению давления Ар, Коэффициент объемного сжатия р^^ - величина, обратная модулю объемной упругости:

где к - модуль объемной упругости.

Для воды модуль объемной упругости при давлении до 30 МПа можно при­ нять постоянным: А: = 2 • 10 МПа, для минеральных масел к= 1,3... 1,8 ГПа.

Под вязкостью понимают свойство жидкости сопротивляться деформации сдвига. Характеризуют ее константой |i, называемой динамической (абсолютной) вязкостью и определяемой как отношение напряжения сдвига т между двумя со­ седними слоями жидкости к градиенту скорости сдвига du/dr в направлении, перпендикулярном направлению течения. Для ламинарного потока (рис. 7.1)

Цdu/dr

Единица измерения динамической вязкости - паскаль-секунда (Па с). У во­ ды при 20 °С |Li - 0,001 Па-с.

Отношение динамической вязкости жидкости ц к ее плотности р называют кинематической вязкостью v:

v=|Li/p.

Единица измерения кинематической вязкости - квадратный метр на се­ кунду (м /с).

Вязкость жидкости с повышением давления увеличивается. При высоких давлениях в несколько тысяч мегапаскалеи все масла превращаются в твердые

W = Wmax(l-4r2/j2) X=XQ2rld

Рис. 7.1. Схема распределения напряжений и скорос­ тей течения в поперечном сечении трубопровода

224

Глава 7. Рабочая эюидкость и основные уравнения гидродинамики

тела. Изменение вязкости масла в пределах от О до 50 МПа можно определять по эмпирической формуле

ц^ = (1+0,003;7)|ь1о,

где \1р - вязкость масла при давлении /?; JLLQ - вязкость масла при атмосферном давлении.

Вязкость минеральных масел и водных эмульсий резко уменьшается при дросселировании их с большим перепадом давлений.

Рабочая жидкость в приводе гидропрессовых установок одновременно явля­ ется смазочным материалом для его деталей. Смазывающие свойства жидкости определяются ее способностью смачивать трущиеся поверхности, образуя проч­ ную защитную пленку, которая предотвращает (особенно при высоких давлениях) сухое трение (см. § 5.4), приводящее к быстрому износу этих поверхностей. Чем выше вязкость рабочей жидкости, тем более прочную пленку она образует, т. е. тем лучше ее смазывающие свойства. Важное свойство рабочей жидкости - химическая стойкость к окислению. Некоторые минеральные масла и водные эмульсии нестойки к кислороду. При попадании воздуха в гидравлическую сис­ тему они окисляются и вспениваются. В результате их смазывающие свойства резко ухудшаются. Кроме того, когда рабочая жидкость окисляется, из нее выпа­ дают отложения, загрязняющие гидравлическую систему. При попадании воздуха также происходит уменьшение модуля упругости жидкости, работа насосов ухуд­ шается, а потери энергии возрастают.

7.2. Основные понятия иуравнения гидродинамики

Силы, приложенные к любому выделенному объему жидкости, ограничен­ ному замкнутой поверхностью, подразделяют на две группы - массовые (объ­ емные) и поверхностные.

Массовыми называют силы, отнесенные к единице массы или объема жид­ кости, например сила инерции или тяжести. Поверхностными называют силы, которые приложены к единице поверхности, ограничивающей рассматриваемый объем жидкости, например давление, сила трения. Поверхностные силы можно представить в виде нормальных и касательных напряжений, приложенных на поверхности объема жидкости. В идеальной жидкости сила трения отсутствует, следовательно, поверхностные силы будут представлены давлением. В этом случае основное свойство гидростатического давления - независимость его от направления - будет справедливо и в гидродинамических условиях. Это означа­ ет, что давления в трех взаимно перпендикулярных площадках, проходящих че­ рез рассматриваемую точку (рис. 7.2, а), равны между собой: Px=Py=Pz=P' При установившемся течении жидкости или газа изменения массы в рассматри­ ваемом объеме не происходит, что означает равенство объемов втекающей и вытекающей жидкости.

225

Раздел П. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Рис. 7.2. Трубка тока и элементарная струйка

Изучение потока жидкости в трубопроводе показало, что ее частицы, распо­ ложенные вблизи оси, движутся с большими скоростями, чем частицы, находя­ щиеся у стенок. При рассмотрении гидродинамических явлений выделяют эле­ ментарную струйку, размеры поперечного сечения которой бесконечно малы, а значит, скорость ее течения можно принять постоянной. Для определения поня­ тия элементарной струйки дополнительно вводят понятия линии и трубки тока.

Под линией тока в потоке понимают линию, касательные к которой в каж­ дой точке совпадают с направлением вектора скорости. Для установившегося движения линия тока всегда совпадает с траекторией частиц движущейся жид­ кости, расположенных на ней. При неустановившемся движении частицы жид­ кости на линии тока находятся одно мгновение.

Трубкой тока называют трубчатую поверхность замкнутого бесконечно ма­ лого контура, образующими которого являются линии тока. Жидкость, запол­ няющая трубку тока, образует элементарную струйку (рис. 7.2, б).

