Розробка планетарного головного виконавчого механізму механічного преса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.979.1:621.979.62

РОЗРОБКА ПЛАНЕТАРНОГО ГОЛОВНОГО ВИКОНАВЧОГО МЕХАНІЗМУ МЕХАНІЧНОГО ПРЕСА

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ШИРОКОБОКОВ ВІТАЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Краматорськ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Запоріжжя).

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Обдул Василь Дмитрович, Запорізький національний технічний університет (м. Запоріжжя), доцент кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гутько Юрій Іванович, Східноукраїнський національний університет імені. В.Даля, (м. Луганськ), завідувач кафедри промислового та художнього литва.

кандидат технічних наук, доцент Роганов Максим Львович, Державна освітня установа «Інститут підвищення кваліфікації та перепідготовки кадрів» Міністерства праці та соціальної політики України, (м. Краматорськ), директор.

Захист відбудеться "29" січня 2009 р. о 10 ⁰⁰ 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 навчальний корпус).

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

Автореферат розіслано " 26 " грудня 2008 г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 12.105.01, Ю.К. Доброносов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Багато машинобудівних підприємств у теперішніх економічних умовах прагнуть до розширення номенклатури виробів і підвищення якості готової продукції. У сучасному машинобудуванні, зокрема в ковальсько-штампувальному виробництві, найбільш поширеним устаткуванням є механічні преси, підвищення надійності і ефективності яких в даний час є одним з головних завдань. Практика експлуатації пресів виявила особливий вплив схем виконання головних виконавчих механізмів на працездатність деталей і сполучень преса, динамічні навантаження, а також на якість одержуваних виробів.

Значних результатів при створенні надійної і працездатної машини можна досягти шляхом застосування нових схем головного виконавчого механізму.

Необхідність рішення цієї задачі свідчить про доцільність проведення подальших досліджень, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників процесів штампування і вдосконалення ковальсько-штампувального устаткування. А підвищення ефективності механічних пресів пов'язано з удосконаленням їхньої конструкції і жорсткою прив'язкою останньої до технологічних операцій.

Актуальність теми. Аналіз існуючого ковальсько-пресового устаткування показує, що одним із способів підвищення ефективності механічних пресів може бути використання сателітних кривих в кінематиці головного виконавчого механізму.

На підставі аналізу чинників, що впливають на точність штампування можна зробити висновок, що точність штампованої деталі у значній мірі залежить від таких параметрів преса, як жорсткість у вертикальному напрямі, стабільність положення повзуна в направляючих в процесі робочого ходу і величини перекосу повзуна в зазорах направляючих.

У холодному листовому штампуванні на операціях витягування (витягування високих порожнистих стаканів) виникає необхідність вибору устаткування, виходячи з геометрії напівфабрикату, що приводить до вибору пресу з зусиллям, яке перебільшує дійсне в десятки, а в деяких випадках, і в сотні разів. А це приводить до збільшення витрат електроенергії, а також розмірів пресового цеху по висоті, що значно збільшує капітальні витрати на будівництво дільниць або цехів пресового виробництва, а також на будівництво фундаменту під прес. Рішення цієї задачі можливе у разі застосування науково обґрунтованої нової конструкції головного виконавчого механізму.

Застосовуючи нову конструкцію головного виконавчого механізму, яка дозволяє отримати збільшений хід при незмінному радіусі кривошипа, зусиллі штампування, можна вирішити питання витягування високих порожнистих деталей з незначними капітальними затратами.

З урахуванням цього тема «Розробка планетарного головного виконавчого механізму механічного преса» є актуальною і спрямована на підвищення техніко-економічних показників преса в цілому, процесів штампування та підвищення надійності ковальсько-штампувального устаткування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною комплексу досліджень по науковому напряму кафедри «Обробка металів тиском» Запорізького національного технічного університету. Робота виконана в рамках кафедральної держбюджетної роботи «Удосконалення процесів та обладнання для обробки металів тиском» №03416 (д.р. №0108U004419), в якій здобувач є виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення техніко-економічних показників роботи механічних пресів на основі розширення технічних і технологічних можливостей шляхом розробки нової схеми головного виконавчого механізму.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні основні задачі:

- провести аналіз основних схем головних виконавчих механізмів з погляду зниження висоти і металоємності, збільшення вертикальної жорсткості і обґрунтування конструкції;

- розробити і виготовити модель механічного преса з планетарним головним виконавчим механізмом;

- провести теоретичні і експериментальні дослідження кінематичних, кінето-статичних і силових характеристик планетарної схеми головного виконавчого механізму;

- перевірити отримані результати на адекватність і відтворюваність розробленої моделі;

- на підставі експериментальних даних отримати підтвердження про можливість використання планетарного головного виконавчого механізму в механічних пресах як універсального, так і спеціального призначення;

- визначити область існування працездатних планетарних головних виконавчих механізмів пресів залежно від конструктивних розмірів.

