Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел III. ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ

инерции. Однако одновременно при сбросе давления в рабочей полости цилинд­ ра 27 пружина 24 включает тормоз: запас кинетической энергии быстро погаша­ ется и ползун останавливается в КВП.

Если положение кулачной планки 10 должным образом не отрегулировано и выключение привода запаздывает, то избыток кинетической энергии погаша­ ется при ударе ползуна по резиновым амортизаторам 13 (см. рис. 13.1).

Для поддержания давления в гидросистеме предназначены предохранитель­ ные клапаны 13 и 14 с переливными золотниками (см. рис. 13.2). Как только давление в напорной магистрали левой полости цилиндра / 7 превысит установ­ ленное значение, срабатывает клапан 13 и избыток жидкости переливается в слив­ ной бак. Давление в напорной магистрали правой полости цилиндра 17 регули­ рует клапан 14. Правильность регулировки давления в напорных магистралях контролируется манометром 75.

Перед самой остановкой ползуна в КВП кулачная планка 11 нажимает на KB 9, который подготавливает схему управления к следующему ходу ползуна.

В аварийных случаях (отключение электроэнергии, поломка гидросистемы), когда исчезает давление жидкости, ведущие диски автоматически (под действи­ ем пружины 16) отводятся от маховика, винт (действием пружины 24) заторма­ живается и ползун останавливается в любом положении.

Основные параметры и размеры винтовых фрикционных прессов с Р^^^ = = 400 кН... 100 МП регламентирует ГОСТ 713. В качестве основного параметра также принимают эффективную энергию L^ подвижных частей пресса в конце рабочего хода, равную 1,25...5000 кДж для прессов с нормальным числом ходов ползуна в минуту {п = 5 ...36) и в 1,5... 1,6 раза меньше - для прессов с увеличен­ ным числом ходов (п = 8...42).

Выполнение технологических операций с малым рабочим ходом, например чеканки, калибровки и т. п., на прессах с нормальным числом ходов допускается только при уменьшенном не менее чем вдвое ходе ползуна.

13.2. Динамический расчет двухдискового пресса

При винтовом движении обода маховика поступательное S и угловое ф пе­ ремещения его точек подчинены следующему соотношению:

S = /гф/27С, или dS = (/г/2тс) ^ф,

где h - шаг резьбы винта.

Скоростные характеристики движения: (х) = пп/30 - угловая скорость махо­ вика, рад/мин; п - частота вращения маховика, мин" ; v^^^ = (oR^^ - окружная скорость точек обода на радиусе R^^; v = ho)/2n - скорость поступательного дви­ жения тех же точек.

340

Глава 13. Винтовые фрикционные прессы

расходуется на создание кинетической энергии dL^ и на преодоление сил трения dA^p в сочленениях механизма:

где т - масса подвижных частей главного исполнительного механизма; J - сум­ марный момент инерции маховика и винта.

Учитывая уравнения (13.1), (13.2) и то, что di^ = o^dt, получаем

где Li^| - коэффициент трения в /-й паре; Q^ - реакция на контактной поверхности /-Й пары; г^ - радиус подшипника в /-й паре; 7V^ - нормальная сила в направляю­ щих /-Й пары.

341

Раздел IIL ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ

Работа сил трения складывается из затрат энергии на относительное про­ скальзывание маховика по диску, по боковой цилиндрической и опорной по­ верхностям в резьбовом соединении винта с гайкой, в подпятнике винта в на­ правляющих ползуна.

Указанные потери постоянны на протяжении всего хода вниз (вверх). Сле­ довательно, выражение в круглых скобках под знаком суммы в (13.4) является постоянным по величине суммарным моментом трения М^р „. Поэтому работа сил трения за угловое перемещение ф при ходе ползуна вниз Н^ до удара

т. е. движение механизма совершается под действием приведенного к винту мо­ мента М^р н, величина которого для данного механизма зависит только от силы нажатия P^^^ диска на маховик.

Угловое ускорение маховика при ходе вниз

342

г л ава 13. Винтовые фрикционные прессы

Уравнение (13.9) позволяет выразить окруж­ ную скорость маховика в функции хода ползуна: voi

5. (13.10)

Окружная скорость в точке контакта ве­ дущего диска с маховиком

ному закону, а Vp^^^^ - по параболическому. При этом в зависимости от нагрузки парабола может либо располагаться ниже прямой v^ д, либо иметь с ней точку касания, либо пересекать прямую (рис. 13.4). Согласно работам А.И. Зимина, расчет двухдисковых прессов следует вести из условия, что парабола изменяет­ ся в соответствии с кривой О^ЕВ (см. рис. 13.4).

