Абстрактный

В попытке решить проблему нехватки оборудования в наших лабораториях в большинстве наших высших учебных заведений, 30-тонный гидравлический пресс Пресс был спроектирован, изготовлен и испытан с использованием материалов местного производства. Основные параметры конструкции включали максимальную нагрузку (300 кН), расстояние, на которое должен перемещаться груз (ход поршня 150 мм), давление в системе, площадь цилиндра (диаметр поршня = 100 мм) и расход рабочей жидкости. К основным компонентам разработанного пресса относятся цилиндро-поршневая система, рама и гидравлическая система.

Машина была испытана на производительность с нагрузкой 10 кН, обеспечиваемой двумя пружинами сжатия постоянной жесткостью 9 Н/мм каждая, расположенными параллельно между верхней и нижней плитами, и была признана удовлетворительной. Стальной болт, закрепленный на нижней плите гидравлического пресса, подвергается воздействию высоких ударных усилий. Этот болт имеет наружный диаметр 14 мм и шаг 2 мм.

Длина болта составляет 300 мм, а гайка выдерживает ударную нагрузку 4500 Н·мм. Используемый болт показан на рисунке 1b. Резьба нарезана по всему диаметру 14 мм. Используя принципы DFM, спроектируйте лучший винт, который может снизить напряжение в области корня резьбы до 245 МПа по сравнению со стандартным напряжением в области корня резьбы 290 МПа. Покажите расчеты.

1. Введение 

Развитие инженерии на протяжении многих лет было направлено на поиск всё более эффективных и удобных способов перемещения, вращения, толкания и управления грузами весом от нескольких килограммов до тысяч тонн. Для этого широко используются прессы. 

Прессы, по определению Ланге, представляют собой прессовые станки. Их можно разделить на три основные категории: гидравлические прессы, работающие на принципе гидростатического давления, винтовые прессы, использующие для передачи усилия приводные винты, и механические прессы, использующие для передачи усилия кинематическое соединение элементов.

В гидравлическом прессе создание, передача и усиление силы достигаются с помощью жидкости под давлением. Жидкостная система обладает свойствами твёрдого тела и обеспечивает очень надёжную и жёсткую среду для передачи и усиления силы. В простом случае поршень меньшего размера переносит жидкость под высоким давлением в цилиндр с большей площадью поршня, тем самым увеличивая усилие. Это обеспечивает лёгкую передачу большого количества энергии с практически неограниченным усилением силы. Кроме того, инерционность очень мала.

Типичный гидравлический пресс состоит из насоса, который обеспечивает движущую силу для жидкости, самой жидкости, которая является средством передачи энергии через гидравлические трубы и соединители, устройств управления и гидравлического двигателя, который преобразует гидравлическую энергию в полезную работу в точке сопротивления нагрузке.

Главные преимущества гидравлических прессов перед другими типами прессов заключаются в более точном реагировании на изменения входного давления, возможности точного регулирования усилия и давления, а также в том, что вся величина усилия доступна на протяжении всего рабочего хода ползуна. Гидравлические прессы предпочтительны, когда требуется очень большое номинальное усилие.

Гидравлический пресс – бесценное оборудование в мастерских и лабораториях, особенно для операций прессовой сборки и деформации материалов, например, при формовке металлов и испытании материалов на прочность. При взгляде на мастерскую в Нигерии становится ясно, что всё такое оборудование импортируется. Поэтому здесь планируется разработать и изготовить недорогой пресс с гидравлическим приводом, используя местные материалы. Это не только поможет компенсировать потери в виде курсовой разницы, но и повысит уровень наших местных технологий в области эксплуатации гидравлических приводов.

2. Методология проектирования

Гидравлические системы проектируются с учётом поставленных задач. Основная задача, решаемая при проектировании системы, — это преобразование желаемых характеристик системы в гидравлическое давление.

Рис. 1. Принципиальная схема гидравлического пресса. Объемный расход и соответствие этих характеристик имеющемуся входному сигналу системы для поддержания работы.

Основными параметрами конструкции были максимальная нагрузка (300 кН), расстояние, на которое должна перемещаться грузоподъёмность (ход поршня 150 мм), давление в системе, площадь цилиндра (диаметр поршня = 100 мм) и объёмный расход рабочей жидкости. Критическими компонентами, требующими проектирования, были гидроцилиндр, рама и гидравлический контур (рис. 1).

2.1.Проектирование компонентов

● Гидравлический цилиндр:

Гидравлические цилиндры имеют трубчатую конструкцию, в которой поршень скользит при подаче в него гидравлической жидкости. Требования к конструкции включают минимальную толщину стенки цилиндра, торцевую крышку, толщину фланца, а также спецификацию и выбор количества и размеров болтов. Выходное усилие, необходимое для работы гидроцилиндра, и доступное для этого гидравлическое давление определяют площадь и диаметр цилиндра, а также минимальную толщину стенки.

● Крышка торца цилиндра: 

Толщина T торцевой крышки, которая поддерживается по окружности болтами и подвергается внутреннему давлению, равномерно распределенному по площади, определяется по уравнению (2) из работы Хурми и Гупты (1997 г.) следующим образом: T = KD(P/δt) 1/2, (2) где: D = диаметр торцевой крышки (м), 0,1; K = коэффициент, зависящий от материала пластины, 0,4, из работы Хурми и Гупты (1997 г.); P = внутреннее давление жидкости (Н/м2), 38,2; δt = допустимое проектное напряжение материала крышки, 480 Н/м2; из которого толщина пластины составила 0,0118 м.

● Болт:

Крышка цилиндра может быть закреплена болтами или шпильками. Возможный вариант крепления крышки болтами показан на рис. 2. Для определения правильного размера и количества болтов n использовалось следующее уравнение (3), заимствованное из работы Хурми и Гупты (1997): (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) где; P = внутреннее давление жидкости (Н/м2); Di = внутренний диаметр цилиндра (м); dc = диаметр сердечника болта (м), 16 × 10-3 м; δtb = допустимая прочность болта на разрыв.

Если известен размер болта, то можно рассчитать количество болтов и наоборот. Однако, если полученное выше значение n нечётное или дробное, то принимается следующее большее чётное число. Количество болтов было рассчитано как 3,108, поэтому были выбраны четыре болта. Герметичность соединения цилиндра с торцевой крышкой зависит от окружного шага болта Dp, который был получен как 0,0191 м из уравнения (4): Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) где: t = толщина стенки цилиндра (м), 17 × 10-3.

● Фланец цилиндра: 

Конструкция фланца цилиндра, по сути, направлена на достижение минимальной толщины tf, которую можно определить из соображений изгиба. Здесь действуют две силы: одна, обусловленная давлением жидкости, и другая, стремящаяся отделить фланец из-за уплотнения, которому должно противостоять напряжение, создаваемое в болтах. Сила, пытающаяся отделить фланец, была рассчитана и составила 58,72 кН по уравнению (5): F = (π/4)D1 2 P, (5) где: D1 = наружный диаметр уплотнения, 134 × 10⁻⁴ м.

● Определение толщины фланца: 

Толщину фланца tf можно определить, учитывая изгиб фланца в сечении AA, в котором фланец имеет наименьшую прочность на изгиб (рис. 3). Этот изгиб вызван усилием в двух болтах и давлением жидкости внутри цилиндра.

Таким образом, уравнение (6) дало толщину полки 0,0528 м: tf = (6M)/(bδf), (6) где: b = Ширина полки в сечении AA, 22,2×10-3 м; δf = Напряжение сдвига материала полки, 480 Н/м2; M = Результирующий изгибающий момент, 5144,78 Нм.

● Поршень: 

Требуемый размер колонки штока поршня, необходимый для выдерживания приложенной нагрузки и совпадающий с центральной линией отверстия цилиндра, зависит от прочности материала штока, силы, приложенной к колонке штока при сжатии, положения крепления самого цилиндра и хода, на котором должна прилагаться нагрузка.

Процедура расчёта размеров колонны поршня и длин цилиндров в условиях торцевого давления была выполнена по методике, предложенной Салливаном. При этом диаметр штока поршня не менее 0,09 м был признан достаточным для данной конструкции.

● Выбор печатей: 

Уплотнения используются для предотвращения внутренних и внешних утечек в системе при изменяющихся рабочих условиях давления и скорости. Выбранное статическое уплотнение использует принцип канавки и кольца для обеспечения герметичности. Размер канавки рассчитывается таким образом, чтобы выбранное уплотнительное кольцо сжималось на 15-30% в одном направлении и было равно 70-80% диаметра свободного поперечного сечения. Проблема выбора статического уплотнения заключается в выборе канавки таким образом, чтобы уплотнительное кольцо могло сжиматься в одном направлении и расширяться в другом. Поэтому для уплотнения был выбран размер канавки 4 мм × 3 мм. 

2.2.Конструкция рамы 

Рама обеспечивает точки крепления и обеспечивает правильное взаимное расположение установленных на ней узлов и деталей в течение всего срока службы при всех заданных условиях эксплуатации. Она также обеспечивает общую жёсткость машины (Ачеркан, 1973). При проектировании учитывается прямое растяжение стоек. Другие элементы рамы, такие как плиты (как в нашем случае), подвергаются простым изгибающим напряжениям. 

● Платформа: 

Верхняя и нижняя пластины обеспечивают точку непосредственного контакта со сжимаемым объектом. Следовательно, они подвергаются воздействию чистого изгибающего напряжения, обусловленного равной и противоположно направленной парой сил, действующей в той же продольной плоскости. Проектирование в основном ориентировано на изгиб и заключается в определении наибольшего значения изгибающего момента (M) и поперечной силы (V), создаваемых в балке, которые составили 45 кН/м и 150 кН соответственно. Эти значения были рассчитаны с использованием принятой методики. 

● Момент сопротивления сечения: 

Полученные значения V и M облегчают вычисление модуля сопротивления пластин. Это даёт минимальную глубину (толщину) d, которая, как было рассчитано по уравнению (7), составила 0,048 м: d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) где: M = максимальный изгибающий момент, 45 кН/м; b = 600 × 10-3 м; δ = 480 × 106 Н/м2. 

2.3.Насос 

Начальным параметром при проектировании является оценка максимального давления нагнетания жидкости в цилиндре, а затем добавляется коэффициент, учитывающий потери на трение в системе. Полученное значение составило 47,16 × 106 Н/м².  

Насосное действие осуществляется с помощью рычажной системы. Фактическая длина рычага составила 0,8 м. Она была рассчитана с учётом максимального теоретического усилия и момента относительно точки опоры. 

3. Подробная процедура производства 

Швеллерный профиль сечением 200 × 70 мм был приобретен у местного поставщика конструкционной стали, а две стальные пластины сечением 200 × 400 × 40 мм – на свалке металлолома в Бенин-Сити, Нигерия. После определения основных размеров критических сечений, полученных в ходе проектирования, в цехе, из стали, из которой была изготовлена рама, были вырезаны две секции длиной 2800 мм с помощью электропилы.

Также на свалке была получена труба диаметром 150 мм и внутренним диаметром 90 мм, которая была расточена и притерта до диаметра 100 мм на токарном станке. Также была получена труба из мягкой стали диаметром 70 мм и толщиной 15 мм, которая с одного конца была обточена до диаметра 60 мм для установки уплотнения и корпуса уплотнения.

Поршень и цилиндр были собраны и закреплены на основании рамы болтами, предварительно сваренными вместе. Для обеспечения прямолинейного вертикального перемещения плиты была также предусмотрена направляющая планка из стальной трубы. Плиты были изготовлены из стальной пластины, и на обоих концах для прохода направляющей планки были просверлены два отверстия диаметром 20 мм. Нижняя плита была собрана на верхней части поршня и удерживалась на месте с помощью выточенного в ней углубления. Калибровочное кольцо также было изготовлено из пластины из мягкой стали толщиной 10 мм и помещено между верхней плитой и поперечиной пресса, как показано на рис. 1.

3.1.Результаты теста производительности 

Испытания машиностроительной продукции после изготовления являются обычной практикой. Это важный этап производственного процесса. В ходе испытаний продукция проверяется на соответствие функциональным требованиям, выявляются производственные проблемы, определяется экономическая целесообразность и т. д. 

Поэтому для подтверждения эффективности продукта проводятся испытания. Для гидравлического пресса наиболее важным испытанием является испытание на герметичность. Испытание начиналось с первоначального заполнения насоса. После этого производилась закачка жидкости. Это происходило без нагрузки. Машина оставалась в таком положении в течение двух часов. 

Затем машина подвергалась нагрузке 10 кН, создаваемой двумя пружинами сжатия с постоянной жёсткостью 9 Н/мм каждая, расположенными параллельно между плитами. Пружины затем сжимались в осевом направлении до длины 100 мм. Такая конструкция выдерживалась два часа и наблюдалась на предмет утечек. Утечек в системе не наблюдалось, поскольку нижняя плита не опускалась из исходного положения. 

4.Заключение 

Был спроектирован, изготовлен и откалиброван 30-тонный гидравлический пресс. Испытания машины подтвердили её соответствие проектным требованиям и эксплуатационную пригодность. Машина показала удовлетворительные результаты при испытательной нагрузке 10 кН. Дальнейшие испытания при проектной нагрузке ещё не проводились.

5.Анализ отказов

5.1 Обзор

При анализе выхода из строя главного цилиндра четырехколонного гидравлического пресса заслуживают внимания следующие моменты:

●Углубленный анализ схемы гидравлической системы в сочетании с соответствующей таблицей действия электромагнита и связанными с ней принципиальными схемами позволяет разработать полный рабочий механизм схемы и в то же время правильно понять цель и идеи проектирования схемы, принятые технические меры и связанную с этим предысторию.

● Сопоставьте принципиальную схему работы гидравлического пресса с реальным объектом, чтобы сформировать определённое представление. Принципиальная схема трубопровода в гидравлической системе часто сильно отличается от реального объекта. По возможности, чётко определите взаимосвязь между схождением отверстий клапанов на клапанной пластине и сопротивлением барьера. Эти факторы тесно связаны с проверкой цепи.

●Обратитесь к соответствующим книгам и материалам, чтобы найти основу для оценки характеристик гидравлических устройств, а затем оцените их.

● Используя соответствующие веб-страницы, книги и руководства по эксплуатации оборудования, изучите механизм отказа и соответствующие методы аналитического тестирования.

●Анализ отсутствия давления в главном цилиндре

Как показано на рисунке, главный цилиндр четырёхколонной гидравлической машины использует клапан наполнения жидкостью для быстрого опускания. Главный цилиндр часто не поддерживает давление. Эта машина предъявляет требования к поддержанию давления и, как правило, требует падения давления <2–3 МПа в течение 10 минут.

Анализ: Если главный цилиндр не держит давление, это, скорее всего, утечка масла под давлением. Согласно схемотехническому анализу, она связана с масляным контуром, и существует не более пяти компонентов, вызывающих утечку.

●Трубы и соединения: напряжение, плохая сварка, трещины и т. д.;

● Обратный клапан давления: плохая герметизация;

●Корпус заливочного клапана: плохое уплотнение или неплотное прилегание седла клапана;

●Шток толкателя масла управления заправочным клапаном: немного длиннее, поднимите и разгрузите малую катушку

●Поршень главного цилиндра (направляющая втулка): повреждено уплотнительное кольцо.

Метод исключения: По результатам анализа проверяйте и исключайте от простого к сложному, снаружи внутрь.

Сначала проверьте трубопроводы и соединения (от простого к сложному, снаружи внутрь) и выполните предварительную сварку на предмет некачественной сварки и трещин. Рекомендуется снять уплотнительные кольца на стыках и нагреть отводы кислородной сваркой до покраснения. Слегка наденьте гайку и дождитесь остывания и схватывания перед сборкой.

При отсутствии дефектов в трубопроводах и соединениях проверить обратный клапан (снаружи и изнутри), снять заглушку обратного клапана, отшлифовать его уплотнительную полость, притереть к седлу клапана, очистить и собрать.

После проверки обратного клапана, если главный цилиндр по-прежнему не может удерживать давление, проверьте контрольный клапан заправочного клапана (снаружи и изнутри), снимите шток управления маслом и заблокируйте контрольный клапан, чтобы проверить, поддерживается ли давление; Если давление невозможно удерживать, чтобы убедиться, что паттер длинный, отшлифуйте конец паттера. После проверки толкателя давление не удерживается. Следует проверить заправочный клапан. Основная цель — проверить, не ослаблены ли уплотнительная линия и седло. Отполируйте, отшлифуйте или переберите седло. 

После проверки заправочного клапана давление не удерживается, а уплотнительное кольцо главного цилиндра оказывается поврежденным. Его можно снять и заменить.

Видеодемонстрация