Создание систем надежного крепления рабочих цилиндров гидравлических прессов

17 Октября 2012

В гидравлических прессах для обеспечения высоких эксплуатационных показателей рабочих цилиндров последние должны быть правильно и надежно закреплены в неподвижной поперечине. В большинстве случаев узел крепления находится в зоне фланца и выполняется жестким. Однако при подаче жидкости высокого давления в рабочий цилиндр, вследствие его удлинения, в осевом направлении между кольцевыми поверхностями фланцевого крепления и буртом цилиндра образуется зазор. При сбросе давления из рабочего цилиндра этот зазор исчезает, вызывая появление ударных явлений в зоне фланцевого крепления. Вследствие этого со временем фланцевое крепление и бурт цилиндра начинают разрушаться.

Для ликвидации указанных разрушений необходимо устранить причину их появления - жёсткое крепление цилиндра во фланцевой зоне. Это может быть достигнуто путём внедрения следующих технических решений:

• узел крепления рабочего цилиндра 1 к верхней неподвижной поперечине 2 (рис. 1) размещается на донной части рабочего цилиндра 1 и представляет собой установленные на опорной плите 3 с проставкой 4 торсионные шпильки 5, каждая из которых ввинчивается в корпус рабочего цилиндра 1;
• между опорной плитой 3 и гайкой 6 каждой шпильки 5 установлены пружина 7 и дистанционное кольцо 8.

Основным условием нормальной работы узла крепления рабочего цилиндра 1 к верхней неподвижной поперечине 2 является предварительная затяжка шпилек 5, с помощью которых это крепление осуществляется. При этом упругое удлинение шпилек 5 должно превышать осевое удлинение рабочего цилиндра 1 под действием давления жидкости в нём.

Расчёт узла крепления рабочего цилиндра к верхней неподвижной поперечине ведут в такой последовательности:

1. Определяют объём корпуса рабочего цилиндра

где W_ст - объём стенки корпуса рабочего цилиндра гидравлического пресса

h_ст - высота стенки корпуса цилиндра (h_ст = 4 · D_пл ), м;

W_дн - объём донной части корпуса рабочего цилиндра пресса (W_дн = 0,785 · D_н · h_дн), м³;

W_б - объём бурта рабочего цилиндра гидравлического пресса

2. Определяют объём плунжера рабочего цилиндра

где h_пл - высота плунжера рабочего цилиндра (h_пл = 5 · D_пл), м.

3. Определяют вес цилиндра с плунжером

где р - плотность стали (р = 7850), кг/м³;

g - ускорение свободного падения (g = 9.8), м/с².

4. Определяют усилие, действующее на одну шпильку узла крепления рабочего цилиндра к верхней неподвижной поперечине.

Задаются количеством шпилек, необходимых для удержания цилиндра с плунжером, которое принимают в диапазоне п_шп = 8...12 штук. Усилие Р1_шп, действующее на одну шпильку, её минимальную площадь f_min поперечного сечения и диаметр d_шп можно определить по формулам

[σ_p] - допускаемые напряжения растяжения в шпильке ([σ_p] = 200), МПа.

По ГОСТ 9150-80 на резьбы метрические выбирают ближайший размер резьбы шпильки.

6. Определяют наибольшее удлинение стенок цилиндра при подаче в него номинального давления

где Р_п - номинальное усилие рабочего цилиндра, МН;

Е_ст — модуль упругости стали (E_ст ≈ 2 · 10⁵), МПа;

F_ст - площадь поперечного сечения стенки корпуса рабочего цилиндра

7. Определяют наибольшее задаваемое удлинение шпилек

8. Определяют длину гладкой части шпилек, подвергающуюся растяжению

9. Определяют угол поворота гайки при затяжке шпилек

где t_p - шаг резьбы (t_p = 1...2), мм.

10. Определяют суммарное усилие затяжки шпилек

11. Проверяют напряжения сжатия в проставке

где D_пв, D_пн - соответственно, внутренний и наружный диаметры проставки,

[σ_сж] - допустимые напряжения сжатия материала проставки ([σ_сж] = 80), МПа.

Осевое удлинение рабочего цилиндра можно компенсировать не только упругими свойствами материала шпилек, но и упругостью жидкости путём применения гидрокомпенсационного устройства по следующей схеме (рис. 2).

Гидрокомпенсационное устройство [1] установлено на опорной плите 3 с проставкой 4 неподвижной поперечины 2 и выполнено в виде поршневых цилиндров 5. Их надпоршневые полости соединены с подводящей гидролинией рабочего цилиндра 1 пресса, образуя сообщающиеся полости, а подпоршневые - с высоким давлением. Поверхности контакта штоков 6 цилиндров 5 выполнены сферическими, с возможностью взаимодействия с рабочим цилиндром 1 через опоры 7.

Подпоршневые полости цилиндров 5 всегда находятся под высоким давлением.

При подаче жидкости высокого давления в рабочий цилиндр 1 происходит его осевое удлинение. Т.к. надпоршневые полости цилиндров 5 соединены с подводящей гидролинией рабочего цилиндра 1, то усилие со стороны цилиндров 5 приводит к компенсации зазора между буртом цилиндра 1 и неподвижной поперечиной 2. При сбросе давления из рабочего цилиндра 1 давление в поршневых полостях цилиндров 5 также падает, возвращая штоки 6 в исходное положение.

Величину хода штока 6, необходимую для компенсации удлинения рабочего цилиндра 1 в осевом направлении, можно определить по следующей формуле:

где k₃ - коэффициент запаса (выбирается в диапазоне 1.25... 1.50).

Если подсчитать величину Δl_шп по приведённой формуле, то её значение для ковочного гидравлического пресса усилием 30 МН составит около 1 мм, для пресса усилием 60 МН - 1,9 мм, пресса усилием 100 МН - 3,2 мм.

Таким образом, правильно выбранное и надёжное крепление рабочего цилиндра гидравлического пресса к верхней неподвижной поперечине обеспечивает повышение работоспособности, долговечности и надёжности работы узла рабочего цилиндра и гидравлического пресса в целом.

Е.С. Корчак, к.т.н., М.С. Пеженко
Журнал «Станочный парк», июнь 2011

Литература:

1. Патент 32122. Украина, МПК В21 J9/00. Узел крепления рабочего цилиндра гидропресса к верхней неподвижной поперечине/ Е.С. Корчак. - № U200712376. Заяв. 07.11.2007. Опубл. 12.05.2008. Бюл. №9.