Исследование работоспособности инерционного винтового пресса с ручным приводом

Исследование работоспособности инерционного винтового пресса с ручным приводом

В.С. Запорожченко*, канд. техн. наук;

В.М. Боков**, канд. техн. наук

* Сумский государственный университет

** Кировоградский национальный технический университет

В настоящее время для различных отраслей промышленности Украины требуется простое надежное давильное оборудование с небольшими габаритными размерами, но создающее значительные усилия при ручном приводе для изготовления давлением мелких деталей приборов, часов, кино- и телеаппаратуры, выполнения сборочных, зачистных, калибровочных и других подобных операций. Наличие ручного привода особенно важно для малых предприятий, мастерских и частных фирм в условиях постоянно возрастающих цен на энергоносители.

Таким образом, возникла актуальная задача создания для отечественной промышленности, лабораторий вузов и медицинских учреждений малогабаритного оборудования для обработки материалов давлением, простого в наладке, надежного в работе, не требующего мощных источников энергии и экологически чистого при эксплуатации. Особым требованием является легкое регулирование усилия и крутящего момента при выполнении разнообразных работ от штамповки до зачистки заусенцев, минимальная материало- и энергоемкость при высоком коэффициенте полезного действия (КПД). Такое оборудование должно быть транспортабельным, легко монтироваться и переставляться с одного рабочего места на другое без подвода источников энергии.

В связи с этим был спроектирован и изготовлен Кировоградским ЗАО «Красная Звезда» малогабаритный инерционный винтовой пресс усилием 100 кН с ручным приводом маховика (рис. 1).

Принципиальная схема пресса, состоящего из станины и главного исполнительного механизма, приведена на рис. 2. Станина рамного типа образована верхней 6 и нижней 13 траверсами, которые соединены двумя цилиндрическими стойками 1 и 12. В верхней траверсе 6 закреплена рабочая гайка 9 винтовой пары.

Главный исполнительный механизм пресса включает ползун 4, винт 5 и маховик 7. Ползун 4 с удлиненными направляющими имеет направление по цилиндрическим стойкам 1 и 12. К ползуну с возможностью вращения присоединен винт 5, на котором нарезана несамотормозящаяся четырехзаходная правая резьба трапециевидного профиля с углом наклона 130. Нижняя опора винта, кинематически связанного с гайкой 9, выполнена в виде сферического подпятника 11, вставленного в центральное углубление ползуна 4. Фланец винта 5 прижат сверху крышкой 10 со сферической поверхностью контакта. На верхней части винта закреплен маховик 7, на ободе которого установлены три поворотные рукоятки 8 с углом 1200 между ними для удобства ручного привода.

Рисунок 1 - Общий вид малогабаритного инерционного винтового пресса с ручным приводом

Рисунок 2 - Принципиальная схема инерционного винтового пресса

Оптимальные размеры маховика были определены с помощью вычислительной техники из условия его минимальной массы при максимальном моменте инерции. Дополнительным требованием при ручном приводе было ограничение массы маховика величиной до 100 кг, чтобы усилие на рукоятке не превышало допустимого значения при длительной работе по условиям охраны труда и техники безопасности.

Маховик может быть представлен в виде совокупности кольцевых элементов: ступицы, тонкой дисковой части (полотна), обода и т.п. Момент инерции каждого кольцевого элемента составляет [1, с. 115]

,

а масса равна

,

где - плотность материала, из которого выполнен маховик, кг/м3;

- наружный диаметр кольцевого элемента маховика, м;

- внутренний диаметр кольцевого элемента, м;

- высота кольцевого элемента, м.

Отношение массы кольцевого элемента маховика к его моменту инерции имеет вид

.

Минимальное отношение было определено методом подбора с помощью персонального компьютера при массе маховика, равной 90 кг.

Инерционный винтовой пресс работает следующим образом. В штамповое пространство пресса помещают пуансон 2 вместе с пуансонодержателем 3, матрицу или контейнер 14 и закрепляют их. Устанавливаемый инструмент соответствует операции, выполняемой на универсальном винтовом прессе: штамповка, прессование, выдавливание, обжим, правка, чеканка, калибровка, разделительные операции и т.п. Перед началом работы ползун 4 пресса находится в крайнем верхнем положении, которое фиксируют с помощью подставки (на рис. 1 не показана). После установки деформируемой заготовки вынимают подставку и поворотом маховика за рукоятку 8 на угол 1200-1500 приводят во вращение маховик 7, который вместе с винтом 5 совершает винтовое движение далее по инерции. Ползун 4 опускается вниз и за счет накопленной кинетической энергии подвижных частей выполняет технологическую операцию. Если энергии одного хода вниз недостаточно для окончательного формоизменения заготовки, то деформацию производят за несколько ходов ползуна. Величина кинетической энергии, накапливаемая подвижными частями, а соответственно и усилие, развиваемое прессом, легко регулируются путем изменения высоты подъема ползуна, усилия, прилагаемого к рукоятке привода, и угла поворота маховика, на котором прилагают усилие.

Техническая характеристика пресса

Испытание изготовленного инерционного винтового пресса показало его хорошую работоспособность, надежность в эксплуатации, экологическую чистоту, отсутствие подвода энергии извне, простоту регулирования величины кинетической энергии и усилия, создаваемого прессом.

