Удосконалення обладнання та систем автоматизації потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.7.012.4;65.011.56

Удосконалення обладнання та систем автоматизації потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом

Спеціальність 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Єрьомкін Євген Анатолійович

Краматорськ 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Устинов Володимир Єгорович.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рей Роман Іванович, завідувач кафедри “Обладнання для обробки металів тиском”, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України (м. Луганськ);

кандидат технічних наук, доцент Явтушенко Олександр Вікторович, завідувач кафедри “Обробка металів тиском”, Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України

Ведуча організація: Державне підприємство “Завод імені В.О. Малишева”, центральна лабораторія, Міністерство промислової політики України (м. Харків).

Захист відбудеться " 27 " грудня 2005 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій в Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й учбовий корпус).

Автореферат розісланий "__" _______ 2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01, к.т.н. доцент Ю.К. Доброносов

прес штампувальний автоматизований

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Багато машинобудівних підприємств у нинішніх економічних умовах прагнуть до розширення номенклатури виробів, що виготовляються, і підвищенню якості готової продукції з найменшими капітальними вкладеннями і на наявному обладнанні. Це відноситься і до виробництва штампувань вироблених на потужних (важких) штампувальних пресах, що широко використовуються в авто-, авіа- і машинобудуванні. Необхідність рішення цих задач свідчить про доцільність проведення подальших досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників процесів штампування й удосконалення ковальсько-штампувального устаткування.

Актуальність теми. Як показав багаторічний досвід удосконалення ковальсько-пресового обладнання та експериментальні дослідження штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом (ШГП з НАП), при штампуванні часто має місце недоштампування і перештампування виробів, а також чечевичність і клиноподібність форми. Це відбувається через відсутність ефективної діючої системи синхронізації руху рухомої поперечини, що приводить до виходу з ладу штампувальних плит і вузлів преса, збільшення відсотка випуску бракованих виробів і зменшення коефіцієнта використання металу.

Для підвищення точності виготовлення поковок, одержання штампувань з мінімальної клиноподібність, зниження витрати металу і поліпшення умови праці пресувальників необхідне оснащення діючих пресів і пресів, що знову випускаються, системами синхронізації руху рухомої поперечини.

Застосування систем синхронізації руху рухомої поперечини на ряді пресів не привели до позитивних результатів через їх недосконалість. Системи показували достатню точність, але не могли забезпечити швидкодію преса, або високу швидкодію, однак розміри деталі не попадали в допуски, при цьому необхідно давати додаткові припуски на механічну обробку. У деяких випадках відхилення форми, викликані перекосом рухомої поперечини, досягали 70-75% від повної величини усіх відхилень форми. З урахуванням цього тема “Удосконалення обладнання та систем автоматизації потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом” є актуальною і спрямована на підвищення техніко-економічних показників процесів штампування і підвищення надійності ковальсько-штампувального обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає основним напрямкам однієї з провідних наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії: “Розробка ресурсозберігаючих технологій і машин обробки тиском ”.

Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт, передбачених планами Міністерства освіти і науки України (роботи № 0198U009091, №0101U001746).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення надійності роботи обладнання, точності виробів і продуктивності преса на основі розвитку математичних моделей і програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування, а також розробки рекомендацій з удосконалення конструкцій систем синхронізації руху рухомої поперечини для потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

- розвиток математичної моделі потужного штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом шляхом урахування ексцентриситету навантаження;

- розробка математичних моделей систем синхронізації руху рухомої поперечини і синтез оптимальних керувань потужним штампувальним гідравлічним пресом з насосно-акумуляторним приводом при його нецентральному навантаженні;

- кількісний і якісний опис механізму впливу параметрів систем синхронізації руху рухомої поперечини штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом на динаміку його роботи, продуктивність і якість виготовлення виробів;

- розробка і впровадження технічних рішень систем синхронізації руху рухомої поперечини потужного штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом, алгоритмів керування штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом і системою синхронізації.

Об'єкт дослідження. Потужні штампувальні гідравлічні преси з насосно-акумуляторним приводом.

Предмет дослідження. Основні закономірності роботи систем синхронізації руху рухомої поперечини і їхній вплив на технічні параметри гідравлічного штампувального преса.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням основних закономірностей і рівнянь гідравліки, синтезу оптимальних керувань методом статистичної стійкості систем автоматичного регулювання і критерію його оцінки, а також чисельних методів рішення задач з моделювання динаміки гідравлічних пресів.