В этом случае нагрузка Р^, „, а следовательно, и М^^^ должны иметь опреде­ ленные значения. Это вытекает из условия, что точка касания кривых скоростей,

Tm^\j + mh^l{An^)\haH„

М пр.н

Сила нажатия Р^, необходимая для выполнения требуемого режима движения,

Как следует из (13.9), время полного хода вниз (5 = Я„)

nh \ а

К началу рабочего хода кинетическая энергия подвижных частей

343

Незадолго до начала рабочего хода диск отводится от маховика и подвиж­ ные части свободно перемещаются до удара. Накопленная кинетическая энергия расходуется при ударе на пластическое деформирование обрабатываемого ме­ талла, упругое деформирование деталей станины и главного исполнительного механизма, на преодоление трения в сочленениях и перемещение станины в на­ правлении удара. Энергия упругой деформации станины и винта в разгрузочной фазе удара при выполнении операций объемной штамповки возвращается под­ вижным частям в виде начальной энергии отражения, способствуя подъему вин­ та с несамотормозящей резьбой (угол наклона резьбы больше угла трения).

Ход ползуна вверх. Движение вверх также совершается под действием двух внешних сил: активной силы сцепления Р^ц g = Ц^н.в? создающей крутящий момент на маховике М^ = \xP^^R^, и силы тяжести, вызывающей противодейст­ вующий подъему момент М^ = Ск/(2к).

Энергетические параметры. Отмечено сходство в работе маховичных при­ водов винтовых фрикционных и кривошипных прессов. Ведущие части - шкив, вал и диски винтового пресса - выполняют функцию первичного аккумулятора кинетической энергии аналогично маховику кривошипного пресса, а фрикцион­ ный передаточный механизм - аналогично фрикционной муфте включения. Очевидно, что после переключения ведущих частей на обратный ход диски при­ тормаживают, отдавая часть своей энергии на разгон ведомого маховика. Через клиноременную передачу это торможение воспринимает и двигатель. Замедле­ ние вращения его ротора ограничено допустимым скольжением. При подъеме вверх наблюдается аналогичная картина.

После завершения двойного хода длительностью t^^^ двигатель восстанав­ ливает угловую скорость дисков, отключенных от маховика, в течение времени t^. Сумма указанных отрезков времени составляет длительность технологического цикла /ц = /дв X + ^х- Поскольку время рабочего хода мало, в первом приближении можно записать

где ^дв X определяют по стандартному номинальному числу ходов п в минуту,

а/?и - согласно данным табл. 3.3.

344

г л ава 13. Винтовые фрикционные прессы

Средняя за цикл мощность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

N,,=Ajt^. (13.13)

В течение цикла работа затрачивается на достижение заданной кинетичес­ кой энергии маховика L^ за вычетом активной работы подвижных частей GH^:

на преодоление силы тяжести:

а также на преодоление вредных сопротивлений и холостое вращение дисков. Последние затраты Ю.А. Бочаров предлагает учитывать среднецикловым

к п д Лмех = 0,50...0,56. Следовательно,

Как указано в § 4.5, при расчете мощности пресса необходимо предусмот­ реть ее запас, введя коэффициент к= 1,2... 1,6 в зависимости от фактически ис­ пользуемого числа ходов ползуна, которое в данном случае определяется выражением п^^^^ = п/р^. Чем больше ^факт? тем меньше номинальное скольже­ ние ^Hoj^ электродвигателя и больше к. Тогда средняя мощность за цикл

Л ^ с р = ^ ^ э / ( Л м е х ^ ц ) -

Номинальная мощность N^^^ > TV^p-

13.3. Винтовые прессы с муфтой включения

Для привода винтовых фрикционных прессов, выполненных по схемам Ml, М2, МЗ, характерен линейный контакт в сцеплении ведущих (диски, ролики) и ведомых (маховики) частей. Конечно, в реальных условиях вследствие упругого сжатия фрикционных элементов (лента, накладки) контакт происходит хотя и по площади, но очень малой. Поэтому контактные давления при этом достигают критических величин, что приводит к интенсивному износу фрикционных эле­ ментов. Вертикальное скольжение маховика по диску делает износ неравномер­ ным вследствие смещения полюса проскальзывания. В целях устранения подоб­ ных негативных явлений Л.И. Живов с сотрудниками предложили использовать фрикционную муфту для соединения ведущих и ведомых частей пресса.

Известны две конструктивные схемы винтовых прессов с муфтой включе­ ния. Различия между ними состоят в способе накопления кинетической энергии в приводе и расхода ее в период рабочего хода на деформирование заготовки.

