Astratto

Nel tentativo di alleviare il problema della scarsità di attrezzature nei nostri laboratori nella maggior parte dei nostri istituti superiori, un 30 tonnellate pressa idraulica La pressa è stata progettata, costruita e testata utilizzando materiali di provenienza locale. I parametri principali del progetto includevano il carico massimo (300 kN), la distanza che la resistenza al carico deve percorrere (corsa del pistone, 150 mm), la pressione del sistema, l'area del cilindro (diametro del pistone = 100 mm) e la portata volumetrica del fluido di lavoro. I componenti principali della pressa progettata includono la disposizione di cilindri e pistoni, il telaio e il circuito idraulico.

La macchina è stata testata per le prestazioni con un carico di 10 kN fornito da due molle di compressione costanti di 9 N/mm ciascuna disposte in parallelo tra la piastra superiore e quella inferiore e si è rivelata soddisfacente. Un bullone in acciaio fissato alla piastra inferiore di una pressa idraulica è sottoposto a forze di impatto elevate. Questo bullone ha un diametro maggiore di 14 mm e un passo di 2 mm.

È lungo 300 mm e il dado ha un'energia d'impatto di 4500 N-mm. Il bullone utilizzato è mostrato nella figura 1b. La filettatura è tagliata per l'intero diametro di 14 mm. Utilizzando i principi DFM, progettare una vite migliore in grado di ridurre la sollecitazione dell'area della radice a 245 mpa dalla sollecitazione standard dell'area della radice di 290 mpa. Mostrare i calcoli.

1. Introduzione 

Nel corso degli anni, lo sviluppo dell'ingegneria si è concentrato sullo studio di metodi sempre più efficienti e convenienti per spingere e tirare, ruotare, spingere e controllare carichi, che vanno da pochi chilogrammi a migliaia di tonnellate. Le presse sono ampiamente utilizzate per raggiungere questi obiettivi. 

Le presse, come definite da Lange, sono macchine utensili che esercitano pressione. Possono essere classificate in tre categorie principali: presse idrauliche che funzionano secondo i principi della pressione idrostatica, presse a vite che utilizzano viti di trasmissione per trasmettere potenza e presse meccaniche che utilizzano collegamenti cinematici di elementi per trasmettere potenza.

Nella pressa idraulica, la generazione, la trasmissione e l'amplificazione della forza vengono ottenute utilizzando un fluido sotto pressione. Il sistema liquido presenta le caratteristiche di un solido e fornisce un mezzo di trasmissione e amplificazione della potenza molto positivo e rigido. In un'applicazione semplice, un pistone più piccolo trasferisce il fluido ad alta pressione a un cilindro con una superficie maggiore, amplificando così la forza. Si ottiene una facile trasmissione di grandi quantità di energia con un'amplificazione di forza praticamente illimitata. Presenta inoltre un effetto inerziale molto basso.

Una tipica pressa idraulica è composta da una pompa che fornisce la forza motrice al fluido, dal fluido stesso che è il mezzo di trasmissione della potenza attraverso tubi e connettori idraulici, dispositivi di controllo e dal motore idraulico che converte l'energia idraulica in lavoro utile nel punto di resistenza del carico.

I principali vantaggi delle presse idrauliche rispetto ad altri tipi di presse sono la risposta più precisa alle variazioni della pressione di ingresso, la possibilità di controllare con precisione la forza e la pressione e l'intera intensità della forza è disponibile per l'intera corsa di lavoro del pistone. Le presse idrauliche sono preferite quando è richiesta una forza nominale molto elevata.

La pressa idraulica è un'attrezzatura preziosa in officina e laboratorio, soprattutto per le operazioni di press fitting e per la deformazione dei materiali, come nei processi di formatura dei metalli e nelle prove di resistenza dei materiali. Uno sguardo all'officina in Nigeria rivela che tutte queste macchine vengono importate nel Paese. Pertanto, l'obiettivo è progettare e produrre una pressa a basso costo e azionata idraulicamente, utilizzando materiali di provenienza locale. Ciò non solo contribuirà a recuperare le perdite di valuta estera, ma migliorerà anche il livello della nostra tecnologia locale nello sfruttamento della trasmissione di potenza idraulica.

