Удосконалення режимiв роботи ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом при розвантаженнi та зворотному ходi

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудiвна академiя

УДК 621.22.011

УДОСКОНАЛЕННЯ РЕЖИМIВ РОБОТИ КОВАЛЬСЬКИХ ПРЕСIВ З НАСОСНО-АКУМУЛЯТОРНИМ ПРИВОДОМ ПРИ РОЗВАНТАЖЕННI ТА ЗВОРОТНОМУ ХОДI

Спецiальнiсть05.03.05 --процеси та машини обробки тиском

Автореферат

диссертацiї на здобуття вченого ступеня

кандидата технiчних наук

Корчак Олена Сергiївна

Краматорськ, 2007

Дисертацiєю є рукопис.

Роботу виконано у Донбаськiй державнiй машинобудiвнiй академії (ДДМА) Мiнiстерства освiти i науки України (м. Краматорськ).

Науковий кандидат технiчних наук, доцент керiвник: Шинкаренко Олег Михайлович, доцент кафедри “Машини та технологiя обробки металiвтиском”, Донбаська державна машинобудiвна академiя.

Офiцiйнi доктор технiчних наук, професор опоненти: Iскович-Лотоцький Ростислав Дмитрович завiдувач кафедри “Металорiзальнi верстати i обладнання автоматизованих виробництв”, Вiнницький національний технiчний унiверситет.

Провiдна установа:кандидат технiчних наук, доцент Гожiй Сергiй Петрович

доцент кафедри “Механiка пластичностi матерiалiв та ресурсозберiгаючих процесiв”, Нацiональний технічний унiверситет “Київський полiтехнiчний iнститут”.

Запорiзький нацiональний технiчний унiверситет Мiнiстерства освiти i науки України, кафедра “Обробка металів тиском”

Захист вiдбудеться “27” червня 2007 р. о 10 на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 12.105.01 Донбаської державної машинобудiвної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадiнова, 72, 1-навчальний корпус, 1319)

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Донбаської державної машинобудiвної академiї (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадiнова, 72, 1-навчальний корпус)

Автореферат розiслано “24” травня 2007 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради

Д 12.105.01 к.т.н., доцент

Ю.К. Доброносов

циліндр ковальський акумуляторний клапан

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розробка та освоєння нових ресурсозберiгаючих технологiй в машино-будуваннi є одним iз найбiльш прiоритетних напрямкiв при створеннi конкурентоспроможної продукцiї в ринкових умовах. Це потребує підвищення технiчного рiвня виробництва за рахунок впровадження нових технологiй та обладнання. На теперiшнiй час Україна займає важливе мiсце серед свiтових виробникiв поковок та розробникiв ковальсько-пресового обладнання. В той же час наявнiсть великої кiлькостi фiзично та морально зстарiлого парку ковальсько-пресових машин потребує розробки та впровадження кардинально нових та прогресивних рiшень, спрямованих на пiдвищення технiко-економiчних показникiв зазначеного обладнання, до числа якого вiдносяться ковальськi гiдравлiчнi преси з насосно-акумуляторним приводом (НАП).

Актуальнiсть теми. Досвiд експлуатацiї ковальських пресiв з НАП дозволяє стверджувати, що розгiн та гальмування рухомої поперечини на зворотному ходi, а також розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску є важливими етапами машинного циклу, що визначають продуктивнiсть преса та особливостi динамiки його роботи.

Iснуючi математичнi моделi зворотного ходу та розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску не дозволяють провести глибокий аналiз процесiв, що вiдбуваються в цi перiоди, та розробити рацiональнi режими їх здiйснення.

Затримка при розвантаженнi робочих цилiндрiв вiд тиску по довготривалостi дорiвнює основному ходу деформування та складає приблизно 25% часу робочого циклу преса. При робочих ходах з великим кiнцевим тиском у цилiндрах час розвантаження подовжується. Це, крiм зниження продуктивностi преса, значно збiльшує час контакту бойкiв з гарячим металом, що прискорює їх зношення та охолодження заготовки. Гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi здiйснюється шляхом закриття впускного клапана зворотних цилiндрiв. Цей процес супроводжується коливаннями, гiдроударами, вакуумуванням гiдросистеми та пiдсосом зовнiшнього повiтря, що є небажаним та може призвести до порушення роботи приводу.

Дiючi системи керування зворотним ходом та розвантаженням робочих цилiндрiв вiд тиску не вiдповiдають вимогам забезпечення швидких та безударних режимiв здiйснення цих процесiв.

У вiдповiдностi з викладеним, удосконалення роботи ковальських пресiв з НАП на зворотному ходi та при розвантаженнi робочих цилiндрiв від тиску є актуальним та має важливе наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами органiзацiї. Тема дисертацiї вiдповiдає науковому напрямку “Розробка ресурсозберiгаючих технологiй i машин обробки тиском” однiєї з провiдних наукових шкiл Донбаської державної машинобудiвної академiї. Дисертацiйну роботу виконано в межах держбюджетної науково-дослiдної роботи (НДР) Мiнiстерства освiти i науки України, що проводилася на кафедрi “Машини та технологiя обробки металiв тиском” (МТО) ДДМА (ДК-02-02 №держ. реєстр. 0103U004446), а також в межах мiжнародної госпдоговiрної НДР (№ UA-01-2006).

Мета та задачi дослiдження. Метою дисертацiйної роботи є: пiдвищення продуктивностi та надiйностi ковальських пресiв з НАП на основi розробки рацiональних з швидкодiї режимiв їх роботи при розвантаженнi робочих цилiндрiв вiд тиску та зворотному ходi, а також нових пристроїв та рекомендацiй для реалiзацiї у виробництвi.