В основу експериментальних досліджень покладені методи фізичного і напівнатурального моделювання, методи тензометрії, методи теорії імовірності і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

- уперше розроблена математична модель штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом, що дозволяє враховувати ексцентриситет навантаження при моделюванні динамічних процесів, і може бути використана для рішення задач синтезу оптимальних керувань штампувальним гідравлічним пресом і аналізу впливу параметрів преса і системи синхронізації руху рухомої поперечини на точність і продуктивність штампування;

- уперше запропонований комбінований підхід до вирівнювання рухомої поперечини, що дає можливість забезпечити високу швидкодію системи за рахунок контролю тиску робочих циліндрів і високу точність штампування за рахунок безпосереднього виміру величини перекосу, а також алгоритм роботи системи синхронізації руху рухомої поперечини і алгоритм автоматичного керування потужним штампувальним гідравлічним пресом з насосно-акумуляторним приводом;

- установлено кількісні і якісні закономірності впливу параметрів системи синхронізації руху рухомої поперечини на точність і продуктивність штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом;

Практична цінність отриманих результатів.

- розроблено програмні засоби з автоматизованого проектування конструктивних параметрів систем синхронізації руху рухомої поперечини, моделювання динамічних процесів потужного штампувального гідравлічного преса з урахуванням ексцентричного навантаження і різними системами керування, що забезпечують зниження трудомісткості проектних робіт при одночасному підвищенні ступеня наукової обґрунтованості технічних рішень, прийнятих у рамках реконструкції діючого, а також створення і промислового освоєння нового обладнання;

- розроблено науково обґрунтовані конструктивні і практичні рекомендації і технічні рішення, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесів штампування шляхом удосконалення і підвищення надійності ковальсько-штампувального обладнання, розширення номенклатури виготовлення виробів, підвищення їхньої якості.

Результати роботи у вигляді програмних продуктів, а також у вигляді конкретних конструктивних рекомендацій прийняті до практичного освоєння на ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ) і передані до використання на ТОВ “Промислове обладнання” (м. Слов'янськ).

Окремі положення дисертації використовуються в ДДМА при вивченні ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 6.090206 “Машини і технології обробки металів тиском”.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно виконав розробку математичних моделей і їхню алгоритмізацію, розробив і реалізував чисельно відповідні програмні засоби. Взяв участь у підготовці і проведенні експериментів, а також у виконанні проектно-конструкторських робіт. Проаналізував і узагальнив результати теоретичних і експериментальних досліджень, сформулював практичні рекомендації і взяв участь у їхньому промисловому використанні. Розробив і запропонував до практичного використання рекомендації з проектування систем синхронізації. Запропонував перспективну схему системи синхронізації руху рухомої поперечини, алгоритм керування і їх блок-схеми.

Апробація результатів дисертації. Наукові і практичні результати, отримані автором, повідомлені й обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях “Перспективні технології й обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ, 2000, 2001, 2002), Міжнародній науково-технічній конференції “Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003, 2004, 2005), Міжнародній науково-практичній конференції молодих фахівців “Інтелект молодих - виробництву” ВАТ НКМЗ, (м. Краматорськ, 2003), Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (м. Запорожжя, 2004), Міжнародній науково-практичній конференції “Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу” ВАТ НКМЗ, (м. Краматорськ, 2004).

Публікації. Матеріали й основні положення дисертації опубліковані в 12 друкованих працях, з яких: 9 наукових статей у 6 спеціалізованих науково-технічних виданнях згідно переліку ВАК України, 3 статті в збірниках, виданих за матеріалами науково-технічних конференцій.

Отримано позитивне рішення від 31 серпня 2005р. про подачу деклараційного патенту на корисну модель за заявкою №200503764 від 20.04.05 (Система автоматичного керування гідравлічним потужним штампувальним пресом).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 222 сторінки, у тому числі 123 сторінки основного тексту, 76 малюнків і 8 таблиць на 57 сторінках, список використаних джерел з 120 найменувань і 4 додатка на 37 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано поставлену мету і розв'язувані задачі, дана характеристика об'єктові, предметові і методам дослідження. Показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також їхню апробацію і промислове використання, відзначений особистий внесок здобувача.

Аналіз режимів роботи потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом (стан питання)

Аналіз стану питання показує, що на процес штампування впливає стан технологічного обладнання, і зокрема - системи синхронізації руху рухомої поперечини. Величина похибки товщини заготовки від перекосу рухомої поперечини складає до 75% від максимального сумарного відхилення товщини.

Системи синхронізації відносяться до систем автоматичного регулювання і поділяються на три основні групи: механічні системи, активні системи синхронізації, що діють за принципом зміни зусилля в робочих циліндрах за допомогою регулювання кількості рідини, що надходить у них, і системи, в яких силовий момент від ексцентричного навантаження сприймається синхронізуючими циліндрами (пасивні системи).