2. Metodologia di progettazione

I sistemi oleodinamici sono progettati in base a obiettivi specifici. Il problema principale da risolvere nella progettazione del sistema è la trasposizione delle prestazioni desiderate del sistema in pressione idraulica del sistema.

Fig. 1. Diagramma schematico della pressa idraulica. Portata volumetrica e abbinamento di queste caratteristiche con un input disponibile al sistema per sostenere il funzionamento.

I parametri principali del progetto includevano il carico massimo (300 kN), la distanza che la resistenza al carico deve percorrere (corsa del pistone = 150 mm), la pressione del sistema, l'area del cilindro (diametro del pistone = 100 mm) e la portata volumetrica del fluido di lavoro. I componenti critici che richiedevano una progettazione accurata includevano il cilindro idraulico, il telaio e il circuito idraulico (Fig. 1).

2.1.Progettazione dei componenti

● Cilindro idraulico:

I cilindri idraulici hanno una struttura tubolare in cui scorre un pistone quando il fluido idraulico viene immesso al suo interno. I requisiti di progettazione includono lo spessore minimo della parete del cilindro, la piastra di copertura terminale, lo spessore della flangia e la specifica e la selezione del numero e delle dimensioni dei bulloni. La forza di uscita richiesta da un cilindro idraulico e la pressione idraulica disponibile a tale scopo determinano l'area e l'alesaggio del cilindro e lo spessore minimo della parete.

● Piastra di copertura terminale del cilindro: 

Lo spessore T della piastra di copertura terminale, che è supportata sulla circonferenza da bulloni e soggetta a una pressione interna uniformemente distribuita sull'area, è dato dall'equazione (2) da Khurmi e Gupta (1997), come: T = KD(P/δt) 1/2, (2) dove: D = Diametro della piastra di copertura terminale (m), 0,1; K = Coefficiente dipendente dal materiale della piastra, 0,4, da Khurmi e Gupta (1997); P = Pressione interna del fluido (N/m2), 38,2; δt = Sollecitazione di progetto ammissibile del materiale della piastra di copertura, 480 N/m2; da cui lo spessore della piastra è stato ottenuto pari a 0,0118 m.

● Bullone:

Il coperchio del cilindro può essere fissato mediante bulloni o prigionieri. La possibile disposizione per il fissaggio del coperchio con bulloni è mostrata in Fig. 2. Per trovare la dimensione e il numero corretti di bulloni, n, da utilizzare, è stata utilizzata la seguente Eq. (3) adottata da Khurmi e Gupta (1997): (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) dove; P = Pressione interna del fluido (N/m2); Di = Diametro interno del cilindro (m); dc = Diametro del nucleo del bullone (m), 16 × 10-3 m; δtb = Resistenza a trazione ammissibile del bullone.

Se la dimensione del bullone è nota, è possibile calcolarne il numero e viceversa. Tuttavia, se il valore di n ottenuto sopra è dispari o una frazione, si adotta il numero pari immediatamente superiore. Il numero di bulloni è stato calcolato pari a 3,108, pertanto ne sono stati scelti quattro. La tenuta del giunto tra il cilindro e la piastra di copertura terminale dipende dal passo circonferenziale, Dp, del bullone, che è stato ottenuto come 0,0191 m dall'Eq. (4): Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) dove: t = spessore della parete del cilindro (m), 17 × 10-3.

● Flangia del cilindro: 

La progettazione della flangia del cilindro mira essenzialmente a ottenere lo spessore minimo tf della flangia, che può essere determinato considerando la flessione. Sono in azione due forze, una dovuta alla pressione del fluido e l'altra che tende a separare la flangia a causa della tenuta, a cui deve essere contrastata la sollecitazione prodotta nei bulloni. La forza che cerca di separare la flangia è stata calcolata in 58,72 kN dall'Eq. (5): F = (π/4)D1 2 P, (5) dove: D1 = diametro esterno della tenuta, 134 × 10-3 m.