Для досягнення поставленої мети в дисертацiйнiй роботi поставлено та вирiшено наступнi основнi задачi:

експериментально визначити динамiчнi особливостi та параметри зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску ковальських пресiв з НАП;

розробити математичнi моделi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, розгону i гальмування рухомої поперечини на зворотному ходi та вибрати на основi їх аналiзу рацiональнi з швидкодiї режими;

розробити конструкцiї регулюючих та наповнювально-зливних клапанiв, а також iнших пристроїв, що пiдвищують продуктивнiсть та надiйнiсть роботи преса на зворотному ходi та в процесi розвантаження робочих цилiндрiв від тиску;

розробити практичнi рекомендацiї з удосконалення роботи ковальських пресiв з НАП на зворотному ходi та в процесi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску для їх реалiзацiї у виробництвi.

Об'єкт дослiдження. Ковальськi преси з насосно-акумуляторним приводом.

Предмет дослiдження. Процеси, що вiдбуваються у гiдроприводi ковальських пресiв з НАП на рiзних етапах зворотного ходу та пiд час розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску з урахуванням їх взаємозв'язку, а також вплив цих процесiв на продуктивнiсть та надiйнiсть роботи преса.

Методи дослiдження. Основними методами при плануваннi та проведеннi дослiджень, розробцi аналiтичних залежностей, аналiзi та обробці результатiв дослiджень є:

математичне моделювання фiзичних процесiв, що вiдбуваються в гiдравлiчнiй системi, з урахуванням її конструктивних особливостей та режимiв роботи, на базi диференцiйних рiвнянь Даламбера руху поперечини, рiвнянь течiї робочої рiдини в елементах гiдросистеми, рiвнянь балансу витрати, рiвнянь теорiї коливань та теорiї пружностi;

експериментальне дослiдження реальних ковальських пресiв з НАП, а також спецiально розробленої експериментальної установки з використанням методiв тензометрiї;

чисельний метод Рунге-Кутта для рiшення систем нелiнiйних диференцiальних рiвнянь другого порядку математичних моделей зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску;

-методи теорiї iмовiрностi та математичної статистики для обробки результатiв дослiджень.

Наукова новизна. Наукову новизну дисертацiйної роботи складають наступнi основнi її результати та положення:

уточнено математичну модель гальмування поперечини преса на зворотному ходi, де враховано змiну опору регулюючого клапану пiд час його закриття, характеристики клапана;

удосконалено математичну модель розвантаження робочих цилiндрiв від тиску, в якiй враховано iнерцiйнiсть стовпа рiдини, змiну опору зливного клапана пiд час його вiдкриття, характеристики клапана;

вперше визначено рацiональнi з швидкодiї режими розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та гальмування поперечини преса у верхньому положеннi.

Практична цiннiсть роботи. Практичну цiннiсть дисертацiйної роботи складають наступнi її результати:

комплекс методик i програмних засобiв з визначення рацiональних з швидкодiї режимiв розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та гальмування поперечини преса у верхньому положеннi;

науково обґрунтованi практичнi рекомендацiї з удосконалення та рацiонального проектування систем керування зворотним ходом та процесом розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, якi забезпечують пiдвищення надiйностi та продуктивностi пресiв з НАП;

ряд елементiв та вузлiв систем керування, якi забезпечують швидкi та без гiдроударiв розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та гальмування поперечини преса у верхньому положеннi.

Результати роботи у виглядi програмних продуктiв, практичних рекомендацiй та технiчних рiшень, спрямованих на досягнення рацiональних з швидкодiї режимiв роботи пресiв при розвантаженнi робочих цилiндрiв вiд тиску та зворотному ходi прийнято до впровадження Самарським металургійним заводом СМЗ-Alcoa (м. Самара, Росiя), а також використано:

Донецьким заводом компресорiв (м. Донецьк);

Красноармiйським заводом “Електродвигун” (м. Красноармiйськ);

Донбаською державною машинобудiвною академiєю.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблено математичнi моделi та встановлено закономiрностi окремих етапiв зворотного ходу i процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, сформульовано практичнi рекомендацiї з удосконалення та рацiонального проектування систем керування ковальськими пресами з НАП. Проведено експериментальнi дослiдження зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску. Розроблено практичнi рекомендацiї для рацiонального здiйснення цих режимiв та системи безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску i

гальмування поперечини у верхньому положеннi, а також ряд елементiв та вузлiв керування цими процесами.

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основнi положення дисертаційної роботи, науковi та практичнi результати було повiдомлено на 6 мiжнародних науково-технiчних конференцiях:

“Перспективнi технологiї та обладнання обробки тиском в металургiї та машинобудуваннi” (м.м. Краматорськ - Слов'янськ, 2003р.);

“Новi наукоємнi технологiї, обладнання та оснащення для обробки металів тиском” (м. Краматорськ, 2004 р.);

“Новi методи та засоби дослiдження процесiв та машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2005р.);

IV мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї “Интеллект молодых - производству 2005” (м. Краматорск, НКМЗ, 2005р.);

“Сучаснi методи моделювання процесiв обробки металiв тиском” (м. Краматорськ, 2006 р.);

“Застосування теорiї пластичностi в сучасних технологiях обробки тиском і автотехнiчних експертизах” (м. Вiнниця, 2006 р.).

Публiкацiї. Матерiали дисертацiйної роботи опублiковано у 8 друкованих роботах, з яких 5 опублiковано у 5 спецiалiзованих виданнях, якi включено до перелiку ВАК України, 1 статтю опублiковано у зарубiжному виданнi (м. Тула, Росiя). Новi технiчнi рiшення захищено 6 патентами України, отримано 3 рiшення про видачу патентiв.

