Abstrakt

Um das Problem des Mangels an Ausrüstung in den Laboren der meisten unserer Hochschulen zu lindern, wurde ein 30 Tonnen schwerer hydraulische Presse wurde unter Verwendung lokal bezogener Materialien entworfen, konstruiert und getestet. Die wichtigsten Konstruktionsparameter umfassten die maximale Last (300 kN), die vom Lastwiderstand zurückzulegende Distanz (Kolbenhub 150 mm), den Systemdruck, die Zylinderfläche (Kolbendurchmesser = 100 mm) und den Volumenstrom des Arbeitsmediums. Zu den Hauptkomponenten der entworfenen Presse gehören die Zylinder- und Kolbenanordnung, der Rahmen und der Hydraulikkreislauf.

Die Leistung der Maschine wurde mit einer Last von 10 kN getestet, die von zwei parallel zwischen der oberen und unteren Platte angeordneten Druckfedern mit einer konstanten Kraft von jeweils 9 N/mm aufgebracht wurde. Die Ergebnisse waren zufriedenstellend. Ein an der Bodenplatte einer hydraulischen Presse befestigter Stahlbolzen wird hohen Aufprallkräften ausgesetzt. Dieser Bolzen hat einen Außendurchmesser von 14 mm und eine Steigung von 2 mm.

Sie ist 300 mm lang und die Mutter trägt eine Aufprallenergie von 4500 N-mm. Die verwendete Schraube ist in Abbildung 1b dargestellt. Das Gewinde ist über den vollen Durchmesser von 14 mm geschnitten. Entwerfen Sie mithilfe der DFM-Prinzipien eine bessere Schraube, mit der die Wurzelbereichsspannung von der Standardwurzelbereichsspannung von 290 MPa auf 245 MPa reduziert werden kann. Zeigen Sie die Berechnungen.

1. Einleitung 

Die Entwicklung der Technik konzentrierte sich im Laufe der Jahre auf die Suche nach immer effizienteren und bequemeren Mitteln zum Drücken und Ziehen, Drehen, Stoßen und Steuern von Lasten – von wenigen Kilogramm bis zu Tausenden von Tonnen. Pressen werden hierfür häufig eingesetzt. 

Pressen sind nach Langes Definition Druck ausübende Werkzeugmaschinen. Sie lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: hydraulische Pressen, die nach dem Prinzip des hydrostatischen Drucks arbeiten, Spindelpressen, die Kraft über Spindeln übertragen, und mechanische Pressen, die die Kraft durch kinematische Verbindungen von Elementen übertragen.

In hydraulischen Pressen erfolgt die Krafterzeugung, -übertragung und -verstärkung durch Flüssigkeit unter Druck. Das Flüssigkeitssystem weist die Eigenschaften eines Feststoffes auf und bietet ein sehr stabiles und stabiles Medium zur Kraftübertragung und -verstärkung. In einer einfachen Anwendung überträgt ein kleinerer Kolben Flüssigkeit unter hohem Druck in einen Zylinder mit größerer Kolbenfläche und verstärkt so die Kraft. Große Energiemengen können problemlos übertragen werden, die Kraftverstärkung ist praktisch unbegrenzt. Die Trägheit ist sehr gering.

Eine typische hydraulische Presse besteht aus einer Pumpe, die die Antriebskraft für die Flüssigkeit liefert, der Flüssigkeit selbst, die das Medium der Kraftübertragung durch Hydraulikleitungen und -anschlüsse darstellt, Steuergeräten und dem Hydraulikmotor, der die hydraulische Energie am Punkt des Lastwiderstands in nutzbare Arbeit umwandelt.

Die Hauptvorteile hydraulischer Pressen gegenüber anderen Pressentypen liegen darin, dass sie schneller auf Änderungen des Eingangsdrucks reagieren, Kraft und Druck präzise regelbar sind und die volle Kraft während des gesamten Arbeitshubs des Stößels zur Verfügung steht. Hydraulische Pressen werden bevorzugt, wenn eine sehr hohe Nennkraft erforderlich ist.

Die hydraulische Presse ist ein unschätzbar wertvolles Werkzeug in Werkstätten und Laboren, insbesondere für Presspassungen und die Verformung von Materialien, beispielsweise bei der Metallumformung und bei Festigkeitsprüfungen. Ein Blick in die Werkstätten in Nigeria zeigt, dass alle diese Maschinen importiert werden. Daher soll hier eine kostengünstige, hydraulisch betriebene Presse aus lokal beschafften Materialien entwickelt und gefertigt werden. Dies trägt nicht nur dazu bei, die verlorenen Devisen wieder hereinzuholen, sondern steigert auch das Niveau unserer lokalen Technologie im Bereich der hydraulischen Kraftübertragung.