● Determinazione dello spessore della flangia: 

Lo spessore della flangia, tf, può essere ottenuto considerando la flessione della flangia attorno alla sezione AA, essendo la sezione lungo la quale la flangia è meno soggetta a flessione (Fig. 3). Questa flessione è causata dalla forza esercitata su due bulloni e dalla pressione del fluido all'interno del cilindro.

Pertanto, l'equazione (6) ha fornito uno spessore della flangia di 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) dove: b = Larghezza della flangia nella sezione AA, 22,2×10-3 m; δf = Sollecitazione di taglio del materiale della flangia, 480N/m2; M = Momento flettente risultante, 5.144,78 Nm.

● Pistone: 

La dimensione richiesta della colonna dello stelo del pistone necessaria a sostenere il carico applicato e allineata con la linea centrale dell'alesaggio del cilindro è influenzata dalla resistenza del materiale dello stelo, dalla forza applicata alla colonna dello stelo in compressione, dalla situazione di montaggio del cilindro stesso e dalla corsa su cui deve essere applicato il carico.

La procedura per il calcolo delle dimensioni della colonna dello stelo del pistone e delle lunghezze del cilindro in condizioni di spinta finale è stata eseguita utilizzando la procedura suggerita da Sullivan. In questo modo, si è ritenuto che una dimensione dello stelo del pistone di diametro non inferiore a 0,09 m fosse adeguata per il progetto.

● Selezione delle guarnizioni: 

Le guarnizioni vengono utilizzate per prevenire perdite interne ed esterne nel sistema in condizioni operative variabili di pressione e velocità. La guarnizione statica selezionata utilizza il principio della scanalatura e dell'anello per realizzare una tenuta. La dimensione della scanalatura viene calcolata in modo che l'O-ring selezionato venga compresso di 15-30 µm in una direzione e pari a 70-80 µm del diametro della sezione trasversale libera. Il problema nella selezione della guarnizione statica è specificare la scanalatura in modo che un O-ring possa essere compresso in una direzione ed espanso nell'altra. Pertanto, per la guarnizione è stata specificata una dimensione della scanalatura di 4 mm × 3 mm. 

2.2.Progettazione del telaio 

Il telaio fornisce punti di montaggio e mantiene le corrette posizioni relative delle unità e dei componenti montati su di esso per tutto il periodo di servizio in tutte le condizioni di lavoro specificate. Garantisce inoltre la rigidità generale della macchina (Acherkan 1973). La considerazione progettuale è quella della tensione diretta imposta sui pilastri. Altri elementi del telaio, come i piani (come nel nostro caso), sono soggetti a semplici sollecitazioni di flessione. 

● Platina: 

I piani superiore e inferiore costituiscono il punto di contatto diretto con l'oggetto compresso. Pertanto, sono soggetti a sollecitazioni di flessione pura dovute a una coppia uguale e contraria agente sullo stesso piano longitudinale. La considerazione progettuale è essenzialmente in funzione della flessione e consiste principalmente nella determinazione del valore massimo del momento flettente (M) e della forza di taglio (V) generati nella trave, che sono risultati rispettivamente pari a 45 kN/m e 150 kN. Questi valori sono stati calcolati utilizzando la procedura adottata. 

● Modulo di sezione: 

I valori di V e M ottenuti facilitano il calcolo del modulo di sezione delle piastre. Questo fornisce la profondità minima (spessore) d, ed è stato calcolato pari a 0,048 m dall'Eq. (7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) dove; M = Momento flettente massimo, 45 kN/m; b = 600 × 10-3 m; δ = 480 × 106 N/m2. 