Структура та обсяг роботи. Дисертацiя складається iз вступу, шести роздiлiв, висновкiв, списку використаних джерел та додаткiв. Загальний обсяг роботи 217 сторiнок, у тому числi 128 сторiнок основного тексту, 71 малюнок на 59 сторiнках, 2 таблиць на 3 сторiнках, список використаних джерел iз 117 найменувань та 10 додаткiв на 27 сторiнках.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi приведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальнiсть теми дисертацiї, її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та задачi дослiджень, дано опис об'єкту, предмету та методiв дослiдження, визначено наукову новизну та практичну цiннiсть отриманих результатiв, а також особистий внесок здобувача та апробацiю результатів дисертацiї.

Аналiз iснуючих способiв, методiв розрахунку та пристроїв керування зворотним ходом ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом

На основi теоретичного аналiзу було встановлено, що розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, розгон та гальмування поперечини на зворотному ходi є важливими етапами машинного циклу преса, якi визначають його технiко-економiчнi показники.

Великий внесок у вивчення динамiки гiдравлiчних пресiв та удосконалення систем їх керування внесли Бєляєв С.М., Бочаров Ю.О., Васильєв Б.П., Кресин В.А., Лiнц В.П., Лижнiков Є.I., Попов М.I., Празднiков А.В., Розанов Б.В., Синицький В.М., Топалер С.М., Устiнов В.Є., Шинкаренко О.М., а також ряд iнших вчених та спецiалiстiв.

Вiдомi математичнi моделi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та руху поперечини на зворотному ходi не враховують змiну опору регулюючого клапану пiд час його вiдкриття та закриття, характеристику клапана, частку опору клапана у загальному опорi магiстралi i тому не дозволяють провести повний аналiз динамiчних процесiв, що вiдбуваються упродовж цих перiодiв, та розробити рацiональнi режими для їх здiйснення.

Конструкцiї наповнювально-зливних клапанiв (НЗК) не забезпечують запобiгання гiдроудару у зливнiй магiстралi, а також є нерацiональними з точки зору тривалостi процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску.

Iснуючi системи керування не забезпечують рацiональних режимiв розгону та гальмування поперечини на зворотному ходi, а також швидкого та безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску.

Напрям i методика проведення дослiджень зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом

Дослiдження зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску ковальських пресiв з НАП спрямовано на пiдвищення їх продуктивностi та надiйностi. В основу дослiджень покладено теоретикоекспериментальний метод. Цей метод покладено також в основу визначення основних параметрiв ковальських пресiв з НАП, якi необхiднi для побудування та аналiзу математичних моделей зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску. Побудування математичних моделей здiйснювалося на базi диференцiйних рiвнянь Даламбера руху поперечини, рiвнянь рiвностi витрати, рiвнянь теорiї коливань та теорiї пружностi. Для рiшення систем нелiнiйних диференцiйних рiвнянь другого порядку застосовано чисельний метод Рунге-Кутта. Обробку результатiв дослiджень здiйснювали методами теорiї вiрогiдностi та математичної статистики.

Експериментальнi дослiдження проводили в два етапи. На першому етапi дослiджували ковальськi преси зусиллям 60 МН заводу “Днiпроспецсталь” (м. Запорiжжя) та 100МН Новокраматорського машинобудiвного заводу (м. Краматорськ) в промислових умовах. На другому етапi здiйснювали дослiдження процесу прискореного розвантаження робочих цилiндрiв від тиску на спецiально збудованiй лабораторнiй установцi.

Експериментальнi дослiдження ковальських пресiв з НАП в промислових умовах дозволили виявити динамiчнi особливостi зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, а в лабораторних умовах -- дослiдити процес прискореного розвантаження робочих циліндрів вiд тиску та розробити рекомендацiї для його реалiзацiї у виробництвi.

Експериментальне дослiдження зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом в промислових умовах

Упродовж дослiджень фiксували такi параметри: хiд рухомої поперечини, тиск в робочих та зворотних цилiндрах, а також у трубопроводi, що пiдводить, вiд насосно-акумуляторної станцiї (НАС), хода зливних та впускних клапанiв робочих та зворотних цилiндрiв, хiд НЗК.

Динамiчнi особливостi зворотного ходу та розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску преса зусиллям 60МН дослiджували в процесi промислового кування i в спецiальних режимах. З цiєю метою опускали рухому поперечину на бойок без поковки, здiйснювали натискання бойка на бойок з тривалою витримкою пiд тиском НАС, розвантаження робочих цилiндрiв від тиску, пiдняття поперечини уверх та гальмування її у верхньому положеннi.

В ходi дослiджень визначено параметри ковальських пресiв, необхiднi для побудування математичної моделi зворотного ходу.

Встановлено, що сповiльнене скидання тиску iз робочих цилiндрiв пiсля робочого ходу суттєво знижує продуктивнiсть преса, затягує початок руху поперечини уверх, призводить до бiльш iнтенсивного охолодження заготовки та перегрiву бойкiв. Практично вiдсутнi регулюючi властивостi у впускного клапана зворотних цилiндрiв, в наслiдок чого при гальмуваннi поперечини у верхньому положеннi має мiсце її великий вибiг уверх пiсля закриття клапана, падiння тиску та вакуумування рiдини у зворотних цилiндрах, пiдсос зовнiшнього повiтря в цилiндри, сповiльнений реверс поперечини, який супроводжується коливаннями та гiдроударами.

Математичне моделювання динамiки зворотного ходу та процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом

Аналiз експериментальних дослiджень виявив, що затяжне розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску суттєво затримує початок зворотного ходу. Побудування та аналiз математичної моделi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску дозволить вибрати рацiональнi режими здiйснення цього процесу, прискорить початок руху поперечини уверх, забезпечить менш iнтенсивне охолодження заготовки та зношення бойкiв.