Об'єкт дослідження. Головні виконавчі механізми кривошипних пресів. виконавчий механізм жорсткість планетарний

Предмет дослідження. Основні закономірності та особливості роботи і розрахунок головного виконавчого механізму преса планетарного типу, на операції витягування та його параметри.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані з використанням основних рівнянь кінематики, статики і кінетостатики, а також чисельних методів вирішення задач з моделювання пресів.

В основу експериментальних досліджень покладені методи фізичного і натурного моделювання, методи тензометрії, методи теорії ймовірності і математичної статистики та статистичної обробки результатів.

Наукова новизна отриманих результатів.

- вперше теоретично і математично обґрунтовано можливості зниження висоти преса, зменшення його металоємності і отримання величини ходу преса, що дорівнює чотирьом радіусам кривошипа за рахунок використання планетарного механізму в якості головного виконавчого механізму преса;

- вперше показано відсутність бокових складових повного зусилля на повзуні преса при центральному навантаженні та зменшення приведеного плеча тертя на дільниці робочого ходу від 45⁰ до 0⁰;

- вперше встановлено залежність, яка дає можливість визначення втрат на тертя в головному виконавчому механізмі пропонованого преса та сил, які діють на повзун, в залежності від кута оберту головного вала, що в свою чергу приводить до зменшення рушійного моменту і роботи робочого ходу та підвищення ККД преса;

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи представляють такі її основні результати:

- розроблена конструкція планетарного головного виконавчого механізму, яка при різних варіантах використання дозволяє або вдвічі збільшити величину ходу або при постійній величині ходу вдвічі зменшити радіус кривошипу та габарити преса в цілому;

- розроблена методика розрахунку основних залежностей кінематики, кінетостатики і силових параметрів преса з планетарним головним виконавчим механізмом для операцій листового штампування, переважно - витягування;

- розроблені науково обґрунтовані конструктивні і практичні рекомендації та технічні рішення, спрямовані на підвищення техніко-економічних показників процесів штампування шляхом вдосконалення ковальсько-штампувального устаткування, розширення номенклатури виготовлення виробів, підвищення їх якості;

Результати роботи у вигляді конструкторської документації до пресів зусиллям 400кН і ходом 240мм прийняті до використання на ТОВ «ЗНПП «МК МАКС» (м. Запоріжжя), та до преса зусиллям 630кН і ходом 100мм на ТОВ «ГЛОРІЯ» (м. Запоріжжя).

Окремі положення дисертації використовуються в ЗНТУ при вивченні ряду спеціальних дисциплін, а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами й магістрами спеціальності 8.05.05.02 «Обладнання для обробки металів тиском».

Особистий внесок претендента. Автор самостійно виконав розробку конструкції механізму. Взяв участь в підготовці і проведенні експериментів, а також у виконанні проектно-конструкторських робіт. Проаналізував і узагальнив результати теоретичних і експериментальних досліджень, сформулював практичні рекомендації. Розробив і запропонував до практичного використання рекомендації по проектуванню планетарного головного виконавчого механізму механічного преса. Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих в співавторстві, приведено в анотаціях до переліку опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Наукові і практичні результати отримані автором, доповідались та були обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях «Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском» (м. Краматорськ, 2004), «Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (м. Краматорськ, 2007), «Новые достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением» (м. Запоріжжя, 2007), «Информационные технологии в обработке давлением (исследование, проектирование и освоение процессов и машин)
(м. Краматорськ, 2008)»; на розширених наукових семінарах кафедри «Машини та технологія обробки металів» і «Обробка металів тиском» м. Краматорськ, ДДМА (2007-2008рр.); на наукових семінарах кафедри «Обробка металів тиском» ЗНТУ, м. Запоріжжя (2004-2008рр.).

Публікації. Матеріали і основні положення дисертації опубліковані в 6 друкованих роботах, з яких: 5 наукових статей в 5 фахових науково-технічних виданнях переліку рекомендацій ВАК України, 1 стаття в збірці, виданій по матеріалах науково-технічних конференцій. Отримано патент України №24823 з пріоритетом від 10 червня 2007года (Прес механічний).

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний об'єм роботи 190 сторінок, зокрема 167 сторінок основного тексту, 100 малюнків і 12 таблиць, список використаних джерел зі 98 найменувань і 6 додатків на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми і показано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовані мета і задачі, дана характеристика об'єкту, предмету і методів дослідження. Показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їх апробація і промислове використання, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі викладено теперішній стан проблеми. Аналіз конструктивних схем головних виконавчих механізмів різних типів пресів, показав, що всі механічні преси (листоштампувальні, КГШП, ГКМ, холодновисаджувальні і т.ін.), що випускаються, мають відомі конструктивні схеми кривошипно-повзуних механізмів і відрізняються лише виконанням шатуна і повзуна.

Питаннями аналізу традиційних головних виконавчих механізмів і компактних механізмів займалися: М.В. Сторожев, Р.І. Рей, Е.Н. Ланской, А.Н. Банкетов, В.І. Власов, В.Е. Свистунов, В.В. Каржан, Л.І. Живов, А.Г. Овчинніков, Е.Н. Складчиков, Л.Л. Роганов, Б.М. Чумаков, В.Г. Мєсяц та ряд інших вчених.