Поток можно рассматривать как совокупность элементарных струек. Сече­ ние трубки тока Jco, перпендикулярное ее образующим, называют эюивым. В установившемся потоке форма элементарных струек постоянна, а в неустано­ вившемся - непрерывно изменяется. При изучении элементарной струйки урав­ нения Эйлера записывают в так называемой естественной форме. Координатными осями в этом случае будут касательная, главная нормаль и бинормаль к линии тока, причем проекции действующих сил на бинормаль равны нулю. Обозначая направление касательной к линии тока через / (см. рис. 7.2, б), а главной норма­ ли через г и составляя суммы проекций действующих сил, получаем

226

Глава 7. Рабочая эюидкость и основные уравнения гидродинамики

где г - радиус кривизны линии тока.

В данном случае имеем два уравнения с тремя неизвестными {и, р, р), для решения которых необходимо дополнительное уравнение. Таким является урав­ нение неразрывности, для вывода которого в естественной форме рассмотрим бесконечно малый отрезок dl длины элементарной струйки (см. рис. 7.2, б), ог­ раниченной сечениями (icOi и Jco2 (см. рис. 7.2, б). Если массовый расход жидкос­ ти через сечение JcOj обозначить как ( p J 0 i , то массовый расход (р^02 через сечение d^ из условия неразрывности струйки будет иметь вид

(pJ02=(p^0i+-(p^0t//.

Э/

В общем случае (р = var)

Изменение массы может произойти только в результате изменения плотнос­ ти р и объема элементарной струйки. Секундное приращение массы можно оп­ ределить по формуле

227

Раздел П. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

Уравнения (7.5) и (7.7) являются уравнениями неразрывности в естествен­

ной форме. Пусть имеет место установившееся течение: —(pdo}) = 0. Тогда,

Следовательно, при установившемся движении массовый расход по длине эле­ ментарной струйки остается постоянным. При постоянной плотности (р = const) скорости в различных сечениях элементарной струйки обратно пропорциональ­ ны площадям «живых» сечений.

В случае неустановившегося движения жидкости при постоянной плотности

(капельная жидкость) имеем — = 0. Тогда уравнение неразрывности (7.7) при- dt

мет вид

|-(c/(o) + | - ( J 0 = O. ot al

Гидродинамические уравнения Эйлера в естественной форме (7.2) для ка­ пельной жидкости можно проинтегрировать и задачу гидродинамики решить с учетом уравнения неразрывности. Согласно рис. 7.2, можно записать

dz gi=gcosa= - g — .

о/

С учетом gi второе уравнение (7.2) можно представить в виде

Уравнение (7.8) есть уравнение Бернулли в дифференциальной форме, кото­ рое можно интегрировать по длине элементарной струйки:

Для неустановившегося движения уравнение Бернулли справедливо только для двух частиц идеальной жидкости, находящихся на одной линии тока в рас­ сматриваемый момент времени. При установившемся движении оно справедли­ во также и для одной и той же частицы жидкости, находящейся в двух положе­ ниях на траектории, ибо последняя совпадает с линией тока.

228

Глава 7. Рабочая жидкость и основные уравнения гидродинамики

Выражение правой части уравнения (7.9) характеризует инерционный на­ пор, влияющий на изменение энергии элементарной струйки по ее длине, по­ этому его можно рассматривать как дополнительный источник энергии при

— < О или как дополнительное сопротивление при — > 0. При — == О имеет

тановившемся движении идеальной жидкости напор постоянен и равен полной энергии элементарной струйки. Полную энергию (гидродинамический напор) при установившемся движении идеальной жидкости можно рассматривать как сумму ее потенциальной z-\-p/(pg) и кинетической u^/(2g) энергии. Следова­ тельно, при уменьшении потенциальной энергии на такую же величину возрас­ тает кинетическая энергия, и наоборот.

Рассматривая элементарную струйку реальной жидкости, необходимо учи­ тывать гидродинамические потери, обусловленные возрастающими при течении силами трения между отдельными слоями жидкости. Уравнение Бернулли для реальной жидкости можно записать в виде

где й^от - гидродинамические потери между двумя сечениями элементарной струй­ ки жидкости.

7.3.Уравнение Бернулли для течения жидкости

втрубопроводе

Поток жидкости в трубопроводе может быть ламинарным или турбулент­ ным. При ламинарном течении частицы жидкости перемещаются параллельно оси трубопровода не перемешиваясь. При турбулентном течении частицы пуль­ сируют в поперечном направлении и их траектории являются сложными кривы­ ми. Исследование скоростей в поперечных сечениях потока жидкости в трубо­ проводе показывает их неравномерное распределение: при ламинарном течении они изменяются по параболическому закону, при турбулентном (местные осредненные) - по показательному или логарифмическому.

При определении расхода жидкости обычно пользуются понятием средней ско­ рости Wcp, равной отношению интегрального расхода жидкости через поперечное сечение трубопровода к его площади:

„ ^е= Ji/Jco/F,

ср р

г I

229