2. Entwurfsmethodik

Fluidtechnische Systeme werden zielorientiert konzipiert. Das Hauptproblem bei der Systementwicklung besteht darin, die gewünschte Systemleistung in hydraulischen Systemdruck umzusetzen.

Abb. 1. Schematische Darstellung der hydraulischen Presse. Volumenstromrate und Anpassung dieser Eigenschaften an einen verfügbaren Eingang des Systems, um den Betrieb aufrechtzuerhalten.

Zu den wichtigsten Konstruktionsparametern gehörten die maximale Last (300 kN), die vom Lastwiderstand zurückzulegende Distanz (Kolbenhub 150 mm), der Systemdruck, die Zylinderfläche (Kolbendurchmesser = 100 mm) und der Volumenstrom des Arbeitsfluids. Zu den kritischen Komponenten, die eine Konstruktion erforderten, gehörten der Hydraulikzylinder, der Rahmen und der Hydraulikkreislauf (Abb. 1).

2.1.Komponentendesign

● Hydraulikzylinder:

Hydraulikzylinder haben eine röhrenförmige Struktur, in der ein Kolben gleitet, wenn Hydraulikflüssigkeit einströmt. Die Konstruktionsanforderungen umfassen die Mindestwandstärke des Zylinders, die Endabdeckung, die Flanschstärke sowie die Spezifikation und Auswahl von Anzahl und Größe der Schrauben. Die erforderliche Ausgangskraft eines Hydraulikzylinders und der dafür verfügbare Hydraulikdruck bestimmen die Zylinderfläche und Bohrung sowie die Mindestwandstärke.

● Zylinderendabdeckungsplatte: 

Die Dicke T der Endabdeckplatte, die am Umfang durch Bolzen gestützt wird und einem gleichmäßig über die Fläche verteilten Innendruck ausgesetzt ist, ergibt sich aus Gleichung (2) von Khurmi und Gupta (1997) wie folgt: T = KD(P/δt) 1/2, (2) wobei: D = Durchmesser der Endabdeckplatte (m), 0,1; K = vom Plattenmaterial abhängiger Koeffizient, 0,4, von Khurmi und Gupta (1997); P = Innerer Flüssigkeitsdruck (N/m²), 38,2; δt = Zulässige Auslegungsspannung des Abdeckplattenmaterials, 480 N/m²; woraus sich eine Plattendicke von 0,0118 m ergibt.

● Bolzen:

Der Zylinderdeckel kann mit Schrauben oder Bolzen befestigt werden. Die mögliche Anordnung zur Befestigung des Deckels mit Schrauben ist in Abb. 2 dargestellt. Um die richtige Größe und Anzahl der zu verwendenden Schrauben n zu bestimmen, wurde die folgende Gleichung (3) verwendet, die von Khurmi und Gupta (1997) übernommen wurde: (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) wobei: P = Innerer Flüssigkeitsdruck (N/m2 ); Di = Innendurchmesser des Zylinders (m); dc = Kerndurchmesser der Schraube (m), 16 × 10-3 m; δtb = Zulässige Zugfestigkeit der Schraube.

Ist die Größe der Schraube bekannt, lässt sich die Anzahl der Schrauben berechnen und umgekehrt. Ist der oben ermittelte Wert von n jedoch ungerade oder eine Bruchzahl, wird die nächsthöhere gerade Zahl verwendet. Die berechnete Anzahl der Schrauben beträgt 3,108, daher wurden vier Schrauben gewählt. Die Dichtheit der Verbindung zwischen Zylinder und Enddeckel hängt vom Umfangsabstand Dp der Schraube ab, der sich aus Gleichung (4) mit 0,0191 m ergibt: Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) wobei: t = Zylinderwandstärke (m), 17 × 10-3.

● Zylinderflansch: 

Die Konstruktion des Zylinderflansches dient im Wesentlichen dazu, die Mindestdicke tf des Flansches zu erreichen, die sich aus der Biegung ergibt. Dabei wirken zwei Kräfte: eine durch den Flüssigkeitsdruck und eine durch die Dichtung, die den Flansch zu trennen versucht. Dieser Kraft muss die in den Schrauben erzeugte Spannung standhalten. Die Kraft, die den Flansch zu trennen versucht, wurde mit 58,72 kN aus Gleichung (5) berechnet: F = (π/4)D1 2 P, (5) wobei: D1 = Außendurchmesser der Dichtung, 134 × 10-3 m.