Питаннями динаміки, розробки математичних моделей, удосконалення теорії і конструкції гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом займалися Бочаров Ю.О., Бєляєв С.М., Васильєв Б.В., Добринский М.С., Овчинников А.Г., Розанов Б.В., Синицкий В.М., Сторожев М.В., Тардин В.Б., Топалер С.М., Устинов В.Є., Шинкаренко О.М., а також ряд інших вітчизняних і закордонних вчених. З числа проблем, зв'язаних з модернізацією й автоматизацією ковальсько-пресового обладнання, діючих пресів і пресів, що знову випускаються, і не вирішених дотепер, можна виділити наступне - відсутність ефективних систем автоматичного регулювання швидкісних і силових технологічних параметрів, необхідних для одержання якісних штампувань і забезпечення можливості їхньої повторюваності.

Аналіз показав також, що необхідна адаптивна система керування потужним пресом, що дозволить виконувати пресування деталей зі складними переходами з сплавів, що важко пресуються, у мінімально можливий час, це робить необхідним підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень.

Перспективною системою синхронізації руху рухомої поперечини, що забезпечує максимальну продуктивність при достатній точності, буде система, що працює при великій неузгодженості по тиску і при наближенні до заданого розміру - по переміщенню.

Усе це робить актуальним проведення подальших комплексних досліджень використовуваних при розробці і чисельній реалізації математичних моделей динаміки потужного штампувального гідропреса і систем синхронізації руху рухомої поперечини.

Вибір напрямків і методів досліджень

Подальший розвиток ковальсько-пресового обладнання зв'язаний з проведенням широкого кола комплексних наукових досліджень, основними напрямками яких є розширення номенклатури виробів, що випускаються, підвищення якості і зниження собівартості готової продукції. При цьому передбачається розвиток автоматизації, а також розробка конкретних практичних рекомендацій з удосконалення існуючого і обладнання, що проектується.

Методи аналітичного конструювання систем автоматичного регулювання дозволяють на самому початковому етапі проектування обґрунтувати структуру і параметри системи, склад необхідної апаратури. Це істотно скорочує терміни проектування і підвищує його якість.

Застосування методів напівнатурального моделювання дозволяє одержати найбільше повну інформацію про динамічні властивості випробуваного натурального елемента, проводити іспити в режимах, близьких до аварійних, і простежити взаємодію нового елемента з іншими елементами системи, визначити його вплив на динамічні властивості всієї системи в цілому.

Уточнення вихідних передумов, оцінка ступеня вірогідності теоретичних рішень і розширення обсягу отриманих результатів здійснені на основі експериментальних досліджень. В основу експериментальних досліджень, спрямованих на одержання параметрів преса, нових розроблювальних вузлів і їхніх технічних характеристик покладені методи фізичного і методи напівнатурального моделювання, методи тензометрії, методи теорії імовірності і математичної статистки.

Математичне моделювання і синтез оптимальних керувань штампувальним гідравлічним пресом з НАП

Робочий хід, що включає деформування поковки, гальмування й зупинку рухомої поперечини на заданому розмірі, є найбільш важливим етапом режиму робочого ходу. Робочий хід визначає продуктивність пресової установки, точність штампування і тому при дослідженні динаміки найбільшу увагу приділимо цьому етапові.

Розрахункова схема гідравлічного преса для робочого ходу представлена на рис. 1. На схемі позначений А - акумулятор; Р - робочий циліндр; В - поворотний циліндр; У - циліндр, що врівноважує; Н - бак для наповнювання; G - вага рухомих частин преса; - опір тертя в напрямних рухомої поперечини; F - опір деформуванню; Z - переміщення рухомої поперечини; l и о - довжина й опір відповідної ділянки магістралі.

Як розрахункова схема для розробки математичної моделі гідравлічного штампувального преса з урахуванням ексцентричного навантаження може служити схема, що зображує перекіс рухомої поперечини, представлена на рис. 2.

Траверса представлена прямокутником abcd, крапка О є його центром і знаходиться на перетинанні діагоналей. Для графічного зображення перекосу траверси прийнятий система полярних координат з полюсом у крапці О и полярною віссю у.

Рис. 1 Розрахункова схема гідропреса для робочого ходу

Перекіс траверси позначений радіусом - вектором , модуль якого дорівнює р, а полярний кут - Ш. Перекіс траверси представлений як поворот її навколо осей х, b і позначений векторами і , модулі яких m і n. Абсолютна величина перекосу р рухомої поперечини пропорційна ексцентриситетові е_с, зусиллю що розвивається пресом F_п і зворотно пропорційна жорсткості С станини преса (жорсткість преса змінюється у функції переміщення траверси С = С (z)):

.

Математичну модель гідравлічного штампувального преса з насосно-акумуляторним приводом і системою синхронізації можна представити в наступному вигляді:

Рівняння руху рухомої поперечини:



.