Экспериментальные исследования производились путем приложения усилия к одной из рукояток маховика с помощью предварительно протарированной пружины растяжения на угле поворота , равном 300, 600 и 900. Остаток хода вниз маховик и винт совершали винтовое движение под действием силы инерции. Время перемещения подвижных частей регистрировалось с помощью секундомера модели «Агат» - 4282 с ценой деления 0,2 секунды. Зависимость времени хода ползуна вниз от усилия , приложенного к рукоятке, и крутящего момента на маховике представлена на рис. 3, а от работы , затраченной на разгон маховика, - на рис. 4. Из полученных результатов следует, что с возрастанием крутящего момента и угла поворота маховика, на котором было приложено усилие к рукоятке, время хода вниз подвижных частей уменьшается до 4 секунд. Очевидно, с увеличением угла до 1500, что реально при ручном приводе, время хода ползуна еще более уменьшится, а производительность пресса возрастет.

Рисунок 3 - Зависимость времени хода ползуна вниз от усилия и крутящего момента при угле поворота маховика 1 - ; 2 - ; 3-

Рисунок 4 - Зависимость времени хода ползуна вниз от работы , затраченной на разгон маховика

Определение усилия, развиваемого инерционным винтовым прессом при осаживании свинцовых образцов диаметром 30 мм и высотой 30 мм, показало, что с уменьшением высоты осаживаемой заготовки усилие возрастает и достигает 100 кН при толщине заготовки 7,2 мм. Для сравнения выполнялась осадка аналогичных заготовок до такой же толщины 7,2 мм на испытательной гидравлической машине модели УИМ-50, на индикаторе которой было зарегистрировано усилие 100 кН. Величина работы , затраченной на деформацию свинцового образца за один ход ползуна винтового пресса, составила 47 Дж, а ее отношение к величине работы , необходимой для разгона подвижных частей, равно , что несколько меньше КПД винтового механизма [1, с.31, рис. 1.8] на величину потерь на трение в направляющих ползуна. КПД винтового механизма при угле наклона резьбы 130 и коэффициенте трения ( густая смазка ) составляет при рабочем ходе [1, с. 30, ф-ла 1.42]:

,

где - угол подъема резьбы винта, градус;

- угол трения скольжения, градус.

.

При разработке конструкции нового малогабаритного винтового пресса за основу был принят ряд обобщенных параметров проектирования кузнечно-штамповочных машин, предложенных А.И. Зиминым [2, с. 26], а именно, уменьшена длина кинематической цепи в машине, благодаря приближению привода непосредственно к ползуну без промежуточных передач; заложен минимум изменения рода движения звеньев в рабочих частях машины; уменьшен массовый балласт машины за счет относительного увеличения массы энергетически активных деталей: маховика, винта и ползуна, масса которых превышает половину массы всего пресса; заложен простой принцип регулируемости скоростных и силовых параметров машины. Благодаря этому получены высокие значения обобщенных показателей спроектированного винтового пресса, определенные по методике А.И. Зимина:

Коэффициент массы машины

,

где - номинальное усилие ручного винтового пресса, кН;

- масса винтового пресса, кг.

Коэффициент энергоемкости движения

,

где - эффективная энергия, развиваемая подвижными частями ручного винтового пресса, Дж;

- сила тяжести энергетически активных частей пресса, Н;

- величина хода ползуна пресса, м.

Коэффициент энергомассы машины

,

где - масса энергетически активных частей пресса, кг.

Коэффициент отдачи мощности

,

где - возможное количество ходов ползуна в одну минуту при работе винтового пресса с полной нагрузкой;

- мощность, затраченная на разгон маховика, Вт.

Для сравнения удельные показатели малогабаритного инерционного винтового пресса с ручным приводом сопоставлены с показателями винтового пресса с пневматическим приводом [3], винтового пресса с литой станиной по ГОСТу 713-81 [4] и электровинтового пресса с дугостаторным приводом [5, с.268] (табл. 1).

Таблица 1 - Сравнение параметров различных типов винтовых прессов

Результаты сравнения сведены в таблицу и показали, что спроектированный пресс имеет по сравнению с известным винтовым оборудованием следующие преимущества:

предельно низкое значение удельной материалоемкости и высокий коэффициент полезного действия;

небольшие габаритные размеры, простота наладки и обслуживания;

не требуется подвод энергоносителя со стороны в виде электроэнергии, сжатого воздуха, жидкости высокого давления; автономность работы в любых условиях как крупного цеха, так и мелкой частной мастерской;

высокая точность штамповки за счет направления ползуна по цилиндрическим направляющим стойкам станины.

Малогабаритный инерционный винтовой пресс с ручным приводом маховика может быть использован как производственное оборудование для обработки давлением большого многообразия мелких деталей в приборостроительной, электротехнической, радиотехнической, телевизионной, часовой, метизной и других отраслях промышленности; как лабораторное оборудование в высших учебных заведениях; в стоматологических кабинетах для опрессовки зубных коронок и как универсальное оборудование в ювелирных мастерских для изготовления украшений, значков, бижутерии; на малых предприятиях для выпуска товаров широкого потребления, особенно при единичном и мелкосерийном характере производства в условиях отсутствия мощных промышленных источников энергии.

Список литературы

Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. - М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

ГОСТ 713-81 . Прессы винтовые: Основные параметры и размеры. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 10 с.

Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование: Молоты. Винтовые прессы. Ротационные и электрофизические машины: 2-е издание. - К.: Вища школа, 1985. - 280 с.

Зимин А.И. «Периодическая система» энерготипов кузнечно-прессовых машин // Кузнечно-штамповочное производство, 1965. - № 10. - С. 25-28.

Шульга Л.А., Запорожченко В.С. Винтовой пресс с пневматическим приводом // Информационный листок о передовом производственно-техническом опыте № 90-09. - Кировоград: Межотраслевой территориальный центр научно-технической информации МТЦНТИ, 1990. - 4 с.