● Bestimmung der Flanschdicke: 

Die Flanschdicke tf kann durch Berücksichtigung der Biegung des Flansches um den Abschnitt AA ermittelt werden, der den Abschnitt mit der geringsten Biegung des Flansches darstellt (Abb. 3). Diese Biegung wird durch die Kraft zweier Schrauben und den Flüssigkeitsdruck im Zylinder verursacht.

Daher ergab Gleichung (6) eine Flanschdicke von 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) wobei: b = Breite des Flansches im Abschnitt AA, 22,2×10-3 m; δf = Scherspannung des Flanschmaterials, 480N/m2 ; M = resultierendes Biegemoment, 5.144,78 Nm.

● Kolben: 

Die erforderliche Größe der Kolbenstange, die zum Aufnehmen der aufgebrachten Last erforderlich ist und mit der Mittellinie der Zylinderbohrung ausgerichtet ist, wird durch die Festigkeit des Stangenmaterials, die auf die Stangensäule ausgeübte Druckkraft, die Montagesituation des Zylinders selbst und den Hub, über den die Last aufgebracht werden soll, beeinflusst.

Das Verfahren zur Berechnung der Kolbenstangensäulengröße und der Zylinderlänge unter Endschubbedingungen wurde mit dem von Sullivan vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt. Dabei wurde die Größe der Kolbenstange mit einem Durchmesser von mindestens 0,09 m für die Konstruktion als ausreichend erachtet.

● Auswahl der Dichtungen: 

Dichtungen dienen dazu, interne und externe Leckagen im System unter unterschiedlichen Druck- und Drehzahlbedingungen zu verhindern. Die gewählte statische Dichtung nutzt das Nut- und Ringprinzip zur Abdichtung. Die Nutabmessung wird so berechnet, dass der gewählte O-Ring in eine Richtung um 15–30 TP3T komprimiert wird und 70–80 TP3T des freien Querschnittsdurchmessers entspricht. Das Problem bei der Auswahl der statischen Dichtung besteht darin, die Nut so zu spezifizieren, dass ein O-Ring in eine Richtung komprimiert und in eine andere gedehnt werden kann. Daher wurde für die Dichtung eine Nutabmessung von 4 mm × 3 mm festgelegt. 

2.2.Rahmendesign 

Der Rahmen bietet Befestigungspunkte und sorgt für die korrekte relative Position der daran montierten Einheiten und Teile über die gesamte Betriebsdauer unter allen festgelegten Arbeitsbedingungen. Er sorgt außerdem für die allgemeine Steifigkeit der Maschine (Acherkan 1973). Bei der Konstruktion wird die direkte Zugbelastung der Säulen berücksichtigt. Andere Rahmenelemente, wie beispielsweise die Platten (wie in unserem Fall), sind einfachen Biegespannungen ausgesetzt. 

● Walze: 

Die oberen und unteren Platten bieten direkten Kontakt mit dem zu komprimierenden Objekt. Sie sind daher einer reinen Biegespannung ausgesetzt, die durch ein gleich großes, entgegengesetztes Kräftepaar in derselben Längsebene entsteht. Die Konstruktionsüberlegungen beziehen sich im Wesentlichen auf Biegung und bestehen in erster Linie in der Bestimmung des größten im Träger erzeugten Biegemoments (M) und der Querkraft (V). Diese Werte betrugen 45 kN/m bzw. 150 kN. Diese wurden mit dem gewählten Verfahren berechnet. 

● Widerstandsmoment: 

Die ermittelten Werte für V und M erleichtern die Berechnung des Widerstandsmoduls der Platten. Daraus ergibt sich die Mindesttiefe (Dicke) d, die mit Gleichung (7) zu 0,048 m berechnet wurde: d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) wobei: M = Maximales Biegemoment, 45 kN/m; b = 600 × 10-3 m; δ = 480 × 106 N/m2. 

2.3.Pumpe 

Der erste Parameter bei der Konstruktion besteht darin, den maximal erforderlichen Flüssigkeitsauslassdruck am Zylinder abzuschätzen. Anschließend wird ein Faktor hinzugefügt, um den Reibungsverlust im System zu berücksichtigen. Der ermittelte Wert beträgt 47,16 × 106 N/m2.  