Рівняння нерозривності потоку рідини:

;

;

.

Обсяг рідини, що протікає через клапан:

Рівняння руху клапанного розподільника:

Опір деформуванню для аналізу динамічної моделі може бути представлений у функції переміщення рухомої поперечини в такий спосіб:

F_п=f_o+n₁z+n₂z²+n₃z³;

З урахуванням ексцентриситету опір деформуванню можна розбити на складові:



; ;

; .

де - М - маса рухомих частин преса й обсягу рідини;

Z, , - переміщення, швидкість, прискорення рухомої поперечини;

V - обсяг рідини, ув'язнений між плунжером циліндра і клапанами;

Р_i, S_і - тиск рідини й ефективні площі у відповідному циліндрі;

Е_Р - приведений модуль пружності для робочого ходу;

Р, В, У- робочі, поворотні і циліндри, що врівноважують;

- опір тертя в напрямних рухомої поперечини;

G_i - вага рухомих частин преса, приведених до робочих циліндрів, що беруть участь у системі синхронізації;

УQ - обсяг рідини, що надходить у систему за одиницю часу;

Е - модуль пружності робочої рідини;

Q_max - максимальна витрата рідини через клапан;

ДР - втрати тиску на клапані;

к - відношення втрат тиску в магістралях до втрат на клапані;

- конструктивна характеристика дросельних регулювальних клапанів;

с_ж - щільність рідини;

l_а, S_а, - довжина і площа проходу напірної магістралі від акумулятора до клапана;

g - прискорення сили ваги;

Q - витрата рідини;

h_i - відносний ступінь відкриття i-го клапана;

ц_i - поточне значення кута повороту вала головного клапанного розподільника;

F_п - опір деформуванню;

n, n₁, n₂, n₃ - постійні коефіцієнти, визначаються теоретично або експериментально;

f_i - складові опори кування деформуванню з урахуванням ексцентриситету;

с - жорсткість станини преса;

Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ - переміщення чотирьох кутів рухомої поперечини відповідно;

L - довжина діагоналі рухомої поперечини.

е_с, е_сx, е_cy - ексцентриситет центральний і по подовжній і поперечній осях відповідно;

i - циліндри, що беруть участь у вирівнюванні рухомої поперечини (від 1 до 4).

Отримана математична модель, що враховує, крім параметрів преса ексцентричне навантаження і параметри системи синхронізації руху рухомої поперечини, може бути використана для рішення задач аналізу і синтезу оптимальних керувань потужним штампувальним гідравлічним пресом з насосно-акумуляторним приводом, уточнення впливу параметрів системи синхронізації руху рухомої поперечини на точність і продуктивність штампування.

У розділі був зроблений синтез оптимальних керувань штампувальним гідравлічним пресом методом статистичної стійкості. При цьому критерієм автоматизованого штампування при штампуванні з ексцентриситетом є мінімум помилки при відпрацьовуванні рухомою поперечиною заданого розміру (припустимий ексцентриситет):

де - параметри стану системи.

При штампуванні без ексцентриситету - максимальна швидкодія:

При аналізі процесів гальмування поперечини на заданому розмірі було встановлено, що при оптимізації процесу автоматизованого штампування необхідно накладати обмеження на другу похідну координати рухомої поперечини граничне значення якого визначає можливість виникнення гідроударів:

.

Це обмеження надалі використовується в алгоритмах керування для виключення можливості гідроударів.

Аналіз впливу параметрів штампувального гідравлічного преса з насосно-акумуляторним приводом і системою синхронізації на техніко-економічні показники штампування

На точність і продуктивність автоматизованого штампування значно впливають багато технологічних і виробничих факторів. У даному розділі уточнений вплив параметрів технологічного обладнання на точність і продуктивність автоматизованого штампування в режимі робочого ходу.

Як уже відзначалося, робочий хід є найбільш важливим етапом робочого циклу, тому аналіз математичної моделі проведений для цього режиму.

У результаті аналізу математичної моделі було встановлено, який вплив надають ексцентриситет навантаження (особливо того, що змінюється з часом) і деякі параметри штампувального преса, такі як: конструктивна характеристика клапана, алгоритм керування, швидкодія системи синхронізації, на точність штампування і продуктивність пресової установки.

Графіки зміни величини похибки штампування ДZ у залежності від величини прикладеного ексцентриситету представлені на рис. 3а, у залежності від характеру ексцентриситету на рис. 3б. Для спрощення викладання графічних матеріалів перспективна система синхронізації гідравлічного штампувального преса позначена як С1. Для порівняння представлені системи синхронізації пресу зусиллям 750МН - С2 і пресу зусиллям 650МН - С3.