2.3.Pompa 

Il parametro iniziale nella progettazione è la stima della pressione massima di scarico del fluido richiesta al cilindro, a cui viene poi aggiunto un fattore per tenere conto della perdita di carico per attrito nel sistema. Il risultato è stato 47,16 × 106 N/m².  

L'azione di pompaggio è azionata da un sistema di leve. La lunghezza effettiva della leva è stata calcolata in 0,8 m, ipotizzando uno sforzo teorico massimo e considerando il momento attorno al fulcro. 

3. Procedura di produzione dettagliata 

L'acciaio profilato a U da 200 mm × 70 mm è stato acquistato localmente dal fornitore di acciaio strutturale, mentre due piastre d'acciaio da 200 × 400 × 40 mm sono state recuperate da un deposito di rottami a Benin City, in Nigeria. Dopo aver determinato le dimensioni principali delle sezioni critiche dal progetto, due sezioni da 2.800 mm sono state tagliate dall'acciaio utilizzando un seghetto elettrico nell'officina da cui è stato ricavato il telaio.

Un tubo da Φ150 mm con diametro interno di Φ90 mm è stato anch'esso recuperato dal deposito di rottami ed è stato alesato e lappato al tornio fino a Φ100 mm. È stato inoltre ricavato un tubo tubolare in acciaio dolce da Φ70 mm e 15 mm di spessore, tornito a un'estremità fino a Φ60 mm per alloggiare la guarnizione e il relativo alloggiamento.

Il pistone e il cilindro sono stati assemblati e montati sulla base del telaio con bulloni precedentemente saldati tra loro. È stata inoltre fornita una barra di guida ricavata da un tubo di acciaio per consentire il movimento verticale rettilineo del piano portastampo. I piani portastampo sono stati ricavati dalla lamiera di acciaio e sono stati praticati due fori di Φ20 mm su entrambe le estremità per il passaggio della barra di guida. Il piano portastampo inferiore è stato assemblato sulla sommità del pistone e mantenuto in posizione da una rientranza ricavata su di esso. È stato inoltre ricavato un anello di calibrazione da una lamiera di acciaio dolce spessa 10 mm e posizionato tra il piano portastampo superiore e la traversa della pressa, come mostrato in Fig. 1.

3.1.Risultato del test delle prestazioni 

È prassi comune sottoporre i prodotti ingegneristici a test dopo la fabbricazione. Si tratta di una fase significativa del processo produttivo. Durante i test, il prodotto viene controllato per verificare il rispetto dei requisiti funzionali, identificare eventuali problemi di produzione, accertarne la fattibilità economica, ecc. 

Per dimostrare l'efficacia del prodotto, si ricorre quindi a prove di collaudo. Per la pressa idraulica, la verifica delle perdite è la prova più significativa. La prova è iniziata con l'adescamento iniziale della pompa. Successivamente, il fluido è stato pompato. Questa operazione è stata eseguita a vuoto. La macchina è stata lasciata ferma in questa posizione per due ore. 

La macchina è stata quindi sottoposta a un carico di 10 kN fornito da due molle di compressione costanti di 9 N/mm² ciascuna, disposte parallelamente tra i piatti. Le molle sono state quindi compresse assialmente fino a una lunghezza di 100 mm. Questa disposizione è stata lasciata in posizione per due ore e monitorata per eventuali perdite. Non sono state rilevate perdite nel sistema poiché il piatto inferiore non è caduto dalla sua posizione iniziale. 

4.Conclusion 

È stata progettata, costruita e calibrata una pressa idraulica da 30 tonnellate. La macchina è stata testata per garantirne la conformità agli obiettivi di progetto e la facilità di manutenzione. La macchina è risultata soddisfacente con un carico di prova di 10 kN. Ulteriori test al carico di progetto devono ancora essere eseguiti.

5.Analisi dei guasti

5.1 Panoramica

Per analizzare il guasto del cilindro principale della pressa idraulica a quattro colonne, meritano attenzione i seguenti aspetti:

●Un'analisi approfondita dello schema del sistema idraulico, combinata con la tabella di azione dell'elettromagnete pertinente e i relativi schemi circuitali, elabora il meccanismo di funzionamento completo del circuito e, allo stesso tempo, comprende correttamente l'intento e le idee di progettazione del circuito, le misure tecniche adottate e il contesto correlato.