Die Pumpbewegung wird durch ein Hebelsystem ausgelöst. Die tatsächliche Hebellänge betrug 0,8 m. Dieser Wert wurde unter Annahme einer maximalen theoretischen Kraft und unter Berücksichtigung des Moments um den Drehpunkt berechnet. 

3.Detailliertes Herstellungsverfahren 

200 mm × 70 mm U-Profilstahl wurde vor Ort vom Baustahllieferanten bezogen, zwei 200 × 400 × 40 mm Stahlplatten kamen vom Schrottplatz in Benin City, Nigeria. Nachdem die Hauptabmessungen der kritischen Abschnitte anhand der Konstruktion ermittelt worden waren, wurden in der Werkstatt, in der der Rahmen gefertigt wurde, mit einer elektrischen Bügelsäge zwei 2.800 mm lange Abschnitte aus dem Stahl geschnitten.

Ein Rohr mit 150 mm Durchmesser und einem Innendurchmesser von 90 mm wurde ebenfalls vom Schrottplatz beschafft und auf der Drehbank auf 100 mm Durchmesser gebohrt und geläppt. Außerdem wurde ein 70 mm dickes und 15 mm dickes Weichstahlrohr beschafft, das an einem Ende auf 60 mm Durchmesser gedreht wurde, um die Dichtung und das Dichtungsgehäuse aufzunehmen.

Kolben und Zylinder wurden zusammengebaut und mit zuvor verschweißten Bolzen am Rahmenboden befestigt. Eine Führungsschiene aus Stahlrohr ermöglichte die geradlinige vertikale Bewegung der Druckplatte. Die Druckplatten wurden aus Stahlblech gefertigt und an beiden Enden mit je zwei 20 mm großen Löchern für die Führungsschiene versehen. Die untere Druckplatte wurde auf dem Kolben montiert und durch eine Aussparung in Position gehalten. Ein Kalibrierring wurde aus einer 10 mm dicken Weichstahlplatte gefertigt und zwischen der oberen Druckplatte und der Querstrebe der Presse platziert (siehe Abb. 1).

3.1.Leistungstestergebnis 

Es ist üblich, technische Produkte nach der Herstellung zu testen. Dies ist ein wichtiger Schritt im Herstellungsprozess. Im Rahmen der Tests wird geprüft, ob die funktionalen Anforderungen erfüllt sind, Fertigungsprobleme identifiziert und die Wirtschaftlichkeit sichergestellt werden kann usw. 

Tests dienen daher dazu, die Wirksamkeit des Produkts nachzuweisen. Bei der Hydraulikpresse ist der Dichtheitstest der wichtigste. Der Test begann mit dem ersten Ansaugen der Pumpe. Anschließend wurde die Flüssigkeit gepumpt. Dies geschah im Leerlauf. Die Maschine blieb zwei Stunden in dieser Position stehen. 

Die Maschine wurde anschließend einer Belastung von 10 kN ausgesetzt, die durch zwei parallel zwischen den Platten angeordnete Druckfedern mit konstant 9 N/mm aufgebracht wurde. Die Federn wurden dann axial auf eine Länge von 100 mm zusammengedrückt. Diese Anordnung wurde zwei Stunden lang stehen gelassen und auf Leckagen untersucht. Eine Leckage im System wurde nicht angezeigt, da die untere Platte nicht aus ihrer Ausgangsposition fiel. 

4. Schlussfolgerung 

Eine 30-Tonnen-Hydraulikpresse wurde konstruiert, gefertigt und kalibriert. Die Maschine wurde auf ihre Konformität mit den Konstruktionszielen und ihre Funktionstüchtigkeit geprüft. Bei einer Prüflast von 10 kN war die Maschine zufriedenstellend. Weitere Prüfungen mit der Auslegungslast stehen noch aus.

5.Fehleranalyse

5.1 Übersicht

Um den Ausfall des Hauptzylinders einer hydraulischen Viersäulenpresse zu analysieren, müssen die folgenden Punkte beachtet werden:

● Durch eine eingehende Analyse des Hydrauliksystemdiagramms in Kombination mit der entsprechenden Elektromagnet-Aktionstabelle und den zugehörigen Schaltkreisdiagrammen wird der vollständige Arbeitsmechanismus des Schaltkreises erarbeitet und gleichzeitig werden die Absicht und die Ideen des Schaltkreisdesigns, die ergriffenen technischen Maßnahmen und der zugehörige Hintergrund richtig verstanden.