В основу опису процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску покладено рiвняння балансу тискiв. Математична модель змiни тиску в робочих цилiндрах преса упродовж розвантаження має вигляд:

(1)

где p_ц -- тиск у робочому цилiндрi;

E_ц -- приведений модуль пружностi рiдини та металоконструкцiї;

W_ц -- об'єм робочого цилiндра;

f_tp -- площа перетину зливного трубопроводу;

ж_kmin -- коефiцiєнт гiдравлiчного опору повнiстю вiдкритого клапана;

t_отк -- час вiдкриття клапана;

п -- показник виду конструктивної характеристики клапана;

б -- коефiцiєнт якостi гiдросистеми;

с -- щiльнiсть робочої рiдини;

L -- приведена до плунжеру робочого цилiндра довжина трубопроводу;

р_д -- тиск у наповнювально-зливному бацi.

Змiна тиску в робочих цилiндрах з урахуванням стисливостi рідини та пружностi металоконструкцiї має коливальний характер та описується рiвнянням, отриманим в результатi рiшення рiвняння (1):

(2)

де h и щ -- параметри коливальної системи.

Моделювання розвантаження показало, що в робочому цилiндрi піки тиску не досягають великих значень незалежно вiд характеристики клапана.

Для забезпечення швидкого розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску пропонується здiйснювати його безпосередньо у наповнювально-зливну магiстраль вiдкриттям НЗК з дроселюючим елементом вiдразу ж пiсля робочого ходу преса, тобто при високому тиску в робочих цилiндрах. При цьому сам процес розвантаження та пов'язанi з ним коливання тиску в наповнювально-зливному трубопроводi повнiстю залежать вiд характеристики НЗК та часу його вiдкриття. Коливання тиску у зливнiй магiстралi описуються наступною математичною моделлю:

(3)

(4)

где p_сл -- тиск у зливнiй магiстралi;

k_р -- лiнiйна жорсткiсть стовпа рiдини у зливному трубопроводi;

S₁ -- перемiщення стовпа рiдини, що виходить iз робочого цилiндра;

S₂ -- перемiщення стовпа рiдини у зливному трубопроводi.

Чисельним аналiзом рiвнянь (3) - (5) стосовно преса зусиллям 60 МН встановлено, що при розвантаженнi з t_отк = 0.2 с релейним клапаном (n =0.5) тиск в робочих цилiндрах падає до тиску зливного бака за 0.04с, а лiнiйним (n = 1.0) -- за 0.17 с. При цьому у першому випадку гiдроударнi явища в наповнювально-зливному трубопроводi носять яскраво виражений пiковий характер та є слабо затухаючими навiть пiсля повного відкриття клапана. Максимальне пiкове значення тиску складає p_сл = 16.7 МПа, що свiдчить про наявнiсть iнтенсивних гiдравлiчних ударiв в зливнiй магiстралi, якi можуть привести до її руйнування. При розвантаженнi лiнiйним клапаном виражених пiкiв тиску у зливному трубопроводi не спостерiгається. За час розвантаження тиск плинно пiдвищується до 1.2 МПа. Потiм коливання затухають i до моменту повного вiдкриття клапана тиск стає рiвним тиску у зливному бацi. Таким чином дроселюючий елемент НЗК поглинає потенцiйну енергiю стиснутої в робочому цилiндрi рiдини, не викликаючи гiдроудари у зливнiй магiстралi навiть при швидкому (за 0.2...0.3с) вiдкриттi НЗК.

Для побудування математичної моделi зворотного ходу рух поперечини доцiльно розбити на два етапи: розгiн i сталий рух уверх та гальмування i зупинка у верхньому положеннi.

Рух поперечини пiд час розгону та сталого руху уверх описується диференцiйним рiвнянням другого порядку з постiйними коефiцiєнтами, що вiдповiдає “жорсткiй” моделi гiдроприводу. При цьому, як показує аналiз, динамiка процесу розгону поперечини мало залежить вiд часу вiдкриття i характеристики впускного клапана зворотних цилiндрiв, а визначається величинами площин робочих, зворотних та врiвноважуючих цилiндрiв, рівнем тиску у вiдповiдних магiстралях та їх гiдравлiчним опором.

Математична модель гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi має вигляд системи, рiвняння якої вiдповiдають двом з'єднаним
мiж собою пружною складовою дiлянкам гiдроприводу:



где a₁, a₂ -- приведенi до поперечини рухливi маcси рiдини та металоконструкцiї преса на першiй та другiй дiлянках гiдроприводу;

, c₂ -- активнi сили, що дiють на рухливi маси;

S₁, S₂ -- перемiщення першої та другої рухливих мас;

t_з -- час закриття регулюючого клапана при гальмуваннi;

k_T -- приведена до поперечини лiнiйна жорсткiсть пружних елементiв на другiй дiлянцi гiдроприводу.

Аналiзом рiвняння (6) встановлено, що регулюючi властивостi у впускного клапана зворотних цилiндрiв практично вiдсутнi, iз-за чого навiть при найбiльш сприятливих режимах гальмування вибiг поперечини уверх неминучий. При цьому процес гальмування супроводжується гiдроударами рiзної iнтенсивностi. Збiльшення часу гальмування бiльше, нiж 0.2 с дозволяє знизити удари, проте затяжне гальмування призводить до рiзкого зниження продуктивностi преса, що є неприпустимим.

За основу математичного опису вибiгу поперечини пiсля закриття клапана прийняли друге рiвняння системи (6), що описує рух маси a₂. При цьому величина S₁ залишається постiйною i вiдповiдає значенню шляху, що пройдено масою a₁ до моменту закриття клапана.