● Corrispondere allo schema del principio di funzionamento della pressa idraulica e all'oggetto reale, per formare un'impressione specifica, la tubazione nel circuito idraulico, lo schema è spesso molto diverso dall'oggetto reale. Quando possibile, chiarire la relazione tra la collusione tra i fori della valvola sulla piastra della valvola e la resistenza della barriera. Questi fattori sono strettamente correlati all'ispezione del circuito.

●Fare riferimento a libri e materiali pertinenti per trovare le basi per giudicare le caratteristiche dei dispositivi idraulici, quindi giudicarli.

●Secondo le pagine web, i libri e i manuali di istruzioni delle apparecchiature pertinenti, esplorare il meccanismo di guasto e i metodi di test analitici correlati.

●Analisi della pressione di non mantenimento nel cilindro principale

Come mostrato in figura, il cilindro principale della macchina idraulica a quattro colonne utilizza una valvola di riempimento del liquido per ottenere un rapido movimento verso il basso. Il cilindro principale spesso non mantiene la pressione. Questa macchina ha requisiti di mantenimento della pressione e generalmente richiede una caduta di pressione <2-3 MPa entro 10 minuti.

Analisi: Se il cilindro principale non mantiene la pressione, si tratta sicuramente di una perdita d'olio. Dall'analisi schematica, la perdita è correlata al circuito dell'olio e non ci sono più di 5 componenti che causano perdite.

●Tubi e giunti: sollecitazioni, saldature scadenti, crepe, ecc.;

● Valvola di ritegno della pressione di mantenimento: scarsa tenuta;

●Corpo valvola di riempimento: tenuta scadente o sede valvola allentata;

●Asta di spinta dell'olio di controllo della valvola di riempimento: leggermente più lunga, sollevare e scaricare la piccola bobina

●Pistone del cilindro principale (boccola di guida): l'anello di tenuta è danneggiato.

Metodo di esclusione: in base ai risultati dell'analisi, controllare ed escludere dal semplice al complesso, dall'esterno all'interno.

Controllare innanzitutto le tubazioni e i giunti (dai più semplici ai più complessi, dall'esterno all'interno) ed eseguire la saldatura iniziale per individuare eventuali saldature difettose o crepe. È consigliabile rimuovere le guarnizioni O-ring dai giunti e riscaldare le curve con saldatura a ossigeno fino a farle diventare rosse. Avvitare delicatamente il dado, attendere che si raffreddi e si solidifichi prima del montaggio.

Se non ci sono difetti nelle tubazioni e nei giunti, controllare la valvola di ritegno a pressione (dall'esterno e dall'interno), rimuovere il tappo della valvola di ritegno, lucidare la sua linea di tenuta, rettificarla con la sede della valvola, pulirla e montarla.

Dopo aver controllato la valvola di ritegno, se il cilindro principale non riesce ancora a mantenere la pressione, controllare la valvola di controllo della valvola di riempimento (dall'esterno e dall'interno), rimuovere l'asta di controllo dell'olio e bloccare l'olio di controllo per verificare se la pressione viene mantenuta; se è impossibile mantenere la pressione per confermare se il putter è lungo, carteggiare l'estremità del putter. Dopo aver controllato l'asta di spinta, la pressione non può essere mantenuta. È necessario controllare la valvola di riempimento. Lo scopo principale è verificare se la linea di tenuta e l'anello di sede sono allentati. Lucidare, smerigliare o rimontare l'anello di sede. 

Dopo aver controllato la valvola di riempimento, la pressione non può essere mantenuta e si può stabilire che l'anello di tenuta del cilindro principale è danneggiato; in tal caso, è possibile rimuoverlo e sostituirlo.

Video dimostrativo