Аналіз сучасних досягнень пресобудування дозволяє виділити декілька основних напрямів вдосконалення кривошипних пресів:

· підвищення продуктивності;

· розширення технологічних можливостей;

· поліпшення експлуатаційних показників;

· підвищення надійності і працездатності.

Проведено огляд і аналіз кривошипних пресів та механізмів, перетворюючих обертальний рух в поступальний, які можна використовувати в якості головних виконавчих механізмів.

Встановлено що:

податливість шатуна в балансі деформацій може досягати 6-8% від сумарної деформації преса;

відсутність шатуна в ланцюзі деформації позитивно позначається на зменшенні довжини стійок преса, а також на зниженні металоємності і габаритів машини;

для операції витягування необхідний прес зі збільшеним ходом та збереженням решти всіх параметрів незмінними, що на практиці приводить до збільшення загальної висоти преса;

окремі зміни в конструкціях головних виконавчих механізмів пресів дають можливість зменшити відстань від осі головного валу до столу, зменшити висоту пресів на 20-25 %, збільшити жорсткість, забезпечити стійкий плоский контакт повзуна і станини на всій ділянці робочого ходу. Проте перераховані переваги виявляються при раціональних параметрах механізму і чіткої спрямованості під конкретну операцію і технологію;

роботи, спрямовані на зменшення висоти преса і збільшення жорсткості, виконані за рахунок збільшення коефіцієнта шатуна () до 0,4ч0,5, що частково дозволяє вирішити проблему;

можна не тільки понизити висоту преса і зменшити його масу при одночасному збільшенні жорсткості станини, але і понизити центр тяжіння всього преса при підвищенні його динамічної стійкості;

кінетостатичний аналіз базується на положеннях, покладених Сторожевим М.В., які є найбільш універсальними;

традиційні методики розрахунку неприйнятні і необхідна нова методика розрахунків, або потрібно буде внести деякі зміни у ведення розрахунків за існуючими залежностями;

в якості головного виконавчого механізму можуть бути використані механізми запропоновані Артоболевським І.І. та Боренштейном Ю.П.

Перетворення енергії обертального руху приводу в енергію деформації металу обумовлене наявністю кінематичних зв'язків між всіма рухомими частинами кривошипного преса. Це виключає залежність швидкості руху робочого інструменту від механічних характеристик металу що оброблюється у будь-який момент часу, тобто зміна швидкості руху інструменту за весь час дії преса визначатиметься кінематикою машини (без урахування нерівномірності руху деталей приводу і пружної деформації машини).

У всіх випадках траєкторія руху довільної точки запропонованого механізму описується параметричними рівняннями циклоїдальних кривих, описаними Артоболевським І.І. та Боренштейном Ю.П.

Але на даний час відсутні методики для визначення приведеного плеча сил корисних опорів, крім того, відрізняються і залежності для визначення значень приведеного плеча сил тертя механізмів.

Аналітичний огляд і аналіз кривошипних пресів дозволив сформулювати мету роботи і завдання досліджень, визначити актуальність і зміст дисертаційної роботи.

У другому розділі було проведено вибір, розробку, обґрунтування методів і напрямів теоретичних та експериментальних досліджень.

Початковим значенням для синтезу механізму є максимальна (номінальна) величина ходу повзуна, що задається стандартом на параметри преса.

Кінематика запропонованого планетарного головного виконавчого механізму залежить від передатного відношення зубчатих коліс і довжини ланок. Це дозволяє отримати прямолінійний рух повзуна на ділянці робочого ходу та по всій довжині ходу (виходячи з рівняння циклоїдальних кривих).

Для розрахунків статики запропонованого механізму, а саме для визначення приведеного плеча сил корисних опорів, стосовно вказаного технічного рішення, використовували уточнену методику запропоновану Сторожевим М.В.

Деформуюче зусилля створюється в основному рушійним моментом на головному валу, а за законом збереження енергії потужність, що розвивається крутним моментом на головному валу, повинна бути рівна потужності, що розвивається деформуючим зусиллям на повзуні преса

(1)

де - лінійна швидкість повзуна;

- поточне зусилля на повзуні преса;

- кутова швидкість головного вала.

Приведені до головного валу витрати потужності на тертя в шарнірах механізму можна визначити із співвідношення:

(2)

Для проведення експериментальних досліджень і їх обробки використана була традиційна тензометрична апаратура, датчики оригінальної конструкції та аналогово-цифровий перетворювач нового покоління (типу АЦП Е-140) з необхідним програмним забезпеченням.

Ці дослідження необхідно було провести з метою оцінки об'єктивності запропонованих в роботі методів розрахунку кінематичних, кінетостатичних і силових параметрів планетарного головного виконавчого механізму на операції витягування.

Для проведення експериментальних досліджень використано модель планетарного головного виконавчого механізму (рис.1), змонтованого на базі кривошипного преса КД2122, встановленому в ковальсько-штампувальній лабораторії кафедри „Обробка металів тиском" ЗНТУ.

