Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

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:

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:

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~~ ^ ц и л / ^ р а с п ? ^ р а с п ~ ^ / р а с п """^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:

2. 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

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:

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:

3. 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

4. Мультипликатор. Работа мультипликатора аналогична работе гидравли­ ческого пресса. Следовательно, полный КПД мультипликатора

291

Раздел II. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

5. Насос. Гидравлические насосы имеют гидравлические, объемные и меха­ нические потери (способы их вычисления см. в гл. 7). Полный КПД насоса

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-

S

вижной поперечины. Совершаемая прессом полезная работа равна {pdS

о

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)

Рис. 9.3. Определение оптимальной деформирующей силы в трехцилиндровом гидравлическом прессе

292

Глава 9. Расчет насосного привода гидравлического пресса

Втрехцилиндровом 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.

Водноцилиндровом 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^ = 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

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:

293

Дифференцируя уравнение (9.65) по F^^^ и приравнивая к нулю производ­ ную, находим

Подставив полученное выражение для F^^^ в выражение (9.64), получаем

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):

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 в 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

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

При принятых допущениях уравнения статического равновесия подвижной по­ перечины при прямом и обратном холостых ходах имеют вид

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

щих цилиндров.

Площадь плунжеров уравновешивающих цилиндров

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

2^.^ = Л.2;^.,(о,,...0,2)3 J ^ .

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

295

Раздел IL ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ

При отсутствии уравновешивающих цилиндров размеры плунжеров возврат­ ных цилиндров и давление в наполнительном баке определяются соотношениями:

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:

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

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 в 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.

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

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

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

где PQ, VQ - 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-

и

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

299