● Vergleichen Sie das Funktionsprinzipdiagramm der Hydraulikpresse mit dem tatsächlichen Objekt, um einen konkreten Eindruck zu gewinnen. Die Rohrleitung im Hydraulikkreislauf unterscheidet sich oft stark vom tatsächlichen Objekt. Verdeutlichen Sie nach Möglichkeit den Zusammenhang zwischen der Kollision der Ventillöcher auf der Ventilplatte und dem Barrierewiderstand. Diese Faktoren stehen in engem Zusammenhang mit der Schaltungsprüfung.

● Schlagen Sie in entsprechenden Büchern und Materialien nach, um die Grundlage für die Beurteilung der Eigenschaften hydraulischer Geräte zu finden, und beurteilen Sie diese dann.

● Untersuchen Sie anhand relevanter Webseiten, Bücher und Geräteanleitungen den Fehlermechanismus und die zugehörigen analytischen Testmethoden.

●Analyse des fehlenden Haltedrucks im Hauptzylinder

Wie in der Abbildung dargestellt, verwendet der Hauptzylinder der Viersäulen-Hydraulikmaschine ein Flüssigkeitsfüllventil, um eine schnelle Abwärtsbewegung zu erreichen. Der Hauptzylinder hält den Druck oft nicht aufrecht. Diese Maschine hat Anforderungen an die Druckhaltung und benötigt in der Regel einen Druckabfall von <2 bis 3 MPa innerhalb von 10 Minuten.

Analyse: Wenn der Hauptzylinder den Druck nicht aufrechterhält, muss es sich um ein Druckölleck handeln. Aus der schematischen Analyse geht hervor, dass es mit dem Ölkreislauf zusammenhängt und es nicht mehr als fünf Komponenten gibt, die ein Leck verursachen.

●Rohre und Verbindungen: Spannungen, schlechte Schweißnähte, Risse usw.;

● Haltedruck-Rückschlagventil: schlechte Abdichtung;

●Füllventilkörper: schlechte Abdichtung oder loser Ventilsitz;

●Füllventil-Steueröl-Schubstange: etwas länger, heben und entladen Sie die kleine Spule

●Hauptbremszylinderkolben (Führungsbuchse): Der Dichtring ist beschädigt.

Ausschlussmethode: Überprüfen und schließen Sie entsprechend den Analyseergebnissen von einfach bis komplex, von außen nach innen aus.

Überprüfen Sie zunächst die Rohrleitungen und Verbindungen (von einfach bis komplex, von außen nach innen) und führen Sie erste Schweißarbeiten durch, um festzustellen, ob die Schweißnähte schlecht sind und Risse auftreten. Entfernen Sie am besten die O-Ring-Dichtungen an den Verbindungen und erhitzen Sie die Biegungen durch Sauerstoffschweißen, bis sie rot werden. Setzen Sie die Mutter leicht auf und warten Sie, bis sie abgekühlt und ausgehärtet ist, bevor Sie sie zusammenbauen.

Wenn keine Mängel an den Rohrleitungen und Verbindungen vorliegen, prüfen Sie das druckhaltende Rückschlagventil (von außen und innen), entfernen Sie den Rückschlagventilstopfen, polieren Sie seine Dichtlinie, schleifen Sie ihn mit dem Ventilsitz, reinigen Sie ihn und montieren Sie ihn.

Wenn der Hauptzylinder nach der Überprüfung des Rückschlagventils den Druck immer noch nicht halten kann, überprüfen Sie das Steuerventil des Füllventils (von außen und innen), entfernen Sie die Steuerölstange und blockieren Sie das Steueröl, um zu prüfen, ob der Druck aufrechterhalten wird. Wenn der Druck nicht aufrechterhalten werden kann, um zu bestätigen, ob der Putter lang ist, schleifen Sie das Ende des Putters. Nach der Überprüfung der Schubstange kann der Druck nicht aufrechterhalten werden. Das Füllventil sollte überprüft werden. Der Hauptzweck besteht darin, zu prüfen, ob die Dichtungslinie und der Sitzring locker sind. Polieren oder schleifen Sie den Sitzring oder bauen Sie ihn wieder zusammen. 

Nach der Überprüfung des Füllventils kann der Druck nicht aufrechterhalten werden und es kann festgestellt werden, dass der Dichtring des Hauptzylinders beschädigt ist. Er kann entfernt und ersetzt werden.

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