Зусилля, що розвивається моделлю, складає 6,3 кН. Використана методика проведення експериментів, розроблена Експериментальним науково-дослідним інститутом ковальсько-пресового машинобудування (ЕНІКМаш).

У третьому розділі розглянута математична модель та результати розрахунку кінетостатичних та силових параметрів планетарного головного виконавчого механізму в порівнянні з механізмами традиційної конструкції. Існуючі методики розрахунку механічних пресів надають похибку при виконанні розрахунків виконавчих механізмів з коефіцієнтом шатуна, який дорівнює одиниці ().

У даний час при виборі значення коефіцієнта шатуна керуються тим, що його збільшення приводить до підвищення прискорення повзуна і, отже, до збільшення динамічних сил. При цьому погіршуються силові умови роботи механізму: збільшується момент на кривошипному валу і тиск на направляючі. Також відомо, що при збільшенні коефіцієнта шатуна () знижується загальна довжина механізму, тобто габарит преса у напрямі осі руху повзуна.

Виходячи з цього, була запропонована кінематична схема головного виконавчого механізму (рис.2), яка містить в собі елементи традиційної конструкції та планетарного механізму. Основ-ними розмірами запропонованого механізму (див. рис.2) є радіус кривошипа та довжина шатуна . В якості узагальнених відносних розмірів приймають коефіцієнт шатуна (відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна ).

Приведена розрахункова кінематична схема планетарного головного виконавчого механізму (ГВМу) представлена на рис.3. Подальший кінематичний аналіз механізму (виходячи з рівнянь циклоїдальних кривих) проводиться з параметрами та .

де - відношення радиус-вектора точки у відносному русі до радіуса сателіта;

- відстань від центра сателіта () до точки підвісу повзуна ();

- радіус-вектор довільної точки () в відносному русі .

Розташовану на відстані від центру сателіта довільну точку, можна описати у такому вигляді:

(3)

де - радіус водила;

- кут оберту водила.

Аналіз рівняння (3) з урахуванням приведених вище значень та показує, що при повороті водила від 0⁰ до 360⁰ (див. рис.3) точка сателіта переміщується по прямій, яка завжди співпадає з діаметром центрального колеса, від точки з координатами (-2r2;0) до точки з координатами (2r2;0), і повний хід буде рівний 4r.

По цьому, якщо з будь-якою точкою сателіта, яка розташована на відстані , шарнірно зв'язати повзун, то він завжди рухатиметься прямолінійно. У положеннях і (виходячи з формули (3) та планів швидкостей та прискорень) зникають складові бічного зусилля, що сприяє руху повзуна по осі Y.

У зв'язку з тим, що при розрахунку кінематики механічних пресів початковою точкою прийнято вважати крайнє нижнє положення (т. ), то вираз для переміщення точки (переміщення повзуна) (3) матиме такий вигляд:

(4)

Якщо узяти першу і другу похідні від рівняння (4), то отримаємо:

(5)

З аналізу описаних вище рівнянь витікає, що:

1. Абсолютна швидкість точки (повзун) завжди направлена уздовж осі Y.

2. Швидкість точки відносно точки є величиною постійною, а значить і кутова швидкість точки відносно точки :

(6)

3. Тангенціальне прискорення точки відносно точки дорівнює нулю.

4. Нормальне прискорення має постійну величину на всьому шляху переміщення повзуна.

Один з можливих варіантів (кінематична схема планетарного механізму) представлений на рис.4.

Запропонований прес захищений патентом України №24823 з пріоритетом від 10 червня 2007 року.

В таблиці 1 та на рис.5 представлені результати дослідження кінематики запропонованого ГВМ при зазначених параметрах в порівнянні з параметрами ГВМ преса КД2122.

Таблиця 1

Вихідні дані для порівняння планетарного головного виконавчого механізму з параметрами ГВМ преса КД2122

Параметри Тип ГВМ	Радіус кривошипа, мм	Величина ходу, мм		Число ходів, х/хвил
Традиційна конструкція ГВМ	60	120	0,127	120
Планетарна конструкція ГВМ	30	120	0	120

Виходячи з формули (1) визначення рушійного моменту на валу буде:

, (7),

тоді будемо мати:

, (8)

де - ідеальне приведене плече.

На графіку (рис.6) представлені результати дослідження ідеального приведеного плеча запропонованого ГВМу при наступних параметрах: радіус кривошипа - 30мм, величина ходу - 120мм, кількість ходів на хвилину - 120с^-1, порівняно з традиційним (прес КД2122). - ідеальне приведене плече преса КД2122, а - ідеальне приведене плече запропонованого ГВМу.

В запропонованому механізмі (рис.7) на повзун діють: рушійна сила Р_АВ, сили опору - технологічне зусилля Р_Д (на ділянці робочого ходу), сила ваги повзуна G, сила інерції Р_ін (прикладена в центрі ваги) і реакція направляючих .

Миттєвий центр обертання (у момент перекочування сателіта по колесу -точка їх дотику) знаходиться в т (рис. 7), тобто відстань в любий момент часу.