345

Раздел III. ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ

Рис. 13.5. Схемы муфт включения с одним и двумя маховиками {а, б)

ициклограмма работы винтового пресса {в)

Всхеме, приведенной на рис. 13.5, а, весь запас кинетической энергии акку­ мулирован в маховике 6, установленном на радиальных и упорных подшипниках. Первые предназначены для фиксации оси маховика по оси пресса, вторые - для вращения на верхней траверсе 8 станины. На хвостовике винта 10 смонтирована ступица муфты 7 с ведомым диском и фрикционными накладками (по аналогии с консольной фрикционной муфтой, приведенной на рис. 5.12). Муфта включается нажатием на кнопку «Пуск». Через нее крутящий момент от маховика передается на винт. Гайка 9 свинчивается с винта, и ползун 1 движется вниз.

После удара верхнего штампа 77 по заготовке 12 происходит резкое тормо­ жение ползуна с гайкой, а следовательно, винта с ведомым диском муфты. Тор­ мозной момент через фрикционную связь действует на маховик. В результате притормаживает ротор электродвигателя 5: между ротором и статором нарастает скольжение. Но, как отмечалось в § 13.2, скольжение не может превысить крити­ ческого значения. Поэтому муфта должна быть моментально выключена в про­ цессе самого удара по команде соответствующего датчика угловой скорости или силы на ползуне. Отсюда становятся понятными очень жесткие требования к сис­ теме управления и механизму включения муфты (обычно гидравлической).

346

г л ава 13, Винтовые фрикционные прессы

Навинчивание гайки на винт для ее подъема исключено в связи с неревер­ сивностью электродвигателя. Возвратный ход ползуна проводят при выключен­ ной муфте посредством силовых цилиндров 3 впуском рабочей жидкости под поршень 4, штоки 2 которых тянут ползун вверх. Эти цилиндры можно исполь­ зовать в качестве тормозных при подходе к КВП.

Заметим, что впуск рабочей жидкости в подпоршневое пространство ускоряет разгон маховика, увеличивая его энергию L^ и уменьшая время хода ползуна вниз.

В схеме, изображенной на рис. 13.5, б, предусмотрены две маховые массы: ведущий 1 и ведомый рабочий 2 маховики с приведенными моментами инерции Ji и ^2 соответственно.

Привод первого маховика осуществляется от электродвигателя 4 через клиноременную передачу в течение всего времени работы пресса, второго - на большей части хода вниз также от электродвигателя 4 при включенной муфте 3, а в конце хода при выключенной муфте маховик вращается как свободное тело по инерции; при ходе вверх привод маховика осуществляется только от гидро­ привода. Последовательность действия приводов обеспечивает конечный вы­ ключатель в системе управления.

Движение масс показано на циклограмме (рис. 13.5, в). Электродвигатель 4 раскручивает маховик до начальной угловой скорости, соответствующей син­ хронной частоте вращения (о\ = (о^ (точка а). После нажатия на кнопку «Пуск» срабатывает муфта 3, сцепляющая маховики 7 и 2. При этом скорость cOj падает, а 0)2 возрастает до тех пор, пока они не станут равными в точке Ь. Далее до точ­ ки с маховики вращаются как одна целая масса Jj + ^2 с некоторым ускорением за счет работы электродвигателя и силы тяжести от ползуна. В результате ско­ рость cOj возрастает, а СО2 падает до со 2 - (^2-

Ползун начинает ход вниз от точки О (кривая SJ с ускорением до точки с. Затем с некоторым замедлением он подходит к точке d, соответствующей со­ прикосновению верхнего штампа с заготовкой и началу рабочего хода длитель­ ностью /р х- С этого момента кинетическая энергия маховика 2

L^=J,(coiy/2

за вычетом потерь на трение и упругое деформирование деталей пресса расхо­ дуется на пластическое деформирование заготовки. В точке е при нормальном ведении процесса штамповки скорости ползуна v = О и маховика сОз = 0. Если

запас энергии не исчерпан (со 2 > 0), то для ее поглощения предусмотрены встро­

енные в штамп амортизаторы.

Как отмечалось ранее, нельзя выполнить возвратный ход ползуна вверх изза невозможности реверса вращения электродвигателя 4. Для этого предназна­ чен независимый гидропривод. По команде конечного включателя происходит переключение золотников распределителя (подобно показанному на рис. 11.11):

347

Раздел III. ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ

рабочая жидкость высокого давления поступает под поршни гидроцилиндров (см. позиции 4 и 3 из, рис. 13.5, а). Ползун начинает подниматься, раскручивая маховик 2 против направления движения часовой стрелки (паразитное врапдение с потерей части энергии). При достижении ползуном точки g на кривой S^ (см. рис. 13.5, в) системой управления дается команда на дросселирование стока из подпоршневой полости (см. рис. 13.5, а). Ползун резко тормозит и окончательно останавливается при ударе по амортизаторам (см. 13 на рис. 13.1) в КВП. Махо­ вик 1 в это время разгоняется электродвигателем 4 (рис 13.5, б) до начальной

угловой скорости cof.