Аналiз математичної моделi показав, що вибiг поперечини пiсля закриття клапана є результатом складної взаємодiї ряду сил: iнерцiйних, гiдростатичних, тертя. В залежностi вiд того, якi сили переважують у кожному конкретному випадку, поперечина здiйснює вибiг тiєї чи iншої величини, яка визначається у значнiй мiрi квадратом швидкостi поперечини в момент закриття регулюючого клапана.

Дослiдження показали, що виключення гiдроударiв та вакуумування системи зворотних цилiндрiв, пiдвищення продуктивностi преса, його надiйностi та довговiчностi можна досягти шляхом удосконалення приводу преса наступним шляхом. Необхiдно оснастити НЗК iндивiдуальним слiдкуючим сервоприводом та додатковим дроселюючим елементом, якi разом утворюють наповнювально-зливний блок наповнення i зливу робочої рiдини та гальмування поперечини у верхньому положеннi. Тобто гальмування поперечини у верхньому положеннi буде здiйснюватися одночасним закриттям впускного клапана зворотних цилiндрiв та НЗК робочих цилiндрiв. Цим буде забезпечено чiтке без вибiгiв гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi без коливальних явищ, вакуумування i гiдроударiв.

Для аналiзу динамiки гальмування поперечини шляхом закриття НЗК приймається одномасова “жорстко-пружна” модель гiдроприводу. Рiдина в приводi та металевi рухливi частини рухаються як одна приведена до поперечини маса. За основу математичного опису гальмування за запропонованою схемою було взято перше рiвняння системи (6), що характеризує зростаючий гiдравлiчний опiр дроселюючого елемента НЗК.

Чисельним аналiзом математичної моделi гальмування поперечини шляхом закриття НЗК стосовно преса зусиллям 60 МН встановлено, що при гальмуваннi з t_з = 0.2 с релейним клапаном максимальне значення прискорення дорiвнює 10 м/с², а лiнiйним i квадратичним -- 2.2 м/с² i 2 м/с² вiдповiдно. При цьому при застосуваннi релейного НЗК зниження швидкості руху поперечини спостерiгається тiльки в кiнцi закриття клапана з утворенням пiкового значення прискорення, що свiдчить про наявнiсть інтенсивного гiдроудару, який може спричинити руйнування системи керування. Шлях гальмування в цьому випадку дорiвнює 40 мм.

При гальмуваннi лiнiйним клапаном зниження швидкостi має плавний характер з пiдвищенням прискорення в кiнцi закриття НЗК. Гальмування квадратичним НЗК характеризується зниженням швидкостi з самого початку закриття клапана, а пiкове значення прискорення спостерiгається на серединi його ходу. При цьому шлях гальмування у першому випадку становить 29 мм, а у другому 20 мм. Таким чином, дроселюючий елемент НЗК поглинає енергiю рухомих частин преса та забезпечує швидке i плавне без коливань i гiдроударiв гальмування поперечини на зворотному ходi.

Експериментальне дослiдження процесу прискореного безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску на лабораторнiй установцi

Для дослiдження процесу розвантаження цилiндрiв високого тиску було виготовлено два НЗК (рис. 1): з лiнiйною (рис. 1а) та з релейною (рис. 1б) конструктивними характеристиками дроселюючого елемента.

При однакових режимах роботи НЗК з лiнiйною конструктивною характеристикою (рис. 2) забезпечує бiльш сприятливi умови для здійснення процесу швидкого розвантаження цилiндру високого тиску. При цьому зi

Експериментальнi дослiдження, проведенi на фiзичнiй моделi в лабораторних умовах, пiдтвердили, що:

робота збудованої фiзичної моделi адекватна реальному розвантаженню робочих цилiндрiв пресiв вiд тиску;

швидке та безударне розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску можна здiйснювати шляхом вiдкриття НЗК з дроселюючим елементом, що iнтенсивно спрацьовує енергiю стиснутої рiдини, одразу ж пiсля робочого ходу, тобто при високому тиску в робочих цилiндрах;

НЗК з релейною конструктивною характеристикою, що не має дроселюючого елемента, зовсiм непридатний для швидкого розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску, тому що при цьому має мiсце iнтенсивний гiдроудар у зливнiй магiстралi;

НЗК з лiнiйною характеристикою дроселюючого елемента створює сприятливi умови для швидкого та безударного розвантаження робочих циліндрів вiд тиску за умови, що час вiдкриття не менше 0.2 с;

новий експериментальний НЗК показав свою задовiльну роботу та виявився придатним для здiйснення прискореного та безударного розвантаження силових цилiндрiв вiд тиску;

- результати, що були отриманi в ходi експериментальних дослiджень, пiдтверджують адекватнiсть математичної моделi процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску с точнiстю 5-14%, що говорить про достовірність розробленої математичної моделi розвантаження.

Розробка та впровадження пристроїв та рекомендацiй з удосконалення роботи ковальських пресiв з НАП на зворотному ході та в процесi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску

На основi теоретичних та експериментальних дослiджень розроблено рекомендацiї щодо здiйснення швидкого i безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та запропоновано нову конструкцiю НЗК для реалiзацiї цього процесу. При цьому розвантаження здiйснюється безпосередньо у наповнювально-зливну магiстраль, а НЗК, в свою чергу, повинен мати наступнi параметри: конструктивна характеристика з показником n, мiнiмальне значення якого складає 1.0, коефiцiєнт якостi гiдросистеми а не нижче 0.8, мiнiмальний час вiдкриття 0.2 с.

Розроблено схему приводу ковальського преса, в якому гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi здiйснюється шляхом закриття НЗК з дроселюючим елементом, чим забезпечується ефективне гальмування поперечини без коливальних явищ та гiдроударiв. При цьому НЗК повинен мати наступнi параметри: конструктивна характеристика з показником n, мiнiмальне значення якого складає 1.0, коефiцiєнт якостi гiдросистеми б не нижче 0.9, мiнiмальний час закриття 0.3 с.