Тоді нерухомою центроїдою (т. ) буде коло радіусом з центром в т. О.

Момент на валу (див. рис.7) буде визначатись по формулі:

(9)

де - радіус сателіта;

- сила прикладена до осі сателіта;

У нашому випадку: , виходячи з умови рівноваги трикутника АР_ОВ (див. рис.7),

де - сила, що діє на повзун.

Момент тертя в шарнірах О, А, В (див. рис.7) визначається за формулами:

(10)

(11)

(12)

(13)

У запропонованому, головному виконавчому механізмі (див. рис.7) приведене плече тертя враховує втрати на тертя в шарнірах О, А, В. Тоді, при умові роботи зубчатого зачеплення:

(14)

У реальних механізмах завжди присутні втрати потужності, обумовлені ККД зубчастих коліс. Тоді з урахуванням цього приведене плече тертя буде мати наступний вид:

(15)

де - коефіцієнт корисної дії зубчастого зачеплення.

- коефіцієнт тертя в шарнірах головного виконавчого механізму, який відповідно до закону Кулона приймався постійним.

Розрахунок залежності (15) вказує на те, що вираз у загальному розрахунку становить 0,01%, що дозволяє зробити висновок про те, що втрати потужності, обумовлені ККД зубчастих коліс (в запропонованому механізмі) на приведене плече тертя не мають значного впливу і їх можна не враховувати. І тоді вираз (15) буде мати остаточний вигляд:

(16)

На графіку (рис.8) представлені результати дослідження приведеного плеча тертя запропонованого ГВМу порівняно з традиційним (прес КД2122) при наступних параметрах: радіус кривошипа - 30мм, величина ходу - 120мм, кількість ходів на хвилину - 120с^-1, . - приведене плече тертя преса КД2122, а - приведене плече тертя запропонованого ГВМу.

Проведений аналіз результатів дослідження приведеного плеча тертя та рушійного моменту показують, що при підході повзуна до крайнього нижнього положення, знижуються плече тертя та рушійний момент в порівнянні з традиційним головним виконавчим механізмом на 35-40%.

Дослідження витрат енергії за цикл свідчать, що зменшення витрат енергії на холостому ході на 15-20% менше, ніж в традиційному механізмі, що пояснюється відсутністю шатуна та вдвічі меншим радіусом кривошипа.

Представляє інтерес вплив деяких параметрів планетарного головного виконавчого механізму, а саме: число зубів (), довжина зуба (), модуль передачі (mн), і передавальне відношення (i), на крутний момент, виходячи з допустимої пластичної деформації зубів колеса.

Для підтвердження припущень був проведений порівняльний аналіз зубчатого зачеплення преса з номінальним зусиллям 4000 кН, модель КА2536, із зубчатим зачепленням планетарного головного виконавчого механізму.

Запропонований головний виконавчий механізм відрізняється тільки передавальним відношенням (), решта всіх параметрів приймалися рівними розрахунковим по пресу КА2536.

Проведений аналіз зусилля на повзуні, що допускається міцністю зубчатої передачі показав, що застосування планетарного головного виконавчого механізму в конструкції преса суттєво підвищує його навантажувальну можливість при підході до крайнього нижнього положення (КНП).

У роботі проведено аналіз висотних розмірів найбільш поширених пресів, що випускаються промисловістю, і механічних пресів при використанні планетарного ГВМу (рис.9), який показує, що відстань вісі головного валу по відношенню до столу преса зменшується на 25-30%, що приводить до відповідного зниження металоємності станини. У зв'язку з цим було виконано аналіз масових характеристик для пресів однокривошипних відкритих двостійкових, не нахиляємих, простої дії показано на рис.10.

Представлена математична модель, методи і результати аналітичного розрахунку кінетостатичних і силових характеристик запропонованого механізму, порівняно з традиційним показують, що у запропонованому механізмі зникають бічні складові повного зусилля при центральному навантаженні, що сприятливо позначається на русі повзуна уздовж осі штампування.

Розроблений метод аналітичного розрахунку кінематичних і статичних характеристик дозволяє отримати повне уявлення про кінематику і статику пропонованого головного виконавчого механізму;

Порівняльний аналіз розрахунків двох можливих варіантів використання запропонованої моделі показує наступне:

– у разі, коли радіус кривошипу планетарного механізму приймався рівним радіусу кривошипа традиційного головного виконавчого механізму збільшувалися в два рази кінетостатичні характеристики () запропонованого планетарного головного виконавчого механізму (порівняно з традиційним).

– у разі, коли величина ходу планетарного механізму приймалася рівній величині ходу традиційного головного виконавчого механізму, кінематичні характеристики () запропонованого планетарного головного виконавчого механізму співпадають з характеристиками традиційного механізму (див. рис.5). Аналіз статичних характеристик () показує, що при підході до КНП вони зменшуються (в порівнянні з традиційною конструкцією) на 40% (див. рис.6, 8). Більш того, даний варіант дозволяє знизити габарити преса на 25-45% (див. рис.9);

Порівняльний аналіз характеристик міцності валів і зубчатого зачеплення проводився для випадку, коли величина ходу планетарного механізму постійна, геометричні розміри зубчатого зачеплення і типових ділянок валу приймалися рівними головному виконавчому механізму преса КА2536 (використовувалася методика запропонована Сторожевим М.В.), показує, що:

- зусилля на повзуні, що допускається міцністю зубчатої передачі , допустима пластична деформація зубів колеса , перевірка по втомній міцності зубів колеса на вигин завдяки використанню внутрішнього зачеплення, більші, ніж в традиційному головному виконавчому механізмі на 33,5%.

