3.2. Обоснование возможности создания конструкций

незаклинивающихся кривошипных прессов

Нежелательность проявления заклинивания, вызывающего, как уже отмечалось, серьезные нарушения хода нормальной эксплуатации кривошипных прессов, обуславливает самые разные пути борьбы с этим явлением.

Как всегда, в таких случаях самым радикальным решением проблемы было бы напрашивающееся решение вопроса создания таких прессов, которые в ходе работы не могли бы заклиниваться, т.е. создания незаклинивающихся кривошипных прессов. И если такое возможно, то какие же условия должны быть выполнены, чтобы такое техническое решение стало реальным.

Основание для постановки такого вопроса обусловлено следующими обстоятельствами.

Как следует из сказанного ранее, основным фактором, определяющим заклинивание пресса, является наличие трения в шарнирах (подшипниках) кривошипно-шатунного механизма и сопутствующим − непременная остановка кривошипного вала в зоне угла трения.

Таким образом, постановка задачи создать незаклинивающийся кривошипный пресс выглядит казалось бы нереальной, поскольку создать кривошипно-шатунный механизм без трения в шарнирах не представляется возможным.

Однако следует обратить внимание на указанный сопутствующий фактор. Возможно ли создать такой пресс, у которого исключалась бы остановка кривошипного вала в зоне угла трения? При этом имеется в виду, что пресс находится в исправном состоянии и его маховик разогнан до такого числа оборотов, чтобы совершить рабочий ход.

Очевидно, что такое возможно лишь в случае, если муфта включения будет передавать момент, достаточный, чтобы преодолеть действующую на ползуне силу. Однако, поскольку заклинивание чаще всего происходит при перегрузке, то и момент этот должен быть достаточным, чтобы преодолеть силу перегрузки, т.е. муфта не должна в этом случае проскальзывать и при перегрузке пресса по силе.

Это условие должно выполняться, во всяком случае, для положений кривошипа, соответствующих углу трения. Данное обстоятельство не очень опасно для прочности деталей пресса, поскольку этот угол довольно мал и приращение силы на этом участке не может быть столь существенным. В то же время для всего периода работы пресса такое условие неприемлемо, поскольку отсутствие проскальзывания муфты приведет к тому, что вся кинетическая энергия маховика пойдет на нагружение пресса, что для положений кривошипа, удаленных от крайнего нижнего положения, неизбежно приведет к поломке пресса.

В связи с тем, что из-за скоротечности процесса вряд ли возможно обеспечение выполнения рассматриваемого условия за счёт регулирования момента муфты по ходу работы пресса (например, управлением давлением подводимого сжатого воздуха). Остается лишь путь, заключающийся в поиске характеристик самого пресса с требуемым для достижения желаемого результата их соотношением.

С целью реализации этой идеи, рассмотрим возможные случаи взаимного расположения графиков конечных сил перегрузки Р_к и сил Р_м, соответствующих моменту проскальзывания муфты, в функции угла поворота кривошипа α.

В зависимости от конструктивных параметров прессов и коэффициентов трения в подшипниках кривошипного вала принципиально возможны три случая взаимного расположения графиков и (рис. 3.2).

В первом случае график лежит под графиком (рис. 3.2, линия «а-б»), во втором – над ним (линия «в-г») и в третьем – график пересекается с графиком (линии «л-п» и «е-д»).

Если график лежит под графиком , то в этом случае муфта всегда развивает момент, превосходящий создаваемый на кривошипном валу дей-ствующей на ползуне силой.

С позиции идеи «незаклинивания» этот случай наиболее благоприятный, т.к. момент муфты в состоянии далее проворачивать кривошипный вал.

Рис. 3.2. Примеры взаимного расположения графиков и

кривошипных прессов

Однако это может иметь место только при чрезмерно малых энергетических возможностях пресса, т.к. неизбежно в этом случае должен остановиться и маховик.

Следовательно, первый случай не может нами рассматриваться при создании незаклинивающихся кривошипных прессов.

Во втором случае, когда график лежит выше графика , все остановки кривошипного вала происходят, когда момент муфты не в состоянии превзойти момент на этом валу от действия на ползуне силы .

Следовательно, если остановка состоялась в зоне угла трения, то неизбежно наступит заклинивание пресса.

Наибольший интерес представляет третий случай, когда графики и пересекаются (точка пересечения «m»). В этом случае на участке, характеризуемом линией «m-д» (α > α_пер..), после остановки ползуна будут происходить либо его отскоки, если окажется, что α_к (угол остановки криво-шипного вала) будет больше α_3mах, либо наступит заклинивание пресса, если окажется, что α_к будет меньше α_3mах.