Аналіз математичної моделі також показав, що висока точність автоматизованого штампування з ексцентриситетом навантаження може бути досягнута за умови, якщо як критерій оптимізації буде обраний критерій мінімуму помилки при відпрацьовуванні рухомою поперечиною заданого розміру, а високу продуктивність штампувального преса може забезпечити алгоритм керування пресом, для якого як критерій оптимізації прийнята максимальна швидкодія з обмеженням по другій похідній переміщень рухомої поперечини (вище на 25-30 % від існуючих алгоритмів).

Для пропонованого алгоритму при збільшенні ексцентриситету від 0 до 500мм, точність падає від 0,1мм до 0,43мм, для інших розглянутих алгоритмів точність зменшується в 1,8 - 2,1 рази. При зміні величини ексцентриситету в часі точність штампування значно зменшується (падає до 30%). Що б одержати високу точність, система повинна забезпечувати більшу швидкодію. Найбільшою швидкодією володіє система С1.

Рис. 2 Графік зміни величини погрішності штампування ДZ у залежності від характеру ексцентриситету

Експериментальні дослідження працездатності існуючих сервоприводів і пропонованого електромеханічного перетворювача

Основною метою експериментальних досліджень було уточнення вихідних передумов і оцінка ступеня вірогідності отриманих теоретичних рішень. Експериментальні дослідження були проведені з використанням різних методик, установок і обладнання.

Проведено експериментальні дослідження сервоприводу на зусилля 600кН, що показали наступне:

Час гальмування для сервоприводу при переміщенні його вихідної ланки з положення "зупинка" у положення "робочий хід" складає 0,41с, що більш ніж у 2 рази більше потрібного. Статистична характеристика сервоприводу характеризується великою зоною нечутливості. Максимальна швидкодія сервоприводу складає близько 100 хід/хв. Довговічність роботи електрогідравлічного підсилювача (ЭГП) з елементом “сопло-заслінка” в умови ковальсько-пресових цехів складає 1,5-2 місяця.

Отримані дані характеризують роботу сервоприводу як украй не задовільну. Основною причиною виникаючих недоліків роботи, є застосування електрогідравлічного підсилювача типу “сопло-заслінка”. Для усунення недоліків сервоприводу було запропоновано використовувати замість ЭГП типу “сопло-заслінка” електромеханічний перетворювач разом з гідравлічним підсилювачем, представлені в роботі.

У роботі, за допомогою методів напівнатурального моделювання, проведені експериментальні дослідження електромеханічного перетворювача для перевірки вимог точності і швидкодії.

Експериментальні дослідження показали, що запропонований у роботі електромеханічний перетворювач відповідає вимогам точності (статична помилка спостереження складає ? 0,1мм) і швидкодії (час переміщення вихідної ланки системи з одного крайнього положення в інше - 0,15...0,2с.). До того ж він простий в експлуатації і не вимагає висококваліфікованого обслуговуючого персоналу.

Експериментальна перевірка швидкодії і якості регулювання системи керування були проведені на прутково-профільному пресі зусиллям 0,5МН. Схема і зовнішній вигляд експериментальної установки представлені на рис. 3.

Рис. 3 Електрогідравлічна схема і зовнішній вигляд експериментальної установки: 1-робочий циліндр; 2-прес-штемпель; 3-затискній циліндр; 4-контейнер; 5-розтискний циліндр; 6-рама; 7-затискна цанга; 8-заготовка; 9-готовий профіль; 10-розподільники клапанні з електромагнітами ЭМ 3...5; 11-маслостанция; 12-нагрівальна електрична обмотка; 13-електромеханічний перетворювач

У ході експериментальних досліджень прутково-профільного преса встановлено, що пропонована система керування пресом забезпечує високу якість виробів до 0,1мм.

У цілому, результати експериментальних досліджень підтвердили достатній ступінь вірогідності вихідних передумов і результатів теоретичного аналізу, зокрема, точність позиціювання вихідної ланки електромеханічного перетворювача і його швидкодія, а також точність, що може забезпечити система керування пресом.

При довірчій імовірності 0,95 довірчі інтервали розподілів точності позиціювання вихідної ланки електромеханічного перетворювача і швидкодія відповідали 0,96...1,1 і 0,94...1,01. Аналогічний показник для точності системи керування пресом дорівнює 0,98...1,02.

Розробка рекомендацій і практичне використання отриманих результатів

Розроблено алгоритм і блок-схема системи автоматичного керування штампувальним пресом із системою синхронізації. Алгоритми забезпечують високу швидкодію (до 20% вище вид існуючих) систем при прийнятній точності. Керування штампувальним пресом здійснюється в ручному, автоматичному і напівавтоматичному режимах. Система адаптивна до змін параметрів преса, заготовки, параметрів системи синхронізації і забезпечує високу точність за рахунок роботи з переміщення і продуктивність преса за рахунок роботи при великих неузгодженостях по тиску, виключає можливість гідроудару при гальмуванні рухомої поперечини. Рекомендовано використання даного алгоритму в системах керування ковальсько-пресового обладнання й в інших галузях машинобудування.