Дано практичнi рекомендацiї щодо удосконалення конструкцiй та режимiв роботи систем керування ковальськими пресами з НАП на зворотному ходi та в процесi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску. Розроблено конструкцiї чутливих запобiжних систем та крiплення тяг зворотних цилiндрiв гiдропреса до рухомої поперечини, що забезпечують підвищення працездатностi, довговiчностi та надiйностi вузла зворотних цилiндрiв.

Запропоновано новi конструкцiї кавiтацiйно i динамiчно стiйких дросельних регулюючих клапанiв та слiдкуючого гiдравлiчного підсилювача для покращення якостi та надiйностi керування зворотним ходом, якi прийнято до впровадження Самарським металургiйним заводом СМЗ-Alcoa.

Розроблено програмне забезпечення для розрахунку процесiв розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi.

Крiм цього, результати роботи у виглядi теоретичних рiшень, програмного забезпечення та практичних рекомендацiй було використано Донецьким заводом компресорiв, Красноармiйським заводом “Електродвигун” та Донбаською державною машинобудiвною академiєю.

ЗАГАЛЬНI ВИСНОВКИ

В дисертацiйнiй роботi виконано новi науково-технiчнi розробки, спрямованi на пiдвищення продуктивностi та надiйностi ковальських пресiв з НАП на основi розробки рацiональних з швидкодiї режимiв їх роботи при розвантаженнi робочих цилiндрiв вiд тиску та зворотному ходi, а також нових пристроїв та рекомендацiй для реалiзацiї у виробництвi.

Встановлено, що процеси руху поперечини на зворотному ходi та розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску не є оптимальними з швидкодiї, а пристрої керування не забезпечують рацiональних режимiв їх здiйснення. Iснуючi математичнi моделi цих етапiв роботи преса не дозволяють провести доскональний аналiз динамiчних процесiв, що вiдбуваються в гiдросистемi.

Експериментальними дослiдженнями виявлено, що сповiльнене скидання тиску iз робочих цилiндрiв пiсля робочого ходу суттєво знижує продуктивнiсть преса, затягує початок руху поперечини уверх, призводить до більш iнтенсивного охолодження заготовки та зношення робочих бойкiв, а при гальмуваннi у верхньому положеннi має мiсце значний вибiг поперечини уверх при закритому впускному клапанi зворотних цилiндрiв, падiння тиску та вакуумування в них рiдини, пiдсос зовнiшнього повiтря, сповільнений реверс поперечини, що супроводжується iнтенсивними коливаннями та гiдроударами.

Визначено, що iснуючi конструкцiї НЗК не забезпечують швидкого та безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску.

Розроблено математичнi моделi:

розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску з урахуванням інерційності стовпа рiдини, змiни опору зливного клапана пiд час його вiдкриття, характеристики клапана;

гальмування рухомої поперечини на зворотному ходi з урахуванням змiни опору регулюючого клапана пiд час його закриття i характеристики клапана.

5.Аналiз розробленої математичної моделi процесу розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску показав, що:

швидке та безударне розвантаження безпосередньо в наповнювально-зливну магiстраль здiйснюється вiдкриттям НЗК з дроселюючим елементом, що iнтенсивно поглинає накопичену за робочий хiд потенцiальну енергiю рiдини та металоконструкцiї преса;

показник конструктивної характеристики дроселюючого елемента НЗК повинен бути не менше 1.0, час вiдкриття - не менше 0.2 с i коефiцiєнт б. -- не менше 0.8. При цьому час розвантаження скорочується на 75%, зменшується iнтенсивнiсть охолодження заготовки та знос робочих бойкiв.

6.Аналiз розробленої математичної моделi гальмування поперечини на зворотному ходi показав, що:

-при гальмуваннi рухомої поперечини у верхньому положеннi закриттям впускного клапана зворотних цилiндрiв вiдбувається значний її вибiг уверх пiсля закриття клапана незалежно вiд його конструктивної характеристики та часу закриття, а також величини коефiцiєнта б;

- швидке та безударне гальмування рухомої поперечини у верхньому положеннi забезпечується закриттям НЗК з дроселюючим елементом з показником конструктивної характеристики в межах n = 1.0ч2.0, часом закриття не менше 0.3 с та коефiцiєнтом б -- не менше 0.9. При цьому час гальмування скорочується на 70%.

Експериментальними дослiдженнями, проведеними на фiзичнiй моделi в лабораторних умовах, пiдтверджено, що швидке та без гiдроударiв розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску можна здiйснювати шляхом відкриття НЗК з дроселюючим елементом одразу ж пiсля робочого ходу, тобто при високому тиску в робочих цилiндрах.

Встановлено, що новий, розроблений в ходi дослiджень НЗК з дроселюючим елементом придатний для здiйснення прискореного та безударного розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску безпосередньо в наповнювально-зливну магiстраль, так як в дроселюючому елементi вiдбувається інтенсивне поглинання енергiї стиснутої рiдини.

За результатами теоретичних та експериментальних дослiджень запропоновано новi режими роботи ковальських пресiв з розвантаженням робочих цилiндрiв вiд тиску безпосередньо в наповнювально-зливну магістраль та гальмуванням рухомої поперечини у верхньому положеннi за допомогою НЗК з дроселюючим елементом.