Поскольку точка "m" является общей для графиков и , то это особая точка, для которой характерны, с одной стороны, остановка ползуна при усилии _., а с другой – дальнейшее движение ползуна, поскольку проскальзывающая муфта передает момент, равный развиваемой на криво-шипном валу силой при .

Таким образом, если привод пресса не исчерпал своих энергетических возможностей при нагрузке (маховик вращается с достаточной скоростью), то, уже начиная с точки "m", соответствующей , кривошипный вал не остановится, а будет продолжать вращение и ползун пройдет свое крайнее нижнее положение.

Следовательно, диапазон возможных углов заклинивания уменьшится на величину и составит

.

При этом, если окажется, что и энергия привода не будет полностью израсходована, то пресс в таких условиях не может быть заклинен.

Сказанное позволяет выделить два необходимых и достаточных условия незаклинивания кривошипных прессов

(3.1)

и

, (3.2)

где:

I – момент инерции ведущих масс привода, приведенный к оси маховика;

ω_м – угловая скорость маховика в момент, когда ;

М_р – расчетный момент, передаваемый проскальзывающей муфтой;

– средняя угловая скорость кривошипного вала на участке от до минус .

Зависимость (3.1) отражает первое условие незаклинивания – пересечение на участке нагрузки графиков наибольших сил, развиваемых прессом, и сил на ползуне, соответствующих моменту проскальзывающей муфты, при угле поворота кривошипа больше угла трения кривошипно-шатунного механизма.

Зависимость (3.2) отражает второе условие – достаточность энергии привода на проворот кривошипного вала нагруженного кривошипно-шатунного механизма, начиная с угла поворота кривошипа, определенного точкой пересечения приведенных графиков.

При расчетах можно пользоваться выражением

, (3.3)

отражающим укрупненно (в первом приближении) условие неостановки маховика в период нагружения пресса до положения α=α_пер.., где: ω и – номинальные угловые скорости маховика и кривошипного вала.

Это выражение получено из условия изменения кинетического момента ведущих масс привода при остановленном кривошипном вале за время вращения последнего на угле π/2.

Как показывают расчеты, запас энергии ведущих масс привода нормально функционирующих кривошипных прессов настолько велик, что второе условие незаклинивания выдерживается на всех существующих прессах.

Рассмотрим путь, который позволяет обеспечить выполнение требования, определенного первым условием незаклинивания.

Исключая из рассмотрения первый случай взаимного расположения графиков и , в остальных двух случаях, как показывает анализ, основным параметром, определяющим взаимное расположение указанных графиков, является коэффициент трения µ в подшипниках КШМ.

Чем меньше величина µ, тем больше вероятность пересечения этих графиков, а следовательно, и вероятность обеспечения условия незаклинивания пресса. Вероятность эта увеличивается еще и потому, что с уменьшением не только увеличивается угол α_пер., но и одновременно уменьшается угол α_3mах..

Сказанное определяет роль жидкой циркуляционной смазки, при которой коэффициент трения составляет 0,005 – 0,01 [37].

Расчеты показывают, что такой коэффициент трения позволяет выдержать требуемое условие незаклинивания.

На рис. 3.3 приведены графики и для кривошипного горячештамповочного пресса модели К8540 силой 10 МН (1000 тс) при использовании густой (графики с индексом «г») и жидкой (графики с индексом «ж») смазки.

Графики были приведены в качестве исходных в предыдущей главе.

Для построения графиков были использованы формулы работ [8], [22].

Отметим при этом, что данные графики построены по результатам расчетов для «жесткого» удара пресса, что является для анализируемого вопроса наиболее неблагоприятным случаем, поскольку наличие поковки увеличивает значение α_пер., т.к. график при этом располагается ниже, а график остается прежним.

Рис. 3.3. Графики Р_к и Р_м пресса модели К8540 силой 10 МН с густой

(сплошные линии) и жидкой (линии пунктирные) смазкой

Вычисление α_3mах = 13,38° для густой смазки и α_3mах = 2,23° для жидкой (по формуле, приведенной в работе [5]), позволило на последнем рисунке отметить зоны возможного заклинивания каждого из этих прессов.

Анализируя приведенные на рис. 3.3 графики и отмеченные зоны заклинивания, можно утверждать, что при густой смазке в процессе нагрузки пресс К8540 может быть заклинен в зоне углов 0 ≤ α ≤ 13,38°.