Для забезпечення високої безвідмовності роботи (у чотири рази і вище існуючих) розроблений виконавчий механізм, призначений для перетворення електричного сигналу системи керування штампувальним пресом у механічне переміщення штоків дросельних керуючих клапанів. Виконавчий механізм має високу швидкодію, стійкість, нечутливість до забруднення робочої рідини, незалежне встановлення складових модулів. Це дозволяє швидко здійснювати налагодження і регулювання механізму, не вимагаючи при цьому високій кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Виконавчий механізм складається з трьох систем стеження. Одна з них електромеханічна. Вона забезпечує спостереження вхідного вала гідропідсилювача за рукояткою керування пресом. Другим елементом, що стежить, є малогабаритний гідропідсилювач. Перші дві системи є керуючи (приладовими), третя система є силовою, що безпосередньо впливає на регулюючі дросельні клапани.

Результати роботи у виді конструкторських рекомендацій з модернізації приводу преса прийняті до використання на ВАТ “Енергомашспецсталь”. Виконавчий механізм сервоприводу клапанного розподільника, а також датчик переміщення рухомої поперечини впроваджені на підприємстві ТОВ “Промислове устаткування” (м. Слов'янськ). Програмні засоби використовуються в ДДМА при вивченні ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 8.090206 “Машини і технології обробки металів тиском”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації виконані нові науково-технічні розробки з удосконалення й автоматизації штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом і за рішенням на цій основі актуальних, задач що мають практичне значення, спрямованих на розширення номенклатури виробів, підвищення якості і зниження собівартості штампованих виробів.

1. Для підвищення точності виготовлення штампувань і поліпшення умови праці пресувальників найбільш ефективним є оснащення діючих пресів і пресів, що випускаються знову, системами синхронізації рухомої поперечини, що вимагає подальшого підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень, здійснюваних на основі розвитку динамічних моделей гідропресів і розробки конкретних практичних рекомендацій.

2. На основі аналізу експериментального матеріалу, теоретичних досліджень і результатів вивчення технологічного процесу штампування, були розроблені адекватні реальному процесові узагальнена динамічна модель гідравлічного преса і моделі систем синхронізації, що у порівнянні з існуючими, враховують ексцентриситет навантаження і його вплив на точність і продуктивність гідравлічного преса;

3. На основі теоретичних досліджень установлено, що висока точність (до 0,3мм на 1м) автоматизованого штампування з ексцентриситетом навантаження буде досягнута за умови, що як критерій оптимізації буде обраний критерій мінімуму помилки при відпрацьовуванні рухомою поперечиною заданого розміру. При штампуванні без ексцентричного навантаження, висока точність (до 0,1мм на 1м) автоматизованого штампування досягається за умови, що як критерій оптимізації буде обраний критерій максимальної швидкодії при прийнятній точності.

4. Підтверджено, що узагальнена математична модель гідропреса адекватна реальному процесові штампування і добре зарекомендувала себе для рішення задач аналізу і синтезу оптимальних керувань штампувальними пресами, дослідження впливу параметрів преса, штампування, сервоприводу і системи синхронізації руху рухомої поперечини на точність і продуктивність штампування.

5. Розроблено алгоритм і блок-схему системи автоматичного керування штампувальним пресом із системою синхронізації руху рухомої поперечини. Алгоритм забезпечує високу швидкодію системи для штампування деталей без ексцентриситету при припустимій точності штампування, для якого як критерій оптимізації прийнята максимальна швидкодія з обмеженням по другій похідній переміщень рухомої поперечини. Рекомендується використовувати алгоритм і блок-схему в системах керування ковальсько-пресового обладнання й в інших галузях машинобудування.

6. Експериментальні дослідження в промислових умовах підтвердили, що існуючі на сьогоднішній день сервоприводи гідравлічних пресів мають велику зону нечутливості (до 20% відносного відкриття клапана), що не відповідає умовам швидкодії і точності. Для можливості використання сервоприводу в комплексі із системою автоматичного керування пресом установлена необхідність застосування додаткових пристроїв, що забезпечують стабілізацію коефіцієнта передачі сервоприводу. Це дозволить забезпечити сталість загального коефіцієнта передачі автоматизованої системи і задану статичну точність її роботи. Як додатковий пристрій рекомендується використовувати запропонований у роботі електромеханічний перетворювач, що відповідає вимогам точності і швидкодії, що довели експериментальні дослідження.

