Реконструкция оборудования пресса предварительной формовки ТЭСА 1020 ОАО «ВМЗ» для производства труб диаметром 820 мм и толщиной стенки 30 мм

Так как I₁ = I₃,  o = 1, то получаем

М₀ = М_п / 2(1 / (1 + v)) = 8,71 / 2(1 / (1 + 5,8)) = 0,34 МН м

М₁ = М_п /2(1/(1 + ((3 + v)v) / (3^.o+(2–o)v))) = 8,71/2(1/(1+((3^.1+5,4)5,4)/(3^.1+(2–1)5,4))) = 1,03 МН м

М₃ = М_п /2(1/(1+((3^.o+v)v)/(3^.o+(2^.o–1)v))) = 8,71/2(1/(1+((3^.1+5,4)5,4)/(3^.1+(2^.1–1)5,4))) = 1,03 МН м

v = (I₁ / I₂)(g / ((t + e)/2)) = (1,69 / 0,46)(1,36/((2,86 + 5,85)/2)) = 5,4

  Определим напряжения, возникающие в поперечинах и стойке станины при прокатке металла в валках. Поперечины подвергаются изгибу от действия сил Y и моментов М₁ и М₃. Расчетные изгибающие моменты и растягивающие напряжения в середине верхней поперечины:

М_в = М_п - М₁ = 8,71 - 1,03 = 7,68 МН м

σ_в = M_в / W₁ = 7,68 / 2,6 = 2,95 МПа

в середине нижней поперечины:

М_н = М_п - М₃ = 8,71 - 1,03 = 7,68 МН м

σ_н = M_н / W₃ = 7,68 / 2,6 = 2,95 МПа

   Моменты сопротивления сечений  верхней и нижней поперечин и стойки:

W₁ = W₃ = в ^. h² / 6 = 1,3 ^. 2,5² / 6 = 2,6 м³

W₂ = h ^. в² / 6 = 2,5 ^. 1,3² / 6 = 0,7 м³

   Под действием моментов стойка изгибается внутрь окна станин, поэтому на внешней стороне стойки будут возникать напряжения сжатия, а на внутренней стороне стойки - напряжения растяжения. Для среднего по высоте стойки горизонтального сечения суммарное растягивающее напряжение:

σ_г = F_в / 2^.Y₂ + ((M₁ + M₃) / 2^.W₂) = 8 / 2 ^. 3,25 + ((1,03 + 1,03) / 2^. 0,7) = 2,7 МПа

      Площадь сечения стойки, верхней и нижней поперечин:

Y₁ = Y₃ = в ^. h = 1,3 ^. 2,5 = 3,25 м²

Y₂ = h ^. в = 2,5 ^. 1,3 = 3,25 м²

      Коэффециент запаса прочности:

n = σ_в / σ_max = 500 / 2,95  = 169

      Расчетные допускаемые напряжения принимают равными: для станин из стали [σ] = 50-60 МПа, станина изготовлена из стали 35Л, предел прочности которой равен 500-600 МПа. Жесткость, определяемая величиной упругой деформации при прокатке, имеет большое значение. Результирующий прогиб поперечин жесткой рамы от изгиба равен для верхней поперечины:

f_в = (В₁² / 8^.E^.I₁)((F_в^. В₁ / 6) – M₁) + 1,2(F_в^. В₁ / 4^.G^.Y₁) = (2,86² / 8^. 2^.10^5.1,69)((8^.2,86 / 6) – 1,03) +

+ 1,2(8^.2,86 / 4^. 0,75^.10^5. 3,25) = 0,22 мм

     Модуль упругости (модуль Юнга): Е = 2^.10⁵ МПа

     Модуль сдвига:G = 0,75^.10⁵ МПа

Для нижней поперечины:

f_н = (B₂² / 8^.E^.I₃)((F_в^. B₂ / 6) – M₃) + 1,2(F_в^. B₂ / 4^.G^.Y₃) = (5,85² / 8^. 2^.10^5. 1,69)((8^. 5,85 / 6) – 1,03) +

+ 1,2(8^. 5,85 / 4^. 0,75^.10^5.3,25) = 0,31 мм

f_п = f_в + f_н = 0,31 + 0,22 = 0,53 мм

  Горизонтальная деформация  от растяжения стойки станины: 

f₂ = F_в^.H₁ / 2^.Y₂^.E = 8^.6,5 / 2^.3,25^. 2^.10⁵ = 0,4 мм

  Суммарная вертикальная деформация  станины: 

f_cт  = f_п + f₂ = 0,53 + 0,4 = 0,93 мм ≤ 1,0 мм

f_cт ≤ [f]

Величина деформации не должна превышать 0,6 – 1,0 мм.