При жидкой смазке заклинить пресс невозможно, так как точка пересечения графиков и (точка «m») лежит вне зоны, определенной .

Второе условие незаклинивания, рассчитанное по формуле (3.3) выдерживается в обоих случаях.

Следовательно, если в процессе остановок кривошипного вала, предшествующих отскоку ползуна, а также в процессе замедленного его движения на участке 0 ≤ α ≤ α_пер. коэффициент трения подшипников КШМ не будет увеличиваться, то вероятность заклинивания этих прессов исключается.

Экспериментальная проверка изложенных положений, т.е. возможности создания незаклинивающихся прессов, на которых используется жидкая смазка, проводилась на модернизированном КГШП модели К862С силой 6,3 МН (630 тс).

В процессе модернизации двухступенчатый привод пресса был заменен на одноступенчатый, многодисковая муфта включения на однодисковую, встроенную в маховик с ретинаксовыми вставками, густая смазка – на жидкую, циркуляционную.

Втулки шатунных и коренных подшипников пресса были изготовлены без применения шабровки или какой-либо другой подгонки и имели обширные масляные карманы, расположенные в ненагруженных зонах, разность радиусов втулок и шипов в нагруженных зонах не превышала 0,03 мм, материал втулок – бронза марки ОФ10-1.

Для смазки подшипников использовалось масло ПС 28 вязкостью 0,2 Па∙с при температуре 50°С. Расход масла через каждый подшипник составлял 2 л/мин.

Исследования, проведенные путем измерения крутящего момента на эксцентриковом валу, показали, что коэффициент трения в подшипниках данного пресса при различных нагрузках, скоростях вращения вала и температуре до 80°С составляет 0,005–0,01.

В процессе экспериментов пресс нагружался с помощью гидро-нагружателя, в рабочей полости которого жидкость была заперта.

Осциллографировались давление жидкости в полости нагружателя (сила на ползуне), момент на эксцентриковом валу, давление воздуха в полости муфты, угол поворота эксцентрикового вала.

При осциллографировании использовались шлейфный осциллограф H117, усилитель 8АНЧ-7М, отметчик угла поворота α фотоэлектрического типа с дискретностью 3° и отметками положений кривошипа при и .

Момент на эксцентриковом валу и давление в полостях муфты и нагружателя измерялись с помощью тензометрических датчиков сопротивления.

Сила на ползуне дополнительно контролировалась измерителем ПБ-452.

Эксперименты проводились следующим образом.

Вначале, при нормальном рабочем давлении в ресивере муфты была достигнута такая регулировка (настройка) нагружателя и закрытой высоты пресса, которая создавала примерно номинальную нагрузку при прохождении ползуном крайнего нижнего положения. При этом, муфта пресса работала без проскальзывания дисков.

Затем, не меняя настройки нагружателя и регулировки закрытой высоты, пресс включали при пониженном давлении воздуха в ресивере пока не наступал момент, когда диски муфты начинали проскальзывать, пресс совершал при этом полный рабочий ход.

Дальнейшее незначительное (на 0,01 – 0,02 МПа или на 0,1–0,2кГ/см²) снижение давления воздуха в ресивере приводило к остановке ползуна вблизи крайнего нижнего положения или его отскоку. Так искусственно создавались условия для заклинивания пресса.

Вычисления проводились, исходя из параметров модернизированного пресса: I = 22 10⁵ кг·м²; I_вкл. = 0,636·10⁵ кГ·м²; R = 0,1м; λ = 0,151; = 15,72 рад·с^-1; С = 1,5·10⁶ кН·м^-1 (жесткость системы пресс-нагружатель) и данных осциллографирования: М_пр = 2,88·10⁴ Н·м (момент, передаваемый проскальзывающей муфтой); = 0,0061 (определяет = 0,277·10^-2м).

По результатам вычислениий построены графики и пресса для условий проведения экспериментов (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Графики и модернизированного пресса модели К862С

Из приведенных на этом рисунке графиков видно, что, если в процессе нагрузки коэффициент трения в подшипниках кривошипно-шатунного механизма не будет увеличиваться, то возможность заклинивания пресса будет исключена ( =1,38°; α_пер. = 1,42°; т.е. условие (3.3) выдержано с запасом).

В процессе экспериментов было совершено более 150 попыток заклинить пресс при = 15,72 рад·с^-1 (150 оборотов в минуту).

Примерно половина нагружений пресса была с проходом кривошипа крайнего нижнего положения, остальные – с остановкой непосредственно у крайнего нижнего положения и отскоком ползуна.