7. Результати роботи у вигляді конкретних конструктивних рекомендацій передані до практичного освоєння на ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ), і використані на ТОВ “Промислове обладнання” (м. Слов'янськ).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Устинов В.Е., Еремкин Е.А., Ягупец С.В. Автоматический регулятор усилия штамповки на прессе усилием 750МН // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр.. - Краматорськ, 2000. - С. 468-470.

2. Устинов В.Е., Еремкин Е.А. Исследования на ЭВМ влияния параметров штамповочного гидравлического пресса с насосно- аккумуляторным приводом и регулятором усилия на качество изготовления изделий // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ, - 2001. - С. 113-116.

3. Устинов В.Е., Ерёмкин Е.А. Оптимизация скорости заполнения штампа при рабочем ходе гидравлического штамповочного пресса // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ-Слов`янськ: ДДМА. - 2000. - С.310-312.

4. Устинов В. Е., Бочанов П. А., Ерёмкин Е.А.. Экспериментальное определение параметров комплекса пресс-поковка-сервопривод-регулятор // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - ДДМА, Краматорськ, 2003. - С.564-567.

5. Устинов В.Е., Еремкин Е.А., Бочанов П.А., Математическая модель гидравлического штамповочного пресса с насосно-аккумуляторным приводом, учитывающая эксцентриситет нагружения пресса // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в машинобудуванні і металургії: Тематич. зб. наук. пр. - ДДМА, Краматорськ, - 2003. - - С.576-578.

6. Устинов В.Е., Бочанов П.А., Ерёмкин Е.А. Анализ технологических нагрузок при протяжке и шлихтовке и их математическая аппроксимация // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2003.- 258-261c.

7. Еремкин Е.А. Система синхронизации движения подвижной поперечины мощного гидравлического штамповочного пресса с насосно-аккумуляторным приводом // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2004. - С.31-34.

8. Устинов В. Е., Бочанов П. А., Ерёмкин Е.А. Усовершенствование конструкций НСК, впускных и сливных клапанов // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2004. - С.70-72.

9. Устинов В.Е., Ерёмкин Е.А. Система автоматического управления гидравлическим штамповочным прессом // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2005. - С.35-38.

10. Абрамова Л.Н., Еремкин Е.А. Исследование щелевых втулок-уплотнений для гидроцилиндров прессов при работе на воде // Материалы научной конференции: Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2003 - 357-362.

11. Ерёмкин Е.А. Стенд для полунатурального моделирования систем управления гидравлических прессов с НАС // Прогрессивные технологии в машиностроении: Материалы научно-технического семинара, г. 18-19 мая 2004 г., г. Запорожье. - Киев: АТМ Украины, - 2004. - С.55-57.

12. Бочанов П.А., Устинов В.Е., Еремкин Е.А. Усовершенствованная конструкция дроссельного регулирующего клапана гидропресса // Перспективы развития горно-металлургического комплекса: Материалы научно-технического семинара, г. Краматорск. - НКМЗ, - 2004. - С.85-87.

АНОТАЦІЇ

Єрьомкін Є.А. Удосконалення обладнання та систем автоматизації потужних штампувальних гідравлічних пресів з насосно-акумуляторним приводом.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 "Процеси і машини обробки тиском". - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2005.

Дисертація присвячена удосконаленню систем синхронізації руху рухомої поперечини потужних гідравлічних штампувальних пресів з насосно-акумуляторним приводом, а також підвищенню рівня автоматизації ковальсько-пресового обладнання.

Існуючі системи не забеспечують пресування складних деталей з сплавів що важко пресуються у мінімально можливий час, що робить необхідним підвищення ступеня наукової обґрунтованості прийнятих технічних рішень.

У роботі була удосконалена динамічна модель гідропреса, що уперше враховувала ексцентричне навантаження, зроблений синтез оптимальних керувань штампувальним гідравлічним пресом. Установлено вплив параметрів преса, сервоприводу, системи синхронізації руху рухомої поперечини на точність штампування і продуктивність преса.

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень запропонована ефективна система синхронізації, розроблені алгоритм і блок-схема системи автоматичного керування штампувальним пресом із системою синхронізації руху рухомої поперечини, дані практичні рекомендації, спрямовані на розширення номенклатури, підвищення якості і зниження собівартості штампувань.

Ключові слова: система синхронізації, потужні штампувальні гідропреси, насосно-акумуляторний привід, перекіс рухомої поперечини, ексцентриситет навантаження, динамічна модель, моделювання, датчик, сервопривод, виконавчий механізм, алгоритм, блок-схема.