При работе на одиночных ходах производятся вспомогательные операции в течение /g^n и длительность цикла составляет

или В первом приближении

^ц==^дв.х/(2;?и).

так как привод работает в течение половины времени двойного хода. Здесь /„, t^- продолжительность хода вниз и вверх соответственно.

Согласно формуле (13.13), средняя мощность цикла электродвигателя 4 при отсутствии потерь на преодоление силы тяжести (см. (13.14)) составит

где Н^ = S^^^ - полный ход ползуна от КВП до КПП и обратно.

Средний КПД такого цикла существенно больше в связи с отсутствием по­ терь энергии на проскальзывание: г\^^^ = 0,7...0,8.

При конструировании прессов такого типа возникает вопрос о соотношении моментов инерции Jj и/2 маховиков. Целесообразны следующие пределы:

^мах=^/,/Л=4...7.

При к^^^ < 4 возможно опасное возрастание скольжения, а при к^^^ > 7 за­ труднен разгон соединенных маховиков 1 и 2 (см. рис. 13.5, б) до заданной час­ тоты вращения за время включенной муфты.

Глава 14. ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ И ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ

14.1. Электровинтовой пресс с дуговым статором

Первый опытный электровинтовой пресс был сконструирован и изготов­ лен в СССР в 1932 г. по предложению проф. А.Т. Голована. Этот пресс обла-

348

Глава 14. Электровинтовые и гидровинтовые прессы

дал всеми признаками современных электровинтовых прессов, имел достаточ­ но высокий КПД, но из-за несовершенства конструкции очень сильно нагре­ вался электродвигатель. Поэтому широкое внедрение таких прессов в промыш­ ленность задержалось до тех пор, пока в 1960-х годах не были созданы надежные электродвигатели.

Особенность отечественных электровинтовых прессов заключается в непо­ средственном электрическом приводе главного исполнительного механизма без промежуточных механических или гидравлических передач.

Рассмотрим в качестве примера устройство и принцип действия электровин­ тового пресса с дуговым статором. Этот пресс - машина закрытого типа. У малых машин (рис. 14.1) станина / цельнолитая, у средних и крупных {P^^Q^ > 1,6 МЫ) - составная, состоящая из литого основания со стойками и верхней траверсы. Для повышения жесткости цельнолитая станина стянута двумя стяжными болтами 2 (шпильками); необходимость таких болтов для составных станин очевидна.

Гайка 4 винтовой пары установлена на ползуне 3. Посредством продольного и поперечного клиньев положение гайки можно регулировать относительно оси пол­ зуна. Винт 5 упирается кольцевым буртом в средней части в упорный подшипник скольжения 6, размещенный на нижней плоскости верхней траверсы пресса. При рабочем ходе усилие штамповки передается по цепочке деталей: верхний штамп - ползун - гайка - винт и его бурт - упорный подшипник - траверса станины и ее стойки и замыкается на столе пресса, где установлен нижний штамп.

Сверху на концевой части винта на шлицах закреплен маховик-ротор 11, положение которого относительно оси пресса фиксирует цилиндрический под­ шипник скольжения 7, установленный в корпусе 9 привода; нижним торцом обода маховик опирается на упорный подшипник качения.

С регулируемым зазором относительно поверхности инерционного обода маховика в корпусе привода размещен статор 10. Применяют два типа стато­ ров: круговой (замкнутый кругостатор) и дуговой (разомкнутый дугостатор). В отечественных конструкциях электровинтовых прессов используют дуговые статоры (отсюда и название пресса). В пазах статоров уложена обмотка, через которую пропускают электрический ток промышленной частоты. Два симметрично расположенных справа и слева от маховика-ротора дуговых статора обеспечивают взаимное уравновешивание электродинамических сил. Таким образом, статоры и маховик-ротор образуют асинхронный электродвигатель специального исполне­ ния. Возникающее в статорах электромагнитное поле действием электродинами­ ческих сил вращает маховик-ротор.

Тормоз 8 пресса двухколодочный, причем в качестве тормозного барабана служит меньший обод маховика-ротора, расположенный под инерционным ободом. Колодки установлены на корпусе привода и управляются от электро­ пневматической системы. Для охлаждения предназначен вентилятор 72, обду­ вающий статоры. Ползун - литая (или сварная) прямая призма - смонтирован в направляющих станины.

349