3.6.2.6. Деформация станины

Деформация станины определяется как сумма деформаций составляющих ее элементов

(3.91)

3.6.2.7. Закрытые цельные станины

Закрытые цельносварные станины и станины с одной плоскостью разъема рассматриваются как замкнутые статически-неопределимые рамы, состоящие из стержней с геометрическими характеристиками сечений, постоянными по длине участков. Ширина рамы принимается равной расстоянию между осями стоек или шпилек, а высота приравнивается расстоянию между нейтральными осями поперечных сечений траверсы и стола.

Для станин со стяжными шпильками определение усилий, действующих на стяжные шпильки и стойки.

3.7. Расчет базовых деталей механических прессов с применением метода конечных элементов

Развитие современного машиностроения потребовало создания теории проектирования, охватывающей весь процесс конструирования машин и, в частности, применения систем автоматизированного проектирования (САПР).

Эта необходимость возникла в связи с усложнением машин и все более ужесточающимися требованиями и сроками ввода новых машин в эксплуатацию и соответствующим срокам их проектирования.

При проектировании наиболее ответственных деталей кривошипных прессов наибольшее применение в настоящее время получил метод конечных элементов (МКЭ). Для анализа с помощью МКЭ применяют специализированные САПР, в состав которых входят пре-процессор, решатель и пост-процессор.

Пре-процессор выполняет подготовку исходных данных для анализа, решатель осуществляет выбор метода и решение уравнений в постановке решения задач теории упругости в соответствии с исходными данными, а пост-процессор предназначен для анализа полученных результатов.

Работу решателей МКЭ в настоящей работе рассматривать нет необходимости, в виду того, что сейчас все уравнения и особенности МКЭ известны. Наибольшую трудность представляет отсутствие методик анализа данных конечно-элементного анализа реальных конструкций.

Расчет по МКЭ напряженно-деформированного состояния пресса проводят с использованием программного комплекса МАКС.

В качестве пре-процессоров современных САПР МКЭ, как правило, используют современные CAD-системы, позволяющие создавать трехмерные модели деталей и сборочных единиц. Остальные функции пре-процессоров, связанные с преобразованием геометрии в модель выполняют специальные программные модули, работа которых заключается в создании сетки конечных элементов для созданной модели.

Постпроцессор большинства САПР МКЭ позволяет отобразить на экране дисплея:

1) примененную для моделирования данного тела сетку конечных элементов;

2) картины пространственного распределения в рассматриваемом теле полученных в результате моделирования узловых характеристик нагруженного состояния;

3) интересующее пользователя численное значение той или иной узловой характеристики нагруженного состояния тела в конкретном узле;

4) любую увеличенную пользователем часть изображения;

5) информацию, относящуюся к выбранному сечению;

6) несколько окон для рассмотрения различных фрагментов детали и (или) анализируемых характеристик нагруженного состояния.

Рис. 54. Рабочее окно САПР МКЭ МАКС for Windows

Рис. 55. Рабочее окно системы SolidWorks, используемой в качестве препроцессора САПР МКЭ MAKC for Windows

Рис. 56. Рабочее окно постпроцессора

Для исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) пресса была смоделирована контактная система, состоящая из 12 тел – рис. :

1 – станина;

2 – плита подштамповая;

3 – опора эксцентрикового вала (букса);

4 – втулка в опоре;

5 – вал эксцентриковый;

6 – втулка;

7 – шатун;

8 – втулка;

9 – рычаг;

10 – ось;

11 – ползун;

12 – плита надштамповая.

При конечно-элементном анализе разъемной модели станины, в расчетную модель необходимо включить следующие тела:

1 – нагружатель (цилиндр);

2 – плита подштамповая;

3 – стол;

4 – шпилька;

5 – станина;

6 – букса;

7 – клин;

8 – вал эксцентриковый;

9 – шатун;

10 – рычаг;

11 – ось;

12 – ползун;

13 – плита надштамповая;

14 – нагружатель (пята).

Ввиду симметрии конструкции пресса и прикладываемых к нему внешних сил, как правило, рассматривается ¼ или ½ части конструкции. Конечноэлементные модели деталей пресса выполняются с допустимыми упрощениями. Расчеты проводят при нагружении пресса и его элементов силовыми потоками:

- затяжки станины (в случае разъемной станины);

- центрального технологического нагружения пресса гидронагружателем.

Центральное нагружение пресса гидронагружателем в конечно-элементной модели имитируется следующим образом: сверху на плоскость дна цилиндра и снизу на плоскость пяты нагружателя усилие равномерно распределяется по кругам соответствующего диаметра.

Величина нагрузки принимается равной ¼ от Рн, где Рн – номинальное усилие пресса. В расчетную модель сила затяжки станины (при анализе соответствующей конструкции) Рз вводится заданием отрицательного зазора (натяга)  между гайкой и столом при равных нулю значениях зазоров по остальным стыкам пресса, где  - суммарная вертикальная деформация станины и стяжных шпилек с гайками.

Величина натяга или суммарной вертикальной деформации станины и стяжных шпилек с гайками получается из промежуточного конечно-элементного расчета и соответствует силе затяжки, равной Рз = 1,2 Рн.

Затяжка станины. Вертикальные деформации втулки сварной станины и подшипника коренной опоры эксцентрикового вала определены по центральному продольному сечению станины верхней и буксы как разницы перемещений соответствующих точек поверхностей указанных деталей.

После затяжки станины необходимо гарантированно обеспечить вертикальный диаметральный зазор в коренных опорах эксцентрикового вала не менее

 = _D  D (3.92)

где: _D, мм/мм – принятое значение относительного зазора;

D, мм – диаметр вала (подшипника).

Исходный (до затяжки станины) минимальный зазор

_и =  +  (3.93)

где: , мм – принятое по результатам расчета значение вертикальной деформации подшипника при затяжке станины.

Анализ НДС. Анализ деформированного состояния элементов пресса проводят по значениям перемещений точек, показанных на рис. . В качестве параметров деформированного состояния вводятся деформации:

^k_i¸j = U^k_i - U^k_j, (3.94)

где k = x, y, z - символы координатных осей,

i¸ j - номера характерных точек станины,

U^k_i - перемещение i-й точки вдоль k-й оси.

Прогибы рабочих поверхностей плит надштамповой и подштамповой, стола и ползуна находятся по полученным расчетом по МКЭ значениям вертикальных перемещений соответствующих точек.

Абсолютное значение прогиба определяется по формуле:

^z_i¸j = U^z_i - U^z_j, (3.95)

где z – символ координатной оси,

i¸ j – номера характерных точек станины,

U^z_i – перемещение i-й точки вдоль оси z.

Значение относительного прогиба определяется по формуле:

 _I,j =  ^z _I,j / 2L _I,j (3.99)

где L _i,j – расстояние между точками i и j.

Картины рассчитанных характеристик могут иметь следующий вид (рис. ).

Рис. 57. Модель

а) станины и

б) исполнительного механизма

Рис. 58. Характерные точки для определения вертикальных деформаций и прогиба пресса

Рис. 59. Вертикальные перемещения станины пресса при затяжке	Рис. 60. Вертикальные перемещения станины пресса, подштамповой плиты и нагружателя при действии сил нагружения пресса и затяжки станины
Рис. 61. Вертикальные перемещения ГИМ при нагружении пресса