Ерёмкин Е.А. Совершенствование оборудования и автоматизации мощных штамповочных гидравлических прессов с насосно-аккумуляторным приводом.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 "Процессы и машины обработки давлением". - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию систем синхронизации движения подвижной поперечины мощных гидравлических штамповочных прессов с насосно-аккумуляторным приводом, а также повышению уровня автоматизации кузнечно-прессового оборудования.

Для уменьшения величины погрешности толщины заготовки от перекоса подвижной поперечины, которая составляет большую часть от максимального суммарного отклонения толщины, эффективным является применение систем синхронизации движения подвижной поперечины. Эти системы, как правило, относятся к системам автоматического регулирования и делятся на три основные группы: механические системы, действующие по принципу изменения усилия в рабочих цилиндрах посредством регулирования количества поступающей в них жидкости (активные системы синхронизации), и системы которых силовой момент от эксцентричной нагрузки воспринимается синхронизирующими цилиндрами (пассивные системы).

Имеющиеся системы не позволяют прессование сложных деталей из трудно прессуемых сплавов в минимально возможное время, что делает необходимым повышение степени научной обоснованности принимаемых технических решений.

В работе предложена система синхронизации движения подвижной поперечины, которая обеспечивает максимальную производительность, при достаточной точности, работающая при большом рассогласовании по давлению и при приближении к заданному размеру по перемещению.

Для снижения трудоемкости получения, объемов и степени достоверности теоретических исследований была разработана динамическая модель гидропресса. Впервые модель учитывала эксцентричное нагружение пресса. Также был произведен синтез оптимальных управлений штамповочным гидравлическим прессом методом статистической устойчивости. Приняты критерии для автоматизированной штамповки с эксцентриситетом и без него, а также наложено ограничение на возможность возникновения гидроударов. В результате анализа динамической модели установлено, что точность штамповки и производительность пресса определяется: усилием сопротивления поковки деформированию; видом конструктивной характеристики клапана; постоянными времени сервоприводов и исполнительных механизмов; гидравлическим сопротивление магистралей гидросистемы; коэффициентами передачи штамповочного пресса; быстродействием системы синхронизации движения подвижной поперечины и её постоянными времени; алгоритмом управления; величиной эксцентриситета приложения нагрузки.

Существенное влияние на точность штамповки оказывает эксцентриситет приложения нагрузки (особенно изменяющийся с течением времени), быстродействие системы синхронизации движения подвижной поперечины оказывает влияния в основном на производительность штамповочного пресса.

Достаточная степень достоверности полученных теоретических результатов подтверждена экспериментально, с применением полунатурального моделирования. Теоретически и экспериментально была показана возможность использования предложенных в работе технических решений.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и блок-схема системы автоматического управления штамповочным прессом с системой синхронизации. Алгоритмы обеспечивают высокое быстродействие систем при приемлемой точности. Даны практические рекомендации, направленные на расширение номенклатуры изготавливаемых изделий, повышение качества и снижение себестоимости получаемых на штамповочных гидравлических прессах штамповок. При этом предполагается развитие автоматизации, а также разработка конкретных практических рекомендаций по совершенствованию существующего и вновь разрабатываемого оборудования.

Ключевые слова: система синхронизации движения подвижной поперечины, мощные штамповочные гидравлические прессы, насосно-аккумуляторный привод, перекоса подвижной поперечины, эксцентриситет приложения нагрузки, динамическая модель, моделирование, датчик, сервопривод, исполнительный механизм, алгоритм, блок-схема.

Eryomkin E.A. Improvement of equipment and automation system of powerful stamping hydraulics presses with pump-accumulator drive.

The thesis on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.03.05 “Non - cutting shaping process and machines”. - The Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2005.

The thesis is devoted to the improvement the systems of synchronizing the moving the movable cross-bar of powerful stamping hydro-presses with pump-accumulator drive and also the increasing of automation press forging equipment level.

System under consideration prevent from difficult-to-stamping alloys during minimally available time. It requires the increasing of scientific validity extent at the time of engineering decision-making.

A dynamic model of hydro-press was improved in this work. It took into account the load eccentricity. An optimal control synthesis is made by stamping hydro-press. The influence of press parameters, servo-drive and system of synchronizing the moving the movable crossbeam for accuracy stamping and press output are determined.

An effective system of synchronizing the moving the movable cross-bar is proposed on the basis of theoretical and experimental investigations. An algorithm and block-scheme of automatic control by stamping press with the system of synchronizing the moving the movable cross-bar are developed. Practical recommendations directed to the assortment enhancement, upgrading and stamping cost-saving are given.

Key words: the system of synchronizing the moving the movable cross-bar, powerful stamping hydro-presses, a pump-accumulator drive, a walking cross bar skew, the eccentricity of load application, a dynamic model, modeling, the gauge, a servo-drive, an actuating device, an algorithm and block-scheme.

Размещено на Allbest.ru

...