НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Д.т.н. Складчиков Е.Н., инж. Артюховская Т.Ю.

Особенностью разделительных операций, выполняемых на кривошипных и иных прессах является быстрый рост технологической силы в начале операции и практически мгновенное её исчезновение (срыв силы). Это является причиной интенсивного динамического процесса, при котором детали главного исполнительного механизма, главного привода и станины нагружаются знакопеременными силами и моментами. Шатун кривошипно-ползунного механизма при росте технологической силы подвергается сжатию, при этом нагружается его стержневая часть. После срыва технологической силы на шатун действует знакопеременная, медленно затухающая сила, причём эта сила в фазе растяжения (сила отдачи) соизмерима с силой в фазе сжатия. При растяжении шатуна нагружается не только стержневая её часть, но и элементы кривошипной головки. Последняя обладает значительно меньшей несущей способностью, чем стержневая часть и потому часто разрушается [1]. Это приводит к необходимости уменьшать фактическую силу нагружения кривошипных прессов против номинальной. Как указывается в [2] на прессах с номинальной силой P_Н < 2 МН максимальная сила вырубки не превосходит (0,80…0,85)P_Н, с номинальной силой P_Н=2-4 –(0,4…0,55)P_Н, с номинальной силой P_Н >4 МН – (0.35…0,45)P_Н. Загрузка пресса номинальной силой приводит к ухудшению точности штамповки, повышенному износу инструмента, сильным вибрациям и выходу прессов из строя.

Для определения путей уменьшения силы отдачи на шатуне было исследовано влияние основных параметров пресса на величину силы отдачи. Исследование выполнено для пресса К3040 с номинальной силой 10 МН, изготавливаемого на ЗАО ВЗТМП. Его схема показана на рис. 1.

Пресс содержит асинхронный двигатель 14; клиноремённую передачу 2; маховик 3; зубчатые передачи 4, 5, 6; две ветви главного исполнительного механизма, включающие подшипниковые опоры кривошипа 7 и 8, кривошипы в виде эксцентриков 9 и 10, шатуны 11 и 12 с кривошипными 13,14 и ползунными 15,16 головками, ползун 17 в направляющих 18 и 19; станину, включающую траверсу 20, стойки 21, стол 22; приводной вал 23, смонтированный в подшипниковых опорах 24 и 25; муфту включения 26 и тормоз 27. Пресс смонтирован на фундаменте 28.

Деформирование заготовки осуществляется в штампе, верхняя часть которого закреплена на ползуне 17, а нижняя – на столе 22, при двойном ходе ползуна. Ползун совершает ход при включении муфты 26 и останавливается в конце хода вверх тормозом 27.

Влияние основных параметров пресса на величину силы отдачи было выполнено путём математического моделирования в среде программного комплекса (ПК) анализа динамических систем ПА9 [3], адаптированного к области кузнечно-штамповочного оборудования. Адаптация выполнена разработкой математических моделей (ММ) типовых конструктивных элементов кузнечно-штамповочного оборудования и включением их в библиотеку ММ ПК ПА9 [4]. В числе прочих ММ была разработана и включена в библиотеку специализированная модель кривошипной головки шатуна, в которой учтены особенности её работы в составе кривошипного пресса: наличие ограниченной зоны прилегания к эксцентрику, наличие жёсткой зоны головки в месте перехода в тело шатуна [5].

 Рис. 1

Топология пресса К3040 показана на рис.2. В таблице 1 показано поэлементное соответствие пресса и модели.

Результаты моделирования в виде графиков перемещения ползуна, силы деформирования и силы на левом шатуне приведены на рис. 3. Согласно им при максимальной силе деформирования 7 МН сила отдачи составила 2,124 МН.

Рис. 2

Для исследования влияния параметров пресса на силу отдачи на шатуны было выполнено моделирование с варьированием масс ползуна, траверсы, стола; жесткости стоек станины и фундамента. Варьирование названных параметров назначалось в пределах ±20% от их значений для спроектирован-

ного образца пресса К3040. Результаты исследования приведены в таблицах  2-6.

Таблица 1

Рис. 3

Таблица 2. Влияние массы ползуна на силу отдачи на шатуне

Таблица 3. Влияние массы траверсы на силу отдачи на шатуне

Таблица 4. Влияние массы стола на силу отдачи на шатуне

Таблица 5. Влияние жёсткости стоек на силу отдачи на шатуне

Таблица 6. Влияние жёсткости фундамента на силу отдачи на шатуне

Согласно полученным данным основные параметры пресса влияют на силу отдачи:

- с уменьшением массы стола на 20% сила отдачи уменьшается в пределах 5,2%,

- с уменьшением массы траверсы на 20% сила отдачи уменьшается в пределах 3,4%,

- с увеличением массы ползуна на 20% сила отдачи уменьшается в пределах 1,1%,

- с увеличением жёсткости фундамента на 20% сила отдачи уменьшается в пределах 2,9%,

- с изменением жёсткости стоек сила отдачи практически не меняется.

Для изучения совокупного изменения названных параметров на силу отдачи была выполнена их оптимизация методом Нелдера-Мида (деформируемого многогранника). Начальная точка поиска - исходные значения параметров. Наименьшее значение силы отдачи - 1549507,8 Н, что на 27% ниже исходного. Оптимальные параметры и их относительные изменения оказались равными:

- масса стола 20542,4 кг, -45%;

- масса траверсы 24348,4 кг, -19%;

- масса ползуна 27405,0 кг, +9,6%;

- жёсткость фундамента 1,28×10⁹ Н/м, +28%;

- жёсткость стоек 1,28×10⁹ Н/м, +28%;

- жёсткость стоек 1,01×10¹⁰ Н/м, +1%.

Проведённые исследования показали, что существуют значительные резервы снижения силы отдачи на шатунах кривошипных прессов в условиях разделительных операций, расширения технологических возможностей кривошипных прессов и повышения их прочности и долговечности.

Литература:

1. Ланской Е.Н., Позняк Г.Г. Динамические процессы при разгрузке кривошипных прессов. Кузнечно-штамповочное производство, 1966 ╧11.

2. Живов Л.И. Динамические перегрузки и устойчивость вырубных прессов. Кузнечно-штамповочное производство, 1971 ╧6.

3. Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование. Учебник для вузов/Под ред. Л.И. Живова– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006,-560 с.

4. Складчиков Е.Н., Уваров М.Ю. Моделирование кузнечно-штамповочного оборудования средствами программного комплекса анализа динамических систем ПА-7. –М.:МГТУ, 1993. –76 с.

5. Артюховская Т.Ю., Складчиков Е.Н. Разработка математической модели кривошипной головки шатуна пресса для разделительных операций. Кузнечно-штамповочное производство, 2000 ╧11.