10. Запропоновано для впровадження у виробництво цiлу низку пристроїв, що дозволяють покращити якiсть та надiйнiсть керування ковальськими пресами з НАП: конструкцiї нових динамiчно та кавiтацiйно стiйких НЗК та дросельних регулюючих клапанiв, швидкодiючих чутливих запобiжних систем, крiплення тяг зворотних цилiндрiв гiдропреса до рухомої поперечини, гiдравлiчного слiдкуючого пiдсилювача. Результати роботи у виглядi теоретичних рiшень, програмного забезпечення та практичних рекомендацiй було прийнято до впровадження Самарським металургiйним заводом СМЗ-Alcoa (м. Самара, Росiя), а також використано Донецьким заводом компресорів (м. Донецьк), Красноармiйським заводом “Електродвигун” (м. Красноармiйськ) та Донбаською державною машинобудiвною академiєю.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ РОБIТ

Шинкаренко О.М., Корнеева Т.С., Корчак Е.С. Построение профиля образующей конического отверстия седла клапана// Удосконалення процесiв i обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi: Тема- тич. зб. наук. пр. -- ДДМА: Краматорськ. -- 2002. -- С.552-555.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Построение математической модели сопротивления поковки деформированию при наличии разупрочнения// Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi: тематичний збiрник наукових праць. -- ДДМА, Краматорськ, 2003. - С.484-486.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Предохранительные клапаны возвратных цилиндров гидравлических прессов// Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi: тематичний збiрник наукових праць. -- ДДМА, Краматорськ - Слов'янськ, 2003. -- С.377-379.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Экспериментальное исследование возвратного хода гидравлического пресса с приводом от НАС// Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi: тематичний збiрник наукових праць. -- ДДМА, Краматорськ, 2004. -- С.84-86.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Особенности работы гидравлического пресса с приводом от НАС на возвратном ходе// Интеллект молодых -- производству 2005. Материалы IV международной научно-практической конференции. - Краматорск: НКМЗ, 2005 - С.101-102.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Экспериментальное исследование работы наполнительных клапанов ковочных гидравлических прессов на возвратном ходе// Удосконалення процесiв i обладнання обробки тиском в металургiї i машинобудуваннi: Тематич. зб. наук. пр. -- Краматорськ: ДДМА, 2006. - С.455-458.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Разупрочнение металла поковки при разгрузке рабочих цилиндров ковочных гидравлических прессов// Застосування теорiї пластичностi в сучасних технологiях обробки тиском i автотехнiчних експертизах. Збiрник тез доповiдей мiжнародної науково-технiчної конференцiї, м. Вiнниця, 29 травня -- 1 червня 2006 року. -- Вiнниця, 2006. - С.71-72.

Шинкаренко О.М., Корчак Е.С. Торможение подвижных частей ковочных прессов с насосно-аккумуляторным приводом// Известия ТулГУ. Серия: Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. - Тула: ТулГУ, Вып.1, 2006. - С.346-355.

Патент 14996 Україна, F16K 17/00. Дросельно-регулюючий клапан/О.М. Шинкаренко, О.С. Корчак (Україна). - № u200510748, Заяв. 14.11.2005,Опубл. 15.06.2006, Бюл. №6.

Патент 16718 Українa, F16 K47/02, F16 K1/42. Наповнювально-зливний клапан/ О.М. Шинкаренко, О.С. Корчак (Україна). - №u200602558, Заяв.09.03.2006, Опубл. 15.08.2006, Бюл. №8.

Патент 17617 Українa, B21 J9/12. Привiд гiдравлiчного ковальського преса/ О.М. Шинкаренко, О.С. Корчак (Україна). - №u200601082, Заяв.06.02.2006, Опубл. 15.10.2006, Бюл. №10.

Патент 18516 Українa, F16 K17/00, F16 K47/00. Дросельно-регулюючий клапан/ О.М. Шинкаренко, О.С. Корчак (Україна). - №u200604865, Заяв.03.05.2006, Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.

13.Патент 18519 Українa, B21 J9/00. Крiплення тяг зворотних цилiндрiв гiдропреса до рухомої поперечки/ О.М. Шинкаренко, О.С. Корчак (Україна). -№ u200604871, Заяв. 03.05.2006, Опубл. 15.11.2006,Бюл. №11.

14.Патент 16840 Українa, F16 K17/00, F16 K47/00. Дросельно-регулювальний клапан/ Л.Л. Роганов, О.М. Шинкаренко, В.Є.Устiнов, М.Л. Роганов, О.С. Корчак (Україна). - №u200603356, Заяв. 28.03.2006, Опубл.15.08.2006, Бюл. №8.

Особистий внесок автора у роботах, що опублiковано у спiвавторствi

[1]-- виявлено вплив характеристик регулюючого клапана на динамiку роботи ковальських гiдравлiчних пресiв з НАП;

[2, 7] -- виявлено зв'язок мiж процесом знемiцнення металу поковки та динамiчним станом ковальського преса, а також характером процесу розвантаження робочих цилиндрiв вiд тиску;

[3] -- розроблено схеми запобiжних пристроїв систем керування зворотними цилiндрами;

[4, 5] -- запропоновано методику проведення експериментальних дослiджень зворотного ходу, виявлено його динамiчнi особливостi;

[6] -- розроблено методику проведення експериментальних дослiджень роботи НЗК, виявлено особливостi їх роботи, дано практичнi рекомендацiї з усунення недолiкiв їх конструкцiй та режимiв роботи;

[8] -- дано практичнi рекомендацiї з покращення динамiки гальмування, розроблено математичну модель гальмування рухомих частин ковальських пресiв з НАП на зворотному ходi;

[9, 12, 14] -- розроблено конструкцiї дросельно-регулюючих клапанiв;

[10] -- запропоновано конструкцiю НЗК;

[11]-- розроблено привод гiдравлiчного ковальського преса.

[13] -- удосконалено конструкцiю крiплення тяг зворотних цилiндрiв
гiдропреса до рухомої поперечки

АНОТАЦIЯ

Корчак О.С. Удосконалення режимiв роботи ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом при розвантаженнi та зворотному ходi. --Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”. -- Донбаська державна машинобудiвна академiя, Краматорськ, 2007.

Дисертацiю присвячено пiдвищенню надiйностi та продуктивностi ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом на основi удосконалення режимiв їх роботи на зворотному ходi та в процесi розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску.

В роботi на основi експериментальних дослiджень та розроблених математичних моделей проведено повний аналiз динамiчних процесiв, що вiдбуваються упродовж розвантаження робочих цилiндрiв вiд тиску та руху поперечини на зворотному ходi. Розроблено рацiональнi режими здійснення цих етапiв. Дано практичнi рекомендацiї для їх реалiзацiї у виробництвi.

Розроблено цiлий ряд пристроїв та вузлiв, що дозволяють покращити роботу ковальських пресiв з насосно-акумуляторним приводом та забезпечити пiдвищення їх продуктивностi, працездатностi та надiйностi, а саме: конструкцiї нових динамiчно та кавiтацiйно стiйких дросельних регулюючих та наповнювально-зливних клапанiв, швидкодiючих чутливих запобiжних систем, крiплення тяг зворотних цилiндрiв гiдропреса до рухомої поперечини, гiдравлiчного слiдкуючого пiдсилювача.

Ключовi слова: розвантаження робочих цилiндрiв, тиск, гальмування рухомої поперечини, зворотний хiд, коливання, гiдроудар, наповнювально-зливний клапан.

АННОТАЦИЯ

Корчак Е.С. Совершенствование режимов работы ковочных прессов с насосно-аккумуляторным приводом при разгрузке и возвратном ходе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2007.

Диссертация посвящена повышению надежности и производительности ковочных прессов с насосно-аккумуляторным приводом на основе совершенствования режимов их работы на возвратном ходе и в процессе разгрузки рабочих цилиндров от давления.

В работе на основе экспериментальных исследований и разработанных математических моделей проведен полный анализ динамических процессов, происходящих в течение разгрузки рабочих цилиндров от давления и движения поперечины на возвратном ходе. Разработаны рациональные режимы осуществления этих этапов. Даны практические рекомендации для их реализации в производстве.

Экспериментальными исследовании выявлено, что замедленный сброс давления из рабочих цилиндров после рабочего хода существенно снижает производительность пресса, затягивает начало движения поперечины вверх, приводит к более интенсивному остыванию заготовки и износу рабочих бойков, а при торможении имеет место значительный выбег поперечины вверх при закрытом впускном клапане возвратных цилиндров, падание давления и вакуумирование в них жидкости, подсос наружного воздуха, замедленный реверс поперечины, который сопровождается интенсивными колебаниями и гидроударами.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на физической модели в лабораторных условиях, подтверждено, что быструю и безударную разгрузку рабочих цилиндров от давления можно осуществлять путем открытия НСК с дросселирующим элементом сразу же после рабочего хода, то есть при высоком давлении в рабочих цилиндрах.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложен новый алгоритм работы ковочных прессов с разгрузкой рабочих цилиндров от давления непосредственно в наполнительно-сливную магистральи торможением подвижной поперечины в верхнем положении при помощиНСК с дросселирующим элементом.

Разработан целый ряд устройств и узлов, позволяющих улучшить работу ковочных прессов с насосно-аккумуляторным приводом и обеспечивающих повышение их производительности, работоспособности и надежности, а именно: конструкции новых динамически и кавитационностойких дроссельных регулирующих и наполнительно-сливных клапанов, быстродействующие чувствительные предохранительные системы, крепления тяг возвратных цилиндров гидропресса к подвижной поперечине, гидравлического следящего усилителя.

Результаты работы в виде программных продуктов, практических рекомендаций и технических решений были приняты к внедрению Самарским металлургическим заводом, а также использованы Донецким заводом компрессоров, Красноармейским заводом “Электродвигатель” а также в Донбасской государственной машиностроительной академии.

Ключевые слова: разгрузка рабочих цилиндров, давление, торможение подвижной поперечины, возвратный ход, колебания, гидроудар, наполнительно-сливной клапан.

ANNOTATION

Olena S. Korchak Perfection of working conditions of forging presses with pump-accumulator drive while unloading and return stroke. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's degree in Engineering, speciality 05.03.05.--- "Processes and Machines of plastic working". - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2007.

Thesis deals with increasing of reliability and productivity of forging presses with pump-accumulator drive on the basis of improvement of working conditions while return stroke and unloading of working cylinders off pressure.

In the work on the basis of experimental investigations and designed mathematical models complete analysis of dynamic processes occurring while unloading of working cylinders off pressure and ram moving on the return stroke is carried out. Reasonable conditions to perform these stages are developed. Practical recommendations for its realization in industry are given.

Quite a number of devices and assemblies to enable improvement of forging presses with pump-accumulator drive working and to provide increasing of its productivity, workability and reliability are designed, such as: constructions of new dynamically and cavitationally resistant control and filling-and-drain valves, fast acting sensitive protecting systems, fastening of return cylinders rod of hydraulic press to the ram, hydraulic servo amplifier.

Keywords: unloading of working cylinders, pressure, ram decelerating, return stroke, hesitations, hydraulic shock, filling-and-drain valve.

Пiдп. до друку 22.05.2007 Формат 60 х 90/16 Гарнiтура Antiqua Папiр офсетний. Умов. друк. л. 1.37

Тираж ПО прим.Зам. № 324

Видавець i виготiвник “Донбаська державна машинобудiвна академiя”

84313, м. Краматорськ, вул. Шкадiнова, 72

Свiдоцтво про внесення суб'єкта видавничої справи до державного реєстру серiя ДК №1633 вiд 24.12.2003р.

Размещено на Allbest.ru