    Конструктивная упругая жесткость станины (модуль жесткости):

С_m = F_в / f_cт = 8 / 0,93 = 8,6 МН/мм

     Её значение должно составлять от 5 до 20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 

Рисунок 3.14 Расчетная схема

 

3.9 Кинематические и силовые параметры гидроцилиндра

 

      Усилия формовки  трубы типоразмером 820 х 30 мм из стали Х60 приведены в таблице 3.8. Проводится расчет параметров гидросистемы вертикальной и горизонтальной гибочной балки. Далее приводится методика расчета гидросистемы вертикальной балки, а для горизонтальной результаты будут приведены в таблицах. Сначала определяем общее максимальное усилие развиваемое гидроцилиндрами:                            

F_max = F ^. К_з = 31,4 ^. 1,02 = 32 МН

      Так как усилие  формовки развивается четыремя гидроцилиндрами, то усилие развиваемое одним цилиндром будет равно:

F_п = F_рас / 4 = 32 / 4 = 8,5 МН

                                                                                                     Таблица 3.8 параметры гидросистемы

балка	Усилие формовки F, МН	Усилие гидроцилиндра Fг, МН	Диаметр поршня Dp, мм	Диаметр штока dш, мм	Общее усилие гидроцилиндров Fmax, МН	Давление системы Р, МПа
Вер.	31,4	8,5	0,63	0,441	32	32
Гор.	1,61	0,75	0,2	0,16	2	32

 

 

     Рассчитываем предварительный  диаметр поршня (рисунок 3.15):

D_p = 1,13(к_зу ^. F_п / η ^. р_раб)^1/2 = 1,13(1,2 ^. 8500000 / 0,85 ^. 32000000)^1/2 = 0,59 м

По ГОСТ 6540-68 выбираем диаметр поршня равный 630 мм. Коэффициент запаса к_зу равен 1,2; КПД равен 0,85.

     Расчетное давление  в гидросистеме по справочным  данным и данным указанным  в документах на пресс предварительной  формовки П9045 принимаем равным  р_раб = 32 МПа.

Тогда расчетный диаметр штока  определяется из условия d_ш / D_п = 0,7, это условие задается для проектного расчета исходя из условий работы гидроцилиндра, выбранного давления и усилия.

d_ш = 0,7 ^. D_п = 0,7 ^. 630 = 441 мм

По ГОСТ 6540-68 выбираем диаметр штока равный 500 мм. Полное усилие формовки равно сумме сил формовки, трения и инерции.

F_рас = P + 4 ^. F_тр - F_ин = 32000000 + 4 ^. 2439 - 26095,8 = 31983660,2 Н

    Сила инерции определяется  по второму закону Ньютона: 

F_ин = m ^. а = 3261977,6 ^. 0,008 = 26095,8 Н.

    Масса пуансона находиться  через его вес, как отношение  усилия формовки к ускорению  свободного падения:

m = Р / g = 32000000 / 9,81 = 3261977,6 кг.

    Ускорение векторная  величина равная отношению очень  малого изменения скорости к  промежутку скорости, за которое оно произошло:

а = (υ_раб – υ_хол) / t = (0,05 – 0,1) / 6,3 = - 0,008 м/с².

   Значения скоростей и  величин ходов рабочего инструмента  определяются по справочным документам на пресс, они приведены в таблице 3.9.

 

                                                 Таблица 3.9 Основные кинематические характеристики пресса

балка	Скорость холостого  хода υхол, м/с	Скорость рабочего хода υраб, м/с	Скорость возвратного  хода υвоз, м/с	Величина холостого  хода Нхол, м	Величина  рабочего хода Нраб, м	Величина  возвратного хода Нвоз, м	Время рабочего хода t, с
Вер	0,1	0,05	0,18	1	0,315	1,315	6,3
гор	-	0,02	0,06	-	0,677	0,677	15

 

   Сила трения будет возникать  в местах контакта поршня и  штока с гидроцилиндром там,  где установлены уплотнения. Поэтому сила трения будет состоять из двух слагаемых: 

F_тр = к ^. F_п / D_п + к ^. F_п / d_ш = 0,8 ^. 8500000 / 0,63 + 0,8 ^. 8500000 / 0,5 = 2439 Н

В этой формуле к – опытный  коэффициент равный 0,8. Этот коэффициент  принимается по справочным данным приведенным в книге «Гидропривод: Учебное пособие для практических занятий». Полное усилие необходимое развить, для того чтобы обеспечить формовку, то есть с учетом потерь:

F_пол = F_рас / η = 31983660,2 / 0,85 = 32627835,5 Н.