На рис. 3.5 приведены осциллограммы нагрузки пресса с проходом кривошипа крайнего нижнего положения (рис. 3.5,а), где М_к – значение момента на кривошипном валу, и с отскоком ползуна после его остановки в положении кривошипа 1,5°<α<3° (рис. 3.5, б).

Отскоки ползуна после остановок при 1,5°<α<3° и небольшая величина момента на участке 0°<α<3° свидетельствуют о том, что коэффициент трения (усредненный) в подшипниках в данных случаях не увеличивается. И, как следствие, остановки кривошипа в интервале углов 0<α<α_пер. не имеют места.

Последнее вполне подтверждается осциллограммой (рис. 3.5,а), на которой видно, что скорость(число оборотов) кривошипного вала в период α=0–3° уменьшилась в 15–16 раз по сравнению с начальной, но кривошип при этом прошел крайнее нижнее положение.

Осциллограммы, аналогичные приведенным, получены и для других чисел оборотов эксцентрикового вала (40–150 оборотов в минуту).

Попыток заклинить пресс при меньшем числе оборотов вала также было предпринято около 150 и ни одна из них не привела к заклиниванию.

Более того, было сделано около 100 нагружений на выбеге маховика при отключенном электродвигателе и частоте вращения маховика при которой происходила остановка пресса при минимальном недоходе кривошипа до крайнего нижнего положения.

Чуть менее половины таких нагружении сопровождались отскоком ползуна и реверсом маховика, остальные – проходом кривошипа крайнего нижнего положения при снижении (почти до нуля) частоты вращений маховика.

Однако, хотя пресс и не удалось заклинить в столь неблагоприятных для него условиях, контроль числа оборотов маховика будет являться полной гарантией обеспечения второго условия незаклинивания пресса.

Рис. 3.5. Осциллограммы, характеризующие процесс нагружения

пресса при 150 оборотах эксцентрикового вала в минуту

(1–сила на ползуне; 2–момент на эксцентриковом валу;

3–давление воздуха в полости муфты; 4–угол поворота

эксцентрикового вала)

Несмотря на опасения повреждения подшипников и других деталей пресса было сделано несколько нагружений пресса, превосходящих по величине номинальную силу в полтора раза, т. е. на пределе возможностей пресса. Однако и в этом случае пресс заклинить не удалось.

Отметим, что до модернизации (до замены густой смазки на жидкую) заклинить пресс К862С в условиях проведения экспериментов труда не составляло.

На основе выполненного исследования следует, что, несмотря на наличие трения в подшипниках реального кривошипно-шатунного механизма, создание незаклинивающихся кривошипных прессов возможно.

Условиями незаклинивания кривошипных прессов являются:

– пересечение на участке нагрузки при угле поворота кривошипа, большем по величине угла трения кривошипно-шатунного механизма, графиков наибольших сил, развиваемых прессом, и сил, соответствующих моменту проскальзывания муфты;

– достаточность энергии привода на проворот кривошипного вала нагруженного пресса, начиная с угла поворота кривошипа, определенного точкой пересечения указанных графиков.

Практическое выполнение этих условий достигается применением жидкой циркуляционной смазки, обеспечивающей коэффициент трения 0,005 – 0,01 (последнее должно непременно сопровождаться необходимой точностью изготовления узлов трения кривошипно-шатунного механизма и контролем режима смазывания подшипников), и контролем частоты вращения маховика пресса перед совершением рабочего хода.

На рис. 3.6 показан один из созданных Воронежским заводом тяжелых

механических прессов (ныне ЗАО «ТЯЖМЕХПРЕСС») КГШП (в данном случае пресс модели КВ8544 номинальной силой 25 МН), в конструкции которого реализована идея незаклинивания на основе использования жидкой смазки.

Эксплуатация прессов КГШП, работающих на жидкой смазке, полностью доказала справедливость результатов изложенного исследования.

Наглядным подтверждением этому служит опыт эксплуатации КГШП номинальной силой от 16 МН и до 80 МН на предприятиях Италии, Испании и Франции, где эксплуатируется свыше двухсот прессов, 80% из которых работают на жидкой смазке, Случаев заклинивания прессов, работающих на жидкой смазке, не зафиксировано, что убедительно доказывает правомерность идеи создания незаклинивающихся прессов.

Рис. 3.6. Кривошипный горячештамповочный пресс модели КВ8544

номинальной силой 25 МН (2500 тс)