Проведений аналіз порівняння висотних параметрів станин листоштампувальних пресів показав, що для випадку, коли величина ходу залишається постійною, застосування планетарного головного виконавчого механізму дозволяє знизити загальну висоту на 25-45% (див. рис.9), а масу преса на - 30-45% (див. рис.10).

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням, статистичній обробці і аналізу їхніх результатів. Дослідження виконувались з метою оцінки достовірності математичних моделей, що відображають взаємозв'язок кінематичних, кінетостатичних, силових та енергетичних параметрів преса, підтвердження та уточнення початкових даних, визначення меж похибок експериментальних даних для заданої довірчої ймовірності, перевірки відтворюваності результатів експерименту, оцінки адекватності математичного опису експериментальним даним.

Сумарна похибка величини що вимірюється, розрахована з урахуванням похибок тензорезистора, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, тарування і розшифровки результатів, становила 5,8%, ймовірна похибка вимірювальної системи була прийнята на рівні 4,2%.

Експериментальні дослідження виконувалися на моделі преса з планетарним головним виконавчим механізмом (рис.1), змонтованого на базі кривошипного преса КД2122 6,3 кН, з реєстрацією кута повороту головного вала з інтервалом 2°, зусилля деформації, крутного моменту, відмітки часу.

Потужність, споживана двигуном, визначалася за допомогою фіксації струму і напруги з подальшим їх перемножуванням.

При обробці осцилограм похибка при вимірюванні зусилля штампування для операції витягування становила 7% (що знаходиться в межах похибки вимірювань).

Порівняльний аналіз визначення моменту традиційними методами (за допомогою тензорезисторів та струмознімача) і опосередковано (шляхом вимірювання потужності і кутової швидкості при роботі двигуна на лінійній дільниці механічної характеристики) показує, що відхилення набутих значень складають 8ч10%. Такі відхилення дозволяють визначати момент, фіксуючи потужність, споживану двигуном і кутові швидкості того або іншого валу з урахуванням коефіцієнту корисної дії.

Для оцінки об'єктивності методів розрахунку витрат енергії на робочий хід були виконані експериментальні дослідження параметрів робочих ходів на операції витягування максимальних зусиллях і .

Всі похибки визначені методом математичної статистики при довірчій ймовірності 0,95 з урахуванням похибки вимірювальної системи.

Результати досліджень опрацьовувались методами математичної статистики. Було підтверджено нормальність розподілу експериментальних даних і відсутність грубих похибок. Відтворюваність експериментів підтверджена критеріями Кохрена : для операції витягування .

Адекватність математичного опису експериментальним даним підтверджена критеріями Фішера, межі похибок, розраховані за дисперсіями адекватності, знаходяться в межах: для операції витягування .

У п'ятому розділі наведено рекомендації щодо практичного використання результатів роботи.

Розроблене технічне рішення, щодо планетарного механізму механічного преса рекомендоване до застосування як головний виконавчий механізм для витягувальних пресів, що дозволить зменшити динамічні перевантаження, підвищити жорсткість окремих вузлів, зменшити висоту преса та збільшити величину ходу.

Крім того, розроблено технічне рішення щодо використання пропонованого головного виконавчого механізму в витягувальних пресах подвійної дії. Завдяки такому рішенню заміняються важільні механізми на гідромеханічні що дає можливість значно спростити ГВМ з одночасним зменшенням висоти преса. В якості привода внутрішнього повзуна, який має значний хід, використовується планетарний механізм з параметрами , що дає можливість забезпечити хід внутрішньому повзуну, рівний чотирьом радіусам кривошипу. В пресі передбачено регулювання зусилля притиску .

Запропоноване технічне рішення може бути використане в якості головного виконавчого механізму в цвяхових пресах-автоматах. Завдяки такому рішенню конструкція преса-автомата дозволяє при одному й тому ж радіусі кривошипу отримати вдвічі більший хід повзуна з синусоїдальним характером руху останнього, що дозволяє встановити робочий інструмент з обох сторін повзуна і мати при одній і тій же кількості ходів подвійну продуктивність, або при одній і тій же продуктивності - вдвічі меншу кількість ходів.

Результати роботи у вигляді конструкторської документації до пресів зусиллям 400кН і ходом 240мм прийняті до використання на ТОВ «ЗНПП «МК МАКС» (м. Запоріжжя), та до преса зусиллям 630кН і ходом 100мм на ТОВ «ГЛОРІЯ» (м. Запоріжжя).

Розроблені методи розрахунків застосовуються в навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 05.03.05. «Машини і технології обробки металів тиском» Запорізького національного технічного університету.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконані нові науково-технічні розробки з метою підвищення техніко-економічних показників преса в цілому, процесів штампування, та ковальсько-штампувального обладнання.

1. З аналізу літературних джерел встановлено, що поздовжня жорсткість шатуна в балансі деформацій може досягати 6-8% від сумарної деформація преса. Відсутність шатуна в пресі позитивно позначиться на зниженні металоємності та габаритах машини при одночасному збільшенні жорсткості преса і зниженні центра тяжіння всього преса. Одним із заходів по підвищенню ефективності пресів є використання сателітних кривих у кінематиці головних виконавчих механізмів.

2. На основі теоретичних досліджень обґрунтована можливість використання планетарного механізму в якості головного виконавчого механізму преса, що призводить до зниження висоти і зменшення металоємності всього кривошипного преса.

3. Встановлені аналітичні залежності для кінематичного аналізу преса з планетарним головним виконавчим механізмом на основі яких встановлена можливість зниження висоти на 25-45% і зменшення металоємності всього преса на 30-45% (в порівнянні з традиційною конструкцією).

4. Встановлено аналітичну залежність приведеного плеча сил тертя від кута оберту головного валу та сил, які діють на повзун під час робочого ходу, що дає можливість зменшення втрат на тертя в пропонованому пресі на 40%, що в свою чергу приводить до зменшення рушійного моменту на 35-40% та роботи робочого ходу на 25-27% і збільшення ККД преса за період робочого ходу на 15-20%.

5. Розроблено та виготовлено дослідний механічний прес з планетарним головним виконавчим механізмом зусиллям 6,3 кН з частотою ходів 120 х/хв., величиною ходу 240 мм з радіусом водила 60 мм, що дало можливість збільшити величину ходу преса вдвічі (в порівнянні з традиційним), зменшити циклові втрати за рахунок відсутності шатуна в 1,2 рази, зменшити вагу і висоту в 1,3 рази.

6. Достовірність отриманих теоретичних результатів підтверджено експериментально. Відтворюваність експериментів підтверджена критеріями Кохрена : для операції витягування . Адекватність математичного опису експериментальним даним підтверджена критеріями Фішера, межі похибок, розраховані за дисперсіями адекватності, знаходяться в межах: для операції витягування .

7. Розроблені практичні рекомендації по застосуванню планетарного головного виконавчого механізму в пресах, переважно для витягувальних, в тому числі подвійної дії, та пресів-автоматів для висаджування цвяхів.

8. Результати роботи у вигляді методики розрахунку та конструкторської документації до пресів зусиллям 400кН і ходом 240мм прийняті до використання на ТОВ «ЗНПП «МК МАКС» (м. Запоріжжя), та до преса зусиллям 630кН і ходом 100мм - на ТОВ «ГЛОРІЯ» (м. Запоріжжя).

Розроблені в роботі методики розрахунків застосовуються в навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 8.05.05.02. «Обладнання для обробки металів тиском» Запорізького національного технічного університету.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Явтушенко А.В. Планетарные механизмы в приводе кривошипных прессов/ А.В. Явтушенко, В.В. Широкобоков, А.В. Глебенко // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Краматорськ 2004, Тем. збірник. наук. пр. ДДМА. С. 19-24.

2. Обдул В.Д. Використання диференціально-зубчатого механізму в приводі кривошипних пресів/ В.Д. Обдул, Д.В. Обдул, В.В Широкобоков // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. Запоріжжя 2006, Науковий журнал ЗНТУ. С. 104-106.

3. Обдул В.Д. Безшатунний головний виконавчий механізм кривошипного преса/ В.Д. Обдул, Д.В. Обдул, В.В Широкобоков // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. Краматорськ 2007, Тем. збірник. наук. пр. ДДМА. С. 290-293.

4. Обдул В.Д. Кривошипно-шатунний механізм в якому відношення радіуса кривошипа до длини шатуна дорівнює одиниці/ В.Д. Обдул, Д.В. Обдул, В.В Широкобоков // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. Запоріжжя 2007, Науковий журнал ЗНТУ. С. 140-142.

5. Пат. 24823 Україна, МПК В30В 1/26, В30В 15/00. Прес механічний / В.Д. Обдул, Д.В. Обдул, В.В. Широкобоков - №u200703429; заявлено 29.03.2007; опубл. 10.07.2007, Бюл. №10.

6. Обдул В.Д. Використання планетарно-зубчастих механізмів в механічних пресах/ В.Д. Обдул, Д.В. Обдул, В.В Широкобоков // Матеріали Міжнар. наук.-техн. конф., присвяченої 100-річчю з дня народження С.З. Юдовича «Машини і пластична деформація металів». Запоріжжя 2007. С. 94.

АНОТАЦІЯ

Широкобоков В.В. Розробка планетарного головного виконавчого механізму механічного преса. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки металів тиском. Донбаська

державна машинобудівна академія, м. Краматорськ 2008.

Дисертація присвячена розробці планетарного головного виконавчого механізму механічного преса для операцій листового штампування, переважно витягування. Проведено аналіз основних схем головних виконавчих механізмів. Розроблені аналітичні залежності для розрахунку кінематичних, кінетостатичних та силових характеристик планетарної схеми головного виконавчого механізму. Розроблена та виготовлена модель механічного преса з планетарним головним виконавчим механізмом зусиллям 6,3 кН з частотою ходів 120 х/хв. і величиною ходу 240 мм. Експериментально підтверджені кінематичні, статичні та енергетичні характеристики планетарного головного виконавчого механізму. Перевірено нормальність розподілу вимірювальних величин, визначені межі похибок експериментальних результатів, перевірено відтворюваність результатів вимірювань. Адекватність теоретичних визначень експериментальним даним підтверджена критерієм Фішера.

Ключові слова: механічний прес, водило, сателіт, планетарний механізм, робочий хід, робочий кут, тертя, масова характеристика, висотна характеристика, штампування, витягування.

АННОТАЦИЯ

Широкобоков В.В. Разработка планетарного главного исполнительного механизма механического пресса. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки металлов давлением. Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск 2008.

Диссертация посвящена разработке планетарного главного исполнительного механизма механического пресса для операций листовой штамповки, преимущественно вытяжки.

Проведен анализ традиционных схем главных исполнительных механизмов, а также механизмов, преобразующих вращательное движение в поступательное, и возможность использования их в качестве исполнительных. Разработаны аналитические зависимости для расчета кинематических, кинетостатических и силовых характеристик планетарной схемы главного исполнительного механизма.

Анализ полученных зависимостей показывает, что:

- при повороте водила от 0⁰ до 360⁰ точка подвеса ползуна перемещается по прямой, которая всегда совпадает с диаметром центрального колеса, и в этом случае полный ход буде равен 4r;

- тангенциальное ускорение точки подвеса ползуна равно нулю;

Проведенный анализ результатов исследования приведенного плеча трения для предложенного ГИМа и крутящий момент показывают, что при подходе ползуна к крайнему нижнему положению, снижается значение плеча трения и крутящий момент в сравнении с традиционным исполнительным механизмом на 35-40%.

Разработана и изготовлена модель механического пресса с планетарным главным исполнительным механизмом усилием 6,3 кН с частотой ходов 120 х/мин. и величиной хода 240 мм.

Исследование затрат энергии за цикл показывают, что уменьшение затрат энергии на холостом ходу на 15-20% меньше, чем в традиционном механизме, что объясняется отсутствием шатуна и вдвое меньшим радиусом кривошипа.

В работе проведен анализ высотных размеров наиболее распространенных моделей прессов, выпускаемых промышленностью, и механических прессов при использовании планетарного ГИМа. Для случая, когда величина хода остается постоянной, использование планетарного главного исполнительного механизма позволяет снизить общую высоту на 25-45%, а массу пресса на - 30-45%

Экспериментально подтверждены кинематические и статические и энергетические характеристики планетарного главного исполнительного механизма. Была подтверждена нормальность распределения экспериментальных данных и отсутствие грубых ошибок. Воспроизводимость экспериментов подтверждена критериями Кохрена : для операции вытяжки . Адекватность математического описания экспериментальным данным подтверждена критериями Фишера, пределы погрешностей, рассчитаны по дисперсиям адекватности, находятся в пределах: для операции вытяжки .

Результаты работы в виде методики расчета и конструкторской документации к прессам усилием 400кН и ходом 240мм принятые к использованию ООО «ЗНПП «МК МАКС» (г. Запорожье), и к прессу усилием 630кН и ходом 100мм на ООО «ГЛОРИЯ» (г. Запорожье).

Ключевые слова: механический пресс, водило, сателлит, планетарный механизм, рабочий ход, рабочий угол, трение, массовая характеристика, высотная характеристика, штампование, вытяжка.

ABSTRACT

Shirokobokov V.V. Design of the planetary main executive mechanism of mechanical press. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's degree in Engineering, speciality 05.03.05. - Processes and Machines of plastic working. Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk. 2008.

The dissertation is devoted to the development of methods for calculation of kinematic, static and power characteristics of the planetary main executive mechanism of mechanical press for sheet stamping operations, mainly for drawing. The analysis of basic designs of main executive mechanisms has been carried out. Analytical dependences for calculation of kinematic, kinetostatic and power characteristics of the planetary design of main executive mechanism have been developed. The model of a mechanical press with the planetary main executive mechanism and a power of 6.3 kN, stroke rate of 120 strokes per minute and stroke of 240 mm has been designed. Kinematic, static and power characteristics of the planetary main executive mechanism have been experimentally confirmed. Normal distribution of measured values has been validated, experimental result error limits have been determined, reproducibility of measurements has been verified. Theoretical value adequacy to experimental data has been confirmed using the Fisher criterion.

Keywords: mechanical press, carrier gear, satellite, planetary mechanism, working stroke, operating angle, friction, mass characteristic, altitude performance, stamping, drawing.

Размещено на Allbest.ru

...