Полное усилие, развиваемое одним  гидроцилиндром:

F_пол^г = F_пол / 4 = 37627835,5 / 4 = 8406958,8 Н.

 

                                                       Таблица 3.10 Результаты расчета усилий гидроцилиндра

балка	Сила инерции Fин, МН	Масса инструмента m, т	Ускорение а, м/с2	Сила трения Fтр, Н	Полное расчетное усилие Fрас, МН	Полное усилие Fпол, МН	Полное усилие цилиндра Fполг, МН
Вер	0,026	3,3	- 0,008	2439	31,9	32,6	8,4
гор	0,0092	0,2	0,045	675	1,99	2,34	0,59

 

Определяем расчетное давление жидкости по закону:

р_рас = F_пол / А = Р / 0,785 ^. D_п² = 32627835,5 / 0,785 ^. 0,63² = 33711464,8 Па = 33 МПа

Уточняем диаметр поршня по формуле:

D_п = (4 ^. F_пол^г / π ^. р_рас)^1/2 = (4 ^. 8406958,8 / 3,14 ^. 33711464,8)^1/2 = 0,624 м.

По ГОСТ 6540-68 выбираем диаметр поршня равный 630 мм.

Уточняем диаметр штока: d_ш = D_п (1 -  (υ_раб / υ_воз))^1/2 = 0,63(1 -  (0,05 / 0,18))^1/2 = 0,5 м.

По ГОСТ 6540-68 выбираем диаметр штока  равный 500 мм.

Расход жидкости при рабочем  ходе:

Q = υ_раб ^. А_п = υ_раб ^. 0,785 ^. D_п² = 0,05 ^. 0,785 ^. 0,63² = 0,015 м³/с = 900 л/мин.

Расход жидкости при возвратном ходе:

Q = υ_воз ^. А_п = υ_воз ^. 0,785 ^. (D_п² – d_ш²) = 0,18 ^. 0,785 ^. (0,63² – 0,5²) = 0,02 м³/с = 1200 л/мин.

 

 

 

 

 

 

 

                                                   Таблица 3.11 Диаметры и расходы жидкости

балка	расчетное давление ррас, МПа	Уточненный диаметр поршня Dп, мм	Уточненный диаметр  штока dш, мм	Расход жидкости при  рабочем ходе Qраб, л/мин	Расход жидкости при холостом ходе Qхол, л/мин	Расход жидкости при  возвратном ходе Qвоз, л/мин
Вер	33	0,63	0,5	900	1860	1200
гор	33	0,2	0,16	628	-	753

 

По каталогу выбираем аксиально-поршневой насос нерегулируемого типа НА-4М 34/200 с рабочим давлением 34 МПа и подачей 200 л/мин. Для обеспечения рабочего расхода 1860 л/мин необходимо установить пять спаренных насосов.

 

3.10 Выбор насоса

 

Рассчитываем рабочий объем насоса:

V_o = Q / n ^. η_o = 1860 / 980 ^. 0,94 = 1,94 л = 1940 см³

По справочнику номинальную  частоту вращения принимаем равной n = 980 об/мин, объемный КПД для аксиально-поршневого насоса на 0,94, а общий КПД 0,98.

Диаметр одного поршня:

d_o = (4 ^. V_o / π ^. z^{2 .} 0,4 ^. sinβ)^1/3 = (4 ^. 1,94 / 3,14 ^. 9^{2 .} 0,4 ^. 0,5)^1/3 = 5,5 см = 55 мм

Число поршней z = 9 при угле наклона цилиндра β = 30⁰.

Диаметр окружности расположения осей цилиндров блоке:

D = 0,4 ^. d_o ^. z = 0,4 ^. 55 ^. 9 = 198 мм

Наружный диаметр блока цилиндров: